一种低轨道卫星网络的路由算法

低轨卫星网络路由算法与拓扑控制策略研究低轨卫星网络路由算法与拓扑控制策略研究随着卫星技术的不断发展和应用需求的增加，低轨卫星网络作为一种重要的通信手段已经广泛应用于地球观测、物联网、航天科学研究等领域。

在低轨卫星网络中，路由算法和拓扑控制策略是关键技术，对于提高卫星网络的通信性能和网络稳定性具有重要意义。

低轨卫星网络路由算法是指根据网络中的节点、链路状态和网络拓扑结构，选择合适的路径将数据从源节点传输到目的节点的算法。

在低轨卫星网络中，卫星和地面站分布在不同的位置，并且随着时间的推移，卫星和地面站的相对位置也会发生变化。

因此，低轨卫星网络路由算法需要考虑节点和链路状态的实时变化，以保证数据能够有效传输。

目前，常见的低轨卫星网络路由算法包括基于距离向量的路由算法、链路状态路由算法和最短路径优先路由算法等。

这些算法通过不同的方式选择路径，以提高数据传输的效率和可靠性。

拓扑控制策略是指通过调整卫星网络的拓扑结构，优化网络性能和网络资源的分配。

在低轨卫星网络中，拓扑结构的决定会直接影响网络的传输能力和稳定性。

因此，合理的拓扑控制策略对于改善卫星网络的性能至关重要。

常见的拓扑控制策略包括卫星轨道规划、链路动态调整和卫星部署等。

通过合理规划卫星的轨道和部署，可以达到降低网络延迟、提高网络容量和减少能耗的目的。

同时，通过动态调整链路连接状态，可以实现网络的故障容忍和负载均衡。

低轨卫星网络路由算法与拓扑控制策略的研究在卫星通信领域具有重要的意义和应用价值。

首先，优化的路由算法和拓扑控制策略可以提高卫星网络的通信性能，实现数据的快速传输和高效利用。

其次，合理的路由算法和拓扑控制策略可以提高卫星网络的可靠性和稳定性，有效应对链路故障和节点失效的情况。

最后，研究低轨卫星网络的路由算法和拓扑控制策略对于深入理解卫星网络的特点和工作原理，推动卫星通信技术的进一步发展具有重要意义。

然而，低轨卫星网络路由算法和拓扑控制策略研究面临一些挑战。

一种低轨卫星星座系统中的路由算法设计
张旭;朱立东;吴诗其
【期刊名称】《重庆邮电大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2007(019)0z1
【摘要】针对低轨(low earth orbit,LEO)卫星星座系统中路由较复杂的问题,结合了最短路径与次选最短路径,提出了一种低轨卫星星座系统中的路由算法设计,通过仿真和分析表明该算法在综合考虑新呼叫和切换呼叫时具有较高的优越性.
【总页数】3页(P56-58)
【作者】张旭;朱立东;吴诗其
【作者单位】电子科技大学,通信抗干扰技术国家级重点实验室,成都,610054;电子科技大学,通信抗干扰技术国家级重点实验室,成都,610054;电子科技大学,通信抗干扰技术国家级重点实验室,成都,610054
【正文语种】中文
【中图分类】TN927
【相关文献】
1.一种低轨卫星星座系统中的路由算法设计 [J], 张旭;朱立东;吴诗其
2.低轨航空安全监视星座路由规划算法设计与仿真 [J], 郑晓冬;顾青涛;鲍亚川;叶红军
3.低轨卫星星座网络路由新方法 [J], 董超颖;续欣;刘爱军;苌敬辉
4.基于区域分流的低轨卫星星座星间负载均衡路由算法 [J], 周雅;谢卓辰;刘沛龙;刘会杰
5.支持QoS的低轨卫星星座网络重路由方法 [J], 董超颖;续欣;罗新华;张文育;修卫东
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引言随着互联网的飞速发展，互联网已经渗透到了政治、经济、娱乐等社会的方方面面，随时随地的互联网接入成为重要需求之一，但是由于地形、自然灾害等因素的限制，地面网络并不能满足这一需求。

卫星网络具有全球覆盖、不受地形影响的能力，可以以低成本方式实现任何地点、任何时间的互联网连接[1]，并提供较好的服务质量保障能力，是未来运营商发展的重要方向之一。

在卫星移动通信系统中，低地球轨道卫星网络通常在500-1500KM 的海拔高度运行[2]，与中地球轨道和地球同步轨道相比，具有较低功率损耗和传播时延的特点，更适合承载实时业务[3]，已经用于偏远地区通信、跨国通信、海洋数据采集等领域。

美国已有铱系统和全球星系统，并且已经开始“Iridium NEXT ”的部署。

2018年中国开始搭建“鸿雁星座”，填补我国在这一领域的空白。

低轨卫星网络的优良性能也带来了一些问题。

低轨卫星的海拔过低导致每颗卫星的覆盖面积较小，需要更多数量的卫星组网才能覆盖全球，卫星之间的移动引起了星间网络拓扑的动态变化，同时低轨卫星不与地面相对静止，卫星与地面终端的连接会频繁切换。

上述两种移动性给网络的编址和路由带来了动态性的挑战，地面网络中的传统编址和路由策略无法适应低轨卫星网络[4]。

文献[5]提出了一种极地轨道低轨卫星网络中移动用户的IP 编址策略，将地面划分为多个大区，并为每个大区分配一个固定的IP 地址段，用户IP 地址都在所属大区的IP 地址段中，这大大降低了移动用户IP 地址的更新频率，但是现有研究中同时考虑星间网络、星上设备的端口编址的工作较少。

而在低轨卫星网络路由策略方面已有大量研究，主要分为动态路由算法和快照序列算法。

在动态路由算法中，文献[6]提出了基于大区划分的路由算法，在数据分组中加上地面终端的地理位置信息，路由器根据地理信息搜寻最短路径，可以显著降低平均延迟。

文献[7]提出了低轨卫星网络场景下的改进型OSPF(开放式最短路径优先)协议，降低了通信开销和收敛时间。

– 106 – 第5章 多层卫星网路由技术前一章介绍的卫星网路由算法，都只适用于低轨道（LEO ）卫星构成的单层卫星网络。

然而，由低轨卫星（LEO ）、中轨卫星（MEO ）和同步卫星（GEO ）组合构成的多层卫星网络比单层卫星网络拥有更好的性能。

本章将介绍各种适用于多层卫星网的卫星网路由算法。

5.1 MLSR 路由算法MLSR （Multi-Layered Satellite Routing algorithm ）路由算法，即多层卫星网路由算法，是一种适用于由低轨、中轨和同步卫星组成的三层卫星IP 网络的多层卫星网路由算法。

1．MLSR 路由算法简介MLSR 路由算法能在卫星网络的不同卫星和地面通路之间，使用延时度量集合，高效地算出最短延时路径。

为反映卫星移动和网络拓扑的变化，MLSR 算法会有规律地更新卫星路由表。

仿真结果表明，MLSR 路由算法除了当路由跳转转向高一层卫星时的一小段摆动阶段外，其他时刻的性能与最短路径算法的性能相同。

当网络负载很高时，MLSR 算法比单层卫星网路由算法有更好的性能。

此外，由于MLSR 路由算法将路由计算负担分给了多颗卫星，因此计算路由表的通信开销较小。

2．MLSR 路由算法原理（1）相关定义MLSR 算法应用的卫星网络的结构如图5.1所示。

图5.2是从GEO 卫星的角度得到的卫星网络的结构。

在卫星网络中，所有连接都会有延迟。

总延迟由传播延迟、处理延迟和队列延迟组成，总延迟由上行卫星来计算。

上行卫星从它们的空间相对位置计算与下行卫星之间的传播延迟。

处理延迟近似为路由表查询的平均时间。

队列延迟取决于测量时的队列长度、平均分组大小和连接容量。

平均延迟由这3个延迟之和组成。

延迟函数D 和D +返回相互链接的两个节点之间的平均延迟。

如果链接不存在，函数D 返回无穷大，而D +返回0。

函数D 和D +分别用来计算延迟测量记录（定义3）和总连接（定义2）。

定义1（延迟函数D 和D +）：令l a →b 为节点a 到b 的直接连接。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910243972.6(22)申请日 2019.03.28(71)申请人 北京邮电大学地址 100876 北京市海淀区西土城路10号(72)发明人 王程　王慧文　徐玭　王卫东　崔高峰　胡欣　(74)专利代理机构 北京永创新实专利事务所11121代理人 冀学军(51)Int.Cl.H04W 40/18(2009.01)H04L 12/705(2013.01)H04L 12/751(2013.01)H04B 7/185(2006.01)G06N 3/04(2006.01)(54)发明名称一种基于深度强化学习架构的低轨卫星路由策略方法(57)摘要本发明公开了一种基于深度强化学习架构的低轨卫星路由策略方法，属于无线通信领域。

首先建立铱星星座网络，结合马尔可夫决策过程搭建深度强化学习架构；针对某个卫星节点A，周期性向邻居节点发送HELLO包，寻找与当前节点A的链路状态相通的邻接节点。

通过输入目的节点坐标，当前节点以及邻居节点的链路状态到深度强化学习架构中，得到当前节点的下一跳节点，同理继续得到下一跳节点；当出现特殊路由情况(如断路、环路、拥塞)时，采取相应的解决策略，将链路状态重复输入到深度强化学习架构中，直至到达目的节点，完成路径规划过程。

本发明在降低系统复杂度和存储开销的同时达到实时探测卫星链路状态的效果，卫星路由更具稳定性和可靠性。

权利要求书2页 说明书7页 附图4页CN 110012516 A 2019.07.12C N 110012516A1.一种基于深度强化学习架构的低轨卫星路由策略方法，其特征在于，具体步骤包括：步骤一、针对低轨卫星组网，依赖星间链路，建立铱星星座网络；步骤二、利用铱星星座网络，结合马尔可夫决策过程搭建深度强化学习架构；深度强化学习架构的具体搭建过程如下：首先、设计强化学习算法的各参数：状态S，动作a，状态转移概率和奖励信号r；状态S为[x p,y p,x q,y q,state,nei_state]；x p表示源节点p的横坐标；y p表示源节点p的纵坐标；x q表示目的节点q的横坐标；y q表示目的节点q的纵坐标；state表示当前节点的星间链路状态；nei_state表示邻居节点的星间链路状态；动作a包括上、下、左、右；对应当前卫星的四个星间链路；状态转移概率ISLs为当前节点的星间链路状态中存在的星间链路数；奖励值函数r＝-dis/K；dis为执行当前节点的动作a后，下一跳节点到目的节点间剩余的距离，计算为：dis＝(x p-x q)2+(y p-y q)2；K为常数，负责调解奖励信号的大小；在训练过程中，当前节点输入状态S经过深度强化学习架构运算得到动作a，执行该动作并以概率转移到下一状态s'；然后，采用双重深度Q网络eval-Q和tar-Q，进行深度强化学习架构的价值函数更新；eval-Q网络负责探索最新的路由环境，tar-Q网络负责存储学习到当前环境的经验；在应用过程中每执行eval-Q网络一定步数后将其参数同步到tar-Q网络，并进行价值函数更新：更新公式为：其中，γ为衰减因子，θt为eval-Q网络参数，为tar-Q网络参数；通过大量数据训练并计算loss，反向传播，修正强化学习算法中的参数，使其达到收敛，完成学习过程，生成并保存源节点s到目的节点d的深度强化学习架构模型M(s,d)；步骤三、针对某个卫星节点A，周期性向邻居节点发送HELLO包；步骤四、判断是否在规定时间内收到邻居节点的HELLO包反馈信息，如果是，进入步骤五；否则，该卫星节点A与邻居节点的链路断开，不考虑将该邻居节点作为下一跳节点；步骤五、根据HELLO包的反馈信息判断当前节点A的链路状态与邻接节点是链路相通，通过解析接收到的邻居节点的HELLO包更新邻居节点链路状态，实现对链路状态的实时监测；邻居节点的链路状态[x s,y s,x d,y d,state,nei_state]；x s表示源节点s的横坐标；y s表示源节点s的纵坐标；x d表示目的节点d的横坐标；y d表示目的节点d的纵坐标；同时，相邻卫星之间通过HELLO包传递负载信息，负载状态为拥塞和良好两种，针对负载状态为拥塞的邻居节点，不考虑将该邻居节点作为下一跳节点；步骤六、输入目的节点D坐标，当前节点A的链路状态，以及邻居节点的链路状态到深度强化学习架构中，得到当前节点A的下一跳节点B；步骤七、同理，将下一跳节点B的链路状态输入到深度强化学习架构中，得到当前节点B 的下一跳节点；步骤八、判断下一跳节点是否为节点A，如果是，则产生环路；否则，进入步骤九；针对环路，应对策略为将路径B—A的链路临时置为断路，选取次优下一跳卫星节点，直到不会出现环路情况时的节点为下一跳节点；步骤九、同理，将下一跳节点作为起始节点，链路状态重复输入到深度强化学习架构中，得到下一跳节点，直至下一跳节点为目的节点，完成路径规划过程。

一种适用于低轨卫星的SDN网络人工智能路由方法
邓丽敏;陈蓓蓓;刘慧
【期刊名称】《数字技术与应用》
【年(卷),期】2024(42)1
【摘要】本文站在新时代背景下,从低轨卫星的角度出发对SDN网络人工智能路由技术进行研究。

先对低轨卫星星座设计进行阐述,然后从应用、控制和数据三方面对SDN网络架构进行分析,并以此展开对基于低轨卫星的SDN网络人工智能路由技术的有效阐述。

目的是为相关从业者的工作提供参考与借鉴,进一步提升SDN 网络与低轨卫星、人工智能路由技术的融合程度,确保整个网络架构的稳定。

【总页数】3页(P27-29)
【作者】邓丽敏;陈蓓蓓;刘慧
【作者单位】南京铁道职业技术学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN927.2
【相关文献】
1.一种集成网络编码的低轨卫星网络多径路由方法
2.一种重路由策略在低轨QoS 卫星网络中的应用
3.一种基于强化学习的低轨卫星网络智能路由算法
4.一种适用于低轨卫星的SDN网络人工智能路由方法
5.一种基于深度Q网络改进的低轨卫星路由算法
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低轨卫星网络路由关键技术研究低轨(LEO:Low Earth Orbit)卫星网络,是指采用若干LEO通信卫星节点构成的星座网络。

由于LEO卫星网络具有广阔的地理覆盖特性、较短的通信往返延迟、较低的用户终端与卫星节点间通信功耗以及高效的无线频谱复用特性,为实现全球实时无缝信息传递,提供了有效的解决手段,在视频点播、多媒体广播、远程医疗、远程教育和高速互联网接入等领域,具有广阔的应用前景和研究价值。

路由技术作为解决LEO卫星网络承载互联网数据报通信的核心技术,对信息的高效实时传递,具有极为重要的意义。

然而,LEO卫星网络的时变拓扑、用户与卫星节点间接入关系的不断变化、星上处理能力严重受限和节点硬件不可升级等特性,给LEO卫星网络路由协议设计提出了严峻挑战。

本文围绕LEO卫星网络路由协议设计中面临的现实问题,重点对移动管理、单播和组播等关键技术开展了深入研究。

本文的主要研究成果和贡献如下:1、提出一种地球静止轨道(GEO:GEostationary Orbit)卫星辅助的移动管理协议——GSAMM(GEO-Ssatellites-Aided Mobility Management)。

为了实现用户节点间的数据报通信,LEO卫星网络除了需要具备数据报路由功能外,还需要通过移动管理系统对用户节点进行定位,以及在用户节点切换接入卫星节点时,保持已有的通信进程不被中断。

由于用户节点与LEO卫星节点间接入的关系动态性,以及LEO卫星网络中,存在诸如“seam”区域、极地区域等特殊区域,因此在LEO卫星网络中,通过LEO卫星实现基于空间的移动管理,存在绑定更新和定位开销过大等问题。

针对这些问题,提出一种以GEO卫星为主的基于空间的移动管理协议GSAMM。

GSAMM利用GEO卫星具有覆盖范围广的特点,借助GEO卫星完成LEO卫星网络移动管理的主要工作,从而降低了定位用户节点过程的复杂性和开销;同时,采用本地基于距离的位置更新方法,降低了网络中绑定更新事件产生的频率和开销等问题。

基于低轨卫星网络的按需局部拓扑路由算法
翁耀;刘立祥
【期刊名称】《计算机工程与应用》
【年(卷),期】2007(043)014
【摘要】提出了一种简单有效的路由算法--按需局部拓扑路由算法.该算法在保证建立的路由具有最小延时的同时,具有很好的收敛时间,能够有效地适应低轨卫星网络的动态拓扑特性.并给出局部拓扑路由算法的仿真结果及分析;最后提出了下一步研究的重点--基于Qos的路由算法.
【总页数】4页(P148-150,154)
【作者】翁耀;刘立祥
【作者单位】中国科学院,软件所,北京,100080;中国科学院,软件所,北京,100080【正文语种】中文
【中图分类】TP393
【相关文献】
1.基于定位辅助按需拓扑维护的超宽带自组网路由算法 [J], 温怀玉;贺元成;郑相全
2.基于星间链路状态的低轨卫星网络路由算法 [J], 张路;燕锋;章跃跃;夏玮玮;谢晔;石云墀;沈连丰
3.基于星间链路状态的低轨卫星网络路由算法 [J], 张路;燕锋;章跃跃;夏玮玮;谢晔;石云墀;沈连丰
4.基于虚拟拓扑的低轨卫星路由切换算法仿真 [J], 童文婷;黄圣春;王玲
5.局部双环网络的拓扑优化及其路由算法 [J], 李腊元;韦庆如;朱以文
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专利名称：基于软件定义网络的低轨道卫星网络路由方法及装置
专利类型：发明专利
发明人：刘亮,马华东,段鹏瑞,夏丹
申请号：CN201910356113.8
申请日：20190429
公开号：CN110034817A
公开日：
20190719
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明实施例提供了一种基于软件定义网络的低轨道卫星网络路由方法及装置。

LEO卫星网络架构包括控制平面和数据平面，控制平面包括中心控制器及多个本地控制器，数据平面包括多个LEO卫星节点以及接入各LEO卫星节点的用户终端，控制平面可以位于地面，通过将数据平面的集中化管理和控制放在地面上，并由一个本地控制器去监控其子网下的LEO卫星节点，本地控制器与LEO 卫星节点之间的距离远远小于GEO卫星节点与LEO卫星节点之间的距离，降低了通信过程中的时延和流量损耗。

申请人：北京邮电大学
地址：100876 北京市海淀区西土城路10号
国籍：CN
代理机构：北京柏杉松知识产权代理事务所(普通合伙)
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