低轨道卫星星座网络路由研究

第２１卷第３期　２０１１年３月　计算机技术与发展　

ＣＯＭＰＵＴＥＲ　ＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹ　ＡＮＤ　ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ　ＶＤＪ．２ｌ　Ｎｏ．３　Ｍａｒ．２０ｌｌ　

低轨道卫星星座网络路由研究　

蒋文娟，宗鹏　

（南京航空航天大学航天学院，江苏南京２１００１６）　

摘要：拓扑时变性、承载业务分布不均衡以及星上资源有限，使得设计新的低轨道卫星星座网络路由算法迫在眉睫。如　

何设计简单、高效的低轨道卫星星座路由成为当前卫星网络研究的热点问题。深入剖析了ＬＥＯ卫星网络的特点，从几何　

模型、切换以及星上处理能力三个视角出发，分类综述了ＬＥＯ卫星路由算法，阐述了各类路由的典型算法，讨论了每种算　法的优点和适用环境，剖析了其中存在的问题，并对它们进行了综合对比。最后指出了ＬＥＯ卫星路由算法进一步的研究　

方向。　

关键词：ＬＥＯ卫星星座；路由技术；动态拓扑；切换；负载均衡　

中图分类号：ＴＰ３９３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—６２９Ｘ（２０１１）０３一ＯＯ４４—０４　

Ｒｏｕｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｆｏｒ　ＬＥＯ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　

ＣＯｎｓｔｅｌｌａｔｉＯｎ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　

，　ⅡＡＮＧ　ｗｅｎ－ｊｕａｎ．ＺＯＮＧ　Ｐｅｎｇ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００１６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆｔｈｅ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆＬＥＯ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｄｙｎａｍｉｃｔｏｐｏｌｏｇｙ，ｎｏｎ—ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｔｒａｆｆｉｃ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，　

ｌｉｍｉｔｅｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．ｎｅｗ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｈｏｗ的ｄｅｓｉｇｎ　ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｍｕｔｉｎｇ　ａｌｇｏ－　

ｒｉｔｈｍ　ｂｅｃｏｍｅｓ　ｔｈｅ　ｈｏｔ　ｔｏｐｉｃ　ｏｆ　ＬＥＯ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ＬＥＯ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｓｕｒｖｅｙ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ＬＥＯ￣ａｔｅｌｌｉｔｅ　ｍｕｔｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ　ｗｉｔｌｌ　ｔｈｅ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　ｍｏｄｅ１．ｈａｎｄｏｆｆ　ａｎｄ　ｏｎｂｏａｒｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｙｐｉｃａｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｃｌａｓｓ　ａｌｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ　ｗｉｔｈ　ａ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ａｒｅ　ｄｉｓ—　

ｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｆｉｅｌｄ　ｆｏｒ　ＬＥＯ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｍｕｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＬＥＯ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ；ｒｏｕｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｄｙｎａｍｉｃａｌ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ；ｈａｎｄｏｆｆ；ｌｏａｄ　ｂａｌａｎｃｅ　

０　引　言　

随着星间链路（ＩＳＬｓ）的引入和发展，低轨道卫星　

（ＬＥＯ）系统以组网灵活、网络效率高、低时延及对多种　

业务的支持等显著优势成为全球通信网络的首选。对　

这一新兴研究方向的及时分析和总结，无疑对掌握研　

究动态、洞察问题本质、发现新的研究方向具有重要的　

指导意义。目前已报道的有关ＬＥＯ卫星网络路由的　

研究综述　，主要从不同的技术方案层面对路由算　

法及协议进行分类和比较，但是对ＬＥＯ卫星网络路由　

设计还缺乏统一的指导。同时，有些文献过于注重技　

术细节，不利于全局把握研究状况。　

与以上思路不同，文中以ＬＥＯ星座几何模型为基　

础，ＬＥＯ星座路由算法和协议的性能优化目标为切入　

收稿日期：２０１０—０９－０２；修回１３期：２０１０—１２一ｌ１　基金项目：国家８６３重点项目（２０１０ＡＡｘｘｘ０４０４）　

作者简介：蒋文娟（１９８３一），女，江苏扬州人，博士生，中国宇航学会　会员，主要从事卫星移动通信网络研究工作；宗鹏，教授，中国宇　航学会会员，主要从事卫星移动通信、深空通信等方面的研究。　点，试图揭示这些算法和协议背后蕴含的科学问题，从　

问题域的高度，对ＬＥＯ星座路由的研究有一个新的认　

识。通过分析和总结，发现ＬＥＯ星座路由目前的研究　

难点以及未来的发展方向。　

文中首先建立ＬＥＯ星座的拓扑几何模型，重点分　

析了各种拓扑特性对星座路由设计的影响，指出了星　

座路由设计的机遇和挑战。之后分类介绍当前具有代　

表性的ＬＥＯ星座路由算法和协议，全面地分析和讨论　

了各项技术的特点及优缺点。最后，文中讨论了部分　

有待解决的问题并指出了将来的研究方向。　

１　ＬＥＯ极轨道卫星网络模型　

１．１动态拓扑结构及数学模型　

星座中卫星总数Ｓ＝　×ＭＬ，其中　是星座的　

轨道面数量，　，是每根轨道上的卫星数量。新型的　

ＬＥＯ星座根据星间链路结构可分为Ｐｏｌａｒ星座和Ｗａｌｋ　

星座，Ｐｏｌａｒ星座相邻轨道面之间的夹角△ｎ：７ｒ／Ｎ　

Ｗａｌｋｅｒ星座的为△Ｑ＝２７ｒ

／ＮＬ，同轨道平面内相邻卫　第３期　蒋文娟等：低轨道卫星星座网络路由研究　．４５．　

星之间的角度均为２￣ｒ／ＮＬ。除此之外Ｗａｌｋｅｒ星座还　

需要相位因子（Ｆ＝１，２…．，　一１）来描述，它确定　

了相邻轨道平面上卫星之间的偏角度＆ｏｆ＝２￣ｒＦ／Ｎ　

。每颗卫星分别与同轨道平面内前、后两颗卫星，相　

邻轨道平面内左、右两颗卫星建立星间链路。ｗａｌｋ星　

座所有卫星对于地面站而言完全均匀分布，而Ｐｏｌａｒ星　

座由于相邻轨道中的卫星以相同的方向旋转，最后一　

个轨道平面与第一个轨道平面将出现反方向旋转，称　

为“按缝”，所以Ｐｏｌａｒ星座对于地面站而言并不是均　

匀分布　。　

１．２　ＬＥＯ卫星网络特性　

ＬＥＯ星座复杂的拓扑结构使其无法直接使用地　

面网络的路由协议。因此文中针对星座路由设计的影　

响，将ＬＥＯ星座特性分为拓扑结构、切换、处理能力ｌ　

类进行分析，如图１所示。　解决的问题、系统结构以及存在的缺陷等。　

２．１星座拓扑路由算法　

（１）周期性路由。　

有限状态自动机（ＦＳＡ）模型　是利用拓扑周期变　

化的典型路由算法。选取卫星轨道周期和地球自转周　

期的最小公倍数作为系统周期，每个系统周期又被分　

为ｎ个间隔为，的离散拓扑状态，在每个固定网络拓　

扑状态中求解链路分配最优问题。ＦＳＡ路由算法隐藏　

了星座拓扑时变性，成为后续很多路由算法的基础。　

１９９７年Ｗｅｒｎｅｒ以ＡＴＭ卫星网络为研究对象，提　

出了动态虚拟拓扑路由算法（ＤＶＴＲ）　。这一算法的　

关键是需要对虚通道（ＶＰ）路径的建立和维护。　

ＤＶＴＲ算法采用类似ＦＳＡ的方法将系统周期划分为一　

系列时间间隔，在每个固定的拓扑上进行“离线”路由　

计算，或者根据“在线”信息从“离线”路由中选出最佳　

图１　ＬＥ０星座特性分类　

（１）ＬＥＯ星座网络拓扑特性主要是ＬＥＯ卫星在轨　

道上高速运动引起的，增加了路由设计难度。但星座　

中卫星分布的均匀性和对称性，使得拓扑变化存在一　

定的周期性和可预测性，又为星座路由设计提供了有　

利条件，带来了新的研究方向。　

（２）ＬＥＯ星座切换特性是星座路由算法中十分活　

跃的研究领域之一。当卫星发生问切换时，由于有卫　

星进入或退出正在通信的路径，需要立刻进行路径重　

选。从不同角度可以归纳出不同的研究方法，如完全　

重选、部分重选和组播重选三种基本方法，或者根据卫　

星上天线系统的不同控制机制分为异步切换和同步切　

换两种方式，第二部分将详细分析。　

（３）星上处理能力局限性是卫星网络自身的一个　

缺陷，随着全球业务与日俱增，业务种类也在不断扩　

展，使得服务质量（ＱｏＳ）的要求也日益提高。如何合　

理地设计卫星路由，尽可能地减少网络拥塞和提高网　

络资源利用率是这一类路由算法需要解决的难题。　

２路由技术分析和比较　

按照上述三种分类，文中将分别介绍各类路由算　

法中的典型算法，详细分析和讨论各自的性能参数、所　路径。　

利用拓扑变化的周期特性划分时间　

间隔，将动态路由转变为一系列静态路　

由，有效地简化了路由算法复杂度，降低　

了通信开销。但是每颗卫星需要存放各　

个离散间隔内的大量路由信息，对星载　

存储能力提出了较高的要求，同时对网　

络的实时信息变化适应性较差。　

（２）动态性路由。　

在极地或星座接缝（Ｓｅａｍ）区域，不同轨道上两颗　

卫星问的链路会断开，这意味着卫星离开和进入接缝　

区域时各条链路必须重新建立，这必然会导致网络效　

能降低和网络时延。概率路由协议（ＰＲＰ）ＩＳ］正是针对　

上述问题提出来的，其基本思想是在一个新呼叫请求　

建立连接时，删除一部分呼叫生存期内可能被关闭或　

发生链路切换的星间链路。选择适当的目标概率函数　

和目标概率值，对呼叫阻塞率和重路由次数进行折衷　

处理是该算法的关键。ＰＲＰ算法对呼叫刚建立的时间　

段和短呼叫有较好的表现。实验结果表明　，当目标　

概率高达０．９９时，ＰＲＰ算法比Ｄｉｊｋｓｔｒａ’ｓ算法减少了　

链路中８０％的重路由次数。　

无论采用何种方法，在远距离卫星通信中链路切　

换都是无法避免的，因此出现了覆盖与切换重路由协　

议（ＦＨＲＰ）［９ｊ。该算法以初始路由中各卫星的覆盖域　

作为重路由计算的参考，使用拓扑预测信息添加新路　

由或替换原路由。假设连接卫星Ｊｓ　和Ｓ　的路由为Ｒ＝　

Ｓ．，ｓ　，…，Ｓ　，Ｓ　。如果路由两端的卫星都发生链路　

切换，那么使用完全覆盖域重路由，路由Ｒ由重路由Ｒ　

＝Ｓ　，Ｓ：　，…，．ｓ　，Ｊｓ　’替代，ｓ　为ｓ　的后续卫星。如　

果只有卫星Ｓ　（或Ｓ　）发生切换，同时Ｊｓ　（或Ｓ，‘）对　

用户而言不可见，则使用路径增量法，

初始路由尺增加