（系统工程专业论文）卫星网络QoS路由算法研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 卫星网络q o s 路由算法研究1 专业：系统工程 硕士生：王滨 指导老师：云庆夏教授 摘要 卫星网络作为一种重要的网络通信手段，具有无缝覆盖、移动性好、扩展性好等特 点。卫星网络的这些特点使得它被成功地应用于全球话音业务、电视转播业务和数据传 输业务等各个方面。随着互联网的快速发展，卫星网络也被考虑作为下一代的互联网的 一部分，提供宽带接入，这样就使宽带卫星通信网在我国信息基础设施建设中具有极其 重要的地位。网络层在网络协议栈中位于中间的位置，卫星网络路由协议研究成为最近 热门的研究课题之一，同时现有的卫星网络路由协议很难提供q o s 服务质量保证。 本文首先介绍了卫星网络星座中的各种参数，并分析了它们对网络路由可能造成影 响设计了一种由低轨卫星与中轨卫星构成的空间信息通信网双层星座系统。进一步， 分析了卫星网络中的q o s 保证机制，采用卫星分组的策略降低系统的复杂性，并提出一 种新的可提供q o s 保证的卫星网络路由算法 r a g ( q o sr o u t i n ga l g o r i t h mf o rt h e d o u b l e l a y e r e ds a t e llit en e t w o r k s ) 。 然后，介绍了常用的卫星网络星座仿真软件和卫星网络协议仿真软件的特点和功能， 通过综合考虑卫星网络研究的要求和各个仿真软件的功能特点，选用s t k ( s a t e l l i t e t o o lk i t ) 和n s ( n e t w o r ks f m u l a t i o h ) 作为卫星网络协议的仿真软件，并修改扩展了n s 的模块，仿真实现了q r a s 。 最后对q r a s 的性能进行全面评估，在2 种星座拓扑结构f 对其进行仿真验证，仿真 场景包括单层星座、双层星座，其中含有了l e o 与m e o 不同轨道的卫星，分析比较了在 不同仿真场景下，有q o s 要求的业务与无q o s 要求的业务在空问信息网络中的端到端时 延、分组丢失率、端到端抖动与所占带宽等各个指标。通过比较可以看出，本算法在延 迟、负载及吞吐量方面都能够很好的满足卫譬网络的性能要求，并且对q o s 业务提供很 好的支持。 关键字：卫星；q o s 服务质量；路由：仿真 本文得到国家高技术研究与发展计划 8 6 3 1 航火航空领域( 项e l 编号：2 0 0 3 a a 7 1 2 0 2 2 ) 的资助。 西安建筑科技大学硕士学位论文 s t u d y o i lq o s - b a s e d r o u t i n ga l g o r i t h m f o rs a t e l l i t en e t w o r k s s p e c i a l t y ：m i n i n ge n 百n 。 n a m e ： w a n gb i n a d v i s o r ：p r o f e s s o ry u nq i n g - x i a a b s t r a c t s a t e l l i t en e t w o r k s ( s n ) ，a so n ei m p o r t a n tn e t w o r k i n gc o m m u n i c a t i o nm e t h o d ，h a v em e r i t s o fg l o b a lc o v e r a g e ，m o b i l ew e l l ，g o o de x p a n s i b i l i t ya n ds oo n ，s on o to n l yi sp r o f i t a b l e s u p p l e m e n tt og r o u n dn e t w o r k s ，b u ta l s oh a v ei t so w np e r f o r m a n c ea n dp r e d o m i n a n c e t h e s e t r a i t so fs nm a k et h e ma p p l ys u c c e s s f u l l yt og l o b a lv o i c eo p e r a t i o n ，t e l e v i s i o nr e l a yo p e r a t i o n m ：dd a t at r a n s l a t i o n o p e r a t i o n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，s nh a v eb e e n c o n s i d e r e da so n ep a r to fn e x tg e n e r a t i o ni n t e r a c ta n dt op r o v i d eb r o a d b a n da c c e s s ，t h u s b r o a d b a n ds nh a v es p e c i a li m p o r t a n ts t a t u si ni n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r eo f o u rn a t i o n n e t w o r k i n gl a y e rw h i c hl o c a t e si nm i d d l es t a t i o ni np r o t o c o ls t a c ka n di nh i g h e s tl a y e ro f c o m m u n i c a t i o ns u b n e t ，p r o v i d e ss e r v i c ef o rt r a n s l a t i o nl a y e ra n di m p l i c a t i o nl a y e r , a sr o u t i n g p r o t o c o li sk e r n e lt e c h n o l o g yo fn e t w o r kl a y e r , r o u t i n gp r o t o c o lb e c o m e so n eo fk e y t e c h n o l o g i e so fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k r e c e n t l ys nr o u t i n gp r o t o c o lb e c o m e so n e o fh o tr e s e a r c ha r t i c l e ，a tt h es a m et i m ee x i s t i n gs nr o u t i n gp r o t o c o li sd i f f i c u l tt op r o v i d e q o s b e c a u s eo fp a r t i c u l a r i t yo fs ni t s e l f , c o s to fh a r d w a r ee x a m i n a t i o nw a sh i g h ，a n d d e v e l o p m e n tp e r i o dw a sl o n g t h u s ，s o f t w a r es i m u l a t i o nw a sa d o p t e db yw o r l d w i d ec o u n t r i e s ， w h i c ho v e r c o m e sa b o v es h o r t c o m i n g s ，c a r lb ed e p l o y e dv a r ys c a l es n t o p o l o g yc o n v e n i e n t l y , r e a l i z e dd i f f e r e n tc a n d i d a t e sf l e x i b l y , a n dc o n t r o l l e dt e s ts c h e d u l ei nr e a l t i m e t h e r e f o r e ， s o f t w a r es i m u l a t i o nw a si n a p p l i c a t i o n t o d o u b l e - l a y e r e ds a t e l l i t e c o n s t e l l a t i o nd e s i g n ， a n a l y s i sp e r f o r m a n c ea n dd e s i g np r o t o c o la n ds oo n f i r s t l yt h i sp a p e ri n t r o d u c e dv a r yp a r a m e t e r so fs n ，a n a l y z e dt h e i rp o s s i b l ee f f e c tt o r o u t i n g ，a n dd e s i g n e do n es p a c ei n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc o m p o s e do fd o u b l e s a t e l l i t ec o n s t e l l a t i o n m o r e o v e r , s nq o sm e c h a n i s mw a sa n a l y z e d ，s a t e l l i t e g r o u p i n g m e t h o dw a si n t r o d u c e dt or e d u c es y s t e mc o m p l i c a t i o na n dp r o p o s e do n en e wq o sr o u t i n g a l g o r i t h mf o rt h ed o u b l e l a y e r e ds a t e l l i t en e t w o r k s t t 西安建筑科技大学硕士学位论文 s e c o n d l y ，s a t e l l i t es i m u l a t i o ns o f t w a r ea n dn e t w o r kp r o t o c o ls i m u l a t i o ns o f t w a r ew e r e i n t r o d u c e d s t ka n dn sw e r ec h o o s e na ss np r o t o c o ls i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a c c o r d i n gt os n r e s e a r c h i n gr e q u i r e m e n ta n dt h o s es o f t w a r ef u n c t i o n s t h e nn sm o d u l e sw a sm o d i f i e da n d e x p a n d e d ，a n dr e a l i z e ds i m u l a t i o no fq r a s l a s t l y , t h ep e r f o r m a n c eo fq r a s w a se v a l u a t e d ，r e a l i z e ds i m u l a t i o n si n2s c e n e so f v a r y s a t e l l i t ec o n s t e l l a t i o nt o p o l o g i e s ，i n c l u d i n gm o n o - l a y e ra n dd o u b l e l a y e rs a t e l l i t ec o n s t e l l a t i o n c o m p o s e do fl e os a t e l l i t e sa n dm e o s a t e l l i t e s a n dv a r yg u i d eo fn o n - q o so p e r a t i o n sa n d q o so p e r a t i o n sw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e d r o u t i n ga l g o r i t h mr e s u l t si nl o wd e l a y , s m a l ld e l a yj i t t e ra n dl o wd r o pr a t i o ，a n dp r o v i d e s e x c e l l e n tp e r f o r m a n c ef o rq o sr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：s a t e l l i t e ；q o s ；r o u t i n g ；s i m u l a t i o n 1 i i 西安建筑科技大学硕士学位论文 缩略词 m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) ：媒体接入控制 a t m ( a y s n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) ：异步传输模式 d o d 0 9 e p a r t m e n t o f d e f e n s e ) ：美国国防部 n a s a ( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n ) ：( 美国) 国家宇航局 l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) ：逻辑链路控制 u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n c a t i o ns y s t e m s ) ：全球移动通信系统 o s p f ( o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ) ：开放路径优先 r i p ( r o u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) ：路由信息协议 i o l ( i n t e r o r b i t l i n k ) ：轨间链路 i s l ( i n t e r - s a t e l l i t e 1 i n k ) ：轨内链路 s t ( s o u r c et e r m i n a l l ：源端 d t ( d e s t i n a t i o nt e r m i n a l ) ：目的端 s t a s ( s o u r c et e r m i n a la c c e s ss a t e l l i t e ) ：源终端接入星 d t a s ( d e s t i n a t i o nt e r m i n a la c e s ss a t e l l i t e ) ：目的终端接入星 q o s ( q u a n t i t yo fs e r v i c e ) ：服务质量 l e o ( l o w e a r t ho r b i o ：低地球轨道 m e 0 ( m i d d l ee a r t ho r b i t ) ：中地球轨道 g e o ( g e o s y n c h r o n o u se a r t ho r b i t ) ：地球同步轨道 l s r ( l a b e ls w i t c h i n gr o u t e r ) ：标签交换路由器 m p l s ( m u l t i p r o t o c ll a l e ls w i t c h i n g ) ：多协议标签交换 n a t ( n e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t i o n ) ：地址转换 i p ( i n t e r n e tp o r t o c 0 1 ) ：因特网协议 v c i ( v i r t u a lc h a n n e li d e n t i f e r ) ：虚通道标识 i g m p ( i n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) ：因特网组管理协议 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位 已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的 所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：丢 易 日期：卿。岁f 加 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：多殇导师签名：，妒幺乏日期：刀疗。f ，刀 注：请将此页附在论文首页。 。至童塞堡墼茎奎耋鎏圭兰堡篓銮 1 1 研究背景 1 绪论 卫星网络作为一种重要的网络通信手段，具有如下特点：( i ) 良好的区域和全球覆盖 能力，能够提供无缝的三维覆盖；( 2 ) 良好的可移动性，在海上、空中以及人迹罕至的 地区，卫星网络是提供可靠移动通信的重要手段；( 3 ) 良好的可扩展性，无论是卫星节 点还是地面节点，都可以方便地加入卫星网络，构建复杂的移动网络。卫星网络的这些 特点使得它被成功地应用于全球话音业务、电视转播业务和数据传输业务等各个方面， 随着卫星多点波束的发展，星上交换以及具有电路和逻辑链路控制( l l c ) 子层功能的凇c 机制得到采纳。 从二十世纪9 0 年代中期美国休斯公司第一次提出卫星宽带的概念开始，卫星宽带接 入以其覆盖面广、不受地域限制、信道利用翠高、宽带到户等优势被各方看好。卫星网 络也被考虑作为下一代的互联网的部分，提供宽带接入。本文提出的空间多媒体综台 信息网，是通过由不同轨道上的卫星构成的星座通信系统，将地面各种设施连接起来的 一种提供多媒体综合信息服务的网络。它不仅是对宽带地面通信的有益补充而且具有自 身独特的性能和优势：如通信距离远、覆盖范围广、不受地理环境限制、机动灵活、通 信线路稳定可靠、传输质量高等。这些特点使多层卫星通信网络在我国信息基础设施建 设中具有极其重要的地位。 卫星网络的发展对多层卫星信息网的研究提出了更高的要求。在早期的同步卫星网 络中，卫星之间没有互连功能，卫星主要起中继器的作用，卫星网络的研究集中在数据 链路层协议，通过精心设计的m a c 协议实现用户接入管理，被称为地基网 ( g r o u n d b a s e d ) 。在现代卫星网络中，卫星节点通过星问链路实现了路由功能，因此卫 星硎络协议扩展到网络层，被称之为空基网( s p a c e b a s e d ) i 。路由协议、多播协议 3 和链路切换 4 等都要针对卫星网络的特点重新进行设计。 仿真是卫星网络研究的重要手段。卫星网络本身的特点使物理实验研究方式的可行 性不高。在很多情况下，采用数学方法对卫星网络进行建模和分析是一种有效的研究手 段，但是现代卫星网络的复杂性使得网络数学建模难度增加，数学模型的很多前提假设 难以成立，从而限制了数学建模方式的应用。网络仿真方式克服了上述的缺点，能够方 便地布置不同规模的卫星网络拓扑，灵活地实现不同候选方案的替换，实时地控制实验 的进度，因此被应用于卫星网络的性能分析、协议设计等各个方面。 的进度，因此被应用于卫星网络的性能分析、协议设计等各个方面。 西安建筑科技大学硕士学位论文 随着不端增长的交互式实时多媒体业务和移动性的需求，卫星通信网以其全球无缝 覆盖、无地域限制和宽带接入等特点，必将成为u m t s 的重要组成部分。随着端到端多 媒体宽带业务需求的日益增长，同传统的静止( g e o ) 卫星比较，l e o m e o 卫星具有低延 迟、低传输能量需求、为其较高的空间频谱利用率、灵活的空间通信和低自由空间损耗 等特点。当前各国己建成的宽带卫星网方案都采用单层布星方式，其中较典型的单层低 轨星座“i r i d i u m ”系统 2 3 3 和“t e l e d e s i c ”系统 2 1 ，以及单层中轨的i c 0 1 2 4 系统 等。 国外在卫星组网方面起步较早，这几年陆续推出了一些具有一定商用和军用价值的 星网系统，但都是单层卫星组网。国内对于卫星组网的研究还剐剐起步，双层卫星信息 网路由协议研究与仿真所涉及到的算法和应用技术与多层卫星信息网的核心性能关系 极为密切，是多层卫星信息网络研究中的关键技术 5 8 。 1 2 国内外研究现状 卫星网络路由协议的研究由于保密等因素，公开的文献不多，也未公开其具体的技术，很难 把握其发展水平，现将可查阅至的归纳如下： 1 2 1 国外研究现状及发展趋势 国际标准化概况： 口从1 9 9 3 年开始，国际空间通信标准化组织进行空间通信协议标准化研究； 口国际标准化组织接受为标准：i s o d i s 文档； 卫星通信已经进入了宽带通信，世界上己提出了十几个卫星通信系统的方案，其中 有些已经开始运作，但他们大多都不具有星间链路( 如g l o b a l s t a r 、e l l i p s a t 和o d y s s e y 等) 。其中已经运作的“铱”系统和正在策划中的几个宽带卫星( 如t e l e d e s i c 等) 都 采用了星间链路，代表了卫星通信发展的趋势。“铱”系统应用了星上处理与星间链路 技术。相当于把地面蜂窝网倒置于空中，在技术上取得了相当的成功，是唯一使用中的 具有星间链路的成功的卫星网，但是它也不具备真正意义上的星上路由功能。 开发专用的路由算法是卫星网络路由协议的核心技术 2 。对于卫星网络，路由算法 应该降低通信和计算开销，并且适应对动态卫星网络拓扑的实时路由判定。 近几年，面向连接的路由是低轨卫星组网的研究焦点。面向连接的路由协议提出在 星上采用类似a t m 的交换技术。这种连接必须在变化性很强的卫星网络环境中建立和维 护。a t m 网络协议提供了完善的流量控制和管理机制，但是实现过程非常复杂，要求很 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 高，可扩展性较差。因此，近年来，国内外对星上a t m 技术进行了较为深入的研究，取 得了一些可以借鉴的研究成果，如星上a t m 中虚通道( v p ) 的建立方法等。这些成果对 多层卫星信息网路由技术的研究具有一定的参考价值。有各种不同的途径解决面向连接 的路由问题 5 卜 9 。加州大学伯克利分校的h e n d e r s o n 根据研究卫星网络t c p 协议的 需要，对网络仿真软件n s 一2 进行了扩展，初步实现了卫星网络的仿真功能 2 4 。不过 扩展后的n s 一2 支持的卫星网络类型有限，支持的卫星网络协议也有限。此外据报道， 国外的一些政府军事部门如美国d o d 和n a s a 都使用商用仿真软件o p n e t 进行了卫星网 络的仿真。 随着i n t e r n e t 的爆炸式增长，面向无连接的路由被推向了卫星网络，其中典型的路 由算法为由y u k i o h a s h i m o t o 提出的基于i p 的路由算法和由v i d y a s h a n k a rv 等提出的 “快照”路由算法等，但这些算法还停留在预研阶段和实验室试验阶段，尚未成熟。 1 4 讨论低轨卫星系统中星际链路网络的路由策略，根据卫星运行周期的特点，将系统规划 为有限的状态空问。对系统的每个状态利用“退火”算法找到最优的路由表，在卫星运 行的过程中定时地更新星上的路由表。由于低轨卫星的快速运动和地面业务分布的不均 匀性，造成该路由策略状态空间非常庞大，而且路由表的更新频繁。 8 讨论了在业务均 匀分布情况下的概率路由协议( p r p ) 。p r p 将到达卫星节点的呼叫分为新呼叫、小区切换 和卫星切换带来的呼叫申请，p r p 的思路是在新呼叫达到和小区切换时，使得新建立的路 由发生星际链路路由重建的概率最小。p r p 将小区切换和星际链路路由结合，使得路由一 旦建立后发生路由重建的概率最小，符合卫星系统特点和要求：然而对路由建立和重建 时如何为信源信宿节点选择最优路径没有进行讨论。 7 也是根据卫星运行的周期性，将 系统划分为有限个状态空间，在每个状态以传输时延最小或传输时延抖动最小为信源信 宿节点提供v p 路由，以a t m 信元在星际链路网络中进行传递。 目前，许多卫星星座使用星际链路i s l 提供通信路径，用于传送信号、数据包和网 络管理业务 4 。基于i s l 的l e o 卫星星座( 例如i r i d u m 和t e l e d e s i c 5 ，6 ) 和m e o 卫星 星座( 例如o d y s s e y 和i c 0 1 7 ，8 ) 的出现，使卫星网络和相关路由协议的研究更加深入。 卫星网络面临的挑战之一是路由协议的设计。地面的i n t e r n e t 路由协议o s p f 9 和 r i p 1 0 采用的路由策略是：当连接建立或改变时路由协议交互网络拓扑信息，重建路 由表。与地面网络相比，卫星网络具有高速移动的特性，导致网络拓扑快速变化，拓扑 信息很快过期并且需要经常刷新。对于传统i n t e r n e t 路由协议而言，处理拓扑信息的 开销过于庞大，因而不适用于卫星网络。而且，由于星上资源和能源的限制，使得星上 路由器的处理能力远远低于地面的路由器。考虑以上情况，星上路由协议在适用于实时 变化的动态卫星网络拓扑前提下，还要保证较少的拓扑信息交互和较低的路由计算量。 根据不同的信息传输方式，星上路由协议的研究可分为面向连接和无连接两个方向。面 西安建筑科技大学硕士学位论文 向连接的路由协议采用类似于a t m 的交换机制，连接在动态卫星网络环境中建立并保持。 主要的协议包括：减少路径切换次数的启发式路由协议 1 1 ，1 2 ；基于快照的路由协议 1 3 ：类似于最小跳数机制的路由协议 1 4 ；减少信令负载的概率求解路由协议 1 5 ； 基于离散时间的动态虚拟拓扑路由协议 1 6 ；基于双层卫星网络的路由协议 1 7 。基 于i p 的无连接路由协议包括：延长拓扑更新信息交互时间的投掷协议c 1 8 ，1 9 ；最小传 播时延的数据报路由协议 2 0 ；基于地理位置的最短路径路由协议 2 1 ：基于双层和多 层卫星的路由协议 2 2 ，2 3 。 上面描述的路由协议大多是基于l e o 卫星网络，只有文献 1 7 ，2 2 ，2 3 中的路由协议 支持多层卫星网络。然而，多层卫星网络可以提高i s l 的使用效率，路由更加灵活，更 具扩展性和鲁棒性。文献【1 7 】适用于面向连接的多层卫星网络，主要思想是选择一条最 小跳数路由以达到减少最大资源消耗的目的。文献 2 2 1 的主要思想是在双层卫星口网络 中寻找一条最小时延路径，并且将l e o 的路由表计算分布到i v i e o 卫星上。文献【2 3 】的 主要思想是计算三层l e o m e o g e o 卫星口网络中的多条最短时延路径。但是，这三 种协议用于度量链路耗费的参数具有局限性并且无法做到q o s 保证。因此，如何选择链 路耗费参数和保证网络服务质量成为当前卫星网络面临的主要问题。上述路由策略没有 考虑星际链路网络的拓扑结构对路由性能的影响，特别是没有分析当系统处于重负载情 况下的路由性能。状态判决的路由策略在地面网络中得到深入的研究f 1 0 】，根据系统的当 前状态对路由进行判决，在系统处于重负载的情况下具有较好的性能，而且对分析综合业 务在网络中的性能也是非常方便的。 1 2 2 国内研究现状及发展趋势 目前，在卫星网络路由协议研究方面，国内中、低轨道卫星通信的可行性及组两通 信模式进行了有益的探索，取得了一定的成果。目前我国在卫星通信方面，尤其是在卫 星组网方面，与欧美相比，存在着较大差距。 4 3 表明卫星星际链路网络业务分布是不均匀的，呼叫的平均传输距离为l 2 跳星 际链路，即星际链路网络所承担的呼叫发生在两相邻节点对之间。e 4 2 研究了双层星座 的两种路由策略，并进行了仿真实验，给出了仿真结果。不过文中没有指明仿真使用的 软件平台，也没有说明仿真的实现方法。 4 3 介绍了目前用于解决星座网络中实现ip 路由选择功能的一些策略和方法，并对它们进行了分析和讨论。 4 4 3 对链路一状态算法 改进优化，提出了一种适合各种非静止轨道卫星移动通信系统的有效星际路由算法，并 进行了仿真。 4 5 提出了一种优化的任意两颗卫星间通信的最佳路径集合的卫星通信星 际路由算法。 4 6 引入有限状态自动机模型和模拟退火算法来求解链路分配和路由选择。 4 7 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 设计了个基于时空的宽带卫星网络分布式路由算法并进行了仿真。 1 3 本文的主要工作及意义 本文从对卫星路由算法影响的角度出发，研究不同卫星星座模型的特点，并研究无 线通信网络q o s 保证机制与q o s 路由算法，对勋s 业务进行划分，研究各种q o s 业务性 能。然后研究分析卫星通信网络用户接入策略，然后在前面提出的星座模型的基础上， 设计与之相对应的路由算法，验证路由算法各项q o s 性能指标。最后，研究各种网络仿 真工具，并进行技术选型，得出适合于卫星通信网络路由算法验证的仿真工具，设计仿 真场景，及其中的前景流量，并设计实现对上述路由算法的进行仿真，得出路由算法的 各项q o $ 性能指标，通过仿真验证与理论分析对本文所提出的卫星通信网络q o s 路由算 法进行验证，主要包括以下几个方面； 分析研究国内外卫星通信网组网的发展状况及趋势，研究卫星通信的特性，提出 一种适合我国的卫星通信网网络的星座组网拓扑模型； 分析研究卫星网络的空间特性；分析论证地面用户与卫星网络的各种接入策略； 分析论证卫星通信网络路由技术指标的合理性，对几种可能的方案进行分析和比 较； 研究分析提供q o s 保证的网络性能指标，与卫星信息网路由协议q o s 保证机制理 论算法： 软件实现基于上述星座模型的路由算法设计； 软件仿真实现星座模型与路由算法模型，分析仿真实现合理性； 通过仿真分析卫星网络模型性能与q o s 路由算法的各项性能指标； 提出基于此卫星网络拓扑模型的q o s 路由算法。 针对卫星网络设计的难点和现有的缺点，本课题具有如下技术创新： 分层的网络体系结构设计思想提高了i s l 的利用效率，具有更高的空间频谱利用 率和更短的传输时延； 时间和空间划分的思想解决了卫星移动性造成的网络拓扑快速变化问题 分布式层次化路由设计提高了路由的效率以及星上能源和资源的利用率； q o s 参数采用广义链路时延和链路剩余有效带宽，可以真实有效地反跌链路实际 状况； q o s 信息的收集与处理相隔离的方法使得路由策略更加灵活，更具扩展性、鲁棒 性以及更好的q o s 保证。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 1 星座结构 2 卫星网络o o s 路由算法研究 卫星星座设计有几种方式，一种叫w a j i k e r 星座。现在的如i r i d i u m 、t e l e d i s c 与 g l o b a l s t a r 等几个商业卫星系统都采用了w a l k e r “d e l t a 星座。w a l k e r 星座由几个相交的 轨道平面组成，每个轨道上放几颗卫星；该星座系统由六个参数来描述。 例如：g l o b a l s t a r 系统的轨道参数是4 8 8 5 2 。1 3 8 9 。这些参数的含义是有4 8 颗卫星分 布在8 个不同轨道上，轨道面之间的间隔2 2 5 。轨道倾角是5 2 。，轨道高度1 3 8 9 k m 。 g l o b a l s t a r 保证在南北纬5 5 。之间在最小仰角4 0 。的情况下至少保证一重覆盖。 另一种星座设计方案是a d a m s 和r i d e r 提出的利用椭圆轨道，是基于“由每个轨道提供 一个覆盖带”的思想，来提供对全球的多重覆盖。 本文所提出的路由算法具有完整的朴实性，可适用于任何一种星座类型。 2 1 ，1 轨道类型 按所用卫星的轨道情况来划分，卫星移动通信系统可以分为静止轨道系统和非静止 轨道系统( 同步轨道和非同步轨道) 。 静止轨道( g e o ) 只有一条，而且由于离地面较远( 3 5 8 0 0 k m ) ，不利于与地面个人终端直 接通信，因此目前大部分卫星移动通信系统都采用非静止轨道。非静止轨道卫星就轨道 类型而言有圆轨道和椭圆轨道两大类。 椭圆轨道对区域生覆盖十分有利，但轨道倾斜角必须为6 3 1 4 。( 为了在扰动条件下 能保持卫星远地点固定不动) ，这对中低纬度地区的覆盖十分不利。 而圆轨道的倾斜角可在o 。到9 0 。之间任意选择，其中又有两种划分方式：按轨道高 度划分，分为低轨道( l e o ) 卫星和中轨道( m e o ) 卫星；按倾角划分，将通过极圈的轨道称 为极轨道，其他的轨道称为倾斜轨道。 2 1 2 轨道高度 轨道高度与系统覆盖所需的卫星数目和对地面终端e m p ( 有效全向辐射功率，表示 地球站或卫星的发射能力的强弱) 及g t ( 天线增益对噪声温度比，表示地球站天线和低 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 噪声放大器的性能，g 低噪声放大器输入端的接收天线增益，t 地球站接收系统的噪声 温度) 值的要求有关，轨道高度越低，越能降低对地面终端e i r p 及g t 值的要求，但达到 系统覆盖要求的卫星数目也越多，系统造价也就越高。在轨道高度选择上通常是两者的折 中，同时还需考虑下面两个因素： ( 1 ) 地球大气层的影响。若轨道高度选择较低，大气层上部的氧原子将对卫星星体材 料形成严重的威胁，直接影响到卫星的寿命。同时还存在严重的大气扰动。只有当轨道高 度选择在1 0 0 0 k m 以上时。大气阻尼和扰动才能被忽略。 ( 2 ) 范爱伦带的影响。范t 爱伦带是以其发现者命名的绕地球存在的辐射带，是带电粒 子组成的高能粒子带，表现为强电磁辐射。范爱伦带由高度不同的环绕地磁轴的内、外 两层圆环带组成，高度分别从1 5 0 0 k m 到5 0 0 0 k m 和从1 3 0 0 0 k r n 到2 0 0 0 0 k m 。卫星轨道高 度应尽量避免选在该辐射带中，以免电磁辐射对卫星造成影响，本文所设计的卫星移动系 统轨道高度均不在此范围内。 2 1 3 运行周期的选择及低轨高度的确定 为了满足卫星运行一段时间后能回到出发点，卫星运行周期瓦必须满足条件 瓦丘= 瓦其中为地球自转周期，k ，n 都为整数。即 瓦=in(2-1) 由开普勒定理知，圆形轨道卫星的高度h 和运行周期b 满足下式： 磊：t y 瓦3 ( g ：两m ) 一1 1 3 一 ( 2 丌) 引5 。 即： 五= 2 z ( r 。+ 向) 撕i 两而西 其中g m 为引力常数，r 。= 6 3 7 8 1 4 o n ，为地球半径。 由条件7 0 0 h 1 5 0 0 可得出 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 9 8 7 7 1 4 t 1 1 5 9 8 1 3 ( 2 - 4 ) 单位为：分钟 再由( 2 1 ) 式得出 1 2 4 1 5 8 k n 1 4 5 7 9 1 ( 2 - 5 ) 取n = i ，由式( 2 5 ) 可出k 的取值为1 3 ，1 4 ，从而由( 2 一1 ) 和( 2 之) 式求出h 分别为 1 2 4 8 k m 与8 8 0 k m 。为了在相同条件下减少卫星的个数，卫星的高度应大一些，故我们 选中高度为1 2 4 8 k m 。 2 1 4 中、低卫星轨道各参数的比较及对路由的影响 卫星轨道运行以及星座分布情况对路由的影响首先表现在信息传输的时延上，这时 的时延由传输路径的距离、卫星方向角变动频度、卫星路由交换性能等因素确定。其中， 卫星方向角变动频度不仅影响信息传输时延( 由于卫星天线转动对准需要时i t ) 和网络效 率，而且对卫星天线性能、能量等也提出更高的要求，所以，我们在设计中应考虑使用 卫星方向角变动频度小的方案。 利用上面的公式，主要从星间距离、星间距离相对变化率、星间卫星方位角变化率 等几方面讨论不同卫星高度对路由的影响。 对于轨内星际链路，其星间距离、星间卫星方位角变化率几乎不变，这里主要讨论 轨闻星际链路的情况( 暂且不考虑具体的布星方案，因为对不同的布星方案，规律是相 同的，只是系统的性能可能有些差别) 。 1 用同样数量的卫星保证对全球进行单重连续 覆盖，极轨道星座轨道高度高于玫瑰星座，星问方位角和距离的变化范围及速率也更为 剧烈。建立星际链路，玫瑰星座更为合适。 星间距离 星间距离的大小可以影响卫星网信息传输的时延，其星间距离动态范围还将影响到 卫星天线的性能要求，所以需加以讨论。 由公式可知，不同轨道星间距离与地球半径r 成正比，d 的取值范围与不同的布星情 况有关。对于低轨布星来说，d 的取值范围大约为o d r ，a 入，由此可见，同一高度的 卫星网，如果轨间经度差( k ) 小，则星间距离动态范围就比较小，但这需要增加卫星 的轨道数。 下面给出几种现有卫星网距离动态变化范围的比较表。 8 西安建筑科技大学硕士学位论文 参数l r i d i u mg l o b a l s t a ri n m a r s a t - i c o 轨道高度( k 呻 7 7 81 3 8 9 1 0 3 5 5 轨道倾角( 。) 8 65 2 4 5 星问最小距离( k m ) 1 6 7 1 42 7 1 1 42 3 3 6 1 8 星间最大距离f k m ) 4 3 5 3 85 4 0 8 63 3 2 7 8 1 动态变化范围0 ( m ) 2 6 8 22 6 7 99 9 1 7 表2 - 1 几种卫星两距离动态变化范围的比较表 星间距离相对变化率 星间距离相对变化率的大小，对于某些基于最短时间或者最短路径的路由策略影响 很大，比如对于重路由，如果变化频率较高还容易引起路由抖动等问题，下面对此进行 讨论。由上式可看出，星间距离相对变化率的均值c 正比于，“2 。也就是说，如果其他 条件相同，则随着卫星高度的增加，星间距离的相对变化率将相对地降低。当然星间距 离相对变化率还与轨道倾角等因素有关。 星阈卫星方位角变化率 卫星方向角变动频度是卫星设计的一个重要指标，卫星方向角变动频度将直接影响 网络中的路由重组及路由切换，这对网络尤其是骨干网来说是非常不利的，将直接影响 网络的效率，必须加以研究。由上式可看出，星间卫星方位角变化率的均值c 正比于 ，。“，即随着卫星高度的增加，其星阅卫星方位角变化率将相对降低。当然，星间卫星 方位角变化率还与轨道倾角等因素有关，这里是在其它条件都相同时比较不同轨道高度 与星间卫星方位角变化率的关系。 2 2 双层卫星网络星座设计 m e 0 与l e o 系统在支持多媒体通信方面所具有的优势不尽相同 2 5 2 6 2 7 l e o 系统 轨道低，星地之间的传播时延小，链路传播损耗小，对用户终端e i r p 和g t 值要求不高：然 而每颗卫星的覆盖范围十分有限，需要众多的卫星来构成全球系统，网络结构复杂，系统 投资大m e 0 系统星地间的传播时延较大，但是在信息的远距离传输时( 如北京到纽约) 其 传播时延优于l e o 。具有星际链路( i s l ) 的双层l e 0 m e 0 卫星星座，不依赖地面网，形 成一个独立的空间网络平台，具有更为广阔的应用前景，并得到了越来越多的重视。 双层l e o m e 0 结构设计的主要问题是要在系统稳定性和复杂度方面做出折衷选择。如 果采用统一的全路由方式，即中低轨均为全连通的方案，系统的安全性、抗毁性最好， 但存在路由算法复杂度高，路由延迟抖动大的缺陷。对于高速移动的卫星网，容易造成 路由发散，不能很好地保证网络的整体性能。如果双层结构低轨l e o 卫星间无路由的方 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 式，虽然路由算法的复杂度很小，但系统的抗毁能力将大大降低，使系统过于依靠中、 高轨道的骨干星，并且在时延等网络总体性能方面不尽人意。考虑到以上的优缺点，以 分层结构为基础，兼顾l e o 和m e o 的优势，并考虑系统建设的分布性，提出一种如图2 一l 所示的改进卫星组网结构。在这种结构中，采用多层设计的思路，m e o 卫星作为骨干星， l e o 卫星作为接入星，并采用基于逻辑的分域模式，域内可进行通信。 本文结合星座设计的目的和我国的国情，设计了一个有l e o 和m e o 组成的双层星 座。采用中轨系统时所需卫星数目较少，但轨道高度比低轨系统高，因