1、 专题：6G 空间互联网 低轨卫星网络的航点分段路由及业务性能分析 赵鑫1，赵光1，陈睿1，王文鼐1,2（1.南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏 南京 210003；2.宽带无线通信与传感网技术教育部重点实验室，江苏 南京 210003）摘 要：提出一种基于卫星航点的分段路由（waypoint-segment routing，WSR）算法，WSR 算法以可预测的卫星网络拓扑运动周期为基础，根据卫星节点链路状态确定卫星航点的位置；利用分段路由灵活规划分组传输路径的机制，提前响应网络拓扑变化，计算得到一条不受网络拓扑快照切换影响的传输路径。基于 NS-3 仿真平台进行仿真实验，设置源节点与目标节
2、点在反向缝同侧与不同侧两种场景，选取优化链路状态路由（optimized link state routing，OLSR）算法和最短路径算法与 WSR 进行时延抖动与分组丢失率的对比分析。实验证明 WSR 与 OLSR 相比，两种场景下最大时延抖动分别降低 46 ms 与 126 ms，分组丢失率分别降低 30%和 21%，并且能够解决拓扑快照切换导致分组传输路径中断的问题。关键词：低轨卫星网络；虚拟拓扑；极区星间链路；卫星航点路由；性能仿真 中图分类号：TN927 文献标志码：A doi:10.11959/j.issn.1000-0801.2023020 Analysis on waypoi
3、nt-segment routing and performance evaluation for LEO satellite networks ZHAO Xin1,ZHAO Guang1,CHEN Rui1,WANG Wennai1,2 1.College of Telecommunications&Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China 2.Key Lab of Broadband Wireless Communication and Se
4、nsor Network Technology,Ministry of Education,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China Abstract:A waypoint-segment routing(WSR)algorithm was proposed.Based on the predictable periodicity of the topological changes of satellite network,the location of satellite waypoint
5、s based on the link state of satellite nodes at the current moment was determined by WSR algorithm.The mechanism of flexible planning of packet transmission paths was responded by segment routing to changes in satellite network topology in advance,and a packet transmis-sion path that was not affecte
6、d by network topology snapshot switch was calculated.Simulation experiment was based on the NS-3,and the optimized link state routing(OLSR)algorithm and the shortest path algorithm were se-收稿日期：2022-07-12；修回日期：2023-01-20 通信作者：王文鼐， 基金项目：江苏省研究生科研与实践创新计划项目（No.KYCX21_0724，No.KYCX20_0718）Foundation Items
7、:The Postgraduate Research and Practice Innovation Program of Jiangsu Province(No.KYCX21_0724,No.KYCX20_0718)49 电信科学 2023 年第 2 期 lected to compare with WSR in order to analyze the delay jitter and packet loss rate.It was proved that compared with OLSR,the maximum delay jitter of WSR was reduced by 4
8、6 ms and 126 ms respectively in the two scenarios,the packet loss rate was reduced by 30%and 21%respectively,and the problem of packet transmission path interruption caused by topology snapshot switching can be solved.Key words:low earth orbit satellite network,virtual topology,polar ISL,satellite w
9、aypoint routing,perfor-mance simulation 0 引言 卫星通信系统近年来得到广泛的关注与迅速的发展，其中低地球轨道（low earth orbit，LEO，以下简称低轨）卫星通信系统凭借信号发射功率小、发射成本低以及传输时延低等优点1-2，成为全球通信领域的研究热点之一。此外，一些业内专家认为，在 6G 通信系统中，为了提供全球覆盖应当引入卫星通信，以实现天地空一体化3-5。从 Globalstar 系统的 48 颗卫星，到如今Starlink 系统计划的数万颗卫星，为全球用户提供网络接入服务，LEO 卫星得到快速的发展6。现代巨型星座卫星使用更先进的调制技
10、术、多波束天线和复杂的频率复用技术，降低了制造与发射成本7。同时，星座结构更加多样化8-9，星间拓扑的变动周期更短10。由于地面网络的路由协议无法直接应用到LEO 卫星通信系统上，故为不断演变的动态卫星网络拓扑设计一种有效的路由方法成为当下的热点研究问题。传统的 Dijkstra 算法通过遍历拓扑中节点的权值来计算得到最短路径，即从源节点到目标节点的分组传输时延最小，但是 LEO 卫星网络是一种对称网络拓扑，这将导致来自同一节点的多条最短路径可能包含同一条链路11，这对动态变化 LEO 网络拓扑是不利的。然而应用于 MANET 的优化链路状态路由（optimized link state ro
11、uting，OLSR）算法能够根据网络拓扑变化做出快速的应对，文献12的研究结果表明，OLSR 协议应用于 LEO 卫星网络中可以有效降低分组传输的总时延，且OLSR 协议适用于极地卫星任务。文献13在OLSR 协议的基础上，根据 LEO 卫星网络运动周期计算出的每条链路状态，得到更加稳定的传输路径，使得分组丢失率得到显著的改善。文献14提出应用于卫星与地面网络结合场景的 OLSR 优化算法，并做出性能评估。目前，虚拟拓扑（virtual topology，VT）技术成为处理动态网络拓扑的关键技术之一15，VT 模型依据卫星运动的周期性，将一个时间连续的动态网络拓扑抽象划分成若干张静止的网络拓
12、扑图，每一张静止的拓扑图被称为一张快照16，故可以离线计算卫星网络的路由，这降低了对卫星的存储空间与计算能力的要求17。基于VT 网络模型技术，文献18对分布式星间路由算法做出研究，未考虑拥塞避免的分布式路由算法造成网络拥塞，将导致分组丢失率上升，然而集中式路由算法相对于分布式路由算法收敛速度更快19，集中式的分段路由（segment routing，SR）允许源节点将一条或多条指令加在分组的头部，这些指令引导分组沿着一个特定的路径进行传输，即一条通向某个目的节点的路径通过在中间添加航点而被分割成若干段20，与传统的网络架构相比，SR 更具有灵活性、可扩展性21，这更加有利于解决动态 LEO
13、网络的路由问题。另外，星载硬件设备小型化和计算能力的增强，推动了 LEO 卫星的发展。Starlink、OneWeb 和 Telesat 等已在卫星中部署小型硬件设备，其端到端传输时延及可靠性的需求，成 专题：6G 空间互联网 50 为现代巨型星座技术的核心问题之一22。分组在传输过程中发生网络拓扑快照切换导致分组传输路径断开，会造成路由重计算，即分组在该中间节点将会有短暂的等待时间，继而总时延增加，这对通信质量造成了严重的影响，而拓扑快照切换后，同时路由收敛完成，传输时延会恢复正常。因此，网络拓扑快照切换前后时间段内会出现严重的抖动现象，而先验式路由协议 OLSR 与目的节点序列距离矢量协议
14、都具有较好的鲁棒性，因此能够适应具有抖动特性的 LEO 卫星网络23，但不能完全解决该问题，且目前 LEO 卫星数量急剧增加使得拓扑快照数量急剧增加24，故高频率的拓扑快照切换导致时延抖动更加频繁。本文提出一种基于卫星航点的分段路由（waypoint-segment routing，WSR）算法用于解决卫星网络拓扑快照切换前后路由中断问题，并进一步改善时延抖动问题。仿真实验选择OLSR算法、Dijkstra算法与WSR进行性能对比，选取分组丢失率来分析拓扑快照切换前后是否出现传输路径中断的问题，并且为了进一步观察时延抖动改善程度，选择分组端到端时延作为性能评价指标。1 低轨卫星网络路由中断问题
15、 1.1 星间链路特征 LEO 卫星网络拓扑如图 1 所示，空心圆点代表卫星，卫星在轨道上向极区方向运动。每颗卫星与前后左右的 4 颗卫星通过星间链路（inter satellite link，ISL）25连接，同一轨道内的链路称为轨内星间链路，相邻轨道间的链路称为轨间星间链路。LEO 卫星运动过程中，轨内 ISL 始终保持连接状态，轨间 ISL 却会出现断开与恢复的现象。相邻轨道的两颗运动方向相同的卫星在向极区方向运动时，两颗卫星之间的距离不断缩小26，因为 ISL 通过卫星天线的不断转动调整来保持连接状态，故为了适应两颗卫星之间不断缩小的距离，卫星天线的旋转角速度将会随之增大。但因为天线无
16、法承受过大的角速度，因此卫星天线旋转角速度达到某一阈值，即卫星进入极圈时会关闭轨间 ISL，与相邻轨道卫星断开连接，在出极区时恢复连接。图 1 中卫星S1与 S2、S2与 S3之间的虚线代表卫星即将通过极圈而将要关闭的轨间 ISL，称为极区 ISL。LEO卫星网络拓扑中相邻轨道上卫星反向运动时，两轨道间的区域称为反向缝，图 1 中反向缝两侧上的卫星高速相对运动，故反向缝两侧上的卫星之间无法建立 ISL27。图 1 LEO 卫星网络拓扑 1.2 星间路由中断问题分析 分组在 ISL 上传输过程中发生网络拓扑快照切换，会导致路由中断。t0时刻与 t0+T 时刻的网络拓扑快照对比如图 2 所示，源节点 S 向目标节点 D 沿着箭头线所指的两条传输路径传输分组。其中，下一个为 next，继续为 continue，压入为 push。源节点 S 到目标节点 D 的传输路径见表 1，路径 1 因为存在 2-3 与 3-D 极区 ISL，在发生拓扑快照切换后，该路径发生中断。即图 2 中，t0+T 时刻网络拓扑快照中的两条链路e1与 e2断开，而路径 2 则在拓扑快照切换后未受影响。故可以认为一次通信