低轨卫星网络路由算法研究

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随着通信业务需求的日益增长,卫星通信已成为通信技术领域中重要的研究趋势。低轨(LEO,Low Earth Orbit)卫星因其覆盖范围广、灵活性强、不受地理环境约束等诸多优势,一直是学者们广泛关注的重点。星间路由技术作为LEO卫星网络的关键技术,是提升整个卫星通信系统性能的重要因素。然而LEO卫星网络拓扑变化频繁、星上负载分布不均衡、链路和节点易故障且难修复等特点,以及全球业务急剧增长的客观趋势,给卫星路由与负载均衡带来了严峻的挑战。因此,本文主要针对负载均衡同时考虑网络故障,深入研究了特定LEO卫星网络的星间路由算法。本文选择卫星网络星间路由算法作为研究目标,在深入分析LEO卫星星座和现有星间路由算法机制的基础上,针对空间网络负载均衡问题并兼顾考虑网络故障,提出了一种基于事件触发的自适应多径路由算法EAMR,对该算法进行了仿真研究,并和已有典型算法进行对比,分析验证了该算法的性能。首先,介绍了卫星网络的关键技术,包括卫星星座和卫星网络路由两方面,深入分析了现有路由算法存在的问题。其次,结合特定LEO卫星网络模型,调研星间路由算法设计需要考虑的诸多因素,在保证卫星网络能够应对故障的同时重点研究星间路由算法的均衡能力,提出了一种基于事件触发的自适应多径路由算法EAMR。EAMR算法主要包括链路信息更新、多径路由、负载判决三种机制。链路信息更新通过HELLO监测实时感知邻居卫星负载状况和链路故障,通过FAILED泛洪将拥塞或故障信息扩散至全网,触发全网卫星更新全局最优路由;多径路由通过事件触发卫星更新多径路由表,简化星上存储,通过按需迂回路由提高数据的转发性能;负载判决根据链路状态为数据灵活选择路径,及时均衡网络负载,应对网络故障。然后,利用STK和OPNET软件实现并仿真EAMR算法,对网络层、节点层与进程层进行建模。最后,设计多种仿真场景,对DSP算法、LAOR算法、ELB算法和EAMR算法进行仿真,对比平均时延、丢包率、吞吐量等指标,分析EAMR算法的性能。仿真结果表明:相比于其它几种路由算法,EAMR算法在一定程度上有效的提高了网络的均衡性和抗毁性。该算法能够以可容忍的开销简化星上存储及时适应网络负载变化和链路连接状态变化,获得较低的时延和丢包率以及较大的吞吐量,体现了该算法应对拥塞和故障的适应性和有效性。EAMR算法能够稳定运行在课题中特定的LEO卫星网络上,对于其它极轨或近极轨星座,该算法具有较好的可移植性。
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