來源 | “《通信學(xué)報》（2021年8月刊）”

作者 | 朱立東，張勇，賈高一（電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家級重點實驗室）

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的空間節(jié)點往往會包含多顆低軌衛(wèi)星，這些低軌衛(wèi)星之間、衛(wèi)星與地面之間存在高速相對運動，使得整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂袝r變特性，因此地面網(wǎng)絡(luò)常用的基于靜態(tài)拓?fù)涞穆酚刹呗詿o法直接在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中運用。早期衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)主要通過“快照技術(shù)”[1-2]來實現(xiàn)星上的路由轉(zhuǎn)發(fā)，即基于虛擬拓?fù)涞募惺铰酚蓹C制，地面集中計算并生成每個時間片的轉(zhuǎn)發(fā)表，星上存儲所有時間片內(nèi)的轉(zhuǎn)發(fā)表，并定期進行更新。

隨著衛(wèi)星數(shù)量的增加，對基于虛擬拓?fù)涞撵o態(tài)離散時間片技術(shù)帶來極大挑戰(zhàn)，因此頻繁的鏈路切換會導(dǎo)致星上存儲和維護的路由表規(guī)模激增。而為解決星上路由表過大的問題，衛(wèi)星相對位置信息可以加以利用，因此可利用同軌道高度內(nèi)衛(wèi)星相對位置進行路由尋址[3]。

同樣利用位置的思路，采用基于地理位置信息編址的IP 編址策略，可利用 IP 地址獲取目的地址的位置信息，并計算出其相對方位，在空間節(jié)點得出它的最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)接口進行數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)，不需要鄰居間交換狀態(tài)信息[4]，可降低衛(wèi)星網(wǎng)內(nèi)信令開銷。以上僅對當(dāng)前衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由研究進行了簡單描述，本文后續(xù)部分將對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)路由技術(shù)進行綜述，系統(tǒng)地歸納各類基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由策略，并以此為主線介紹衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)路由的研究現(xiàn)狀及未來的發(fā)展方向。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)作為衍生于衛(wèi)星通信網(wǎng)的信息傳輸系統(tǒng)，從系統(tǒng)組成上與常規(guī)衛(wèi)星通信網(wǎng)類似，包括空間段、地面段及用戶段，衛(wèi)星通信網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1 衛(wèi)星通信網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

空間段由通信衛(wèi)星構(gòu)成，衛(wèi)星的運行軌道可以分為低軌（LEO, low earth orbit）、中軌（MEO, medium earth orbit）、地球靜止同步軌道（GEO, geosynchronous equatorial orbit）或傾斜地球同步軌道（IGSO, inclined geosynchronous orbit）等。根據(jù)星上載荷類型的不同，通信衛(wèi)星可采用透明中繼或星上處理的工作方式。

地面段包括關(guān)口站、網(wǎng)絡(luò)管理中心、互聯(lián)網(wǎng)接入等功能實體。用戶段包括各類用戶終端設(shè)備及應(yīng)用場景的支持設(shè)施。

圖 2 天地一體網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及的網(wǎng)絡(luò)實體較多，其首要解決的是網(wǎng)內(nèi)節(jié)點間的互聯(lián)互通。因此，路由技術(shù)是保證衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)信息可靠、高效傳輸所必不可少的重要技術(shù)，也是本文所討論的主要內(nèi)容。從空間段架構(gòu)上，網(wǎng)絡(luò)可分為單層及多層星座結(jié)構(gòu)，本節(jié)將對其分別進行討論。

單層星座系統(tǒng)

單層星座系統(tǒng)的空間段衛(wèi)星部署于相同軌道高度，由一個或多個軌道面構(gòu)成。每顆衛(wèi)星一般配置有星間鏈路，可與同軌面及異軌面的相鄰衛(wèi)星進行通信。同時，衛(wèi)星可通過饋電鏈路和用戶鏈路分別與地面關(guān)口站和用戶站進行信息交互，從而構(gòu)成了一個具有多種鏈路的復(fù)雜天地通信系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖 3 單層星座衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在基于單層星座系統(tǒng)的路由策略研究中，空間段的星座往往是LEO星座，包括類Celestri星座[7-8]、 類 Globalstar 星座[9]、銥星星座[10]等，這些星座均由多個軌道面及數(shù)十顆衛(wèi)星組成。對于星座中的衛(wèi)星節(jié)點，會充分考慮其連通性，每個節(jié)點往往有 4 條星間鏈路分別與最近的 4 個鄰居節(jié)點互聯(lián)互通，其中 2 條為同軌面內(nèi)鄰居節(jié)點，2 條為異軌面鄰居節(jié)點[7-8, 11-12]。此外，也有研究僅考慮多顆 GEO 衛(wèi)星構(gòu)成的單層星座[13]。

有別于傳統(tǒng)的很多路由研究中利用衛(wèi)星運行的可預(yù)測性而采用時間離散圖模型不同，Li 等[15]提出了一種時態(tài)網(wǎng)格模型（TNM, temporal netgrid model）用于描述大規(guī)模小衛(wèi)星系統(tǒng)的時變拓?fù)?，其思路是將整個空間分成小空間即網(wǎng)格，衛(wèi)星能定位到網(wǎng)格中，而不采用每個衛(wèi)星的坐標(biāo)，以此構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟赃m應(yīng)隨機業(yè)務(wù)的路由。類似于網(wǎng)格分區(qū)的思路，Na 等[10]利用 LEO 衛(wèi)星的地理覆蓋特性對地域進行分區(qū)，對地面的業(yè)務(wù)量進行定量分析，并采用機器學(xué)習(xí)的方法進行衛(wèi)星業(yè)務(wù)量的預(yù)測，為路由算法的設(shè)計提供參考。

多層星座系統(tǒng)

多層星座系統(tǒng)的空間段由不同軌道高度的衛(wèi)星組成，不同的系統(tǒng)可能會有不同的組合，如多層 LEO、LEO/GEO、GEO/MEO/LEO 混合星座等，基于多層星座的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。

圖 4 基于多層星座的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多層星座系統(tǒng)由于具有更復(fù)雜的空間段結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中的路由設(shè)計會有不同的考慮。多層的空間段結(jié)構(gòu)有 LEO/MEO 雙層結(jié)構(gòu)[16-17]、LEO/GEO 雙層結(jié)構(gòu)[18]、MEO/IGSO 雙層結(jié)構(gòu)[19]、LEO/MEO/GEO 三層混合結(jié)構(gòu)[20]等。多層空間結(jié)構(gòu)為路由策略的設(shè)計帶來了更多的自由度，路由設(shè)計的策略也更多樣化。比如以距離進行分工，短距離只采用 LEO 層進行路由，而長距離通過 MEO 層進行路由[16]。多層衛(wèi)星之間的協(xié)同也可以根據(jù)時延或鏈路擁塞情況，Jiang 等[18]采用的路由策略為當(dāng)僅采用 LEO 進行路由的跳數(shù)超過門限（該門限根據(jù)端到端時延確定）或阻塞發(fā)生時，才會激活 GEO 與 LEO 之間的星間鏈路，然后 GEO 層將加入路由。

除了分組外，由于空間節(jié)點間的分層式結(jié)構(gòu)，也可以采用各層分工協(xié)同的方式，實現(xiàn)空間路由策略。對于由 LEO、MEO 及 GEO 衛(wèi)星所組成的多層空間段衛(wèi)星系統(tǒng)，考慮 LEO 衛(wèi)星數(shù)目多，Akyildiz 等[20]對 LEO 衛(wèi)星進行了分組，將每個組看作一個節(jié)點，采用邏輯位置的概念以便把 LEO 衛(wèi)星的移動性與上層協(xié)議隔離開，使上層協(xié)議的設(shè)計不用考慮 LEO 的移動性，實現(xiàn)了協(xié)議上下層間的解耦。GEO 層隱藏了 LEO 的具體拓?fù)洌瑥亩梢越档陀嬎銖?fù)雜度，使路由表的計算更容易。GEO 衛(wèi)星采用最短路徑算法進行網(wǎng)內(nèi)路由表的計算，并分發(fā)至 MEO 衛(wèi)星。MEO 衛(wèi)星則為 LEO 衛(wèi)星創(chuàng)建路由表，并分發(fā)至 LEO 衛(wèi)星，從而實現(xiàn)了空間全網(wǎng)路由信息的建立。

最近的研究中的一些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)新技術(shù)也可應(yīng)用于多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，如 SDN（software defined network ） 技術(shù) 。Wang 等 [21] 提出了一種基于 GEO/MEO/LEO 三層空間段的SDN構(gòu)架，其中 GEO 作為頂層控制節(jié)點，負(fù)責(zé)計算優(yōu)化的通信鏈路和資源調(diào)度。MEO 衛(wèi)星作為輔助路徑，幫助 GEO 衛(wèi)星收集地面和 LEO 衛(wèi)星附近目標(biāo)的信息。LEO 衛(wèi)星負(fù)責(zé)接收 GEO 衛(wèi)星的命令和執(zhí)行信息轉(zhuǎn)發(fā)功能。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)相較于地面通信網(wǎng)而言，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂袝r變性，同時星載存儲、計算及功率有限，因此現(xiàn)有地面通信網(wǎng)路由策略往往無法直接應(yīng)用于衛(wèi)星通信網(wǎng)中，已有許多研究根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特性開展了相應(yīng)的路由策略探索[24]。衛(wèi)星路由算法一般以一些關(guān)鍵性能作為考慮項開展研究，如時延、帶寬、數(shù)據(jù)分組丟失率、穩(wěn)健性及資源利用等，本節(jié)將按這些關(guān)鍵性能進行分類討論。

時延、帶寬、數(shù)據(jù)分組丟失率

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)路由策略的研究往往以單一或多個性能作為優(yōu)化目標(biāo)，這些目標(biāo)與具體業(yè)務(wù)所常要求的 QoS（quality of service）相關(guān)，如時延、帶寬、數(shù)據(jù)分組丟失率等。

時延在路由研究中往往指端到端時延，時延最小化是許多路由策略的優(yōu)化目標(biāo)。此外，如果業(yè)務(wù)QoS 對時延提出了要求，則總的端到端時延需滿足該要求，可表示為

其中，P（Src，Des）表示從源到目的地的一條規(guī)劃路由，它可由多條單跳鏈路組成；( u，v )表示一條單跳鏈路，該單跳的起止節(jié)點分別用 u 和 v 表示；d (u , v)表示鏈路 ( u , v )  的端到端時延；D表示要求的整個路由端到端時延約束。

如果業(yè)務(wù) QoS 提出了帶寬要求，則路由中的每一跳之間的鏈路可用帶寬均不能小于該帶寬要求，可表示為

其中，band ( u , v )表示鏈路( u , v )的可用帶寬；Bmin表示要求的整個路由的最小帶寬約束。

數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點至目的節(jié)點的過程中，可能由于信道干擾、排隊超時等原因造成數(shù)據(jù)分組丟失，數(shù)據(jù)分組丟失的數(shù)量與總傳輸數(shù)據(jù)分組的數(shù)量之比即為數(shù)據(jù)分組丟失率。不同業(yè)務(wù)的 QoS 對于數(shù)據(jù)分組丟失率一般會有不同的要求，如數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分組丟失率通常要求比語音傳輸業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分組丟失率低。

比較直接的方式是選擇時延最小的端到端路徑來計算路由表 ，如針對多層衛(wèi)星的 MLSR（multi-layered satellite routing algorithm）算法[20]。

對于 LEO 衛(wèi)星星座而言，由于衛(wèi)星之間的相對運動，星間鏈路均有生存周期，DLRA（double-layered satellite network routing algorithm）[16]在 MLSR 算法的基礎(chǔ)上，針對 LEO/MEO 雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，將星間鏈路的剩余生存期考慮到路徑的權(quán)值函數(shù)中，以計算出兼顧時延和穩(wěn)定性的優(yōu)化路徑。而 BDSR（bandwidth-delay satellite routing）算法[25]則是兼顧時延和帶寬，當(dāng)鏈路帶寬過載且平均端到端時延的變化受到約束時，它會選擇剩余帶寬較多的另一條鏈路，隨著運行時間的增加，端到端時延逐漸減小，平均最小帶寬則緩慢增加。

鏈路狀態(tài)是路由策略所需的基本信息，為了降低基于鏈路狀態(tài)的路由算法的開銷和收斂時間，SLSR（satellite network link state routing）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)路由算法[26]利用空間傳播時延是可預(yù)測和可預(yù)先計算出來的特點，因此僅對不確定的星上排隊時延、鏈路和節(jié)點故障進行實時狀態(tài)采集。對關(guān)注于尋找端到端傳播時延最小路徑的路由策略，隨著衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的增加，可能會出現(xiàn)高數(shù)據(jù)分組丟失率和長排隊時延的情況，基于隊列狀態(tài)的 NGEO（non-geosynchronous earth orbit）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路由機制 QSDR（queue state based dynamical routing）[27]利用衛(wèi)星實時隊列狀態(tài)的路由模型對預(yù)先計算的路由進行調(diào)整，以便盡快發(fā)送數(shù)據(jù)分組，避免當(dāng)前節(jié)點出現(xiàn)擁塞，使網(wǎng)絡(luò)中的所有衛(wèi)星都為接收相鄰衛(wèi)星的數(shù)據(jù)分組留出了更多的空間，在一定程度上減小了排隊時延。

時延往往是 QoS 中的一項指標(biāo)要求，此外，還包括帶寬、時延抖動、數(shù)據(jù)分組丟失率等。以時延抖動為例，其一種產(chǎn)生情況是由于在低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星運動使屬于不同軌道的衛(wèi)星之間相對位置頻繁發(fā)生變化，從而導(dǎo)致星間鏈路出現(xiàn)時延抖動。不同的應(yīng)用場景對 QoS 的要求會有所不同，針對多媒體應(yīng)用對服務(wù)質(zhì)量的要求，Rao 等[8]采用遺傳算法實現(xiàn)星間鏈路的 QoS 路由，提出了一種適用于LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的多徑衛(wèi)星間鏈路路由（MPIR, multi-path inter-satellite link routing）策略，該策略在受帶寬和時延約束下的時延抖動、呼叫阻塞概率等方面具有較好的 QoS 保證。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)作為信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)分組丟失率往往也是 QoS 中的重要指標(biāo)項，Zhang 等[29]針對星地鏈路切換導(dǎo)致的數(shù)據(jù)分組丟失率陡增問題，分別基于靜態(tài)路由和動態(tài)路由，提出了源預(yù)規(guī)劃計算（SPPC, source preplanning calculation）和目標(biāo)重定向計算（DRAC, destination readdressing calculation） 2 種優(yōu)化策略，以期緩解數(shù)據(jù)分組丟失問題。但 SPPC 不能解決隨機時延導(dǎo)致的切換中斷，對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目箵砣砸蟾?，?DRAC 雖然可以解決未知的網(wǎng)絡(luò)擁塞，但代價是額外的路由開銷。

穩(wěn)健性

由于衛(wèi)星軌道的循環(huán)可見性和軌道固定性，使衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)容易遭受攻擊和干擾[30]。此外，受宇宙空間環(huán)境、器件老化的影響或衛(wèi)星技術(shù)頻繁更新的需要，會使衛(wèi)星失效，與其相關(guān)的星間鏈路則會斷鏈，從而引發(fā)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?。因此，提升網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力及穩(wěn)健性，也是近年來衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)路由研究的熱點。

針對 MEO/LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)離線路由算法不能適應(yīng)不可預(yù)測拓?fù)渥兓膯栴}，Li 等[31]提出了一種抗毀動態(tài)路由算法，將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)劃分為多個簇，通過采用邊界-衛(wèi)星源路由方案來優(yōu)化切換效果，并在星間鏈路發(fā)生故障時，增強系統(tǒng)生存性。由于抗毀動態(tài)路由算法需更新鏈路狀態(tài)，因此會產(chǎn)生額外的傳輸開銷，在此基礎(chǔ)上作者進一步提出了一種適用于 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的抗毀路由算法[32]，以期以最小的代價自動避免無效的星間鏈路并且重路由。

資源利用

網(wǎng)絡(luò)擁塞會導(dǎo)致數(shù)據(jù)分組丟失、降低系統(tǒng)吞吐能力，不利于高效利用網(wǎng)絡(luò)資源。Ma 等[11]提出了一種適用于低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的分布式數(shù)據(jù)報路由算法，在選擇下一跳衛(wèi)星節(jié)點時，對其擁塞狀態(tài)進行考慮，從而該路由策略有利于擁塞處理和減少時延，同時能夠提高節(jié)點故障時的數(shù)據(jù)傳輸成功率。而 Yi 等[19]針對 MEO/IGSO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提出的是一種按需計算和緩存的集中路由策略，設(shè)計了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)分組的路由算法，將數(shù)據(jù)傳輸路由計算分為方向估計、方向增強和擁塞避免 3 個階段，以使衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)配置更靈活、傳輸更高效并易于管理。

計算能力是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的寶貴資源，尤其對于作為空間節(jié)點的衛(wèi)星而言更是如此。衛(wèi)星的體積、重量及功耗限制了其計算能力，因此對于路由算法也提出了更高的挑戰(zhàn)。為了滿足衛(wèi)星存儲和處理能力的要求，Zhang 等[36]提出了一種路由表的生成和更新算法，將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由計算分配給星載路由器和地面路由器來完成，分別生成局域網(wǎng)路由表和全網(wǎng)路由表。該算法可以降低對衛(wèi)星計算能力的要求，減輕星間鏈路的負(fù)擔(dān)，并且地面路由器也可以隨著衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)擴展而升級。此外，基于預(yù)計算和分布式星載實時計算相結(jié)合的方法，并考慮實時的星間鏈路狀態(tài)，計算目標(biāo)在每顆衛(wèi)星上的下一跳的路由和前向表，也可提高實時性，并減少星載計算負(fù)荷[37-38]。

為提高系統(tǒng)的資源利用效率，系統(tǒng)內(nèi)的路由開銷應(yīng)盡量小，可采用基于地理位置的方法[39-42]，將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地球劃分為多個域，可以有效地減少大規(guī)模的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中路由表的大小和生成時間，并在用戶條件發(fā)生變化時保持路由表的穩(wěn)定性，大大降低路由開銷。

基于人工智能的路由

例如，許多基于模型的網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化研究都是針對特定網(wǎng)絡(luò)場景或者特定假設(shè)的流量模型進行求解，其方法由于假設(shè)本身帶來的誤差以及模型與真實網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別，導(dǎo)致所提出的方案難以在真實網(wǎng)絡(luò)場景中取得較好的路由效果。而機器學(xué)習(xí)（ML, machine learning）等人工智能技術(shù)通?？梢宰詣犹崛【W(wǎng)絡(luò)流量特征，并且不依賴人類專家經(jīng)驗生成相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)策略，在解決網(wǎng)絡(luò)路由 NP 難問題上相對于傳統(tǒng)方案開辟了新的道路[43]，因此基于人工智能的路由生成是具有前景的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)路由技術(shù)研究方向。

衛(wèi)星與 5G/6G

常規(guī)低軌衛(wèi)星網(wǎng)基于虛擬拓?fù)涞穆酚蓹C制在與地面路由機制融合時的難度較大，因為前者是利用衛(wèi)星標(biāo)識和星間連接關(guān)系生成路由信息，在與基于 IP 路由的地面網(wǎng)絡(luò)融合時，需要 2 種路由機制配合，且需要前者能根據(jù)當(dāng)前地面用戶連接情況及時地更新星上路由的存儲信息，這會產(chǎn)生相當(dāng)大的星上維護開銷，加劇星上資源壓力。由于衛(wèi)星高速移動使衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)之間連接關(guān)系不斷變化，傳統(tǒng) IP 邏輯編址機制中改變接入衛(wèi)星會導(dǎo)致終端 IP 地址改變，觸發(fā)綁定更新，頻繁的綁定更新會消耗大量星上通信資源[4]。這些都對天地一體化網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)計提出了極高的要求，同時使天地全域路由成為新的研究方向。

巨型衛(wèi)星星座

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