卫星网络路由协议设计

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随着卫星通信技术的发展以及卫星制造技术的提高,低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星在卫星互联网中的地位日益提升,对低轨卫星网络的研究迎来猛烈的热潮。卫星网络路由技术作为LEO卫星网络技术的核心,是提升网络性能的关键,一直是研究的热点。目前大多数卫星网络路由算法只关注星间路由如何转发的问题,而考虑地面终端接入卫星网络,应对星间路由切换频繁问题提出的路由算法较少,并且现有的算法对星间链路故障的适应性差。本文针对如何有效解决星间路由切换频繁的问题,深入研究基于LEO卫星网络的路由算法。本文以卫星网络路由算法为研究目标,在深入研究LEO卫星星座特点和现有卫星网络路由算法机制的基础上,针对地面终端接入卫星网络星间路由切换频繁的问题,提出一种基于虚拟节点的自适应抗毁路由算法VN-ASR,仿真实现VN-ASR,与现有的算法对比分析VN-ASR的性能。首先介绍卫星网络关键技术,包括卫星星座技术和卫星网络路由技术。分析卫星网络路由的特点,总结现有路由算法的不足,为本文后续的研究打下基础。其次,本文基于特定的LEO卫星Walker Star星座,针对地面固定终端接入卫星网络星间路由切换频繁的问题,并且考虑到基于虚拟节点路由算法抗毁性差,以及因流量负载不均会引发网络拥塞的问题,提出一种基于虚拟节点的自适应抗毁路由算法VN-ASR。VN-ASR包括路由表更新、链路故障探测、多径路由和拥塞避免机制。路由表的更新发生在卫星节点对应的虚拟节点变化时以及卫星节点之间的连接关系变化时。链路故障探测机制通过周期性向邻居节点发送HELLO报文探测链路状态,当检测到链路状态变化时启动UPDATE泛洪触发路由表的更新。多径路由机制通过主选路径和备选路径的切换保障从链路发生故障到路由表更新期间的丢包性能。拥塞避免机制通过判断下一跳链路的拥塞信息和下一跳节点的繁忙状态在主选和备选路径中选择合适的下一跳避免网络拥塞。然后,利用STK和OPNET软件,从网络层、节点层和进程层实现VN-ASR算法的建模。最后,设置场景验证VNASR算法特性,然后和经典的基于虚拟节点的DRA算法对比,评估VN-ASR算法的性能。经过仿真分析,VN-ASR算法能够解决DRA算法因多点故障导致性能下降的问题。并且在接近真实地球业务分布的仿真场景中,VN-ASR算法比DRA算法有更低的丢包率和更小的平均时延。在避免网络拥塞方面,VN-ASR虽然可以保证较小的丢包率,但会引入较长的排队时延,较大的路由开销,后续还需要继续优化。
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