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巨型双层低轨卫星星座分布式路由方法研究 AITC 2024+摘要

巨型低轨卫星星座,多层星座,分布式路由

1.研究背景

当前，低轨卫星星座正朝着多层化发展，多层低轨卫星星座不但能增加数据传输路径还能提升卫星网络总体容量。然而，更强的拓扑动态性、更多的节点数目以及更为复杂的网络结构使得如何设计适用于多层低轨卫星星座的路由算法成为一大挑战。首先，卫星的高速运动使得星座的网络拓扑始终处于动态变化中，星座拓扑的高度动态性加剧了路由算法的设计难度；其次，受制于自身的体积和重量，低轨卫星不能搭载大量计算载荷，这使得星上计算资源受限，无法部署高复杂度的路由算法；最后，卫星网络的网状结构不利于控制节点获取全局拓扑信息，集中式路由算法难以在卫星网络中使用。

2. 基于最小跳数分析的轻量化分布式路由算法

针对以上问题，本文提出一种适用于巨型双层低轨卫星星座的轻量化分布式路由算法。首先，为了屏蔽卫星拓扑的动态性，本文基于虚拟节点法设计出一种适用于巨型双层低轨卫星星座的拓扑表征方法。其次，为了应对星上计算资源受限的问题，本文提出一种复杂度为O(1)的端到端最小跳数估计算法对分布式路由算法进行辅助。该算法不仅能对端到端路径的最小跳数进行估计，还能确定端到端路径方向，可以进一步降低路由算法运算复杂度。最后，本文提出一种适用于巨型双层低轨卫星星座的轻量化分布式路由算法。该算法的核心思想是在端到端最小跳数约束下综合考虑当前卫星和下一跳卫星的负载情况进行路由决策。该算法能够在提升系统吞吐量的同时降低端到端时延。

3. 结果和结论

本次仿真实验选取200对跨层流量应用本文提出跳数估计算法，并将跳数估计结果和最短路径的跳数进行比较。结果如图1所示，所提端到端最小跳数估计算法在低运算复杂度的优势下能将平均误差控制在2跳以内。



图1 跳数估计统计结果

本文在采用Ka频段星间链路的系统和采用激光星间链路的系统中，对所提路由方法进行仿真验证，图2和图3分别展示了Ka系统和激光系统的仿真结果。仿真结果表明，与典型的集中式路由方法相比，本文所提路由方法能够降低系统丢包率47%，提升系统吞吐量32%；与典型的分布式路由方法相比，所提方案能够降低系统丢包率40%，提升系统吞吐量17%。同时，与对比方案相比，本文所提方法能将系统平均端到端时延减少50ms和20ms。