低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、低軌（LEO：Low Earth Orbit）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，是指采用若干LEO通信衛(wèi)星節(jié)點構(gòu)成的星座網(wǎng)絡(luò)。由于LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的地理覆蓋特性、較短的通信往返延遲、較低的用戶終端與衛(wèi)星節(jié)點間通信功耗以及高效的無線頻譜復(fù)用特性，為實現(xiàn)全球?qū)崟r無縫信息傳遞，提供了有效的解決手段，在視頻點播、多媒體廣播、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育和高速互聯(lián)網(wǎng)接入等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景和研究價值。
　　路由技術(shù)作為解決LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)承載互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)報通信的核心

2、技術(shù)，對信息的高效實時傳遞，具有極為重要的意義。然而，LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的時變拓?fù)?、用戶與衛(wèi)星節(jié)點間接入關(guān)系的不斷變化、星上處理能力嚴(yán)重受限和節(jié)點硬件不可升級等特性，給LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文圍繞LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計中面臨的現(xiàn)實問題，重點對移動管理、單播和組播等關(guān)鍵技術(shù)開展了深入研究。本文的主要研究成果和貢獻(xiàn)如下：
　　1、提出一種地球靜止軌道（GEO：GEostationary Orbit）衛(wèi)星輔助的移動

3、管理協(xié)議——GSAMM（GEO-Ssatellites-Aided Mobility Management）。
　　為了實現(xiàn)用戶節(jié)點間的數(shù)據(jù)報通信，LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)除了需要具備數(shù)據(jù)報路由功能外，還需要通過移動管理系統(tǒng)對用戶節(jié)點進(jìn)行定位，以及在用戶節(jié)點切換接入衛(wèi)星節(jié)點時，保持已有的通信進(jìn)程不被中斷。由于用戶節(jié)點與LEO衛(wèi)星節(jié)點間接入的關(guān)系動態(tài)性，以及LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，存在諸如“seam”區(qū)域、極地區(qū)域等特殊區(qū)域，因此在LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中

4、，通過LEO衛(wèi)星實現(xiàn)基于空間的移動管理，存在綁定更新和定位開銷過大等問題。針對這些問題，提出一種以GEO衛(wèi)星為主的基于空間的移動管理協(xié)議GSAMM。GSAMM利用GEO衛(wèi)星具有覆蓋范圍廣的特點，借助 GEO衛(wèi)星完成LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)移動管理的主要工作，從而降低了定位用戶節(jié)點過程的復(fù)雜性和開銷；同時，采用本地基于距離的位置更新方法，降低了網(wǎng)絡(luò)中綁定更新事件產(chǎn)生的頻率和開銷等問題。由于LEO衛(wèi)星只負(fù)責(zé)輔助性的工作，無需判斷與本衛(wèi)星節(jié)點覆蓋區(qū)域重

5、疊的定位區(qū)域，是否與相鄰LEO衛(wèi)星節(jié)點的覆蓋區(qū)域重疊；并且，相鄰的LEO衛(wèi)星節(jié)點之間不需要交互彼此覆蓋區(qū)域的信息，極大地減小了LEO衛(wèi)星節(jié)點在移動管理方面的開銷。實驗結(jié)果表明，與已有相關(guān)研究工作比較，GSAMM協(xié)議可減少70％以上的管理開銷。
　　2、提出一種基于用戶節(jié)點相對不變屬性的分布式路由協(xié)議——RBRUAU(Routing Based on Relatively-Unchanged Attributes of Users）

6、。
　　LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臅r變特性，以及用戶節(jié)點與衛(wèi)星節(jié)點間接入關(guān)系的動態(tài)性，給點到點路由協(xié)議的實現(xiàn)，帶來難以維持路由信息與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⑴c接入關(guān)系一致的問題。針對該問題，提出一種新型分布式路由協(xié)議RBRUAU，它無需維持路由信息的一致性的。RBRUAU是在基于地理位置的路由算法基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，即無需維持路由信息的一致性，又能夠快速適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，具有較小的信令和處理開銷，以及良好的可擴展性。RBRUAU首先對實施基于地理位置的路

7、由算法時，所需要應(yīng)對的本地極值情況進(jìn)行分類；然后，利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊?guī)律性，通過將用戶節(jié)點的相對不變屬性與基于軌跡的轉(zhuǎn)發(fā)方法相結(jié)合的方式，解決不同類型的本地極值問題。實驗結(jié)果表明，與用戶節(jié)點間最短路徑所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)報傳輸延遲相比，RBRUAU產(chǎn)生的平均延遲增加值不超過9.2%。
　　3、提出一種基于組播用戶地理位置的組播路由協(xié)議——GMPBMR（Group-Members Position Based Multicast Routi

8、ng）。
　　LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臅r變特性，以及用戶節(jié)點與衛(wèi)星節(jié)點間接入關(guān)系的動態(tài)性，給組播路由協(xié)議的實現(xiàn)帶來了組播狀態(tài)信息難以維護(hù)的問題。針對該問題，提出一種不依賴于“組播樹”，轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)報的組播路由協(xié)議 GMPBMR。GMPBMR依據(jù)衛(wèi)星所在軌道面，對LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星節(jié)點分簇，將組播用戶與衛(wèi)星節(jié)點間接入關(guān)系的變化信息，限制在簇內(nèi)衛(wèi)星節(jié)點間通告；使用基于地理位置的路由算法路由組播數(shù)據(jù)報，使得GMPBMR能快速適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>