基于邻近卫星负载状态的低轨卫星分布式路由算法.docx

简介：
本文提出了一种创新的分布式路由算法，专门针对低轨道卫星网络设计，通过考虑临近卫星的负载情况来优化数据传输路径，提高整体网络性能和效率。 ### 基于邻居卫星负载状态的低轨卫星分布式路由算法 #### 一、引言与背景 随着通信技术的进步以及业务需求的增长，未来的通信网络正朝着地面网络与卫星网络融合的趋势发展。其中，低地球轨道（LEO）卫星网络在星地互联中扮演着关键的角色。进入5G时代后，终端数量激增，使得卫星通信成为地面移动通信系统和固定通信网的重要补充。由于LEO卫星具有较低的传输损耗及短传播时延等特点，在军事、民用等众多领域有着重要的战略价值。 #### 二、现有研究综述 1. **基于分段路由的负载均衡算法**：Liu等人提出了一种通过动态划分轻重负载区来实现负载均衡的方法。在轻载区采用预平衡最短路径算法，而在重载区使用最小权重路径算法。这种方法虽然可以提高吞吐量和链路利用率，并减少平均时延，但是会增加星上存储空间且复杂度较高。 2. **最小跳路由算法**：冯玺宝提出了一种基于卫星间经纬度信息计算备选路径的算法，在网络负载状况下选择最优路径。该方法减少了信令开销和运算复杂度，并缓解了部分网络拥塞问题，但依赖于固定节点进行路由表计算，影响实时响应能力。 3. **最优时延路由算法**：Geng等人提出了一种通过卫星网路中的延迟变化来选取有效备选路径的方法。虽然能够应对网络堵塞状况并做出及时反应，但这会增加信令的开销成本。 4. **基于拥塞预测的负载均衡路由算法**：Wang等人提出了利用多目标优化模型，并结合蚁群算法和神经网络求解实现高效负载平衡的方案。然而这种方法复杂度较高，增加了运算负担。 #### 三、LEO星座建模与分析 为了更好地理解LEO卫星网路特性和行为，本研究选择了铱星系统作为案例进行深入探讨，并利用STK11.2和OPNET14.5分别对轨道参数及路由算法进行了仿真模拟。铱星由66颗顺时针运行的LEO卫星组成，在南北极圈内关闭相邻轨道间的链路以减少干扰，每颗卫星配备单波束天线确保全球无缝覆盖。 地面终端接入情况分析表明：任意时刻可选接人卫星数量始终大于或等于1。这说明地面设备可以采用多种星地连接策略进行数据传输。 #### 四、基于邻居卫星负载状态的分布式路由算法(DRNL) 针对现有方法存在的问题，本研究提出了一种新的分布式路由方案——DRNL（Distributed Routing with Neighbor Load），旨在减少信令开销和复杂度的同时提高时延及吞吐量性能。核心思想是通过监测周围卫星的负载状况做出路由决策。 1. **负荷监控与汇报机制**：每颗卫星持续跟踪自身负荷状态，并定时向邻近卫星通报，避免了频繁交换全局信息导致信号费用增加。 2. **路径选择**：当数据包到达某颗星时，该星根据邻居的加载情况决定最优传输路线；如果某一节点负载过高，则寻找其他较为空闲的节点转送以均衡全网负荷分布。 3. **动态路由调整**：考虑到卫星网络的高度动态性，DRNL算法具备自动更新路径的功能。当卫星状态变化时，相应路径也会被重新计算确保数据高效传送。 通过以上机制，DRNL不仅减少了信令开销和复杂度，并且提升了整体性能指标如延迟及吞吐量等。 #### 五、结论 本段落提出了一种基于邻居卫星负载状况的分布式路由算法（DRNL），旨在解决低轨卫星网络中的拥塞问题。相较于现有方案，该方法通过减少信号费用与降低计算负担有效改善了时延和带宽性能，并且充分利用LEO特点为未来的星地互联提供了更加高效可靠的解决方案。