低轨卫星网络服务质量保障路由方法综述

随着无线电和卫星小型化技术的进一步成熟,大规模低轨卫星网络得到了长足发展,面对网络传输业务的时延、带宽、丢包率等服务质量的差异化需求,如何在低轨卫星网络中实现服务质量保障路由,成为了研究关注的关键问题。通过介绍低轨卫星网络服务质量保障路由的场景与需求,总结并分析了当前的研究成果。首先,针对传统网络中的服务质量保障路由算法,总结了三类经典的路由计算方法。然后,对于软件定义网络和确定性网络中的服务质量保障路由算法,结合各自的网络特点,分析总结了各自场景下的路由算法。

面向6G通信的多层低轨卫星网络路由算法

在面向6G的移动通信网络中,低轨卫星网络(LEO,Low Earth Orbit)运行高度低、时延小,可大范围部署实现全球广域低时延通信。当前低轨卫星星座正朝着多层轨道面发展,多层轨道的跨层链路增加了数据传输路径,但跨层轨间链路的频繁通断,增大了多层LEO网络层间路由选择的难度。为此提出了一种面向6G移动通信的多层LEO卫星网络路由算法。首先建立跨层链路,面向端到端传输时延和可靠性需求,分析影响跨层轨间链路频繁通断的因素,基于LEO卫星网络虚拟位置思想,选择卫星节点对建立可靠跨层链路;然后实现路由选择,基于所建立的跨层星间链路,采用时空演化图模型刻画动态网络拓扑,设计最短路径算法计算最佳传输路径。最后,构建三层卫星网络场景对所提算法进行仿真验证。结果表明,相对于现有方法,所提算法在端到端时延和可靠性均有明显提升。

智能高速铁路中基于低轨卫星网络的通信关键技术研究

智能高速铁路是构建现代综合交通运输体系的重要组成部分,建立支持高移动性、高速率、高可靠性、高实时性的通信链路是列车安全运行的基石。针对高速铁路空间跨度范围大、轨旁通信设备成本高、越区切换频繁等问题,探讨基于低轨卫星互联网技术实现车地通信的可能性及关键技术。分析智能高速铁路通信业务需求并根据不同的业务类型采用对应的专网或公网进行承载。研究了基于公网卫星互联网络的高速铁路无线接入架构。并在此基础上进一步探讨了面向智能高速铁路的卫星接入与低时延传输、星地链路多普勒频偏、星内/间波束切换等关键技术,以期实现低时延、高可靠的星地通信链路。

链路及节点多属性融合的低轨卫星网络路由算法

针对低轨卫星网络面对破坏性事件系统性能损失多、通信延迟和丢包率高的问题,提出了基于多属性的低轨卫星网络多路径路由算法。在采用虚拟拓扑方案仿真的低轨卫星星座中,计算源节点与目标节点之间的多条可行路径,该算法融合卫星间链路属性和相邻卫星节点属性构建路径的传输成本模型,自适应调整两类属性对传输成本的影响权重,每颗卫星将路径传输成本的归一化结果作为通过该路径转发报文的概率,并独立进行分布式的路由选择。仿真结果表明,与经典的低轨卫星网络多路径路由算法相比,无论网络负载较大发生拥塞时,还是卫星遭受网络攻击或出现故障时,该算法性能下降缓慢,丢包率和平均端到端延迟更低,且具有良好的负载均衡能力,有效增强了路由的可用性。

低轨卫星网络接入与传输技术

针对低轨卫星网络空口传输特征,在地面5G NR体制的基础上利用智能化网络与轻量化终端间的协同,实现用户的广域无感接入与适变传输。梳理了低轨卫星网络空口传输关键技术,认为需要采用内生智能的方法辅助空口设计,从空口赋能AI和AI辅助空口两个方面构建完整闭环的研究体系,最后展望了未来低轨卫星网络的研究趋势。

基于跳数背压策略的低轨卫星网络负载均衡路由

随着用户规模的扩大,低轨卫星网络中流量的突发性和区域通信负载的不均衡性导致其面临着愈发严重的负载均衡问题。对此,提出一种分布式基于跳数的背压路由(hops-based back-pressure routing,HBPR)协议。HBPR首先根据链路中间节点距离目的卫星的剩余跳数计算链路权重。然后,为控制可用转发路径数量,将可用传播区域限制在由源节点-目的节点构成的矩形拓扑区域,以降低传播代价。最后,采用分布式方式设计HBPR,在无需收集全网拓扑信息的条件下实现低拥塞最短链路的动态选择和流量均衡分配。通过理论分析证明了HBPR吞吐量的最优性。网络仿真结果表明,与现有路由协议相比,HBPR具有更高的网络吞吐量和更低的时延。

基于邻居节点属性的低轨卫星网络路由算法研究

在远海目标探测数据传输至地面的过程中,采用低轨卫星网络转发具有发射成本低、传输时延小的优势;低轨卫星星座规模较大,星上资源受限,负载分布不均,设计合理的路由算法对提升数据回传的质量具有重要意义;现有的路由算法对拥塞现象的处理能力不足,针对此问题,提出了一种基于邻居节点属性的低轨卫星网络路由算法,根据各邻居卫星的候选次序属性和综合负载属性,确定待转发集合,合理分配集合内不同卫星的转发概率,为数据转发提供更充分的路径选择;仿真结果表明,该算法的平均时延和丢包率等性能指标相比于传统算法得到优化,能够保证探测数据高效可靠传输。

基于遗传优化和人工蜂群的低轨卫星网络负载均衡路由算法

低轨卫星网络凭借时延小、成本低、损耗小和全球覆盖等优点成为了地面网络的有力补充。然而,用户分布不均、全网流量随时间变化,可能会导致部分链路出现拥塞、负载不均衡的问题。基于以上问题,提出一种基于遗传优化和人工蜂群(Genetic Optimization and Artificial Bee Colony,GABC)的低轨卫星网络负载均衡路由算法,将遗传优化算法与人工蜂群算法相结合,避免人工蜂群算法陷入局部最优,并设置抗拥塞机制来解决负载拥塞问题。基于NS2仿真平台实现GABC算法,实验结果表明,相比最短路径路由(Shortest Path Routing,SPR)算法和蚁群智能路由LBRA-CP算法,该算法在保证较低时延和开销比的同时拥有更高的数据传输率和吞吐量。

低轨卫星网络星间路由安全机制研究

为了保障路由的安全性和抗毁性,设计面向星间路由的安全机制和故障恢复机制成为维护低轨卫星网络可靠通信的关键。为了应对卫星网络可能面临的安全威胁,分析不同路由攻击行为对典型星间路由协议的影响,并设计差异化的协议包安全认证机制和链路故障恢复机制。此外,搭建基于虚拟化技术的卫星网络仿真平台,通过仿真多种路由攻击场景,验证所设计星间路由安全机制的有效性,并评估引入安全机制前后的CPU占用率、协议包处理时间等性能指标。实验结果表明,在有限的认证时间和路由开销下,该星间路由安全机制能够有效防范空间网络环境中的多种安全威胁,并减少由突发链路故障引起的通信时延,从而保障低轨卫星网络的安全可靠通信。

基于深度图强化学习的低轨卫星网络动态路由算法

为了解决高移动性导致卫星网络路由难以计算的问题,融合图神经网络和深度强化学习,提出一种基于深度图强化学习的低轨卫星网络动态路由算法。考虑卫星网络拓扑和卫星间链路的可用带宽、传播时延等约束,构建卫星网络状态,通过图神经网络对其进行表示学习;根据此状态的图神经网络表示,深度强化学习智能体选择相应的决策动作,使卫星网络长期平均吞吐量达到最大并保证平均时延最小。仿真结果表明,所提算法在保证较小时延的同时,还能提升卫星网络吞吐量和降低丢包率。此外,图神经网络强大的泛化能力使所提算法具有更好的抗毁性能。

基于5G上下行解耦架构的服务轨道交通低轨卫星网络性能分析

随着通信技术的发展,卫星通信特别是低轨(LEO)卫星通信将成为下一代移动通信系统的重要组成部分。此外,随着具有全面感知、传输可靠、智能处理的智能交通通信技术的兴起,基于LEO卫星网络的智能交通通信网络能有效解决智能交通领域特别是高铁高速移动性导致的通信质量下降问题,通过卫星下行链路的大区域覆盖可减少部分链路的切换次数,提升通信链路的可靠性,同时弥补部分地面通信系统特殊情况下容量不足的缺点。然而,虽然LEO卫星网络有覆盖范围大、吞吐量高、功能性强的特点,但由于卫星位置较高,受时延和功率的限制,地面移动用户较难受益于LEO卫星网络。为解决这一难题,提出在地面通信网络与LEO卫星网络混合组网场景中使用5G标准提出的上下行解耦技术,即地面移动用户上行通过地面基站传输,下行通过卫星传输。利用LEO卫星提供的高频谱、大覆盖服务,可以高效提高系统吞吐量与可靠性,同时满足终端设备的时延和功耗要求。通过建立模型比较解耦架构与非解耦架构下的排队时延和切换失败概率,分析比较两种架构的性能。仿真结果表明,解耦系统在业务高峰时段具有明显的性能优势。

低轨卫星网络的航点分段路由及业务性能分析

提出一种基于卫星航点的分段路由(waypoint-segment routing,WSR)算法,WSR算法以可预测的卫星网络拓扑运动周期为基础,根据卫星节点链路状态确定卫星航点的位置;利用分段路由灵活规划分组传输路径的机制,提前响应网络拓扑变化,计算得到一条不受网络拓扑快照切换影响的传输路径。基于NS-3仿真平台进行仿真实验,设置源节点与目标节点在反向缝同侧与不同侧两种场景,选取优化链路状态路由(optimized link state routing,OLSR)算法和最短路径算法与WSR进行时延抖动与分组丢失率的对比分析。实验证明WSR与OLSR相比,两种场景下最大时延抖动分别降低46 ms与126 ms,分组丢失率分别降低30%和21%,并且能够解决拓扑快照切换导致分组传输路径中断的问题。

一种集成网络编码的低轨卫星网络多径路由方法

针对星际链路的时变性、不可靠性和间断性连接的特点使得在低轨卫星网络中应用多径路由技术产生报文乱序和报文丢失现象,提出一种集成网络编码的多径路由方法。理论分析表明,在同等多路径数目和报文丢失率条件下达到相等的报文投递率,该方法的传输性能优于传统的多径路由方法。通过扩展ns-2软件并进行仿真实验,比较2种方法在不同的多路径数目、冗余因子和链路报文丢失率条件下的报文投递性能,仿真结果验证了理论分析的正确性,表明采用该方法可显著提高多径路由传输的可靠性,节省星上通信资源并在一定报文丢失范围内提升多径路由的容错能力。

一种面向低轨卫星网络的高效无证书身份认证方案

针对现有低轨卫星网络认证方案采用集中认证方式存在认证时延大和采用复杂的双线性映射存在计算开销大的问题,引入无证书认证模型,在Gayathri方案的基础上;设计了一种高效无证书认证方案。该方案将用户的公钥和真实身份统一起来,使得认证过程中不需要第三方参与,降低了认证时延;通过椭圆曲线上少量点乘和点加运算构建认证消息,避免使用双线性映射,降低了计算开销;并在随机预言模型下,基于椭圆曲线离散数学对问题假设,对其安全性进行了证明。最后,通过实验仿真,与现有低轨卫星身份认证方案相比,所提方案的认证时延、计算开销和通信开销较低。

低轨卫星网络回传业务的容量及吞吐量研究

针对低轨卫星网络拓扑动态性,根据反向缝与关口站的位置关系,抽象出六张星地拓扑快照,以分区离散化处理地面业务流量分布。利用基于虚拟源节点构造改进的推拉流算法研究容量及最大吞吐量,分析容量时仅考虑网络自身条件,分析吞吐量时增加业务流量分布的条件。在仿真中,分析网络容量及吞吐量,并得到上行接入带宽、星间链路带宽、馈电链路带宽的最佳设计比为1:8.6:18。研究结果可为路由算法设计提供吞吐量的参考值,并支撑星座带宽匹配设计。

低轨卫星网络中的防窃听网络编码研究

针对低轨卫星网络中传输容量低、数据易被窃听等特点,构造一种适合于低轨卫星网络的防窃听网络编码方案。该方案中,信源、信宿卫星利用LFSR分别生成加密矩阵和解密矩阵对数据进行加密,中节卫星对收到的数据进行编码并转发。结果表明该网络编码方案在低轨卫星网络中能够达到弱安全,同时提高网络容量的利用率。

DTN辅助的低轨卫星网络路由技术

对具有代表性的延迟/中断容忍网络(DTN)的路由算法以及低轨(LEO)卫星网络路由算法进行了全面的回顾,并总结现有算法主要的技术特点及局限性。为应对LEO卫星网络通信中的长时延、星地链路频繁中断和卫星存储能力受限等情况,提出一种基于DTN的LEO卫星网络路由技术。该技术能够充分利用LEO卫星的管理能力,在出现通信链路中断、链路时延过高等状况时,动态调整路由策略。这使LEO卫星网络一定的自主性、拥塞控制与抗毁能力,从而保证数据信息的正常通信。

低轨卫星网络中业务图驱动的星间协作计算方案

低轨卫星网络具备覆盖范围广、星地链路短等优点,成为当前的热点研究领域。针对将业务卸载到云计算中心产生过高传输时延的问题,提出在低轨卫星网络中实现业务图驱动的星间协作计算方法。该方法首先依托加权时间扩展图模型,屏蔽低轨卫星网络的动态性;之后联合多颗卫星的计算资源和星间链路资源,将有向无环图形式的业务调度到传输路径内的卫星上,实现业务在低轨卫星网络内的“边传输边计算”。仿真结果表明,当数据量取5 MB时,星间协同计算的时延性能相比地面云计算提高了58.9%。

基于SDN架构的NFV技术在低轨卫星网络中的应用

针对当前卫星网络通信业务需求复杂、星上设备对多业务兼容性差的问题,提出了一种面向低轨卫星网络的软件定义网络(SDN)架构。该架构设计了以星间链路为基础的虚拟化数据平面和多控制器的分布式控制平面,具有高度灵活和可编程的特性。通过网络功能虚拟化(NFV)技术实现了数据平面虚拟化和集群化控制器的功能分割,给出了架构实现的关键技术方案,使其能够实现数据传递的高效动态分配。最后仿真验证了在快速路由重构方面,该SDN卫星网络架构相较于传统卫星网络,在反向缝场景下全网平均网络查询时延更为稳定,且平均时延缩短了82.4%,进一步验证了其控制器数量选择的科学性,体现了该SDN卫星网络架构的先进性。

基于多径的低轨卫星网络路由拥塞控制策略

与高轨通信卫星相比,低轨卫星网络具有时延短、开销低、可重构等多个优点,成为卫星通信的主要发展方向。卫星通信业务需求的急剧增长和全球卫星通信业务需求的不均匀分布,造成链路阻塞,进而影响通信质量。因此,如何避免链路拥塞,提高低轨卫星网络路由的鲁棒性成为亟待解决的问题。本文提出一种新的基于多径的低轨卫星网络路由拥塞控制策略,利用多径规避拥塞,提高传输鲁棒性。并以铱星星座为仿真场景,对本文提出的路由策略和单径路由算法进行仿真。仿真结果表明,本文提出的路由策略在通信资源利用率、业务满足率等方面优于单径路由算法,能够有效地均衡网络负载,具有良好的扩展性。