基于NS—2的DRA衛星網絡路由算法研究與仿真

鄭碧俊　余諒　田星

【摘要】 適用于地面固定網絡的現有路由技術無法再適用于網絡拓撲周期性變化的低軌衛星網絡。路由技術是低軌衛星網絡的關鍵技術之一。本文簡單介紹了LEO衛星網絡路由算法的設計難點，分析了DRA算法原理，并對DRA路由算法進行了仿真。

【關鍵詞】 衛星網絡 DRA

一、引言

現有的地面網絡覆蓋范圍非常有限，目前僅能覆蓋人口與通信任務比較密集的地區，其總面積僅占地球表面積的2%左右，另外98%的陸地和海洋都沒有被覆蓋。截至2013年，我國農村互聯網普及率僅為27.5%，遠低于城鎮62%的互聯網普及率，農村非網民人口仍有4.5億，農村網民商務交易類應用率也遠低于城鎮網民[1][2]。鑒于我國特有的三級階梯地貌和農村地廣人稀的特點，依靠現有的地面通信技術實現組網在經濟成本上十分不現實，但借助衛星通信則可以做到大范圍的無縫網絡覆蓋。

本文簡單概述了LEO衛星網絡路由算法的設計難點，分析了DRA[3]衛星網絡路由算法原理，并通過NS-2對DRA算法進行了模擬。

二、DRA路由算法簡介

2.1 LEO衛星網絡路由設計的難點

衛星網絡路由問題的難點主要體現在以下三個方面：

（1）衛星節點不斷運動，網絡拓撲發生周期性變化。

（2）星間鏈路可持續通信時間受限，低軌道衛星繞地公轉周期短，不超過兩個小時，在跨越極地地區時會斷開相鄰軌道間鏈路，反向縫鏈路因相鄰軌道間衛星做反方向運動存在時間更短。

（3）星上設備的處理能力和存儲容量有限，衛星一旦發射就很難進行硬件升級， 這就決定了路由算法的實現必須盡量簡單，且具備良好的自適應性和抗毀性。

2.2 DRA路由算法原理

DRA（Datagram Routing Algorithm）算法是無連接的、分布式的。DRA路由算法定義左右相鄰衛星處于同一維度，稱為衛星網初始對準。同一緯度的衛星形成橫向環，接近極地地區的橫向環路徑長度更短。DRA鏈路中分為橫向跳躍和縱向跳躍，橫向跳躍的代價在靠近極地地區時減小，縱向跳躍的代價保持不變。

DRA路由算法忽略星上處理時間，則端到端的延時將只涉及衛星之間的傳播延時，即在空間上長度更短的路徑具有更小延時，DRA多跳路徑總傳播延時是路徑中的每一跳傳播延時的總和。

最小傳播延時路徑是通過極地地區的最小傳播延時路徑和未通過極地地區的最小傳播延時路徑中延時更小的路徑，即為空間距離最短的路徑。在DRA路由算法中，當源衛星處在比目的衛星更高的維度時，假定源衛星離極地地區還有A跳，源衛星處于從極地數起的第k個橫向環上，則當源衛星與目的衛星水平跳數nh滿足式1時，最優路徑為穿過極地地區的最優路徑；當nh滿足式2時，最優路徑為不穿過極地地區的最優路徑。

latmin表示最靠近極地地區的橫向環維度，lat為源衛星所在橫向環維度，其所在維度橫向跳躍距離為a*cos（lat）。M為單軌道內衛星數目，N為軌道數目。

根據這兩個定理，可以幫助決定下一跳，并且算法的時間復雜度為O（1），遠低于Bellman-Ford最短路徑算法。DRA路由算法分為方向預測階段和方向增強階段。在方向預測階段，假定ISL具有相等長度，從而決定最小跳數路徑。在方向增強階段，認定ISL鏈路具有不同長度，在最小跳數路徑的基礎上選擇鏈路長度更短的路徑，從而獲得最小傳播延時路徑。

三、仿真

仿真星座模型為由12個軌道、每個軌道24顆衛星組成的極地衛星星座模型，左右相鄰軌道上的對應衛星處于同一緯度，軌道高度為1375km。

仿真選取數據包發送點為（31° N，104°E），接收點為（41°N，74° W）。Bellman-Ford算法平均延時為61.469ms，DRA算法平均延時為61.527ms。由此可知，DRA算法性能與Bellman-Ford算法性能十分接近，但是DRA算法平均時間復雜度為O（1）遠低于Bellman-Ford算法，因此更適合資源有限的衛星網絡。

參 考 文 獻

[1]中國互聯網信息中心.中國互聯網絡發展狀況統計報告[R].2014，7.

[2]中國互聯網信息中心. 2013年中國農村互聯網發展狀況調查報告[R].2014，5.

[3] Ekici E， Akyildiz I F，Bender M D. A distributed routing algorithm for datagram traffic in LEO satellite networks[J].IEEE/ACM Trans.Networking，2001，9（2）：137-147.