寬帶多媒體LEO衛星網絡路由技術研究

蔡海東，邊東明，苗 青

（1.中國人民解放軍陸軍工程大學研究生院，南京 210007；2.中國人民解放軍陸軍工程大學通信工程學院，南京 210007；3.中國人民解放軍78167部隊，成都 610000）

在全球信息科技革命浪潮的推動下，衛星通信中高清圖像、視頻通話、互聯網接入服務等寬帶多媒體業務的傳輸需求不斷增長。寬帶GEO衛星通信存在傳輸時延較大、不能覆蓋地球南北極、存在“南山”效應等缺點，難以滿足全球覆蓋條件下的衛星寬帶多媒體業務傳輸的需要。與GEO衛星相比，LEO衛星星座具有全球覆蓋性好、傳輸時延較短、組網方便等優點，但采用透明轉發技術的LEO衛星通信系統存在信關站數量過多、地理上設站困難等問題，隨著衛星通信技術的發展成熟，采用星間鏈路（Inter-satellite Link，ISL）技術可以較好地解決上述問題。星間鏈路是用于衛星之間通信的無線鏈路，也稱為星際鏈路或交叉鏈路（Crosslink）。LEO衛星星座通過星間鏈路互聯組成了一個以衛星為數據交換節點的空間信息網絡。這類星座的組網技術也成為了研究的熱點，國外已有投入實際使用的Iridium Next[1][3]，還有已提出設想的Starlink[2]、Leosat[3]及Telesat[3]等；國內由中國航天科工集團提出了“虹云”工程[4]，且已于去年底成功發射首星開展技術驗證。

LEO衛星網絡路由技術指衛星網絡拓撲結構中節點根據路由算法為數據包選擇最優路由轉發的過程。路由技術主要解決三個問題：一是建立LEO衛星網絡拓撲結構；二是對建立的拓撲結構進行維護；三是確定路由算法。考慮到傳輸業務的新特點，路由協議還要考慮算法的健壯性和網絡QoS性能，保證數據包傳輸的成功率。

1 寬帶多媒體LEO衛星網絡

1.1 網絡拓撲結構

近年來，研究者對LEO衛星星座組網技術進行了大量的研究，包括LEO衛星星座的網絡拓撲結構、接入模式、資源分配和路由協議等。針對衛星網絡拓撲結構的復雜變化，研究者設計了兩類典型的LEO衛星星座：傾斜軌道星座和近極軌道星座。傾斜軌道星座也稱為Walker-δ[5-6]或玫瑰（Rosette）[7]星座，可以實現較好的區域覆蓋或緯度帶覆蓋效果，但仍不能覆蓋地球兩極；Walker設計了一種近極軌道星座，通過合理設計各個參數，可以滿足LEO衛星星座的全球覆蓋特性要求。兩類LEO衛星星座拓撲結構如圖1所示。

圖1 兩類典型的LEO衛星星座拓撲結構

1.2 路由協議性能評價參數

路由協議的首要目標是網絡中數據包從源節點到目的節點的傳輸成功率，LEO衛星網絡節點緩存空間不足、鏈路容量受限等是導致數據包丟失、影響傳輸成功率的主要原因。LEO衛星寬帶多媒體業務傳輸的高突發性、流量不均勻性等特點，也對網絡傳輸時延、時延抖動、鏈路帶寬利用率、負載均衡、路由收斂速度等路由協議性能評估參數的影響越來越大。而且LEO衛星工作環境極為惡劣、星上設備維護困難等問題，對衛星上硬件設備的制造工藝及軟件的魯棒性、可擴展性提出了很高的要求；復雜的路由協議還要求控制星上計算負荷、降低星上存儲開銷等。

2 路由分析

針對不同的LEO衛星網絡拓撲結構、業務類型分類、目標函數及參數權值設置和網絡QoS需求等特點，研究者在LEO衛星網絡路由算法上已經取得了大量的研究成果。路由算法根據是否屏蔽衛星網絡動態變化，大致可分為靜態路由和動態路由兩種，再考慮網絡流量負載的影響，介紹四種基于網絡負載均衡的路由。其詳細分類如圖2所示。

2.1 靜態路由

靜態路由為屏蔽LEO衛星網絡拓撲變化，按一定的規則對動態網絡拓撲進行虛擬化，生成靜態拓撲。根據虛擬化方法的不同，可以分為時間虛擬化和空間虛擬化兩種。時間虛擬化方法也稱為基于虛擬拓撲的策略，利用衛星網絡拓撲變化的周期性對一個周期進行時間片劃分；空間虛擬化方法則利用LEO衛星星座網絡拓撲的對稱特性，對星座的覆蓋區域或星座本身進行虛擬化，分別對應基于覆蓋域劃分的策略和基于虛擬節點的策略。

圖2 LEO衛星網絡路由方法分類

2.1.1 基于虛擬拓撲的策略

該策略利用LEO衛星網絡拓撲變化的周期性和星座星歷預測，將一個周期劃分成一系列時間間隔，并假設在每個間隔內拓撲保持不變，將動態的網絡拓撲離散為一系列靜態的虛擬拓撲，再采用Dijkst ra等傳統最短路徑算法或啟發式算法計算路由。該策略中網絡拓撲離散化和路由計算等工作可以預先在地面離線完成，對衛星星上處理能力要求較低，生成的路由表可全部存放于衛星，或間隔一定時間上傳到衛星，這要求星上的存儲空間足夠大，且該策略嚴重依賴衛星網絡拓撲變化的周期性，無法應對衛星節點故障失效等特殊情況，靈活性較差。

離散時間動態虛擬拓撲路由（Discrete TimeDynamic Virtual Topology Routing，DT-DVTR）[8]算法基于ATM機制，將一個衛星網絡變化周期劃分為若干時間片，并假定一個時間片內的拓撲近似不變，根據該虛擬拓撲計算最優和備選路徑，選擇時延最短或跳數最少的路徑作為最優路由。基于有限狀態機（Finite State Automation，FSA）[9]的算法將每個時間片內的網絡拓撲結構看作一個“狀態”，根據衛星節點可用性和鏈路參數約束對“狀態”建模，采用迭代法計算鏈路分配的最優解并解算路由表。基于拓撲快照[10-11]的算法假設每增加或斷開一條ISL，網絡拓撲形成一個新“快照”，在“快照”中計算最優路徑。文獻[12]將快照內即將失效的鏈路去除，可以延長快照持續時間和避免丟包過多。可預測鏈路狀態路由（Predictable Link-State Routing，PLSR）[13]算法將鏈路狀態與快照相結合，在衛星節點上預置快照的鏈路狀態數據庫。

2.1.2 基于覆蓋區域劃分的策略

該策略將地球表面劃分成若干區域，按一定規則為每一個區域分配惟一的邏輯地址，該地址包含了區域的地理位置信息，也作為網絡中數據的源、目標地址。網絡中最接近該區域中心的衛星節點保存對應區域的路由信息表。路由計算時，數據包根據邏輯地址選擇最優路由。衛星節點根據邏輯地址可以推算出全網內任意節點的位置，可以避免網絡節點的鏈路狀態信息交互操作，衛星節點按照當前邏輯地址實時選擇路由，無需提前計算，可以節省衛星存儲空間，但要求星上處理能力較強。基于IP的衛星路由（Satellite IP-based Routing，SIPR）[14]協議將地球表面劃分為160km邊長的正方形超級蜂窩，每個超級蜂窩又劃分為9個蜂窩，按一定的規則為超級蜂窩和蜂窩分配惟一的邏輯地址并假定距離蜂窩中心最近的衛星覆蓋該蜂窩。概率路由協議（Probabilistic Routing Protocol，PRP）[15]根據衛星星歷、用戶通信周期信息及概率論選擇在用戶通信周期內切換概率小于特定閾值的ISL，若ISL的切換概率大于閾值則視為斷路。覆蓋域切換重路由協議（Footprint Handover Rerouting Protocol，FHRP）[16]通過路徑增量和路徑重建的組合找到切換后的最優路徑。帶有地理位置信息的改進型OSPF算法[17]結合了分布式地理路由算法（Distribute Geographic Routing Algorithm，DGRA）[18]的思想，在擴展的鏈路狀態通告（Link Status Advertisement，LSA）中包含了衛星覆蓋區域的地理位置信息。

2.1.3 基于虛擬節點的策略

該策略是將LEO衛星網絡看作由一系列位置固定的虛擬節點（Vir tual Node，VN）構成的虛擬網絡拓撲，VN保存路由表、信道分配等狀態信息。衛星與離之最近的VN一一映射，并根據VN的位置解算路由。在衛星運行過程中，任一時刻VN和衛星之間都有一一對應關系，當另一顆衛星距離VN更近時切換成新的對應衛星，狀態信息也轉移到新衛星。該策略主要用于極軌道LEO衛星網絡，且對衛星網絡拓撲結構的規則度要求較高，對衛星故障、ISL失效等情況的適應性較差；衛星為每一個數據包做出獨立的路由選擇，節點之間不交換網絡拓撲和流量負載信息，只考慮目的節點的位置，可以降低通信開銷。數據報路由算法（Datagram Routing Algorithm，DRA）[19]采用靜態的二維mesh網絡拓撲對衛星節點進行邏輯編址，衛星的邏輯地址由軌道編號和衛星在軌道內的編號組成。算法先假設所有ISL長度相同，根據衛星節點的邏輯地址，找到源節點到目的節點的多條最短路徑；再取消之前的假設，根據ISL的長短確定優先級，選擇優先級高的ISL。由于衛星通過極區時會關閉軌道間ISL，故當ISL長度相同時，盡量選擇同一個軌道面內的ISL；為最小化時延，應盡量選擇高緯度地區（避開極區）的軌道間ISL。文獻[18]根據目的衛星的位置進行數據轉發，且當數據傳輸到目的節點附近時，在以目的節點為中心的一定范圍內衛星進行泛洪來搜集鏈路狀態信息，避免出現路由環路的情況。文獻[20]依據類DRA算法進行邏輯編制并通過最小跳數算法動態求解路由。文獻[21]通過對存儲在分組頭部的最短時延路徑判斷最優路由。文獻[22]基于位置信息并利用傾斜圓軌道衛星對地的準不變性，解決了LEO衛星網絡中的極區節點失效問題。基于交通信號燈的分布式路由算法（Traffic light Distributed Routing Algorithm，TDRA）[23]定時搜集相鄰衛星的狀態，避開失效衛星；衛星在緩存區存放待轉發的數據，根據鄰居衛星的緩存占用情況獨立選擇選擇下一跳節點。基于局部區域的分布式路由（Localized Zone Distributed Routing，LZDR）[24]算法首先將三維的LEO衛星網絡轉化為二維的規則曼哈頓網絡（Manhattan Street Network，MSN）；再將VN進行分區處理，通過分區通信機制降低路由開銷。相鄰的VN組合為一個區域，選擇其中一個VN作為該區域的管理節點，對區域內和區域間采用不同的路由策略：區域內VN互相交換狀態信息，采用最小時延準則；區域間則采用最小跳數準則，VN不交換信息。基于IP的分布式分層路由協議（Distributed Hierarchical Routing Protocol，DHRP）[25]在每個軌道面上設置一個“代表”衛星及“候選代表”（防止“代表”衛星失效），通過“代表”衛星來搜集本軌道內所有衛星的鏈路信息，并與相鄰軌道“代表”進行交換。文獻[26]將失效衛星周圍的若干衛星組成一個“自愈區”，數據包在“自愈區”內進行泛洪，限制了傳播范圍。

2.2 動態路由

LEO衛星網絡靜態路由僅僅考慮網絡拓撲動態變化的特點，較少考慮鏈路狀態和網絡流量的變化，在負載較大時容易導致擁塞。動態路由則考慮了網絡部分鏈路狀態信息，節點根據實時信息動態計算路由，對網絡拓撲結構變化和鏈路擁塞等情況有很強的適應性，但由于衛星ISL頻繁連接與斷開，網絡拓撲結構變化迅速，衛星節點之間交換鏈路狀態信息的開銷較大。根據算法實現原理的不同，主要分為基于數據驅動和基于多播的方法兩種。

2.2.1 基于數據驅動的方法

也稱為按需路由算法，衛星節點通過相互發送數據包來獲取路由信息，網絡只在數據包傳輸時才更新網絡拓撲結構和節點路由信息，無數據包傳輸時不更新。該方法適合網絡拓撲結構及流量不大的小范圍通信，且不需要存儲全局信息，可以節省星上存儲空間，但當網絡流量較大時，網絡拓撲及鏈路狀態更新的需求十分頻繁，對星上處理能力要求較高，且算法只考慮局部信息，不能從全局解決衛星失效與網絡擁塞問題。

分布式的Darting[27]路由協議在傳輸數據包時才對網絡拓撲狀態進行更新，減少了節點之間的信息交互，避免了周期性的更新及泛洪產生的協議信息開銷。分布式按需路由（Location-Assisted Ondemand Routing，LAOR）[28-29]算法借鑒了Ad-hoc網絡中的按需距離矢量路由（Ad-hoc On-demand Distance Vector，AODV）[30-31]思想，只在需要路由時才發起一次路由過程，通過形成最小路由請求區域來減小路由開銷，最小化端到端時延及時延抖動；計算網絡中各條路徑在每個時間段的生存周期，在有限區域內進行信令泛洪及節點應答等操作。文獻[32]根據用戶的分布情況動態分配帶寬，為用戶密集區域分配更多帶寬。高效低時延路由（Efficient Improved On-demand Routing，EIOR）[33]算法采用RREP（route reply）分組免疫機制，中間衛星收到RREP分組后若收到對應的RREQ（route request）分組，則丟棄該RREQ分組，減小網絡控制開銷；增加中間衛星代替目的衛星回復應答的幾率，縮短路徑建立時間。

2.2.2 基于多播的方法

也稱為組播路由算法，主要采用洪泛機制傳輸數據，包括基于源樹（Source-Based Trees，SBT）的方法和基于核心樹（Core-Based Trees，CBT）或共享樹（Shared Trees，ST）的方法兩類。該方法能夠得到較多的候選路徑，具有較高的路徑探測性能，但洪泛機制導致網絡廣播信令增多，網絡開銷巨大，且多播算法的優化目標通常為最小化多播樹的傳輸時延或樹開銷，無法主動避讓繁忙鏈路，使得從源節點到中間節點的路徑并非最優。

（1）基于SBT的方法主要用于多播成員較少的情況，多播路由算法（Multicast Routing Algorithm，MRA）[34]構建一棵以源節點為根的多播樹，樹中流量從根節點流向所有中間節點和葉節點。文獻[35]預先設置傳輸時延上限，將滿足限制的目的節點沿最小開銷路徑依次添加至多播樹。動態源路由算法（Dynamic Source Routing algorithm in Satellite Constellation，DSRSC）[36]利用路由緩存機制降低整個網絡的開銷，提高了路由收斂速度。基于核心簇的特定源多播（Core-Cluster-based Source-specific Multicast，CSSM）[37]算法將源節點定義為簇首，新目的節點通過最短路徑算法加入簇。基于時間尺度的多度量負載均衡多播算法（Load Balancing Multicasting algorithm based on Timeseales，LBMT）[38]獲取ISL狀態信息并設計評價其“比對開銷”，建立“比對開銷”多播樹。文獻[39]基于SBT的多播更新方法提高了網絡收斂速度，降低了網絡開銷。

（2）基于CBT的多播路由算法主要針對多播成員較多的情況，它選擇一個或多個節點作為核心節點，也稱為匯聚點（Rendezvous Point，RP），網絡中所有節點先將數據包發送給RP，然后由RP以泛洪的方式發送給其他節點。基于多核心共享樹（Multi-Core Shared Tree，MOST）[40]的多播算法將整個網絡分為8個相同規模的子網，每個子網中距離中心節點最近的目的節點稱為子網的核心，再利用MRA得出核心到核心或核心到目的節點的路徑。基于聯合核心簇的共享樹（Core-cluster Combination-based Share Tree，CCST）[41]的多播算法計算多播組的“質心”，并取距離質心最近的節點為核心，樹外節點選擇最低開銷的最短路徑加入組播樹。基于直線Steiner樹[42]的多播算法先建立一棵粗糙樹，新節點計算到樹上節點的最短路徑并連接開銷最小的節點加入多播樹；源節點通過周期性向所有樹上節點發送信息，對可能存在的重路由區域執行重路由操作，降低整體樹開銷。

2.3 考慮網絡流量負載均衡的路由

靜態和動態路由沒有感知全網LEO衛星節點和鏈路狀態，也沒有對流量業務的特點進行分析并劃分優先級，容易導致全網流量不均衡。考慮網絡流量負載均衡的路由算法可以降低網絡擁塞率，提高網絡利用率和用戶服務質量。

2.3.1 基于實時節點鏈路狀態的方法

收集實時節點鏈路的狀態信息主要有以下三種方法：

（1）基于鏈路感知的方法。也稱為鏈路信息動態交互的方法，節點之間通過交互鏈路和自身狀態信息，感知網絡拓撲結構變化和網絡擁塞情況，選擇QoS最優的路由，在低負載的情況下，可以有效降低丟包率，但節點間頻繁交換鏈路狀態信息，協議開銷較大。概率路由PRP[15]采用ISL傳播時延作為路徑度量，使用最短路徑算法計算路由。在減小鏈路切換概率的同時，文獻[43]對鏈路利用率進行了最大化，文獻[44]滿足了用戶的QoS需求，文獻[45]令通信時延最小化。文獻[46]選擇可用時間最長的鏈路作為最優路由。文獻[47]為鏈路可用帶寬設置一個閾值，只有大于閾值該鏈路才能進行數據傳輸。高性能衛星路由（High Performance Satellite Routing，HPSR）[48]協議通過一次呼叫接入實現在全網范圍內重新分配帶寬及計算路由。文獻[49]根據網絡拓撲結構和網絡流量變化進行鏈路的最優化分配。文獻[50]采用一種逐跳機制來分割流量負載，以緩解極區附近發生的擁塞問題。精確負載均衡（Expl icit Load Balancing，ELB）[51]路由算法采取鏈路信息動態交互的方式，鄰近衛星交換隊列使用狀況以表示其目前的擁塞狀況，即將發生擁塞的衛星則主動發送信號給鄰居節點，通知其降低數據發送速率，鄰節點選擇次優路徑，從而減少網絡擁塞。基于鏈路狀態的衛星網絡路由（Satellite Link State Routing，SLSR）[52]協議優化了OSPF協議的Hel lo消息機制，當節點第一次接收到鄰居的Hello消息時，不需要應答便開始交換數據，加快了路由協議的收斂速度，但通過減少Hel lo的發送周期使得網絡的丟包率增加，通信質量和穩定性變差。受限最短路徑優先（Constraints Shortest Path First，CSPF）[53]算法采用鏈路帶寬的反比定義鏈路權重，根據業務QoS需求，通過鏈路狀態數據庫計算最短路徑。文獻[54]實時感知鏈路狀態信息并作出路由決策。文獻[55]利用遺忘函數測算數據包排隊時間，并由路徑上衛星節點的位置信息和每條ISL的開銷確定路由開銷。文獻[56]通過衛星節點監測自身緩存隊列中分組的數量估算排隊時延。文獻[57]考慮衛星鏈路時延和帶寬資源建立相關優化模型，降低了業務傳輸時延，提高了網絡中的帶寬利用率。文獻[43]利用相對空閑鏈路來減少鏈路擁塞，降低了端到端時延。文獻[58]根據ISL隊列占用情況設計了ISL可用指數，并基于網絡流量分布特點提出了衛星可用指數。文獻[59]通過平衡網絡時延和分組丟失率降低星上處理的復雜度。文獻[60]以ISL時延作為計算開銷來判斷路由選擇的優劣，并對網絡中的非對稱鏈路進行相應處理。文獻[61-62]基于多目標決策理論，根據鏈路時延、剩余帶寬和丟包率計算權值系數，確定目標函數和約束條件，建立多目標優化模型，計算滿足業務QoS需求的路由。文獻[63]借鑒經濟學中合作博弈論的優化策略，將一條路徑上的多個中繼節點作為一個合作博弈聯盟，利用節點實時狀態信息以及網絡路由性能指標定義該聯盟的合作收益，采用夏普里值（Shapley value，SV）作為合作博弈的解，確定最優路徑。針對網絡的業務量大小和鏈路切換問題，文獻[64]將鏈路狀態和拓撲快照進行聯合優化，根據業務量大小更新鏈路的權值。自適應權值路由算法[65]考慮網絡時延和鏈路切換，依據衛星節點的當前狀態和鏈路權值，選擇開銷最小的路由，均衡流量負載。

（2）基于歷史信息預測的方法。網絡拓撲結構變化、網絡流量擁塞及鏈路的利用率等歷史信息可用來對未來網絡拓撲、流量及鏈路狀態進行預測估計，減少了網絡節點間頻繁的信息交互，降低了網絡負載，但由于衛星節點的不斷移動導致不同條件下網絡的參數差異較大，歷史信息預測結果與實際網絡狀態的誤差較明顯，影響了路由算法的有效性。基于優先級的自適應路由（Priority-based Adaptive Routing，PAR）[66]算法根據鏈路利用率的歷史信息和當前緩沖隊列的大小，計算網絡中橫、縱兩個方向路由的優先級，得到最小跳數路徑。基于擁塞預測的路由（Congestion-Predictionbased Qos-Aware routing，CPQA）[67]算法根據網絡擁塞歷史信息預測并假定某一區域為擁塞區域，當衛星節點即將經過該區域時，該節點通知相鄰節點將低QoS需求的數據繞過該衛星。基于流量預測的分布式路由算法（Distributed Routing Algorithm with Traffic Prediction，TPDRA）[68]通過流量預測來分析數據擁塞情況，根據預測結果選擇相對時延低的路徑。文獻[69]將鏈路可用性評估與網絡拓撲預測相結合，數據傳輸時延有所降低。文獻[70]對衛星鏈路可用性和傳輸成功率進行感知和推理，得到ISL質量評價結果并用于路由優化。文獻[71]將網絡流量預測值作為路由決策過程中調節因子的一個保護量，防止產生正反饋效應。文獻[63]通過在數據中傳遞額外的網絡狀態信息，實現衛星節點對于不同路由方向上網絡狀態的實時感知與預測。

（3）基于Agent的方法。基于代理（Agent）的協議通過Agent來收集網絡鏈路時延和節點擁塞信息，從而計算最優路由。該方法通過Agent傳輸信令，網絡開銷較低，能在負載很高的情況下降低網絡平均端到端時延和丟包率，提高吞吐量。基于代理的負載平衡路由（Agent-based LoadBalancing Rout ing，ALBR）[72]算法使用靜態Agent和移動Agent來收集信息，靜態Agent主要負責周期性評估鏈路代價并計算路由，移動Agent則隨機選擇最遠目的節點選擇路由。文獻[73]將移動Agent搜索的路徑作為從源衛星節點到目的節點的最優路由，并收集緯度信息和ISL開銷來參數化衛星。文獻[58]綜合衛星節點和ISL可用指數提出了移動Agent遷移策略、星際QoS路由及其重建算法等。文獻[70]應用“多智能體”作為Agent進行鏈路認知。典型算法還有基于多代理的分布式多路徑路由算法（Distributed Multipath Routing strategy combined with Multi-Agent System，MASMR）[74]和基于Agent的分布式流量預測路由算法（Agentbased distributed Routing Algorithm with Traffic Prediction，TPARA）[75]等。

2.3.2 基于業務分類的方法

該方法根據業務優先級選擇路由，可以有效地均衡衛星網絡負載，提高吞吐量，但需要大量存儲空間緩存等待轉發的數據包，對星上存儲空間要求較高。基于不同的Qo S需求，多業務類Qo S路由（Multi-class QoS Routing，MQoSR）[76]算法根據時延和帶寬指標將業務分為三類并分配優先級，依據優先級對網絡各鏈路狀態進行分析計算。文獻[77]將業務分為最小端到端時延、最大吞吐量和盡力而為三種類型，針對不同的業務類型分別計算路由表。文獻[78]對話音和數據業務提供差異化服務。文獻[28]為不同類型的業務單獨調用最短路徑發現進程，滿足網絡中話音業務的QoS需求。分布式多服務按需路由（Multiservice On-demand Routing，MOR）[79]協議針對特定的業務種類啟用不同的路由選擇方式，在保證不同業務QoS的同時提高網絡效率。文獻[80]基于拓撲快照，綜合考慮業務優先級、占用帶寬和持續時間來計算路由。文獻[81]為不同類型數據選取不同的下一跳，同時引入權值調節因子調整鏈路權值，均衡處于熱點緯度衛星的負載。文獻[82]將業務分為時延敏感、帶寬敏感和可靠性敏感三類，采用本征向量法計算業務權值，并利用一致性比率方法對權值進行判定。文獻[83]運用多業務加權分簇的算法，在鏈路狀態通告（Linkstate Advertisement，LSA）擴散階段對網絡分簇。文獻[71]利用不同衛星業務的時域、空域及頻域差異，對信息素進行定量描述和動態學習，使信息素動態地反映網絡鏈路狀態。

2.3.3 基于多路徑的方法

根據選擇不同的優化目標，源、目的節點之間通常存在多條可用路徑，使用多路徑的方法，可以計算分別滿足時延最小和帶寬限制的最優路徑。該方法考慮衛星星座拓撲結構的特點，采用實現較簡單的鏈路跳數為路由代價尋找多條備選路徑，增強了衛星網絡的抗毀能力和流量負載均衡能力，降低了星上的路由開銷，但在備選路徑中選擇最優路徑的策略比較單一，無法實現全局最優。

交替鏈路路由（Al ter na te Lin k Rout ing，ALR）[84-85]算法采用ALR-S與ALR-A兩種調度策略，結合最優與次優路徑選擇路由。ALR-S策略規定數據包在源節點選擇次優路徑，在中間節點選擇最優路徑；ALR-A策略則規定數據包在路徑上的所有節點交替選擇最優和次優路徑。緊湊顯示多路徑路由（Compact Explicit Multi-path Routing，CEMR）[86]算法基于源路由思想劃分衛星平面，每個平面通過單星收集與其他平面交互的信息，采用無環路由備份和路徑信息壓縮編碼雙重機制。文獻[64]計算最短及第二或第三短路徑以供備選。文獻[87]結合流量密度、優先級、錯誤QoS需求等，通過源節點到目標節點的多路徑聯合選擇均衡流量，提高了網絡利用效率。基于紅綠燈信號機制的智能多徑路由策略（Traff ic-light-based Intelligent Routing Strategy，TLR）[88]以傳輸時延最小化為目標，計算從源節點到目的節點的多條路徑，同時節點將自身隊列占用率等狀態信息作為鄰居節點的紅綠燈信號信息進行周期性廣播。路由時，數據包根據鄰居節點的紅綠燈信號信息，盡量繞開擁塞衛星節點，對路徑進行局部調整。

2.3.4 基于智能優化的方法

為解決路由NP優化問題，研究者利用計算機的大規模計算能力，應用智能優化算法取得了不錯的效果，該方法也稱為啟發式優化方法，可以提高最優路由的搜索效率，均衡網絡負載性能，但算法開銷較大，只能在地面離線計算，不適合星上處理，算法靈活性較差。典型算法包括遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）[89]、模擬退火（Simu lated Annealing，SA）[90]算法、粒子群（Particle Swarm Optimization，PSO）[91]算法、蟻群（Ant Colony Optimization，ACO）[92]算法、人工蜂群（Artificial Bee Colony，ABC）[93]算法等。文獻[94]基于遺傳算法，將鏈路時延和路徑老化特性引入QoS目標函數，選擇擬合度最高的路徑作為最優路徑。文獻[95]結合遺傳算法與線性規劃的思想均衡了網絡負載。文獻[85]重新設計了適應度函數和變異概率，利用遺傳算法和模擬退火思想解決初始種群的多樣性問題。文獻[96]利用粒子群算法中的交叉嫡模型啟發式地求解按需路由的快速收斂問題。文獻[97]根據蟻群算法的節點概率函數選擇下一跳節點，求解能同時滿足時延、帶寬和鏈路容量要求的最佳路徑。

3 結束語

本文簡要介紹了寬帶多媒體LEO衛星網絡系統的拓撲結構，給出了采用星間鏈路技術的LEO衛星網絡路由協議的性能評價參數，分析了靜態路由、動態路由以及考慮網絡流量負載均衡路由的優缺點。隨著寬帶多媒體業務的不斷增多、衛星星座規模的不斷增大，路由協議的性能仍需進一步改進。