DTN輔助的低軌衛星網絡路由技術

張培穎/ZHANG Peiying，王超/WANG Chao，吳勝/WU Sheng

（1.中國石油大學（華東），中國 青島 266580；2.北京郵電大學，中國 北京 100876）

(1.China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China;2.Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

衛星網絡通信是地面通信的重要補充和延伸，它可以為地面用戶提供更加廣闊的信號覆蓋范圍，而且不易遭受自然災害影響，具有較高的靈活性和可靠性。與中軌（MEO）/高軌（GEO）衛星網絡相比，低軌（LEO）衛星網絡還具有通信延遲低、路徑損耗小，以及真正意義上的全球覆蓋等優勢，因而，LEO衛星通信網絡體系的建設具有重大價值。目前，世界各國越來越重視空間資源的開發與利用，LEO衛星通信系統有望成為新的競爭目標。

延遲/中斷容忍網絡（DTN）是一種面向消息的覆蓋層網絡體系結構。通過在傳輸層之上集成一個Bundle層，DTN協議實現了應用層和Bundle層單元的存儲和運輸。空間網絡通信缺少端到端連接，因此鏈路延遲大、鏈路頻繁通斷并且誤碼率高。DTN具有適應長延遲以及中斷頻繁的鏈路特性。DTN中輸入流量與輸出流量的速率往往存在巨大差異，雙向速率比可達1 000：1。另外，因為DTN經常部署在惡劣環境下，所以信息不能有效傳達到目的地，這導致接收端的信噪比和誤碼率等性能均不理想。常見的光通信網絡中誤碼率可達10-15～10-12，深空通信系統中僅能達到10-1，所以深空通信是DTN的一個主要應用場景。DTN采用“存儲-攜帶-轉發”的通信方式，當源節點與目的節點之間沒有直接相連的鏈路時，消息會被封裝成束并暫存在源節點；當源節點與相鄰節點之間建立鏈路時，消息會被傳輸給相鄰節點，相鄰節點又會擇機將消息傳輸給下一跳節點，直至最終把消息傳遞給目的節點。由此可見，DTN適用于難以形成穩定端到端鏈路以及高延遲的通信環境中，能夠有效適應空間網絡的特點。

1 路由算法簡介

路由是空間網絡與DTN必備的基礎功能，高效的路由算法可以提升數據的交付效率，減少能量損耗與成本，并降低通信延遲。本節介紹了DTN與LEO衛星網絡的代表性路由算法，并總結了它們主要的技術特點。

1.1 DTN路由算法

依據算法特性，我們可以將DTN路由算法分為基于轉發、復制、效用、編碼和社會關系的路由算法五大類，表1概括了每一類算法的主要特征與優缺點。

▼表1 DTN路由算法分類總結

下面我們舉例說明不同特征DTN路由算法的典型代表。需要注意的是，一種DTN路由算法可能兼具多種特征。

（1）基于轉發的DTN路由算法

基于轉發的DTN路由也稱為單副本轉發路由，即消息在傳輸過程中只復制產生一個副本。基于轉發的DTN路由算法僅占用少量網絡資源，網絡擁塞風險低，但唯一副本一旦丟失，消息傳輸任務就會失敗。

首次接觸算法[1]和直接交付算法[2]是最基本的基于轉發的DTN路由算法。前者是指攜帶消息的節點將消息轉發給首次相遇的節點；后者是指不經過任何中轉節點的轉發，源節點直接將消息發送給目的節點。兩種算法不依賴于任何知識，邏輯過程簡單，但是局限性很大。

接觸圖路由算法[3]是由上述兩種算法衍生的DTN路由算法。在空間DTN，特別是LEO衛星網絡中，衛星運動軌跡往往是可以預測的。根據這一特性，算法可以將衛星接觸信息轉化為路由圖，之后依據性能需求選擇轉發路徑。

（2）基于復制的DTN路由算法

基于復制的DTN路由也稱為多副本路由，即一條消息經過多次復制分別儲存在多個節點中，通過增加節點接觸次數的方式來提升成功投遞概率。這樣一來，即使某些副本丟失，也可以確保消息被傳輸到目的節點。但是復制過多的副本會消耗大量的網絡資源，容易造成網絡擁塞；少量副本的復制未給算法性能帶來明顯提升。

Epidemic算法[4]是典型的基于復制的DTN路由算法，它采用泛洪機制將消息發送到未持有該消息的每一個節點上。該算法本質上是一種以大量網絡資源消耗為代價來換取更高投遞率的路由算法。噴射與等待（SaW）算法[5]是由Epidemic算法和直接交付算法結合而成的，有效解決了Epidemic算法副本數量不受限制的問題。該算法預先定義一個最大副本數max_cop，消息經過一次復制后max_cop-1，直至max_cop=1時停止復制。

（3）基于效用的DTN路由算法

效用函數是實現基于效用的DTN路由算法的關鍵，它是指將用戶關注的某些網絡參數量化為效用函數，通過函數計算得到最優的中轉節點。效用函數的參數權重在很大程度上影響著算法性能，常用參數包括節點歷史相遇次數、節點運動軌跡以及網絡資源等。

概率路由協議（PRoPHET）算法[6]和基于能量感知的概率路由協議（EA-PEoPHET）算法[7]是兩種基礎的基于效用的DTN路由算法：前者在Epidemic算法的基礎上引入了預測投遞概率，僅將消息發送給預測概率較高的下一跳節點；后者將節點剩余能量作為效用函數，僅選擇能量充足的節點作為下一跳節點。

（4）基于編碼的DTN路由算法

基于編碼的DTN路由算法可以降低信息傳輸的誤碼率以及鏈路中斷概率。基于擦除編碼的協作魯棒轉發（CORE）算法[8]和CCFM算法[9]都是根據節點歷史相遇次數、平均相遇時間間隔和節點剩余資源量等參數計算消息發送的下一跳節點。區別在于前者將消息編碼成了若干小碼塊，后者直接對節點進行編碼。二者有效提高了消息的傳輸效率。

（5）基于社會關系的DTN路由算法

基于社會關系的DTN路由算法可以看作基于效用的DTN路由算法的改進版本。我們將基于社會關系的DTN路由算法與人類社會網絡進行類比：將節點看作人，節點之間的聯系如同人與人之間的聯系，并通過社會學知識進行路由選擇。Bubble算法[10]依據節點相遇次數劃分社區，先將消息發送到社區，之后再由社區發送給具體節點。在Bubble算法基礎上，文獻[11]使用效用函數對副本數量進行控制，有效降低了網絡能耗。其他具有代表性的算法還有目前最優（TBSF）算法[12]和改進的目前最優（TBSFMODI）算法[13]。

1.2 LEO衛星網絡路由算法

LEO衛星通信系統可以實現真正意義上的全球無縫覆蓋。現有LEO衛星網絡路由算法的設計主要考慮用戶業務類型、服務需求以及網絡的負載均衡能力。依據算法實施場景與特點，可將它們分為基于AI的LEO路由算法、LEO衛星多徑路由算法和多層衛星路由算法。表2總結了具有代表性的LEO衛星網絡路由算法。

▼表2 LEO衛星網絡路由算法

1.3 局限性

DTN賦予了空間網絡更加靈活的組網方式，這使得衛星網絡在惡劣環境下依舊能夠擁有強大的通信能力。不可忽視的是，DTN依舊面臨逐跳傳輸、能量有限和場景復雜等挑戰。上述DTN路由算法并沒有真正應用到LEO衛星通信網絡環境中。另外，現有的LEO衛星網絡還面臨星上資源受限、計算復雜度高和數據包失序等挑戰。

2 基于DTN的LEO衛星網絡路由技術

我們提出一種基于DTN的LEO衛星網絡路由技術，該技術充分利用LEO衛星的管理能力，以應對空間通信中鏈路頻繁中斷、延遲高等問題，動態調整復雜斷環境下的路由策略，確保消息在非正常情況下正常傳輸。

2.1 時間片劃分

拓撲結構變化是衛星網絡的常見問題，通過劃分時間片將LEO衛星網絡劃分為n個異構拓撲（默認在每一個時間片中衛星網絡拓撲是相對固定的），依次計算不同時刻的路由路徑，這樣可以有效應對LEO衛星網絡拓撲帶來的變化。時間片劃分方法有等長時間劃分和非等長時間劃分兩種。等長時間劃分是將時間劃分為等長的多個時間片段，但在等長時間間隔內，衛星網絡拓撲結構可能發生巨大變化，這會導致預設路由策略失效；因此，該方法缺乏靈活性。非等長時間劃分雖能解決網絡拓撲變化問題，但由于劃分的時間片段過多又給路由制定帶來了巨大計算量。因此，我們采取二者結合的方式對時間片進行劃分。

假設T1時刻A與B連通，T2時刻A與B斷開。若在T1～T2時間段內，網絡中只有此鏈路發生通斷變化，那么依據非等長時間劃分方式，T1～T2就是一個時間片，由此可能形成如圖1所示的時間片。

如圖1所示，LEO衛星鏈路通斷可能會出現T4～T5較短的時間片段。在該時間片內，只有1條鏈路發生通斷。雖然對網絡拓撲影響不大，但帶來的路由計算問題更讓人擔心。為此，將所劃分的時間片長度與Td比較，若時間片長度小于Td，則將該時間片段與上一時間片段合并，并在上一時間片段內提前將此鏈路設置為斷開，如圖2所示。

▲ 圖1 低軌衛星鏈路通斷時間片劃分

▲ 圖2 短時間片的合并

2.2 路由過程

依據時間片劃分原理，在不同時隙內，LEO衛星網絡的拓撲結構不同；而在同一時隙內，我們可認為LEO衛星網絡的拓撲結構基本不變。因此，當LEO網絡中各衛星軌道確定時，便可計算出一個周期內的時隙劃分。時隙劃分工作可由地面控制中心完成，劃分后廣播給各衛星進行存儲。基于此方案，我們僅需在時隙更新時重新計算路由。基于DTN的LEO衛星網絡路由過程如圖3所示。

▲ 圖3 LEO衛星網絡路由過程

2.3 擁塞控制

由于分時隙計算網絡路由，若在某時隙內產生流量突發情況，則容易引起節點擁塞。為提高路由效率，我們有必要設計擁塞控制機制。

LEO衛星主要負責地面網關接入以及大部分數據傳輸業務，因此當某一衛星節點擁塞，那么多因該地區業務量大或流量突發。不同軌道衛星的覆蓋區域不同，人們可依據該特性來增加業務量大的區域的衛星數目，以共同完成路由任務，避免網絡擁塞。對于流量突發情況，可利用衛星節點自身內存數與最大緩存數的比值實現監控，計算方式如公式（1）：

其中，mn代表節點當前可用內存資源，mmax代表節點最大內存容量。假設節點擁塞判定的閾值為85%，當βmen大于0.85時，就認為當前節點出現擁塞。本節點發送擁塞報告至分組內管理者，管理者在自身存儲網絡拓撲中將該擁塞衛星設為不可達，重新計算路由并下發至組內其他LEO衛星，直至節點發送擁塞解除報告，再置其為可到達，并更新組內路由。

2.4 性能評估

為驗證所提方案性能，我們將其與一種多層衛星路由（MLSR）算法[23]在時延方面進行對比。MLSR算法是基于互聯網協議（IP）設計的，可以為每個衛星分配獨特的邏輯地址。不同于本文所提方案，MLSR算法適用于由GEO、MEO、LEO組成的3層衛星網絡。該算法將高層衛星作為管理者，將底層衛星進行分組，實現分層的網絡拓撲信息收集。當組內衛星發生變化時，該算法可以動態更新路由表。由于該算法采用了集中式路由策略，當有新的衛星加入網絡或者有衛星離開網絡時，路由表無法及時更新，因此缺乏自治能力。當衛星網絡中有流量突發情況發生時，算法性能急劇下降。

利用STK組建衛星網絡模型，在OPNET中進行仿真實驗，我們得到了所提方案與MLSR算法在時延性能方面的比較結果，如圖4所示。

▲ 圖4 平均時延對比

由于數據包發送時間間隔較短，MLSR算法在組內衛星發生變化時需要重新更新路由，而且當其他組內的消息在經過本組衛星節點時，由于更新后的路由還未在整個衛星網絡更新，所以消息在發送到該組內時會導致跳數增加。因此，MLSR算法的平均時延較高而且抖動較大。相反，由于本文所提方案重點考慮了LEO分組變化時隙，且分組信息發生變化時可以及時在整個衛星網絡更新，所以獲得了相對較低的時延。

3 結束語

本文首先介紹LEO衛星網絡與DTN的基本概念與特征，之后系統總結了LEO衛星網絡與DTN代表性的路由算法，并指出它們的典型特征，最后提出一種DTN輔助的LEO衛星網絡自主路由技術，并描述了該技術的路由策略與擁塞控制過程。

隨著天地一體化網絡建設與5G甚至是6G通信服務的部署，LEO衛星網絡路由技術必將擁有廣闊的應用空間與發展前景。人們需要根據差異化場景與用戶差異化服務質量（QoS）需求設計來實現不同的LEO衛星網絡路由算法。另外，人們需要拓展衛星網絡路由技術的應用范圍與環境，包括在LEO、MEO和GEO網絡中的應用，研究多層衛星結合的路由技術，同時采用多個指標來測評路由技術效果。