易先清,羅雪山,李健杰,湯邵勛

(國防科技大學(xué)五院信息系統(tǒng)工程重點實驗室,湖南長沙410073)

0 引 言

北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)具有分期建設(shè)、局部覆蓋到全球覆蓋、滿足不同應(yīng)用及性能需求等特點,星座組網(wǎng)結(jié)構(gòu)包括同步星座、高軌星座、中軌星座的復(fù)合組網(wǎng)。對于由多個星層組成的二代導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),其結(jié)構(gòu)相對單層星座復(fù)雜,特別是各星層之間的相對移動為星座的設(shè)計/建設(shè)與運行/管理帶來了極大的挑戰(zhàn),其中基于多層星座結(jié)構(gòu)的二代導(dǎo)航系統(tǒng)路由問題是其中亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

在北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)中,需要傳輸?shù)男畔ㄐ亲刂菩畔?包括單星控制信息和星座組網(wǎng)運行控制信息)、星座狀態(tài)信息(包括單星狀態(tài)反饋信息和星座組網(wǎng)運行狀態(tài)反饋信息)、用戶應(yīng)用信息(包括導(dǎo)航定位信息、授時信息、短報文通信相關(guān)信息等)、感知報告信息(包括雙向授時相關(guān)信息、位置報告信息、目標(biāo)偵測信息)等,為了有效傳輸這些不同類型的信息,必須設(shè)計出合理的二代導(dǎo)航系統(tǒng)路由策略,研究正是從導(dǎo)航系統(tǒng)中各組成星座的組成結(jié)構(gòu)與運行特點,特別是導(dǎo)航系統(tǒng)中衛(wèi)星節(jié)點失效對其信息傳輸?shù)挠绊懗霭l(fā),進行北斗二代導(dǎo)航星座抗毀路由研究。

研究包括如下三個部分:1)在基于我國初步設(shè)計的北斗二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)[15]的基礎(chǔ)上,給出基于此結(jié)構(gòu)的導(dǎo)航星座抗毀路由所需定義,2)分析并給出基于此結(jié)構(gòu)的導(dǎo)航星座抗毀路由算法,3)進行分析與總結(jié)。

1 基于GEO/M EO組網(wǎng)的二代導(dǎo)航星座抗毀結(jié)構(gòu)與定義

分析衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)是研究二代導(dǎo)航系統(tǒng)通信路由的基礎(chǔ),根據(jù)我國初步設(shè)計的北斗二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu),設(shè)計基于此星座組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的抗毀路由方法與算法。我國北斗二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)由同步靜止軌道星座GEO(高軌星座HEO)、中軌星座MEO、傾斜軌星座IGSO、地面監(jiān)控網(wǎng)節(jié)點站組成。IGSO星座的運行方式與MEO星座類似、而且IGSO星座每條軌道上僅有一顆衛(wèi)星,為簡化問題描述、突出研究重點,在接下來的討論中將IGSO星座與MEO星座劃分為一類進行討論。在同軌星座、鄰軌星座以及GEO星座與MEO星座之間、GEO星座和MEO星座與地面監(jiān)控站節(jié)點之間設(shè)計通信鏈路,定義如下:

1)同步靜止軌道星座(簡稱GEO星層)

GEO星層中的GEO衛(wèi)星均勻分布在赤道上空的地球同步軌道面上,設(shè)GEO星層由NG(NG≥5)顆GEO衛(wèi)星Gi((i=1,2,L,NG)組成。

2)中軌星座(MEO星層)

MEO星層由星座中所有MEO衛(wèi)星組成,并按Walker星座形式組織,提供包括極地區(qū)域的全球性通信覆蓋。設(shè)MEO星層由 NM×MM顆MEO衛(wèi)星Mi,j(i=1,…,NM;j=1,………,MM)組成,其中NM是MEO星層軌道面數(shù),MM為均勻分布在一個軌道面上的衛(wèi)星數(shù)。

3)地面監(jiān)控節(jié)點TS

地面監(jiān)控節(jié)點 TS(Terrestrial)由分布在地球表面某固定位置的地面用戶接收終端設(shè)備組成,提供強大的信息處理與收發(fā)能力,被GEO星層或MEO星層所覆蓋。設(shè)地面監(jiān)控節(jié)點由 TSw座地面監(jiān)控節(jié)點TSi(i=1,2,L,TSw)組成。

基于北斗二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu),進行如下路由描述所需定義,以滿足其抗毀路由分析需求:

定義1(分群與群管理者GH(x)):設(shè)X為某GEO衛(wèi)星Gi通信覆蓋域AGi下的一個MEO物理分群,AG i下對應(yīng)的MEO邏輯分群定義為X′,顯然有X?X′,設(shè) x為群X 中衛(wèi)星,x′為群X′中衛(wèi)星。GEO衛(wèi)星Gi便作為群X 和X′中的群管理者,定義為GH(x)。

定義 2(群首 H(x)):定義 H(x)為 X群群首,根據(jù)分群時刻群X中距離GEO衛(wèi)星Gi由近至遠,依次分為首選群首 H0(x),第1備份群首H1(x),第2備份群首 H2(x),…,第S(X)-1備份群首HS(X)-1(x),這里S()是計算物理群X大小的函數(shù),該函數(shù)只統(tǒng)計群中MEO類型的成員。

首選群首H0(x)為X群中分群時刻距離Gi最近的MEO衛(wèi)星,滿足

定義3(鏈路延時函數(shù)D(lx′→y))設(shè)x′、y分別為二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)中各通信節(jié)點直接連接的通信鏈路(只經(jīng)過一跳)兩端的信源節(jié)點和信宿節(jié)點,定義 lx′→y為兩通信節(jié)點 x′、y間的直連鏈路,其延時函數(shù)D(lx′→y)定義如下

定義4(鏈路延時報告LDR)鏈路延時報告LDR包括MEO星座延時報告MLDR和GEO星座延時報告GLDR。設(shè)x′為MEO星座的某MEO衛(wèi)星,MEO星座延時報告MLDR(x′)定義為一組二元值{y,D(lx′→y)},其中 y是x′與y間通信鏈路的目的節(jié)點,可以是地面監(jiān)控節(jié)點 TG(TG:Terrestrial Gateway)或MEO衛(wèi)星Mi,j或GEO衛(wèi)星Gi,關(guān)于MEO星座的鏈路延時報告 MLDR(x′)由下式描述:

設(shè)x為GEO星座的某GEO衛(wèi)星,GEO星座延時報告GLDR(x)定義為一組二元值{y,D(lx→y)},其中y是x與y間通信鏈路的目的節(jié)點,可以是地面監(jiān)控節(jié)點 TG或MEO衛(wèi)星 Mi,j或GEO衛(wèi)星 Gi,關(guān)于 GEO星座的鏈路延時報告GLDR(x)由下式描述:

定義5(群鏈路延時報告 GroupLDR(X′)與網(wǎng)絡(luò)鏈路延時報告 NetLDR)在以某GEO衛(wèi)星xG為群管理者的分群中,其群鏈路延時報告包括群管理者收集的鏈路延時報告GLDR(xG)和其覆蓋域下MEO星座中的所有MEO成員 xM的鏈路延時報告MLDR(xM),其中分為邏輯群X′鏈路延時報告GroupLDR(X′)和物理群X鏈路延時報告GroupLDR(X),分別定義如下:

定義6(路徑Ps→d)定義路徑Ps→d為二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)中源節(jié)點s至目的節(jié)點d間的最短延時路徑 。設(shè) N 路徑 Ps→d上的節(jié)點數(shù) ,則路徑 Ps→d定義為

定義7(路由表計算者RTC(x))路由表計算的群管理者GH(x)或群首H0(x)或備份群首 Hi(x)統(tǒng)稱為針對該邏輯分群 X′的路由表計算者RTC(x)。定義如下

定義8(靜態(tài)初始路由表SORT)SOR T根據(jù)二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)中衛(wèi)星軌道的可預(yù)測特性和衛(wèi)星運行的周期性和當(dāng)時的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為整個二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)各路徑Ps→d預(yù)先計算所得,以引導(dǎo)數(shù)據(jù)包按計劃路徑傳輸。定義邏輯分群X′路由子表SOR T(X′)和全網(wǎng)路由表SORT如下

定義9(動態(tài)真實路由表D TRT)全網(wǎng)各群X′同時以分布式異步生成其動態(tài)真實路由表DTRT(X′),各群 DTRT(X′)交換合并形成全網(wǎng)動態(tài)真實路由表DTRT。邏輯分群X′路由子表DTRT(X′)和全網(wǎng)路由表DTRT定義如下

2 抗毀路由方法與算法設(shè)計

為了有效傳輸二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)中不同類型的各類信息,設(shè)計的基于北斗二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的抗毀路由算法DRRA基于雙層星座、分群管理、群首備份、鏈路冗余、鏈路修補的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和管理模式,具有數(shù)據(jù)包路由抗毀、數(shù)據(jù)包路由擁塞回避、數(shù)據(jù)包路由最短延時等特點。

基于二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的抗毀路由算法DRRA實現(xiàn)過程主要通過兩大步驟來完成,首先建立靜態(tài)初始路由表SORT,然后在SORT的基礎(chǔ)上增量建立動態(tài)真實路由表DTRT。

建立靜態(tài)初始路由表SORT。為了減少網(wǎng)上冗余信息,路由表計算者RTC(x)首先根據(jù)導(dǎo)航星座衛(wèi)星軌道的可預(yù)測特性和衛(wèi)星運行的周期性,針對每一快照周期 Ts內(nèi)收集的運行狀態(tài)信息,在系統(tǒng)T周期開始時為整個二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)中各路徑Ps→d預(yù)先計算針對各快照周期的靜態(tài)初始路由表SOR T,并按信源節(jié)點s歸屬分別存儲在對應(yīng)群的各路由表計算者RTC(x)中。

建立動態(tài)真實路由表DTRT。在二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)實際運行的過程中,在每一快照周期Ts開始時或在某事件觸發(fā)啟動路由表更新時,各群的路由表計算者RTC(x)分別從靜態(tài)初始路由表SORT中抽取、復(fù)制對應(yīng)群成員的路由信息,再根據(jù)其收集到的來自全網(wǎng)各通信節(jié)點的當(dāng)前狀態(tài)信息,利用信息增量修正IIM方法,進行增量修正,建立反映二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)實際運行狀態(tài)的基于邏輯群X′的動態(tài)真實路由表DTRT(X′),最后通過交換復(fù)合,形成整個二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)的動態(tài)真實路由表DTRT中。并將DTRT(X′)分發(fā)至對應(yīng)群的各成員中。

在二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)抗毀路由算法 DRRA中,鏈路狀態(tài)更新主要分成兩大類型:周期性更新和事件觸發(fā)更新。

2.1 信息增量修正IIM方法

根據(jù)采用快照周期和事件觸發(fā)兩種方式啟動路由表更新,信息增量修正IIM方法也設(shè)計了周期性修正與觸發(fā)性修正兩種方法:

一種是在二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)未發(fā)生預(yù)料之內(nèi)的變化時,基于快照周期 Ts的周期性修正:在本系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)兩次快照周期Ts之間,若無通信節(jié)點或鏈路失效,各通信節(jié)點間的互連關(guān)系保持不變(基于“快照”認為不變,實際連續(xù)變化),但鏈路流量負載的變化以及因衛(wèi)星移動引起的鏈路長度變化都將導(dǎo)致鏈路延時的動態(tài)變化,此時信息增量修正IIM方法主要是從相應(yīng)群的SORT(X′)中提取、復(fù)制針對該快照周期 Ts的SORT(X′),并對發(fā)生鏈路延時變化的鄰接節(jié)點根據(jù)路由表計算者RTC(x)計算新路由信息進行針對性的修正。

另一種情況是在二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生預(yù)料之內(nèi)的變化時,基于隨機事件的觸發(fā)性修正:在二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)運行的過程中,若網(wǎng)絡(luò)中通信節(jié)點或鏈路失效,其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)將隨之發(fā)生變化。通過監(jiān)視檢測網(wǎng)絡(luò)中的這種通信節(jié)點或鏈路失效,以此隨即觸發(fā)二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)中的路由表更新。此時信息增量修正IIM方法從相應(yīng)群的SORT(X′)中提取、復(fù)制基于當(dāng)前快照周期Ts的SORT(X′),對因網(wǎng)絡(luò)中通信節(jié)點或鏈路失效引起的路由表計算者RTC(x)計算進行引導(dǎo),通知RTC(x)只對受通信節(jié)點或鏈路失效影響的相關(guān)節(jié)點進行路由的重計算,并將重計算的路由信息更新到提取的基于當(dāng)前快照周期 Ts的SOR T(X′)中,生成新的相關(guān)群的動態(tài)真實路由表DTRT(X′)。這樣可以使計算出的路徑不再經(jīng)過失效節(jié)點和鏈路,以便適應(yīng)新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

進行基于信息增量修正IIM方法的路由表更新時,以每個快照周期 Ts內(nèi)的靜態(tài)初始路由表SORT為基礎(chǔ),由路由表計算者RTC(x)從SORT中抽取復(fù)制建立本快照周期 Ts的屬于本群的SORT(X′),然后逐項搜索 SORT(X′)中每一表項,并根據(jù)收集/交換得到的(7)式定義的全網(wǎng)狀態(tài)信息報告NetLDR檢查表項中路徑Ps→d上的每一鏈路lx→y狀態(tài)情況,若發(fā)生變化,RTC(x)采用一種稱為Bellman的分布式異步最短路由算法,啟動針對路徑Ps→d源節(jié)點s和目的節(jié)點d的路由重計算。對于上述第一種情況,將新路徑與原路徑不同的鏈路lx→y更新到SROT(X′)中;對于上述第二種情況,則分別將新路徑與原路徑不同的鏈路lx→y更新到SORT 和SORT(X′)中。

抗毀路由算法DRRA的實施由延時報告生成、延時報告交換、路由表計算三個過程組成。

2.2 延時報告生成

在二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)運行的過程中,路由表計算者RTC(x)再根據(jù)系統(tǒng)各通信節(jié)點在當(dāng)前快照周期收集到的狀態(tài)信息,利用信息增量修正IIM方法,在靜態(tài)初始路由表SORT路由信息的基礎(chǔ)上,抽取、復(fù)制、修正,建立反映二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)實際運行狀態(tài)的基于群 X′的動態(tài)真實路由表DTRT(X′),最后通過交換復(fù)合,形成整個二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)的動態(tài)真實路由表DTRT中,包括準(zhǔn)備、初始化、延時測量、延時報告生成、延時發(fā)送等過程。

2.3 延時報告交換

群管理者GH(x)形成所屬群X′完整的群鏈路延時報告GroupLDR(X′)后,便開始在各群 X′間相互交換、復(fù)合各自形成的這些群鏈路延時報告GroupLDR(X′),以獲取整個二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的全部狀態(tài)信息NetLDR。

雖然延時報告的交換主要發(fā)生諸群群管理者GH(x)之間,但根據(jù)群管理者GH(x)失效與否,延時報告交換包含以下四種情況:

1)當(dāng)二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)中GEO星座無GEO衛(wèi)星失效時,延時報告交換發(fā)生在GEO星座中諸衛(wèi)星之間。

2)當(dāng)二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)中GEO星座存在失效衛(wèi)星(設(shè)Gi-1)時,延時報告交換發(fā)生在GEO星座中諸正常衛(wèi)星和GEO失效衛(wèi)星管理群群首衛(wèi)星H0(xi-1)之間。

在二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)運行的過程中,因某種原因致使GEO星座中某GEO衛(wèi)星Gi-1失效時,或因某種特定需求需要GEO星座中某GEO衛(wèi)星Gi-1關(guān)閉時,延時報告交換發(fā)生GEO星座中正常工作的GEO衛(wèi)星與失效衛(wèi)星Gi-1原管理群群首H0(xi-1)之間。為了降低延時報告交換過程中失效的GEO衛(wèi)星Gi-1對MEO星座產(chǎn)生的壓力,待失效衛(wèi)星Gi-1原管理群群首H0(xi-1)在MEO星座中完成收集群鏈路延時報告后,按最短延時路徑通過多跳星間鏈路 ISLMEO?MEO轉(zhuǎn)發(fā)至Gi和Gi-2所管理群群首H0(xi)和H0(xi-2),再由相應(yīng)群首通過單跳星際鏈路IOLMEO?GEO傳遞至相鄰群群管理者GH0(xi)和GH0(xi-2),如圖1所示。待各正常工作的GEO衛(wèi)星形成完整的整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的鏈路延時總報告 NetLDR后,再通過逆向星際鏈路 IOLGEO?MEO將該 NetLDR 轉(zhuǎn)發(fā)至H0(xi-1),完成整個二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)存在GEO衛(wèi)星失效情況下的鏈路延時總交換。

圖1 GEO同步星座各星間延時報告交換

3)當(dāng)二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)中GEO星座中諸衛(wèi)星全部失效時,延時報告交換只發(fā)生在MEO星座不同群的群首之間。

在二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)運行的過程中,因某種原因致使GEO星座中所有GEO衛(wèi)星失效時,或應(yīng)某種特定需求需要GEO星座中所有GEO衛(wèi)星關(guān)閉時,MEO星座中各分群群首H(x)并不將形成的鏈路延時報告MLDR(X′)向原群管理者GH(x)傳遞,而是向MEO星座中與其左右相鄰的邏輯群群首按最短延時路徑通過星間鏈路ISLMEO?MEO進行多跳轉(zhuǎn)發(fā),即延時報告交換只發(fā)生在MEO星座中各群群首H(x)之間。

4)當(dāng)二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)中GEO星座與MEO獨立工作時,延時報告交換分別發(fā)生在GEO星座中各衛(wèi)星和MEO星座中不同群群首之間。

在二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)分期建設(shè)的過程中,或在上述二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)運行過程中應(yīng)某種需求需要GEO星座與MEO星座獨立運行時,各星座獨立進行延時報告交換,其中GEO星座的延時報告交換按上述1)中描述的步驟進行,MEO星座的延時報告交換按上述3)中描述的步驟進行。

2.4 路由表計算

在二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)中,為了降低路由表計算過程中對二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)資源的占用率,和提高路由表計算者進行路由決策時的計算效率[11],采用群中集中與群間分布計算相結(jié)合的方法進行整個系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)路由表的計算與重計算,具體為:按邏輯分群由群中路由表計算者RTC(x)進行群內(nèi)各節(jié)點成員路由表的統(tǒng)一集中計算,各不同群由各自的路由表計算者R TC(x)采用分布異步的方式分別計算各群(成員)的路由表。當(dāng)二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)各星座協(xié)同工作時,網(wǎng)絡(luò)路由表計算主要由充當(dāng)群管理者的衛(wèi)星GH(x)或 H0(x)完成;在GEO星座衛(wèi)星全部失效或兩星座獨立運行時,各星座的路由表計算由各星座獨立完成,其中MEO星座路由表計算由其中充當(dāng)群首的MEO衛(wèi)星H0(x)完成。

計算過程主要包括如下兩種情況:

1)當(dāng)二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)中GEO星座與MEO星座協(xié)同工作時,由路由表計算者RTC(x)分別為其管理群計算全系統(tǒng)范圍內(nèi)的路由表SORT和DTRT;

2)在GEO星座衛(wèi)星全部失效或兩星座獨立運行時,各星座的路由表DTRT計算由各星座獨立完成。

針對基于GEO/MEO雙層星座聯(lián)合組網(wǎng)的二代導(dǎo)航星座系統(tǒng),在建設(shè)初期或根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運行需求需要兩星座獨立運行時,或在GEO星座衛(wèi)星全部失效時,各星座的路由表的重計算由各星座獨立完成。其中GEO星座路由表計算簡單,各GEO衛(wèi)星分別收集狀態(tài)信息并交換后調(diào)用Bellman算法進行路由重計算。而MEO星座路由表計算則仍按分群模式管理,由其群首H0(x)充當(dāng)群管理者完成路由重計算。

3 抗毀路由算法性能分析與總結(jié)

下面主要從算法的星上計算開銷/存儲開銷和鏈路通信資源開銷的角度比較分析其實施復(fù)雜性。文獻[19]詳細討論了算法的星上計算開銷/星上存儲開銷以及鏈路通信資源開銷。

3.1 星上計算開銷/星上存儲開銷

為了簡明分析,設(shè)m,n分別為二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)中GEO和MEO星座中GEO和MEO衛(wèi)星數(shù)。

通過前面對二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)抗毀路由算法DRRA的設(shè)計描述可知,該算法的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在全網(wǎng)鏈路狀態(tài)NetLDR更新的復(fù)雜性和路徑Ps→d計算的復(fù)雜性上,通過文獻[19]分析其復(fù)雜性為O(m2+m×n+n),而已有星上路由算法如SGRP、MLSR的計算復(fù)雜性為O(m2×n2),星上全分布式路由算法FDIS(Full Distributed)的計算復(fù)雜性為O((m+n)2)。與其它星上路由機制相比,由于抗毀路由算法充分利用了分層二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點,其星上計算開銷和星上存儲開銷主要由指定的具有較強星上處理能力的群管理者GEO衛(wèi)星和與群管理者最近的群首MEO衛(wèi)星承擔(dān),而普通衛(wèi)星節(jié)點的星上開銷非常低,且路由表計算者RTC(x)利用信息增量修正IIM方法只對發(fā)生狀態(tài)變化的節(jié)點重計算路由,未發(fā)生狀態(tài)變化的節(jié)點路由僅從SORT中抽取復(fù)制得到,并將狀態(tài)變化持久有效(如節(jié)點或鏈路失效)形成的新路由記錄至SORT中以備后用,因此單節(jié)點路由計算的復(fù)雜度較其它相關(guān)算法要低,因此該算法能夠較好地適用于基于分層的二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)環(huán)境。

3.2 鏈路通信資源開銷

在基于多個星座的二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,各通信節(jié)點間的鏈路通信資源開銷也是衡量其組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和路由算法的一項重要指標(biāo)。二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)鏈路通信資源開銷與星座規(guī)模、路由更新周期、鏈路狀態(tài)更新機制等因素相關(guān)。提出的二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)抗毀路由算法DRRA中,其鏈路狀態(tài)更新機制充分利用了GEO衛(wèi)星通信覆蓋域與MEO星座之間的覆蓋關(guān)系和各星座的運行特點,通過分群來實現(xiàn)分布與集中相結(jié)合的路由更新策略,使服務(wù)路由更新的鏈路狀態(tài)延時報告首先通過各分布群群中各成員x′收集,然后同期匯集到各群群首H0(x),再通過各分布群的群首H0(x)傳送至相應(yīng)群管理者GH(x),各群管理者GH(x)再全面交換形成路由計算所需的全網(wǎng)鏈路延時總報告NetLDR,從而降低網(wǎng)絡(luò)中傳送的總鏈路狀態(tài)通告數(shù)目。

4 結(jié) 論

提出了一種適應(yīng)二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的抗毀路由算法DRRA,與其它星上路由機制相比,該算法具有計算復(fù)雜度相對較低、存儲容量相對較小、支持衛(wèi)星節(jié)點失效運行的特點和功能。這主要基于:

1)二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)中通信節(jié)點間鏈路冗余設(shè)計方案;

2)二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)中通信節(jié)點失效時間隔失效節(jié)點視距范圍內(nèi)次相鄰節(jié)點鏈路修補方案;

3)MEO星座分群群首失效時采用群首選擇備份機制;

4)二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)中分群群管理者失效時采用群首兼容群管理者功能的角色擴充機制。另外較其它相關(guān)算法而言,提出的路由算法在計算/存儲復(fù)雜度以及通信資源占用率和數(shù)據(jù)包路由最短延時等方面具有優(yōu)勢,這主要基于提出:

1)基于GEO通信覆蓋域的MEO星座分群管理機制;

2)通過分群來實現(xiàn)分布與集中相結(jié)合的路由更新策略;

3)基于狀態(tài)更新的信息增量修正路由計算方法;

4)二代導(dǎo)航星座系統(tǒng)中通信節(jié)點間鏈路冗余設(shè)計方案。

[1]Werner M,Delucchi C.ATM virtual path routing for LEO/MEO satellite networks with intersatellite links[C]//Satellite Systems for Mobile Communications and Navigation,1996,Fifth International Conference on,London,1996:143-146.

[2]Werner M.A Dynamic Routing Concept for ATMBased Satellite Persona1 Communication Networks[J].IEEE Journa1 on Selected Areas in Communications,1997,15(8):1639-1648.

[3]Chang K L,Chang H,Kim W,et a1.Topological Design and Routing for Low-Earth Orbit Satellite Networks[C]//Proc.of IEEE GLOBECOM,1995:529-535.

[4]Gounder V V,Prakash R,Abu-Anlara H.Routing in LEO-based satellite networks[C]//Proc.of IEEE E-merging Technologies Symp.Wireless Communications and Systems,1999(22):1-22,6.

[5]Chang H S,Kim B W,lee G G,et a1.FSA-based link assignment and routing in low-Earth orbit satellite networks[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,1998,47(3):1037-1048.

[6]Werner W,Berndl G,Edmaier B.Performance of optimized routing in LEO intersatellite link networks[C]//Proc.of IEEE 47th VehicularTechnology Conference,1997(1):246-250.

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

[8]Lo M W.Satellite constellation design[J].IEEE Computing in Science and Engineering,1999,1(1):58-67.

[9]Chen C,Ekici E.A routing protocol for hierarchical LEO/MEOsatellite IP networks[J].ACM/Kluwer Wireless Networks(WINET),2005:507-521.

[10]Chen C,Ekici E,Akyildiz I F.Satellite Grouping and Routing Protocol for LEO/MEO Satellite IP Networks[C]//Proc.of the Fifth International ACM Workshop on Wireless M obile Multimedia,2002:109-116.

[11]Akyildiz I F,Ekici E,Bender M D.M LSR:A novel routing algorithm for multi-layered satellite IP networks[J].IEEE/ACM Transaction on Networking,2002,10(3):411-424.

[12]China National Administration of GNSS.COMPASS and Its Applications in Life Relief.[C]//Proc.of theUnited Nations/Azerbaijan/United States of America/European Space Agency Workshop on the Applications of Global Navigation Satellite Systems,Baku,Azerbaijan,2009.

[13]China Satellite Navigation Project Center.COMPASS/BeiDou Navigation Satellite System Development[C]//Proc.of the The 4th Meeting of International Committee on GNSS,Saint Petersburg Russia,2009.

[14]Sun H W,Li Z G,Ping F.Development of Satellite Navigation in China[C]//Proc.of the Frequency Control Symposium,2007 Joint with the 21st European Frequency and Time Forum IEEE International,2007.

[15]China National Administration of GNSS.Applications and Development and Applications of Compass/Beidou Satellite Navigation System[C]//Proc.of the International Committee on GNSS 2009(IGNSS2009),Gold Coast Australia,2009.

[16]Maine K P,Anderson P,Langer J.Crosslinks for the next-generation GPS[C]//the Aerospace Conference,2003.Proceedings of 2003 IEEE,2003(4):1589-1596.

[17]譚述森.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與思考[J].宇航學(xué)報,2008,29(2):391-396.

[18]童 鎧.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在我國的應(yīng)用與發(fā)展[J].國際太空,2004,(1):4-8.

[19]易先清,馮明月,趙 陽,羅雪山.一種基于GEO/MEO星層組網(wǎng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)抗毀路由研究[J].計算機科學(xué),2007,34(8):74-82.