李強強，姚秀娟，章 岑

（1.中國科學院國家空間科學中心北京100190；2.中國科學院大學北京100049；3.中國科學院文獻情報中心北京100190）

基于文獻計量的衛(wèi)星組網路由協(xié)議研究

李強強1，2，姚秀娟1，章 岑2，3

（1.中國科學院國家空間科學中心北京100190；2.中國科學院大學北京100049；3.中國科學院文獻情報中心北京100190）

由于衛(wèi)星網絡拓撲的動態(tài)性，傳統(tǒng)網絡的路由協(xié)議不再適用于衛(wèi)星網絡。使用文獻計量方法分析了國內外空間衛(wèi)星網絡路由的研究現狀，總結歸納為基于虛擬節(jié)點的路由協(xié)議和基于虛擬拓撲的路由協(xié)議，并對SGRP路由協(xié)議提出了一種改進方法。

衛(wèi)星網絡；路由協(xié)議；衛(wèi)星星座；文獻計量

2016年 6月 30日，美國“Union of Concerned Scientists”公布的衛(wèi)星數據庫[1]顯示，在軌繞地球運行的衛(wèi)星一共有1419顆，其中美國占據將近總數的一半，而我國只有181顆，在空間信息網絡整體的規(guī)模和實際應用效果上，我國與發(fā)達國家還有比較大的差距。因此我國亟需重視空間信息網絡的建立，根據我國的“十三五”規(guī)劃綱要草案，“天地一體化信息網絡”被列為未來五年中國計劃實施的百個重大工程及項目之一[2-3]，而衛(wèi)星組網是實現天地一體化信息網絡的關鍵所在。

本文旨在通過分析國內外衛(wèi)星空間衛(wèi)星網絡路由研究的內容，進行空間組網路由協(xié)議研究，具有較強的理論意義和實用價值。雖然國內有不少學者此前進行過綜述研究，如盧勇、趙友健[4]等著作的《衛(wèi)星網絡路由技術》是根據衛(wèi)星網絡路由技術的發(fā)展脈絡，從分類的角度重點闡述了一些關鍵路由技術的核心機制、特點，最后針對應用需求，提出了衛(wèi)星網絡路由技術的發(fā)展趨勢；再比如戴國梁、趙尚宏[5]等著作的《衛(wèi)星網絡路由技術概述》是從衛(wèi)星星座組網方式即單層、雙層、多層衛(wèi)星網絡路由三方面綜述了多種路由算法，并對其進行分析和比較。但是少有利用文獻計量[6]的方法，本文便是基于文獻計量的方法來分析國內外衛(wèi)星網絡路由技術，這樣能夠更加明確的顯示出相關研究內容，利于后文更好地分析。

1 數據來源和研究方法

國內以CNKI為數據源，以“衛(wèi)星”并“路由”為檢索詞，“主題”為字段，“信息科技”領域內，共檢索到711篇文獻；國外以Web of Science為數據源，“satellite”并“routing”為檢索詞，共檢索到2178篇文獻。采用共詞分析方法[7]，將關鍵詞進行聚類，對一組詞兩兩統(tǒng)計它們在同一篇文獻中出現的次數，以此為基礎將這些詞進行聚類分析，反映出這些詞之間的親疏關系，進而分析這些詞所代表的學科和主題的結構變化。

1.1 國內衛(wèi)星網絡路由研究熱點分析

1.1.1 關鍵詞頻次分析

為了既概括領域內發(fā)展情況，又能減少低頻詞匯的干擾，本文抽取國內711篇文獻中關鍵詞頻次≥8的30個高頻個高頻詞匯進行研究。

表1 國內文獻關鍵詞top30（頻次≥8）

通過Sati軟件將關鍵詞兩兩配對，形成30*30相似矩陣，利用社會網絡分析軟件Ucinet繪制關鍵詞的關聯圖譜，節(jié)點大小代表關鍵詞的中心度，節(jié)點越大說明中心度越高?？梢钥闯?，“衛(wèi)星網絡”、“路由協(xié)議”、“衛(wèi)星通信”、“星際鏈路”幾個節(jié)點明顯，一定程度上可以視為研究熱點。通過聚類，關鍵詞之間相關性較強，形成了復雜的相互交錯的研究網絡。

表2 國內高頻關鍵詞相似矩陣（部分）

1.1.2 關鍵詞聚類分析

利用SPSS軟件對相似矩陣進行聚類分析如圖2，可以將研究分為兩個方向。第一，關于衛(wèi)星網絡的研究，以衛(wèi)星星座、無線傳感器、衛(wèi)星通信等為代表的關鍵詞；第二，關于路由技術的研究，以動態(tài)路由、路由協(xié)議、網絡仿真等為代表的關鍵詞。

圖1 國內“衛(wèi)星”“路由”關鍵詞聚類分析

1.2 國外衛(wèi)星網絡路由研究熱點分析

1.2.1 關鍵詞分析

同樣選取國外關鍵詞頻次超過8次的詞語，共49個。通過關鍵詞頻次，研究發(fā)現除了“satellite”、“routing”的檢索詞出現頻次最高之外，“migration”、“satellite Network”、“QoS”等也相對研究較多。

1.2.2 關鍵詞聚類分析

根據SPSS聚類分析，可以將國外相關研究的關鍵詞分為4大類如圖4所示。一類是關于衛(wèi)星網絡中路由和QoS技術的研究，以Route、adaptive routing、QoS等關鍵詞為代表；第二類是關于衛(wèi)星網絡星座和路由技術的研究，以satellite networks、

routing等關鍵詞為代表；第三類是關于移動衛(wèi)星通信跟蹤和仿真技術的研究，以migration、tracking、migration等關鍵詞為代表；第四類則是以GIS、GPS等技術為研究熱點。

圖2 國內高頻關鍵詞多維尺度分析

表3 國外文獻關鍵詞top51（頻次≥8）

圖3 國外“satellite”“routing”文獻關鍵詞聚類分析

1.3 研究內容分析

基于以上分析，當前研究熱點主要分為兩大類，一類是以衛(wèi)星網絡為基礎的路由協(xié)議的研究，是關于星間鏈路的路由協(xié)議的研究；另一類是以移動衛(wèi)星為基礎的衛(wèi)星通信的研究，是關于星地鏈路通信的研究。由于當前衛(wèi)星通信星地鏈路的發(fā)展比較成熟，而空間衛(wèi)星網絡研究處于剛起步階段[8-9]，所以本文著重分析了以衛(wèi)星網絡為基礎的路由協(xié)議的研究。

圖4 國外高頻關鍵詞多維尺度分析

2 衛(wèi)星網絡路由技術

路由技術是衛(wèi)星組網技術的難點和重點所在，為了尋找從源衛(wèi)星到目的衛(wèi)星的符合一定要求的路徑，必須首先解決衛(wèi)星網絡的拓撲時變問題。以尋徑為目的解決衛(wèi)星網絡中拓撲時變問題被稱為網絡路由策略，衛(wèi)星網絡路由策略是衛(wèi)星網絡路由算法的基礎。所以衛(wèi)星組網路由算法分為基于虛擬節(jié)點策略的路由算法和基于虛擬拓撲策略的路由算法。

2.1 基于虛擬節(jié)點的路由策略

Hashimoto Y[10]提出了一種基于覆蓋域劃分的路由框架，被認為是虛擬節(jié)點路由的雛形。該框架采用IP分層編址和移動IP思想，根據衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域將地球的表面劃分為若干個邊長為160km的方形區(qū)域，稱之為supercell，每個supercell內再劃分9個子cell，將各區(qū)域賦予固定的邏輯地址，并計算該區(qū)域到其他各區(qū)域的路由表。在系統(tǒng)運行過程中，根據就近原則將邏輯地址分配于網絡中的各個衛(wèi)星節(jié)點。衛(wèi)星在運行過程獲得了邏輯地址也就獲得了路由表信息。該算法需要在軌衛(wèi)星、地面網關、地面終端聯合操作，共同完成路由過程。這種機制的優(yōu)點是利用了網絡的拓撲結構的對稱性和周期性，避免動態(tài)的計算路由，具有較高的適應性。缺點就是在全球區(qū)域建造地面網關站是極為困難的。

Henderson[11]提出了DGRA（Distributed Geographic Routing Algorithm），算法首先提到了分布式路由的概念。與文獻[7]不同的是，DGRA分兩步轉發(fā)衛(wèi)星分組，在衛(wèi)星分組距出口衛(wèi)星的距離大于一個閾值時，衛(wèi)星節(jié)點依據全局路由信息轉發(fā)分組，當衛(wèi)星分組接近出口衛(wèi)星時，衛(wèi)星節(jié)點依據本地路由信息轉發(fā)分組。

虛擬節(jié)點路由雖然實現簡單，協(xié)議開銷小，但是只對拓撲結構規(guī)則的衛(wèi)星星座有效，可擴展性較差，算法魯棒性較差。幾乎所有基于虛擬節(jié)點的路由方法都是一極軌道LEO星座為模型，因為極軌LEO星座模型拓撲規(guī)則，計算簡單。虛擬節(jié)點路由方法如需擴展到傾斜軌道衛(wèi)星星座中需要進行較大的改進，從而增加算法的計算復雜性和協(xié)議開銷。多層衛(wèi)星星座由于存在衛(wèi)星的重復覆蓋，地面邏輯區(qū)域無法與唯一的星座衛(wèi)星綁定，故不使用虛擬節(jié)點路由方法。

2.2 基于虛擬拓撲的路由策略

基于虛擬拓撲的路由思想是衛(wèi)星路由算法中應用相對較為廣泛，虛擬拓撲的概念最初由Werner[12]等人提出，隨后作者又對這種路由算法進行了大量深入的探討和延伸。該類算法的主要思想是利用衛(wèi)星軌道的周期特性以及星座結構的可預測特性，在衛(wèi)星運轉的周期T內，將時間T離散化為n個時間片段[t0，t1][t1，t2]…[tn-1，tn]。而在某個時間片[ti-1，ti]內，衛(wèi)星的拓撲結構可虛擬化為一個連接圖Gi。當n足夠大時，也就是時間片[ti-1，ti]，足夠小，可將此時的衛(wèi)星拓撲連接圖Gi視為靜態(tài)的。在獲取靜態(tài)在獲取靜態(tài)拓撲連接圖Gi后，利用經典的Dijkstra SPF（shortest Path First）算法，計算圖Gi中每一對節(jié)點的連接路徑。值得注意的是，上述操作是在衛(wèi)星系統(tǒng)設計之初即完成的，然后將每個時間片內的路由計算結果保存于衛(wèi)星設備當中。衛(wèi)星在軌運行時，只需要知道當前處于哪個時間片內，讀取該時間片所對應的路由表，即可得到路由信息。

基于Werner的研究，Chen Chao等提出了LEO/MEO雙層衛(wèi)星網絡的分組路由策略[13]，首次將虛擬拓撲策略擴展到了雙層衛(wèi)星網絡。文中將所有LEO/MEO組成員關系相同的時刻定義為一個快照，在每一個快照內由于LEO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星的隸屬關系相同，可視為網絡拓撲不變。由此，LEO/MEO雙層衛(wèi)星網絡連續(xù)變化的拓撲結構就被固化為一系列離散的快照。在每個拓撲快照內，使用SPF算法為沒對OD節(jié)點尋找最短路徑，由于拓撲快照可以預先計算，每對OD節(jié)點之間的最短路徑由地面網關預先計算并上傳至衛(wèi)星節(jié)點。其所提出的虛擬拓撲分組策略雖然解決了多層衛(wèi)星網絡的拓撲固化問題，卻存在著一個系統(tǒng)周期內快照過多的缺點，使得快找切換頻繁，協(xié)議開銷較大。類似的還有多層衛(wèi)星路由算法（Multi-Layered Satellite Routing，MLSR）。MLSR[14]適用于LEO/MEO/GEO衛(wèi)星組成的三層衛(wèi)星網絡，該協(xié)議首次將虛擬拓撲策略的路由應用到了三層衛(wèi)星網絡，同樣依據高層衛(wèi)星的足印對低層衛(wèi)星進行分組，進行分層的網絡拓撲收集，并在組成員關系變化的時候由高層衛(wèi)星為低層衛(wèi)星計算路由表。MLSR由于依賴定期的路由表計算來處理鏈路擁塞問題，對擁塞缺乏快速反應機制。

繼MLSR之后，Chen等人又提出了衛(wèi)星分組路由 協(xié) 議 SGRP[15]（satellite Grouping and Routing Protocol）。SGRP繼承了MLSR的分組思想，應用在LEO/MEO雙層衛(wèi)星星座上，充分利用了LEO層和MEO層的協(xié)作關系，由MEO層衛(wèi)星為LEO層的管理者。SGRP的主要思想是沿最短時延路徑傳輸數據包，并將先前由LEO層衛(wèi)星承擔的路由表計算任務轉交給MEO層衛(wèi)星。同MLSR一樣，SGRP也將LEO衛(wèi)星劃分為若干個組，在同一顆MEO衛(wèi)星足印區(qū)（footprint area）的LEO衛(wèi)星被劃為一組。LEO衛(wèi)星某一顆MEO衛(wèi)星的足印區(qū)時，分組關系發(fā)生變化。在SGRP中將LEO分組關系的變化視為網絡拓撲的變化，每次分組關系變化會產生一個新的快照，每個快照內衛(wèi)星網絡拓撲可視為不變。每顆MEO衛(wèi)星都是其足印區(qū)內LEO衛(wèi)星分組的組長，組長負責收集和交換LEO層衛(wèi)星的鏈路時延信息并為LEO衛(wèi)星計算路由表。LEO衛(wèi)星從MEO衛(wèi)星接收路由表，并按照此路由表轉發(fā)數據包。SGRP最大的優(yōu)點在于將路由計算任務交給了功能更為強大的MEO衛(wèi)星，平衡了LEO和MEO衛(wèi)星的資源消耗，延長了系統(tǒng)的使用壽命。SGRP將信號留了和數據流量物理分離，這樣鏈路擁塞就不能影響延時報告和路由計算的相應時間。

2.3 SGRP的改進

基于上文，SGRP雖然解決了MLSR對于擁塞處理低效的問題，完善了MLSR提出的LEO層衛(wèi)星分組路由機制，減輕了LEO層衛(wèi)星路由計算的負擔，但是存在著以下問題有待解決。

1）否定了地面網關在路由計算中的作用，將所有路由計算和管理任務交給MEO衛(wèi)星，增加了MEO衛(wèi)星的負擔，降低了整個系統(tǒng)的壽命、魯棒性和抗毀性。

2）將LEO分組的變化與LEO邏輯位置變化綁定，增加了一個系統(tǒng)周期內快照個數，導致協(xié)議開銷過大，系統(tǒng)負擔過重。

3）由于LEO衛(wèi)星頻繁離開/進入MEO衛(wèi)星的足印區(qū)，使得一個系統(tǒng)周期內的快照數量過多，不利于路由算法的應用。

基于以上分析，本文提出了一種新的衛(wèi)星分組路由協(xié)議NSGRP（New Satellite Grouping and Routing Protocol）。該協(xié)議改進虛擬拓撲路由策略，使得一個系統(tǒng)周期內快照數量大大減少，提出了快照合并方法，消除了過短的快照；綜合虛擬節(jié)點路由策略和虛擬拓撲路由策略，應用到LEO/MEO/GEO三層衛(wèi)星網絡中。

為了減少一個系統(tǒng)周期內的快照數量，有兩個常見的思路：重新劃分拓撲快照和在已有的快照劃分基礎上合并一些快照。在LEO/MEO虛擬拓撲分組策略框架下，以LEO分組變化為快照劃分依據，重新劃分拓撲快照難以實現。故考慮第二種思路，以快照合并的方法減少快照的數量。

假設基于快照劃分方法分化出的切換時刻為[t1，…ti，…，tn]，ti時刻發(fā)生分組切換的 LEO衛(wèi)星Li，且Li被Mi，Mi+1同時覆蓋。首先從第一個快照劃分時刻t1開始考慮，如果這個劃分時刻在衛(wèi)星L2的自由時段內，則L2可以在t1時刻切換，如此便合并一個快照。依次類推，可以合并所有可以合并的快照最終得到一個新的切換時間表?？煺蘸喜⒌脑砣鐖D5所示。

圖5 快照合并原理圖

3 結束語

空間衛(wèi)星組網是實現“天地一體化信息網絡”的關鍵一環(huán)，而實現空間衛(wèi)星組網的關鍵技術之一為組網的路由策略。本文分析了基于虛擬節(jié)點的路由策略和基于虛擬拓撲的路由策略，分析了兩種路由策略的主要特點和存在的問題，并提出了對SGRP的改進，減少了快照，提高了SGRP路由協(xié)議的性能。

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Research on routing in satellite network based on bibliometrics

LI Qiang?qiang1，2，YAO Xiu?juan1，ZHANG Cen2，3
（1.National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100190，China；3.National Science Library，Chinese Academy of Sciences，Beijing100190，China）

Because of the dynamic topology in the satellite network，the traditional Internet routing protocols are no longer applicable to satellite networks.Analyzing the current research on space satellite network routing by bibliometric method and the routing protocols are summarized as two aspects，the one is routing protocols based on virtual node，another is routing protocols based on virtual node virtual topology，and an improved method is proposed for SGRP.

satellite network；routing protocols；satellite constellation；bibliometrics

TN915

A

1674-6236（2017）22-0114-06

2016-09-04稿件編號：201609025

李強強（1991—），男，江蘇連云港人，碩士研究生。研究方向：衛(wèi)星組網路由協(xié)議。