大家读完觉得有帮助记得关注和点赞摘要在低地球轨道LEO卫星星座中用户终端UT与网关GW之间的流量通过一条卫星路径承载。随着卫星星座绕地球旋转必须从一组候选路径中反复重新选择一条新路径。本文研究了路径选择策略对多个指标的影响欧几里得距离和跳数表示的路径长度、路径变更率以及已使用链路的速率。这些指标之所以重要是因为它们要么影响通信延迟要么影响控制和资源管理的复杂性。我们解释了候选路径是如何生成的定义了三种启发式路径选择策略并在包含1,156颗卫星的Walker-Delta星座单层内的海量UT-GW场景下进行了评估。总体而言结果表明路径选择对延迟相关指标和路径动荡churn均有显著影响。1 引言在具备星间链路ISL的低地球轨道LEO卫星网络中用户终端UT和网关GW通过馈电链路连接到一个或多个接入卫星其流量在UT侧接入卫星与GW侧接入卫星之间通过ISL路径进行转发。随着星座持续绕地球旋转UT和GW频繁地连接到新的接入卫星。图1展示了一条ISL路径以及UT和GW的可见范围锥和馈电链路。在符合条件的接入卫星即可用于UT侧或GW侧接入的卫星之间选择一条ISL路径会影响欧几里得路径长度和跳数这两者都直接影响通信延迟。由于接入卫星保持可用的时长不同其选择也会影响切换频率。此类切换是关键操作会给控制平面带来负载并可能导致数据包延迟或丢失。因此切换次数越少越好。此外接入卫星的选择以及它们之间的ISL路径会影响随时间推移被激活的不同链路的数量。每条新启用的链路可能不得不承载额外流量这增加了资源管理的负担并可能造成过载情况。因此随时间推移使用更少的链路既减少了资源管理的工作量也降低了瞬时过载的风险。图1UT-GW通信场景由从UT到UT侧接入卫星的馈电链路、贯穿星座的ISL路径以及从众多GW侧接入卫星之一到GW的馈电链路组成。在这项工作中我们设计了不同的启发式路径选择策略它们在接入卫星之间选择ISL路径以最小化上述指标。我们建模了一个包含1,156颗卫星的Walker-Delta LEO星座所有卫星均在相同高度的圆形轨道上运行且具有相同的倾角。我们考虑了各种UT-GW组合并模拟了它们随时间推移发生的切换。所有选择器均使用同一组符合条件的接入卫星由可见时长决定以确保可比性。我们应用不同的选择策略在符合条件的接入卫星之间选择ISL路径并计算上述指标。结果表明路径选择策略对所考量的指标有显著影响。本文的其余部分组织如下第二节回顾相关工作。第三节介绍系统模型和全文使用的术语。第四节正式定义指标并为每个指标提出一种启发式路径选择策略以在运行中最小化该指标。第五节介绍评估方法第六节讨论仿真结果。第七节总结全文。2 相关工作先前的工作已经研究了LEO星座路由的多个方面包括可扩展路径计算、拓扑特性和路径稳定性。2.1 动态LEO网络中的路径计算LEO路由的一条核心研究路线聚焦于如何高效计算最短或近最短路径。Stock等人[8]研究了大型LEO巨型星座中的可扩展路由表明为所有卫星对在所有时间步预计算最短路由随着星座规模增大会变得不切实际。为了解决这个问题他们提出了分布式按需路由方法以远低于经典最短路径算法如Dijkstra的计算成本逼近高效路由。Chen等人[3]通过利用LEO星座的规则轨道结构和ISL距离模式研究了最短路径计算并推导出了名为STEPCLIMB的显式基于相位的算法。2.2 4-ISL Walker-Delta星座的路由结构Chen等人[2]分析了在4-ISL拓扑下Walker-Delta LEO巨型星座的路由特性其中每颗卫星连接到其所在轨道平面内的两个相邻卫星和两个相邻平面内的卫星。由此产生的逻辑ISL网络具有类似环面的结构因为平面维度和平面内维度都表现出循环环绕。他们进一步表明上升/下降接入卫星的组合会诱发不同的所谓路径模式其跳数差异巨大因此有效的端到端路径不仅取决于地面位置还取决于源侧和目的侧接入卫星在类环面结构中的距离。2.3 稳定性感知路由与路径动荡另一类工作将时间不稳定性本身视为一个问题。Bhosale等人[1]刻画了LEO卫星网络中的路由可变性表明许多重路由仅带来微小的延迟收益且路由可变性会损害高层性能。Zhang和Yeung[10]提出了有界延迟和延迟感知的路由算法在明确减少路由变更的同时保持延迟增幅较小。Ron等人[7]将链路动荡作为优化目标。Zhou等人[11]通过网关和用户终端的最小仰角约束对地面接入进行建模。他们表明网关馈电链路上频繁的切换会导致中断增加路由开销并降低整体回程质量这一点尤其关键因为网关区域汇聚了来自多颗卫星的流量。综合来看这些研究表明稳定性是动态LEO网络中的一个重要关切。然而它们通常考察完整的路由架构、更新机制或拓扑设计。相比之下我们的工作视角更窄在一个简化的环境中隔离了路径选择问题不同的路径选择器针对同一组源自相同底层接入卫星分配的候选路径进行评估。3 系统模型我们考虑一个Walker-Delta星座其中所有卫星均在相同高度的圆形轨道上运行且具有相同的倾角。图2候选路径构建。在时间 t用户终端被分配一个接入卫星 αu​(t)网关被分配一组符合条件的接入卫星 Ag​(t)。候选路径集 P(t)由从 αu​(t)到 Ag​(t)中每个符合条件的接入卫星的 k条最短路径的并集构成。路径选择器从 P(t)中选择一条路径。为了形式化卫星网络中的路由问题我们引入离散时间模型以及本文其余部分使用的符号。然后我们定义如何基于可见时长为用户终端和网关选择符合条件的接入卫星以及这些选择如何在每个时间步推导出ISL候选路径集。这为后续第四节中定义的路径选择策略奠定了基础。3.1 时间模型与符号我们考虑一个离散时间模型时间步为t∈{ti​i⋅Δt∣i0,1,…,n−1},其中 n是总时间步数Δt是每个时间步的持续时间。ISL网络由图 G(V,E)表示其中 V是卫星集合E是ISL集合且 wt​:E→R0​为每个时间步 t的每条ISL分配一个时变代价。在本工作中ISL代价定义为相邻卫星之间的欧几里得距离。每颗卫星维持四条ISL两条连接到同一轨道平面内的相邻卫星两条连接到相邻平面内的卫星。为简单起见假设平面内和平面间的ISL连接在随时间推移保持不变因为共同的轨道周期保持了卫星之间的相对邻域关系。因此只有链路代价 wt​随着卫星沿轨道移动而变化。使用欧几里得距离作为ISL代价提供了一个简单的几何基线可以直接从卫星位置推导出来而无需引入关于流量状况、排队效应、链路调度或协议特定转发行为的额外假设。由于该指标仅捕获路径效率中与传播相关的部分我们在第六节中额外评估ISL跳数作为一个独立指标。对于后续的路径选择模型我们使用以下符号αu​(t)∈V时间 t时UT的接入卫星Ag​(t)⊆V时间 t时GW符合条件接入卫星的集合满足 ∣Ag​(t)∣≤ng​其中 ng​8表示GW接入卫星的最大数量P(t)从 αu​(t)到 Ag​(t)中卫星的候选路径集合p∗(t)∈P(t)时间 t时选定的ISL路径l(p,t)∑e∈p​wt​(e)时间 t时路径 p的欧几里得ISL路径长度。3.2 接入卫星选择地面位置的卫星可见性由以当地天顶为中心、以当地地平线上方的最小仰角为边界的可见范围锥决定。当卫星位于地面位置的可见范围内时被视为潜在的接入卫星。基于这一原则我们为UT选择一个接入卫星 αu​(t)为GW选择一组接入卫星 Ag​(t)具体如下。3.2.1 过境方向当卫星相对于地球表面似乎向北移动时它处于上升过境ascending pass当它似乎向南移动时处于下降过境descending pass。对于地面观察者来说这形成了两类在天空中沿相反方向穿过的可见卫星。尽管这些卫星在天空中可能看起来很近但在ISL拓扑中通常相距甚远。由于我们考察的地面位置不位于星座的最北端和最南端这一点在整个评估场景中均成立。3.2.2 用户终端接入卫星对于UT接入卫星的选择仅限于单一卫星过境方向要么上升要么下降。这避免了属于不同过境的卫星之间的振荡。因此将选择限制在一个过境方向上确保了候选路径计算的UT侧起点一致。在每个时间步 tUT恰好关联一个接入卫星 αu​(t)。只要当前接入卫星保持在UT的可见锥内它就保持不变。一旦它离开锥体就从当前对UT可见且属于选定过境方向上升或下降的卫星集中选择一个新的接入卫星。所选卫星是剩余可见时间最长的那颗。3.2.3 网关接入卫星对于GW不是选择单个接入卫星而是网关在每个时间步 t维持一组最多 ng​个接入卫星 Ag​(t)。它由选择时可见时间最长的 ng​颗卫星组成。随着时间的推移卫星可能会离开或进入可见锥。每当 Ag​(t)中的一颗卫星离开可见锥时它就被移除。当 ∣Ag​(t)∣ng​时通过添加可见时间最长的可见卫星来补充该集合。3.3 候选路径集我们为 Ag​(t)中的每个网关接入卫星计算从该卫星到UT接入卫星 αu​(t)的 k10条最短无环ISL路径按欧几里得路径长度排序使用Yen算法[9]由NetworkX Python库[5]提供。所有网关接入卫星的路径并集构成了候选路径集 P(t)其大小最多为 ∣Ag​(t)∣⋅k。然后路径选择器根据定义的优化目标从候选路径中选择一条路径。不同的路径选择器追求我们在第四节中定义的不同目标。选择 k10确保每个选择器都在足够丰富的备选集中操作同时保持候选路径生成的可处理性。4 指标与路径选择在本节中我们建立了比较所考虑的路径选择策略的基础。我们首先定义全文使用的评估指标涵盖延迟相关和稳定性相关的属性。然后我们介绍针对这些指标进行评估的启发式路径选择器。4.1 评估指标评估基于四个指标欧几里得路径长度的平均值、ISL跳数的平均值、路径变更率和已使用链路速率。4.1.1 平均欧几里得路径长度对于每次运行我们计算选定路径的欧几里得ISL路径长度的时间平均值4.1.2 平均ISL跳数作为欧几里得ISL路径长度的补充我们也报告ISL跳数的平均值其中 h(p)表示路径 p中包含的ISL数量。4.1.3 路径变更率为了量化选定路由随时间变化的频率我们定义路径变更率为其中 Tobs​(n−1)Δt是排除第一步的观察时间1[⋅]是指示函数。4.1.4 已使用链路速率令 L(p)表示路径 p中包含的ISL集合。对于两条连续路径 q和 p我们定义ISL的差异即新路径 p使用但旧路径 q未使用的ISL数量。在连续时间步上求和这捕获了初始路径之后变为已使用的链路从而成为已使用链路速率其中 Tobs​是上述定义的观察时间。4.2 路径选择器给定候选集 P(t)本节定义了本文考虑的三种路径选择器。4.2.1 最短路径选择器作为基线我们考虑始终选择欧几里得ISL路径长度最小的候选路径的选择器。因此在时间步 t选定的路径为最短路径选择器仅优化当前时间步的ISL路径长度。因此当多个候选路径具有相似的欧几里得长度时即使是微小的长度变化也可能引发路径切换。4.2.2 最长生存期选择器作为一种面向稳定性的选择器我们考虑一种优先考虑路径持久性而非瞬时路径代价的策略。我们选择一条预计能保持可行更长时间的较短候选路径选择器操作如下如果先前选定的路径仍然可用则保留它。否则在 j5条最短候选路径中选择器选择剩余可用时间最长的那条。我们设置 j5以便最长生存期决策仅在有限的近最短路径子集内进行。由于UT侧接入仅限于单一过境方向而GW侧接入可能涉及上升和下降过境完整的候选集可能包含通往拓扑上遥远的GW侧接入卫星的路径这些路径技术上可行但在操作上不合理。将决策限制在近最短候选路径可以避免此类长途绕行。形式上时间 t选定的路径定义为其中 τ(p,t)表示时间 t时路径 p的剩余可用时间Pj​(t)⊆P(t)表示 j条最短候选路径的子集。4.2.3 最少使用链路选择器我们考虑一种路径选择器它相对于先前选定的路径最小化新引入的ISL数量如下所示如果先前选定的路径仍然可用则保留它。否则选择器选择相对于先前路径使链路添加数量最小的候选路径。如果多个候选路径产生相同数量的添加链路则通过选择剩余可用时间最长的路径来解决平局从而促进路径持久性。形式上时间 t选定的路径定义为其中 argminlex​表示针对元组上的字典序取 argmin。5 评估方法本节概述仿真设置涵盖星座假设以及UT和GW位置的地理采样。5.1 星座设置我们在一个仿真的Walker-Delta LEO星座中评估所提出的路径选择器使用类似Amazon-Leo[4]的配置倾角为 51.9∘高度为 630 km1,156颗卫星均匀分布在 34个轨道平面上。由于目标系统的相位因子未公开指定我们假设相位因子为 17对应于轨道平面数量的一半。在没有公开设计信息的情况下这作为一个中性默认值可在相邻轨道平面之间产生平衡的错开。我们使用两行轨道根数TLE集来表示卫星轨道这是一种描述给定历元下地球轨道物体轨道的标准化格式。卫星位置使用简化通用摄动4SGP4模型计算这是基于TLE的轨道描述的标准传播器。由于这项工作的重点是路由行为而非轨道预测精度除了标称TLE结构外未对特定摄动参数进行建模。在我们的实现中通过Skyfield库[6]访问SGP4该库提供任意时刻的位置。这些传播的位置用于确定卫星可见性、推导接入卫星以及在整个仿真过程中计算候选路径。5.2 地理场景集图3评估中使用的GW和UT的地理布局产生 5×99495个UT-GW对。我们在结构化的地理网格上采样位置以获得广泛的UT-GW通信场景集如图3所示。选择这些位置是为了使UT和GW的可见锥保持在星座覆盖区内部。仅采样全球经度的一半以大幅减少运行次数同时仍覆盖UT-GW角分离的全部范围。考虑到这一点上升和下降的UT接入卫星序列在拓扑上并不等价因为它们对应于不同的轨道过境方向从而产生通往GW侧接入卫星的不同可行ISL路径。纬度为 0∘,10∘,20∘,30∘,40∘的网关被限制在北半球格林威治子午线上以保持场景空间的结构化和可管理性。用户终端放置在经度 0∘,10∘,20∘,30∘,40∘,60∘,80∘,100∘,120∘,150∘,180∘和纬度 −40∘,−30∘,−20∘,−10∘,0∘,10∘,20∘,30∘,40∘处。较大经度分离的采样更稀疏以限制仿真运行次数。总体而言这产生了 99个UT位置和 5个GW位置即 495个UT-GW场景对。5.3 运行执行选择 20 min的观察时间以在每个场景中捕获重复的更新同时保持仿真的计算可控性。每次运行被离散化为150个时间步每步长度 Δt8 s。UT和GW的卫星可见性建模为当地地平线上方的最小仰角为 30∘以排除低仰角卫星。对于每个UT-GW场景对根据第四节和第五节的模型在每个时间步更新卫星位置、可见性关系、接入卫星、候选路径和选定路径。对于每次保留的运行我们记录每个时间步选定的ISL路径 p∗(t)并推导下面描述的相关指标。由于我们设置中的UT接入序列遵循上升或下降卫星过境每个UT-GW组合都对两种情况进行了仿真。图4我们提供了针对所考虑的三个路径选择器的评估结果概览作为大地测量UT-GW距离的函数。对于每个选择器该图报告了平均欧几里得路径长度、平均ISL跳数、路径变更率和已使用链路率的场景值分别针对上升和下降的UT接入序列。水平虚线表示所有495个UT-GW组合包括上升和下降UT接入卫星过境的样本均值。这些图已经揭示了本文研究的核心权衡最短路径选择器产生最低的平均欧几里得路径长度而最长生存期和最少使用链路选择器在不同程度上减少了路由动态代价是路径长度略有增加。特别是最短路径选择器实现了 9836 km的最低平均路径长度但也具有最高的平均路径变更率和已使用链路速率分别为 1.15 min−1和 7.25 min−1。相比之下最长生存期选择器最强烈地抑制路径变更将其降至 0.71 min−1而最少使用链路选择器最强烈地限制了已使用链路产生了 2.24 min−1的速率。6 结果与讨论我们在采样的完整UT-GW场景集上展示并讨论所考虑的基于启发式的路径选择策略的评估结果。图4报告了取决于选择器的欧几里得路径长度、跳数、路径变更率和已使用链路率随大地测量UT-GW距离变化的行为。我们借此说明了瞬时路径效率与路由稳定性之间的权衡。图中包含了上升和下降的UT接入卫星序列显示了两种情况下的差异同时保持了相同的总体趋势。结果显示出一种清晰的模式最短路径选择器实现了最小的平均欧几里得路径长度但也具有最高的路径变更率和已使用链路速率。相比之下两种面向持久性的选择器在平均欧几里得路径长度上接近最短路径基线同时大幅降低了路由动态。最长生存期选择器在减少路径变更方面最有效而最少使用链路选择器在限制承载流量的ISL集合的结构性变化方面最有效。6.1 路径长度与跳数在所有三种选择器中平均欧几里得ISL路径长度几乎随大地测量UT-GW距离线性增加因为更大的地面间隔通常需要更长的ISL路由。三种选择器的主要区别在于它们的垂直偏移最短路径选择器达到最低的样本均值 9836 km最长生存期选择器仅略微增加到 10026 km最少使用链路选择器为 10348 km。因此两种面向持久性的选择器相对于最短路径基线仅产生了适度的路径长度损失。跳数结果与此形成对比。重要的是最少使用链路选择器产生了最低的平均ISL跳数因为最小化链路添加隐含地倾向于随时间推移跳数更少的路径。相反最短路径选择器最小化欧几里得ISL路径长度自然无法实现最低的跳数。6.2 路径变更率最短路径选择器具有最高的平均路径变更率为 1.15 min−1且其离散度在较大的UT-GW距离下显著扩大。这与我们最短路径选择器规则的预期行为一致即使路径长度的微小变化也可能触发路由切换。相比之下路径变更率结果突显了最长生存期选择器的最大优势它将平均路径变更率降至 0.71 min−1对应减少了约38%。其离散度在整个距离范围内形成了一个更紧密的带。这种行为与选择器的设计一致即尽可能重用当前路径否则优先选择剩余可用时间较长的近最短候选路径。最少使用链路选择器保持居中平均路径变更率为 0.91 min−1其离散度比最短路径选择器更集中在较低范围。6.3 已使用链路速率已使用链路速率指标更能区分选择器。最短路径选择器再次表现最差平均为 7.25 min−1并且在较大距离下显示出明显的上升趋势和增加的离散度。正如预期的那样最短路径更新不仅频繁改变路由还将许多以前未使用的ISL引入活跃集。最长生存期选择器将平均已使用链路速率降至 4.51 min−1这已经是实质性的改进。然而最少使用链路选择器表现最佳为 2.24 min−1相对于最短路径选择器减少了约69%。其离散度在几乎整个距离范围内都紧密集中在低值附近表明其目标直接转化为活跃ISL集的强结构稳定性。6.4 范围与局限性本评估提供了路径选择策略的受控比较而非已部署LEO网络的完整运营模型。欧几里得ISL路径长度被用作基于几何的简单代理来衡量与传播相关的路径效率但它忽略了重要的延迟组成部分如处理、调度、排队和转发延迟。由于这些组成部分可能比几何距离更强地随遍历的ISL数量而扩展我们单独评估了ISL跳数。结构化的UT-GW网格实现了可比较的场景覆盖但未反映稀疏且非均匀的真实部署。此外已使用链路速率捕获了结构性路径变化但未反映流量需求下的实际链路利用率。未来的工作应该在真实的网关和用户终端分布下评估这些影响并扩展模型以包含遗漏的延迟组成部分和依赖于流量的链路利用率。7 结论用户终端与网关之间的星间路径大约每分钟更换一次。我们考虑了多种从候选集中选择替换路径的策略。我们研究了它们如何影响以下指标以欧几里得距离和跳数表示的路径长度、路径变更率以及已使用链路的速率。它们之所以重要是因为要么给通信增加延迟要么给控制和资源管理增加复杂性。我们解释了候选路径是如何选择的并定义了三种路径选择启发式方法分别最小化路径长度、变更率和已使用链路速率最短路径选择器、最长生存期选择器和最少使用链路选择器。我们的结果表明这些启发式方法确实为它们所设计的指标实现了最佳值。此外与其他方法相比最短路径选择器仅将路径长度减少了约5%。结果在495个不同的用户终端和网关位置上取平均覆盖了从零到 20000 km的距离。相比之下最长生存期选择器可以实现 0.71 次/分钟的最低路径变更率而最短路径选择器导致 1.15 次/分钟最少使用链路选择器导致 0.91 次/分钟。通过专门的选择器已使用链路速率可以有效最小化为每分钟 2.24条新链路而最短路径选择器和最长生存期选择器分别需要每分钟 7.25条和 4.51条新链路。鉴于差异显著在LEO卫星星座的路由设计和运营中应考量这些发现。未来的工作可能会研究多目标选择器以联合优化延迟、路径持久性和链路重用。