基于文獻(xiàn)計(jì)量的衛(wèi)星組網(wǎng)路由協(xié)議研究

李強(qiáng)強(qiáng)，姚秀娟，章 岑

（1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)北京100049；3.中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心北京100190）

基于文獻(xiàn)計(jì)量的衛(wèi)星組網(wǎng)路由協(xié)議研究

李強(qiáng)強(qiáng)1，2，姚秀娟1，章 岑2，3

（1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)北京100049；3.中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心北京100190）

由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不再適用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。使用文獻(xiàn)計(jì)量方法分析了國內(nèi)外空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由的研究現(xiàn)狀，總結(jié)歸納為基于虛擬節(jié)點(diǎn)的路由協(xié)議和基于虛擬拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議，并對(duì)SGRP路由協(xié)議提出了一種改進(jìn)方法。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；衛(wèi)星星座；文獻(xiàn)計(jì)量

2016年 6月 30日，美國“Union of Concerned Scientists”公布的衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫[1]顯示，在軌繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星一共有1419顆，其中美國占據(jù)將近總數(shù)的一半，而我國只有181顆，在空間信息網(wǎng)絡(luò)整體的規(guī)模和實(shí)際應(yīng)用效果上，我國與發(fā)達(dá)國家還有比較大的差距。因此我國亟需重視空間信息網(wǎng)絡(luò)的建立，根據(jù)我國的“十三五”規(guī)劃綱要草案，“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”被列為未來五年中國計(jì)劃實(shí)施的百個(gè)重大工程及項(xiàng)目之一[2-3]，而衛(wèi)星組網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵所在。

本文旨在通過分析國內(nèi)外衛(wèi)星空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由研究的內(nèi)容，進(jìn)行空間組網(wǎng)路由協(xié)議研究，具有較強(qiáng)的理論意義和實(shí)用價(jià)值。雖然國內(nèi)有不少學(xué)者此前進(jìn)行過綜述研究，如盧勇、趙友健[4]等著作的《衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)》是根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)，從分類的角度重點(diǎn)闡述了一些關(guān)鍵路由技術(shù)的核心機(jī)制、特點(diǎn)，最后針對(duì)應(yīng)用需求，提出了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)；再比如戴國梁、趙尚宏[5]等著作的《衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)概述》是從衛(wèi)星星座組網(wǎng)方式即單層、雙層、多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由三方面綜述了多種路由算法，并對(duì)其進(jìn)行分析和比較。但是少有利用文獻(xiàn)計(jì)量[6]的方法，本文便是基于文獻(xiàn)計(jì)量的方法來分析國內(nèi)外衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)，這樣能夠更加明確的顯示出相關(guān)研究內(nèi)容，利于后文更好地分析。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

國內(nèi)以CNKI為數(shù)據(jù)源，以“衛(wèi)星”并“路由”為檢索詞，“主題”為字段，“信息科技”領(lǐng)域內(nèi)，共檢索到711篇文獻(xiàn)；國外以Web of Science為數(shù)據(jù)源，“satellite”并“routing”為檢索詞，共檢索到2178篇文獻(xiàn)。采用共詞分析方法[7]，將關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類，對(duì)一組詞兩兩統(tǒng)計(jì)它們?cè)谕黄墨I(xiàn)中出現(xiàn)的次數(shù)，以此為基礎(chǔ)將這些詞進(jìn)行聚類分析，反映出這些詞之間的親疏關(guān)系，進(jìn)而分析這些詞所代表的學(xué)科和主題的結(jié)構(gòu)變化。

1.1 國內(nèi)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由研究熱點(diǎn)分析

1.1.1 關(guān)鍵詞頻次分析

為了既概括領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展情況，又能減少低頻詞匯的干擾，本文抽取國內(nèi)711篇文獻(xiàn)中關(guān)鍵詞頻次≥8的30個(gè)高頻個(gè)高頻詞匯進(jìn)行研究。

表1 國內(nèi)文獻(xiàn)關(guān)鍵詞top30（頻次≥8）

通過Sati軟件將關(guān)鍵詞兩兩配對(duì)，形成30*30相似矩陣，利用社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析軟件Ucinet繪制關(guān)鍵詞的關(guān)聯(lián)圖譜，節(jié)點(diǎn)大小代表關(guān)鍵詞的中心度，節(jié)點(diǎn)越大說明中心度越高?？梢钥闯?，“衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)”、“路由協(xié)議”、“衛(wèi)星通信”、“星際鏈路”幾個(gè)節(jié)點(diǎn)明顯，一定程度上可以視為研究熱點(diǎn)。通過聚類，關(guān)鍵詞之間相關(guān)性較強(qiáng)，形成了復(fù)雜的相互交錯(cuò)的研究網(wǎng)絡(luò)。

表2 國內(nèi)高頻關(guān)鍵詞相似矩陣（部分）

1.1.2 關(guān)鍵詞聚類分析

利用SPSS軟件對(duì)相似矩陣進(jìn)行聚類分析如圖2，可以將研究分為兩個(gè)方向。第一，關(guān)于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)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(guān)鍵詞；第二，關(guān)于路由技術(shù)的研究，以動(dòng)態(tài)路由、路由協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)仿真等為代表的關(guān)鍵詞。

圖1 國內(nèi)“衛(wèi)星”“路由”關(guān)鍵詞聚類分析

1.2 國外衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由研究熱點(diǎn)分析

1.2.1 關(guān)鍵詞分析

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

1.2.2 關(guān)鍵詞聚類分析

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

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

圖2 國內(nèi)高頻關(guān)鍵詞多維尺度分析

表3 國外文獻(xiàn)關(guān)鍵詞top51（頻次≥8）

圖3 國外“satellite”“routing”文獻(xiàn)關(guān)鍵詞聚類分析

1.3 研究內(nèi)容分析

基于以上分析，當(dāng)前研究熱點(diǎn)主要分為兩大類，一類是以衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的路由協(xié)議的研究，是關(guān)于星間鏈路的路由協(xié)議的研究；另一類是以移動(dòng)衛(wèi)星為基礎(chǔ)的衛(wèi)星通信的研究，是關(guān)于星地鏈路通信的研究。由于當(dāng)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的路由協(xié)議的研究。

圖4 國外高頻關(guān)鍵詞多維尺度分析

2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)

路由技術(shù)是衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)的難點(diǎn)和重點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋾r(shí)變問題。以尋徑為目的解決衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)鋾r(shí)變問題被稱為網(wǎng)絡(luò)路由策略，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由策略是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法的基礎(chǔ)。所以衛(wèi)星組網(wǎng)路由算法分為基于虛擬節(jié)點(diǎn)策略的路由算法和基于虛擬拓?fù)洳呗缘穆酚伤惴ā?/p>

2.1 基于虛擬節(jié)點(diǎn)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(rèn)為是虛擬節(jié)點(diǎn)路由的雛形。該框架采用IP分層編址和移動(dòng)IP思想，根據(jù)衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域?qū)⒌厍虻谋砻鎰澐譃槿舾蓚€(gè)邊長為160km的方形區(qū)域，稱之為supercell，每個(gè)supercell內(nèi)再劃分9個(gè)子cell，將各區(qū)域賦予固定的邏輯地址，并計(jì)算該區(qū)域到其他各區(qū)域的路由表。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，根據(jù)就近原則將邏輯地址分配于網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)。衛(wèi)星在運(yùn)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(wǎng)關(guān)、地面終端聯(lián)合操作，共同完成路由過程。這種機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是利用了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和周期性，避免動(dòng)態(tài)的計(jì)算路由，具有較高的適應(yīng)性。缺點(diǎn)就是在全球區(qū)域建造地面網(wǎng)關(guān)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(xiàn)[7]不同的是，DGRA分兩步轉(zhuǎn)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(gè)閾值時(shí)，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)依據(jù)全局路由信息轉(zhuǎn)發(fā)分組，當(dāng)衛(wèi)星分組接近出口衛(wèi)星時(shí)，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)依據(jù)本地路由信息轉(zhuǎn)發(fā)分組。

虛擬節(jié)點(diǎn)路由雖然實(shí)現(xiàn)簡單，協(xié)議開銷小，但是只對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)則的衛(wèi)星星座有效，可擴(kuò)展性較差，算法魯棒性較差。幾乎所有基于虛擬節(jié)點(diǎn)的路由方法都是一極軌道LEO星座為模型，因?yàn)闃O軌LEO星座模型拓?fù)湟?guī)則，計(jì)算簡單。虛擬節(jié)點(diǎn)路由方法如需擴(kuò)展到傾斜軌道衛(wèi)星星座中需要進(jìn)行較大的改進(jìn)，從而增加算法的計(jì)算復(fù)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(fù)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(diǎn)路由方法。

2.2 基于虛擬拓?fù)涞穆酚刹呗?/h3>

基于虛擬拓?fù)涞穆酚伤枷胧切l(wèi)星路由算法中應(yīng)用相對(duì)較為廣泛，虛擬拓?fù)涞母拍钭畛跤蒞erner[12]等人提出，隨后作者又對(duì)這種路由算法進(jìn)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(jié)構(gòu)的可預(yù)測(cè)特性，在衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)的周期T內(nèi)，將時(shí)間T離散化為n個(gè)時(shí)間片段[t0，t1][t1，t2]…[tn-1，tn]。而在某個(gè)時(shí)間片[ti-1，ti]內(nèi)，衛(wèi)星的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可虛擬化為一個(gè)連接圖Gi。當(dāng)n足夠大時(shí)，也就是時(shí)間片[ti-1，ti]，足夠小，可將此時(shí)的衛(wèi)星拓?fù)溥B接圖Gi視為靜態(tài)的。在獲取靜態(tài)在獲取靜態(tài)拓?fù)溥B接圖Gi后，利用經(jīng)典的Dijkstra SPF（shortest Path First）算法，計(jì)算圖Gi中每一對(duì)節(jié)點(diǎn)的連接路徑。值得注意的是，上述操作是在衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初即完成的，然后將每個(gè)時(shí)間片內(nèi)的路由計(jì)算結(jié)果保存于衛(wèi)星設(shè)備當(dāng)中。衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，只需要知道當(dāng)前處于哪個(gè)時(shí)間片內(nèi)，讀取該時(shí)間片所對(duì)應(yīng)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(wǎng)絡(luò)的分組路由策略[13]，首次將虛擬拓?fù)洳呗詳U(kuò)展到了雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。文中將所有LEO/MEO組成員關(guān)系相同的時(shí)刻定義為一個(gè)快照，在每一個(gè)快照內(nèi)由于LEO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星的隸屬關(guān)系相同，可視為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳蛔儭Ｓ纱?，LEO/MEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)連續(xù)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就被固化為一系列離散的快照。在每個(gè)拓?fù)淇煺諆?nèi)，使用SPF算法為沒對(duì)OD節(jié)點(diǎn)尋找最短路徑，由于拓?fù)淇煺湛梢灶A(yù)先計(jì)算，每對(duì)OD節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑由地面網(wǎng)關(guān)預(yù)先計(jì)算并上傳至衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)。其所提出的虛擬拓?fù)浞纸M策略雖然解決了多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涔袒瘑栴}，卻存在著一個(gè)系統(tǒng)周期內(nèi)快照過多的缺點(diǎn)，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(wǎng)絡(luò)，該協(xié)議首次將虛擬拓?fù)洳呗缘穆酚蓱?yīng)用到了三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，同樣依據(jù)高層衛(wèi)星的足印對(duì)低層衛(wèi)星進(jìn)行分組，進(jìn)行分層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫占⒃诮M成員關(guān)系變化的時(shí)候由高層衛(wèi)星為低層衛(wèi)星計(jì)算路由表。MLSR由于依賴定期的路由表計(jì)算來處理鏈路擁塞問題，對(duì)擁塞缺乏快速反應(yīng)機(jī)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(yīng)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(guān)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(shí)延路徑傳輸數(shù)據(jù)包，并將先前由LEO層衛(wèi)星承擔(dān)的路由表計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)交給MEO層衛(wèi)星。同MLSR一樣，SGRP也將LEO衛(wèi)星劃分為若干個(gè)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(shí)，分組關(guān)系發(fā)生變化。在SGRP中將LEO分組關(guān)系的變化視為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓看畏纸M關(guān)系變化會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的快照，每個(gè)快照內(nèi)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢暈椴蛔儭Ｃ款wMEO衛(wèi)星都是其足印區(qū)內(nèi)LEO衛(wèi)星分組的組長，組長負(fù)責(zé)收集和交換LEO層衛(wèi)星的鏈路時(shí)延信息并為LEO衛(wèi)星計(jì)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(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。SGRP最大的優(yōu)點(diǎn)在于將路由計(jì)算任務(wù)交給了功能更為強(qiáng)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(hào)留了和數(shù)據(jù)流量物理分離，這樣鏈路擁塞就不能影響延時(shí)報(bào)告和路由計(jì)算的相應(yīng)時(shí)間。

2.3 SGRP的改進(jìn)

基于上文，SGRP雖然解決了MLSR對(duì)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(jī)制，減輕了LEO層衛(wèi)星路由計(jì)算的負(fù)擔(dān)，但是存在著以下問題有待解決。

1）否定了地面網(wǎng)關(guān)在路由計(jì)算中的作用，將所有路由計(jì)算和管理任務(wù)交給MEO衛(wèi)星，增加了MEO衛(wèi)星的負(fù)擔(dān)，降低了整個(gè)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(gè)系統(tǒng)周期內(nèi)快照個(gè)數(shù)，導(dǎo)致協(xié)議開銷過大，系統(tǒng)負(fù)擔(dān)過重。

3）由于LEO衛(wèi)星頻繁離開/進(jìn)入MEO衛(wèi)星的足印區(qū)，使得一個(gè)系統(tǒng)周期內(nèi)的快照數(shù)量過多，不利于路由算法的應(yīng)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(jìn)虛擬拓?fù)渎酚刹呗?，使得一個(gè)系統(tǒng)周期內(nèi)快照數(shù)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(diǎn)路由策略和虛擬拓?fù)渎酚刹呗?，?yīng)用到LEO/MEO/GEO三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中。

為了減少一個(gè)系統(tǒng)周期內(nèi)的快照數(shù)量，有兩個(gè)常見的思路：重新劃分拓?fù)淇煺蘸驮谝延械目煺談澐只A(chǔ)上合并一些快照。在LEO/MEO虛擬拓?fù)浞纸M策略框架下，以LEO分組變化為快照劃分依據(jù)，重新劃分拓?fù)淇煺针y以實(shí)現(xiàn)。故考慮第二種思路，以快照合并的方法減少快照的數(shù)量。

假設(shè)基于快照劃分方法分化出的切換時(shí)刻為[t1，…ti，…，tn]，ti時(shí)刻發(fā)生分組切換的 LEO衛(wèi)星Li，且Li被Mi，Mi+1同時(shí)覆蓋。首先從第一個(gè)快照劃分時(shí)刻t1開始考慮，如果這個(gè)劃分時(shí)刻在衛(wèi)星L2的自由時(shí)段內(nèi)，則L2可以在t1時(shí)刻切換，如此便合并一個(gè)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(gè)新的切換時(shí)間表?？煺蘸喜⒌脑砣鐖D5所示。

圖5 快照合并原理圖

3 結(jié)束語

空間衛(wèi)星組網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”的關(guān)鍵一環(huán)，而實(shí)現(xiàn)空間衛(wèi)星組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一為組網(wǎng)的路由策略。本文分析了基于虛擬節(jié)點(diǎn)的路由策略和基于虛擬拓?fù)涞穆酚刹呗裕治隽藘煞N路由策略的主要特點(diǎn)和存在的問題，并提出了對(duì)SGRP的改進(jìn)，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(hào)：201609025

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