低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡服務質(zhì)量保障路由方法綜述*

孫士然，陳龍，孫澤坤，孫群英，李杰，張然,4，劉江,4

（1.北京郵電大學,北京 100876；2.航天工程大學,北京 101416；3.上海衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司,上海 202210；4.網(wǎng)絡通信與安全紫金山實驗室,江蘇 南京 211111）

0 引言

近年來，隨著無線電和衛(wèi)星小型化技術的發(fā)展，低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡以其低時延、低成本的特點成為了大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡的新熱點，大容量星間鏈路的應用也讓低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡承載高密度的地面網(wǎng)絡業(yè)務流量成為可能。3GPP 已經(jīng)定義了一些衛(wèi)星網(wǎng)絡在移動通信系統(tǒng)中的使用場景，可作為地面網(wǎng)絡的延伸[1]，在未來空天地一體化網(wǎng)絡發(fā)揮重要作用，其應用架構如圖1 所示。特別對于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務應用，到2030 年物聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)量將達到240 億以上，低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡覆蓋范圍廣、受自然災害影響小的特點，使其可以在任意時刻傳輸任意地點的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)[2]。隨著6G 研究的全面展開，數(shù)字化和智能化發(fā)生深刻變革，工業(yè)制造、智能交通、全息通信等多方面的新業(yè)務也不斷涌現(xiàn)。不同的業(yè)務對網(wǎng)絡傳輸?shù)臅r延、帶寬、丟包率等服務質(zhì)量提出了不同的要求，例如，雙向會話服務對延遲具有極高的要求，而單向數(shù)據(jù)流服務對網(wǎng)絡的丟包率和帶寬具有很高要求[3]。而衛(wèi)星網(wǎng)絡天然具有拓撲高動態(tài)，鏈路不穩(wěn)定的特點，如何在高度動態(tài)的衛(wèi)星網(wǎng)絡環(huán)境中計算出滿足業(yè)務服務質(zhì)量需求的路由是亟待解決的關鍵問題，目前研究人員已經(jīng)根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡的特點對路由方法進行了一些研究，并提出了不同場景下的解決方案。

圖1 衛(wèi)星網(wǎng)絡應用架構圖

衛(wèi)星網(wǎng)絡中網(wǎng)絡資源稀缺、傳播時延長、業(yè)務種類繁多，多服務質(zhì)量保障約束下的路由算法能夠提供多樣化業(yè)務的差異化服務質(zhì)量保障，在考慮網(wǎng)絡資源的情況下，滿足多種業(yè)務的不同QoS 需求；通過將SDN 引入衛(wèi)星網(wǎng)絡，解耦網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)平面和控制平面，由控制平面完成復雜的計算操作，降低了數(shù)據(jù)平面上的衛(wèi)星節(jié)點的計算需求，增強了衛(wèi)星網(wǎng)絡控制管理的靈活性。在解決路由優(yōu)化問題上，蟻群算法通過模擬螞蟻覓食來求解，基于其自適應性被許多學者應用于具有高動態(tài)性的衛(wèi)星網(wǎng)絡路由求解。衛(wèi)星網(wǎng)絡具有高動態(tài)性、傳播時延隨時間變化、鏈路斷續(xù)連通的特點，難以為業(yè)務提供確定性的服務質(zhì)量保障，而確定性網(wǎng)絡是一種新型的網(wǎng)絡技術，旨在通過資源預留、時間同步、流量整形等機制為業(yè)務提供確定性的服務質(zhì)量保障的能力，將確定性網(wǎng)絡技術應用于衛(wèi)星網(wǎng)絡是有前景的，本文將基于以上對衛(wèi)星網(wǎng)絡服務質(zhì)量保障路由的研究方向，具體闡述每類方向下的不同研究方法。

1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡中服務質(zhì)量保障路由算法

1.1 基于圖論的服務質(zhì)量保障路由算法

未來寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡承載的業(yè)務種類和用戶類型更加多樣化、差異化，需要為不同業(yè)務需求的用戶進行區(qū)分，提供差異化的服務質(zhì)量保障。

文獻[4]提出了一種基于存儲時間聚合圖的算法來解決時變網(wǎng)絡的最大流問題，關注衛(wèi)星網(wǎng)絡上多個任務的傳輸服務質(zhì)量保障（QoS,Quality of Service）問題，通過聯(lián)合考慮業(yè)務的傳輸量與開始時刻，鏈路的連通機會以及節(jié)點的存儲資源，借助鏈路累積流量計算規(guī)則，構建面向業(yè)務的最短時延路徑，從而保障業(yè)務的傳輸時延。進一步設計了具有時延保障的星間路由協(xié)議，支持斷續(xù)連通的時變網(wǎng)絡環(huán)境中拓撲的動態(tài)發(fā)現(xiàn)、路由的高效計算以及數(shù)據(jù)分組的定時轉(zhuǎn)發(fā)。

為解決在衛(wèi)星動態(tài)切換時造成的路徑失效問題，文獻[5]首先建立虛擬節(jié)點動態(tài)資源圖和多目標優(yōu)化模型，該模型可以同時考慮節(jié)點的切換狀態(tài)、存儲資源以及鏈路的剩余帶寬、時延等信息；其次，利用蟻群算法建立多QoS約束計算模型，通過調(diào)整信息素揮發(fā)系數(shù)，為每個連接請求找到一段時間內(nèi)符合多QoS約束的多條路徑；最后基于冪數(shù)加權公式選出一段時間范圍內(nèi)的最優(yōu)路徑，達到緩解網(wǎng)絡擁塞，提高網(wǎng)絡QoS的目的。

文獻[6]不但考慮了多種QoS，還考慮了不同QoS之間的優(yōu)先級關系，提出了多QoS路由優(yōu)化算法，考慮多個QoS要求之間的優(yōu)先級關系，提出多QoS路由優(yōu)化算法，對可行鏈路的資源信息構建決策模型，根據(jù)QoS需求為不同的服務設置優(yōu)先級系數(shù)，然后采用多徑服務質(zhì)量路由算法對QoS屬性路徑集進行決策，得出最優(yōu)路徑。文獻[7]采用多優(yōu)先級排隊機制來保障每跳的QoS要求，在滿足高優(yōu)先級業(yè)務性能的前提下，臨時提高低優(yōu)先級業(yè)務的優(yōu)先級，來避免資源浪費。將可用鏈路資源、傳輸開銷等映射為鏈路的權重，考慮網(wǎng)絡拓撲變化的影響，以保障鏈路壽命大于鏈路上業(yè)務傳輸所需要的時間，從而避免性能下降。

1.2 基于蟻群算法的服務質(zhì)量保障路由算法

蟻群算法是一種模擬螞蟻群體行為的群體智能算法[8]，它通過模擬螞蟻在尋找食物的過程中的群體協(xié)作行為來解決問題，具有很好的自適應性，能夠快速適應網(wǎng)絡的動態(tài)變化，對于高動態(tài)的衛(wèi)星網(wǎng)絡場景很有優(yōu)勢。

文獻[9]提出了一種基于蟻群算法考慮負載均衡的低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡QoS優(yōu)化路由算法，將初始信息素濃度與衛(wèi)星網(wǎng)絡流量需求進行匹配，降低了流量需求較高路徑的信息素積累，避免流量聚集導致的網(wǎng)絡擁塞，使算法更快收斂于最優(yōu)解，綜合考慮了端到端時延、時延抖動、剩余帶寬作為多QoS目標優(yōu)化因素，為每一條業(yè)務請求求解出滿足時延與負載均衡約束下路徑代價最小的路徑。

為提高衛(wèi)星網(wǎng)絡可靠性，文獻[10]根據(jù)圖論的概念，考慮關鍵節(jié)點的全局影響，提出了一種智能備份路由算法。在蟻群路由算法的基礎上，引入介數(shù)中心性來評估節(jié)點的重要性，并以此來選擇整個網(wǎng)絡的關鍵節(jié)點。在迭代計算過程中，當且只有當在原始路徑中找到關鍵節(jié)點時，才能計算備份路徑，通過這種方式來處理衛(wèi)星網(wǎng)絡遭受隨機故障或智能攻擊的情況。

為了為衛(wèi)星網(wǎng)絡提供更好的QoS和數(shù)據(jù)傳輸安全性，文獻[11]提出一種自適應QoS動態(tài)路由算法，基于空間網(wǎng)絡中節(jié)點的異常轉(zhuǎn)發(fā)累積次數(shù)和負載能力來評估節(jié)點的信譽，用信譽值來表示節(jié)點的安全性和負載情況，衛(wèi)星節(jié)點定期與鄰居節(jié)點交換信譽值，若出現(xiàn)信譽值被篡改，將會降低該節(jié)點的信譽，節(jié)點在轉(zhuǎn)發(fā)時優(yōu)先選擇信譽值較高的鄰居節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)。使用改進的蟻群算法進行路由發(fā)現(xiàn)和動態(tài)維護，為從源節(jié)點到目的節(jié)點的具有更高服務質(zhì)量和安全性的路徑提供更多的信息素獎勵，從而使所選路徑成為一種綜合性能更好的安全路徑。

蟻群算法作為一種經(jīng)典的路徑搜索啟發(fā)式算法，本文提到的算法在蟻群算法的基礎上進行改進，通過修改信息素初始濃度分布、改變信息素積累方式等方法，將QoS保障目標作為目標優(yōu)化因素，在求解出最優(yōu)路由的同時有效降低算法復雜度，有效緩解星上開銷。

1.3 基于機器學習的服務質(zhì)量保障路由算法

強化學習是一種生物啟發(fā)的機器學習方法，其中代理通過與環(huán)境的交互尋找最優(yōu)策略[12]，為提升衛(wèi)星網(wǎng)絡路由計算性能和緩解星上存儲資源壓力提供了新的途徑。基于Q學習的自主和分布式數(shù)據(jù)包路由算法是一種經(jīng)典的基于值的強化學習方法。

文獻[13]提出了一種基于Q學習的超大規(guī)模低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡路由方案?；趶娀腝路由（QR，Q Routing）方法進行分布式路由更新，自適應動態(tài)衛(wèi)星拓撲，降低路由計算資源消耗。通過特定獎勵函數(shù)的設計，在衛(wèi)星網(wǎng)絡中實施多目標優(yōu)化方法，以找到轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的最優(yōu)下一跳，并在路由維護中提供長期服務質(zhì)量優(yōu)化，實現(xiàn)端到端時延保障和低網(wǎng)絡負載均衡。

為實現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡節(jié)點高效安全轉(zhuǎn)發(fā)，文獻[14]設計了一種基于改進的雙Q學習的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)（S-IoT,Satellite Internet of Things）自適應路由算法。整個S-IoT被視為強化學習環(huán)境，衛(wèi)星節(jié)點和地面節(jié)點被視為智能體，在每個節(jié)點維護兩個Q表用于轉(zhuǎn)發(fā)和評估。為得到最優(yōu)Q值，利用網(wǎng)絡擁塞水平、節(jié)點狀態(tài)和跳數(shù)來改進混合Q值、獎勵值和折扣因子，實現(xiàn)多重保障。該算法在高度動態(tài)的環(huán)境中可提供更高效、安全的路由與轉(zhuǎn)發(fā)。

為利用可信路由方案評估節(jié)點信任值，避免惡意節(jié)點攻擊引起的QoS下降，文獻[15]設計了一種完全分布式的多智能體架構，相較于集中式路由算法不需要收集全網(wǎng)鏈路信息，只需收集相鄰節(jié)點狀態(tài)即可獨立做出決策，每個智能體都是獨立訓練的，可以適應衛(wèi)星網(wǎng)絡的實時變化，通過提高系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男湃味龋畲笙薅冉档完犃惺褂寐?，設置可變的信任值和延遲約束來滿足不同服務的QoS要求。

表1為本節(jié)提到的傳統(tǒng)網(wǎng)絡中QoS保障算法進行了分類，它們將業(yè)務所需的多種網(wǎng)絡資源以圖中邊的權重、信息素、模型參數(shù)的方式綜合表現(xiàn)在鏈路參數(shù)中，把求解多QoS保障路由問題轉(zhuǎn)化為特定的最優(yōu)化問題，以簡化求解復雜性。

表1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡中的QoS保障路由算法

2 軟件定義網(wǎng)絡中服務質(zhì)量保障路由算法

軟件定義網(wǎng)絡（SDN,Software Defined Network）如圖2所示是一種新型動態(tài)網(wǎng)絡架構。它采用分層思想，將網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)平面和控制平面解耦，通過網(wǎng)絡功能虛擬化實現(xiàn)軟件和硬件的分離，使得網(wǎng)絡不再受限于硬件結構，而可以根據(jù)業(yè)務需求進行定制化的高效編排和資源重構，從而實現(xiàn)快速、靈活的網(wǎng)絡組網(wǎng)[16]。將軟件定義技術與衛(wèi)星網(wǎng)絡融合，將邏輯控制功能集中到控制器上，可以簡化衛(wèi)星功能設計，有助于實現(xiàn)高效的網(wǎng)絡管理與控制，靈活的網(wǎng)絡配置以及與異構網(wǎng)絡的兼容性，優(yōu)化路由策略，降低部署成本，并保障業(yè)務的服務質(zhì)量。

圖2 衛(wèi)星軟件定義網(wǎng)絡架構

文獻[17]提出了基于SDN的衛(wèi)星網(wǎng)絡架構，在此模型中將流量分為三類具有不同QoS需求的流量類型，提出一種結合優(yōu)先級隊列和加權循環(huán)的流量調(diào)度框架，為A類業(yè)務設置高優(yōu)先級隊列以確保優(yōu)先性，為B類和C類業(yè)務采用加權循環(huán)調(diào)度策略，以保證帶寬分配的公平性，不僅保證高優(yōu)先級業(yè)務的QoS要求，也可以防止低優(yōu)先級業(yè)務服務無法被服務。對有時延要求的A類和B類業(yè)務，結合當前衛(wèi)星節(jié)點和目的衛(wèi)星節(jié)點的位置信息通過集中式算法計算出最優(yōu)路徑。對有帶寬限制的C類業(yè)務，提出了一種基于鏈路狀態(tài)的動態(tài)帶寬自適應算法，通過控制器監(jiān)視全網(wǎng)鏈路的帶寬資源狀態(tài)，由此設置鏈路可用性并計算出業(yè)務相應的路由。文獻[18]將路由建立、路由表存儲和控制開銷視為三個部分，據(jù)此對鏈路進行建模，以準確反映基于SDN架構下衛(wèi)星網(wǎng)絡的網(wǎng)絡狀態(tài)和性能，根據(jù)用戶QoS要求制定細粒度的數(shù)據(jù)傳輸策略。

為了滿足空間任務多種不同業(yè)務傳輸質(zhì)量需求，文獻[19]對Dijkstra算法進行了改進，提出了一種多QoS目標優(yōu)化路由算法。首先建立包括帶寬、時延、丟包率多個QoS約束的優(yōu)化模型，使用拉格朗日松弛法對多約束問題進行松弛處理，得到新的鏈路權重公式。然后在權重因子中引入動態(tài)步長，通過判斷所選路徑是否滿足QoS的要求，改變時延、丟包率在鏈路權重的比例和影響，根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡星上資源受限的特性，將鏈路吞吐量和鏈路可用性作為鏈路初始權重的重要指標，初始鏈路權重由路由開銷表示，鏈路可用帶寬越大，其相應的開銷值越小，這樣控制器會優(yōu)數(shù)據(jù)流引向帶寬充足的鏈路，避免網(wǎng)絡擁塞。最后通過逐步迭代，快速收斂，找出滿足多QoS需求的最優(yōu)路徑。

針對節(jié)點負載均衡以及星間鏈路切換問題，文獻[20]利用SDN網(wǎng)絡架構管理和優(yōu)化LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡通信系統(tǒng)，提出一種高性能QoS保障的LEO衛(wèi)星星間路由算法。針對通信鏈路狀態(tài)信息和星間鏈路通斷實時變化的問題，根據(jù)剩余鏈路持續(xù)時間定義星間鏈路生存時間，得出每條星間鏈路的穩(wěn)定度，解決由于鏈路切換導致的業(yè)務路徑重構問題?；诟哕壍佬l(wèi)星得到的星間鏈路的流量狀態(tài)，定義鏈路負載矩陣，給出星間鏈路負載度函數(shù)，并利用標簽交換路徑集合得到每條路徑的負載度，以避免節(jié)點擁塞，實現(xiàn)網(wǎng)絡負載均衡。通過路徑代價函數(shù)給出路由決策矩陣，根據(jù)用戶對業(yè)務時延、帶寬和丟包率的不同要求，將業(yè)務分為3種類型，定義權重因子矩陣，根據(jù)不同業(yè)務類型的需求，分配不同的權重因子，保證用戶的QoS要求。針對瓶頸節(jié)點提出調(diào)整因子來減小其對路由算法的影響，并通過理論證明調(diào)整因子的有效性。

表2對上述提到的確定性網(wǎng)絡中的QoS保障的路由算法做以總結。通過將軟件定義網(wǎng)絡架構引入衛(wèi)星網(wǎng)絡，本文提到的算法得以通過集中式控制器，對網(wǎng)絡可用資源進行實時監(jiān)控，建立包括時延、帶寬等QoS約束的優(yōu)化模型，基于全網(wǎng)資源視圖求解QoS保障最優(yōu)化問題。

表2 SDN網(wǎng)絡中的QoS保障路由算法

3 確定性網(wǎng)絡中服務質(zhì)量保障的路由算法

確定性網(wǎng)絡是一種新型的網(wǎng)絡技術，旨在為業(yè)務提供確定性的服務質(zhì)量保障的能力，可為業(yè)務提供確定性的資源預留、時延控制以及更高的可靠性，可以有效解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡中鏈路擁塞、數(shù)據(jù)分組丟包、數(shù)據(jù)分組超時等問題。隨著部署范圍的擴大，通過中國網(wǎng)絡創(chuàng)新環(huán)境和長三角綜合測試環(huán)境兩個網(wǎng)絡測試平臺，確定性網(wǎng)絡已經(jīng)實現(xiàn)了廣域網(wǎng)上的部署并進行了驗證，實現(xiàn)了大規(guī)模的延遲和抖動控制[21]。低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡憑借其廣覆蓋、時延短、可靠性高等特點，可為時延敏感業(yè)務提供服務，在衛(wèi)星網(wǎng)絡中部署確定性網(wǎng)絡技術為業(yè)務提供確定性服務質(zhì)量保障成為了人們研究的新熱點。

基于時變連續(xù)圖對天地一體化網(wǎng)絡進行建模，文獻[22]精準刻畫了網(wǎng)絡中的多維時變資源；構建相關定義及計算規(guī)則，對網(wǎng)絡中的約束條件給出了數(shù)學表示，計算出業(yè)務在路徑上傳輸情況，并提出了面向業(yè)務的時間確定性路由算法，為業(yè)務計算出具有時間確定性的端到端路徑。

在低軌衛(wèi)星-地面集成網(wǎng)絡中，使用基于循環(huán)排隊和轉(zhuǎn)發(fā)機制（CQF,Cyclic Queuing and Forwarding）機制可以確保業(yè)務的確定性傳輸，為了解決使用CQF機制在衛(wèi)星網(wǎng)絡低負載時造成資源浪費的問題，文獻[23]在低軌衛(wèi)星-地面集成網(wǎng)絡的場景下提出了循環(huán)優(yōu)先級和轉(zhuǎn)發(fā)（CPF,Cyclic Queuing and Forwarding）機制，通過定期交換隊列的優(yōu)先級并且使傳輸時敏流的優(yōu)先級隊列在任何時段都能發(fā)送，消除了傳統(tǒng)CQF的門限限制和周期轉(zhuǎn)發(fā)中對時間敏感流的帶寬限制，降低了服務超時率，并且提高了數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的可靠性。

文獻[24]開發(fā)了一種具有確定性時空路由、冗余編碼和多徑調(diào)度（DSNT-SRM,Deterministic Spa-tio-temporal Routing,Redundant Coding and Multipath Scheduling）的確定性衛(wèi)星網(wǎng)絡傳輸方法，利用星歷表信息和動態(tài)資源更新機制來預測所有即將到來的通信機會，并構建確定性的時空路由路徑以保障傳輸時延；通過結合稀疏和冗余網(wǎng)絡編碼機制以保證傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

為了聯(lián)合表征了由業(yè)務隨機性導致的鏈路、存儲與時間資源的隨機特征，文獻[25]提出了隨機時變圖模型，并且表征了存儲與鏈路資源的關聯(lián)關系，為鏈路資源利用率的提升與業(yè)務的時間確定性保障提供了模型基礎；提出了最大概率時延保障的路由算法，基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)為業(yè)務路由，解決了網(wǎng)絡時變性和業(yè)務時延確定性保障之間的矛盾。

表3對上述提到的確定性網(wǎng)絡中的QoS保障的路由算法做以總結。在多業(yè)務整體QoS需求滿足的前提下，它們分別在時延保障、擁塞控制、傳輸可靠性、資源利用率方面做了針對性設計。

表3 確定性網(wǎng)絡中的QoS保障路由算法

綜上所述，在衛(wèi)星網(wǎng)絡中提供確定性服務是一個正在興起的趨勢，然而目前的技術方案都著重于三層網(wǎng)絡路由技術，通過單快照下的路徑規(guī)劃來為業(yè)務提供確定性，缺乏對底層機制的進一步研究，受限于衛(wèi)星網(wǎng)絡的高動態(tài)性，無法保障業(yè)務在傳輸中的抖動要求。而在衛(wèi)星網(wǎng)絡資源表征上，針對衛(wèi)星網(wǎng)絡的時變性，有研究利用隨機過程來描述衛(wèi)星網(wǎng)絡中的時變資源，為確定性服務提供了數(shù)學建?；A。

4 結束語

本文全面綜述了低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡在保障服務質(zhì)量的路由策略領域的研究進展，特別關注多QoS路由優(yōu)化、SDN架構等方面的路由算法。這些創(chuàng)新性的研究工作對于理解和改善差異化業(yè)務的服務質(zhì)量保障具有重要意義，同時也在提高網(wǎng)絡資源利用效率、降低業(yè)務時延、增強網(wǎng)絡安全等方面展現(xiàn)了顯著成效。展望未來，隨著低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡技術的不斷成熟和應用領域的拓展，衛(wèi)星網(wǎng)絡將會承載更多元化與復雜的業(yè)務，希望通過本文總結的內(nèi)容能為未來的研究人員提供幫助參考。