一种增量部署太赫兹链路的巨型近地轨道星座网络路由算法.pdf
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1、一种增量部署太赫兹链路的巨型近地轨道星座网络路由算法叶 进*陈贵豪 韦姿蓉 单源超 黄家玮(广西大学计算机与电子信息学院 南宁 530004)(中南大学计算机学院 长沙 410083)摘 要:太赫兹通信作为6G研究的关键技术之一,将在下一代巨型近地轨道(LEO)星座网络中与其他频段链路共存,在这样增量部署太赫兹的巨型LEO星座网络中,星间链路扭曲窗口期的路径次优问题将变得更加明显,现有的路由算法仅依赖于最短时延路径难以解决这个问题。为此该文提出一种增量部署太赫兹链路的时空图建模,以及考虑弯管转发和星间链路相结合的自适应选择路由算法(ATLS)。在Hypatia网络模拟器中的测试表明,与已有的路
2、由方式相比,ATLS路由能够将任务完成时间降低了17.14%,端到端时延降低16.67%。关键词:巨型近地轨道星座网络;太赫兹通信;增量部署;时空图;路由算法中图分类号:TN927.2文献标识码:A文章编号:1009-5896(2023)08-2876-09DOI:10.11999/JEIT220915A Routing Algorithm on Low Earth Orbit Mega-constellation Networkwith Iincremental Deployment of Terahertz LinksYE Jin CHEN Guihao WEI Zirong SHAN Y
3、uanchao HUANG Jiawei(School of Computer,Eletronics and Information,Guangxi University,Nanning 530004,China)(School Of Computer Science And Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)Abstract:Terahertz communication,as one of the key technologies of 6G research,will coexist with other
4、frequency band links in the next generation of Low Earth Orbit(LEO)mega-constellation network.In suchLEO mega-constellation network with incremental deployment of terahertz,the path suboptimization problemwhen the inter-satellite links are distorted will become more obvious,and the existing routing
5、algorithm onlybased on the shortest delay path can not solve this problem.The modeling of space-time graph for incrementaldeployment of terahertz links is proposed and the routing algorithm for Adaptive Transmission Link Selection(ATLS)with combination of bent-pipe and inter-satellite link is consid
6、ered.Simulation result of the proposedATLS routing algorithm in the Hypatia network simulator show that compared with the existing methods,ATLSrouting algorithm reduces task completion time and end-to-end latency by 17.14%and by 16.67%,respectively.Key words:Low Earth Orbit(LEO)mega-constellation ne
7、twork;Terahertz communication;Incrementaldeployment;Space-time graph;Routing algorithm 1 引言近年来,随着5G通信技术商用日益普及,6G通信技术也已经被提上日程,天地一体化网络逐渐民用化、商业化,以及应用和流量服务场景的急速更新,近地轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星网络也从传统的专有网络场景逐渐向相对开放的互联网场景转变13。目前现有应用于商业领域通信的巨型LEO星座网络,主要由国外多家民用航天企业运营,并提出在LEO星座中提供高速低时延的宽带接入数据服务,其中包括美国SpaceX公司的星
8、链Starlink、加拿大电信卫星公司的Telesat、美国Amazon公司的柯伯伊Kuiper以及美国摩托罗拉公司的铱星2代IridiumII等星座部署计划。上述星座计划中,Starlink已经进入了大规模部署的阶段,截止到2019年末已经发射11批共计653颗卫星节点,计划稳步推进,将在低地球轨道部署共计42 000颗卫星,预计到2025年将完成全局部署,届时可为全球提供无缝覆盖的高速宽带互联网服务4。同时,在我国,中国航天科工集团已经同步部署“虹云工程”,于2019年部署发射工程的首颗卫星,预计在 收稿日期:2022-06-24;改回日期:2022-12-09;网络出版:2022-12-
9、15*通信作者:叶进基金项目:国家自然科学基金(62132022,U22A2021)Foundation Items:The National Natural Science Foundation ofChina(62132022,U22A2021)第45卷第8期电 子 与 信 息 学 报Vol.45No.82023年8月Journal of Electronics&Information TechnologyAug.2023“十四五”计划末,实现156颗轨道高度约为1 000 km的业务星座构建5。随着LEO卫星的快速发展,小型化通信设备的密集部署将对传统的通信设计带来诸多挑战,需要新的频谱
10、提供更高的数据传输速率,并降低能耗6。太赫兹频谱的应用可以解决当下Ku/Ka通信频谱稀缺的问题,同时提供给用户超高宽带和高吞吐量,显著地提高无线网络容量7。与地面太赫兹无线通信不同的是,真空环境下不受大气衰减的影响,这进一步赋予了太赫兹通信频段相对于低频段Ku/Ka通信频谱的传输容量优势。目前针对巨型LEO星座网络的路由机制根据研究方法进行划分,主要分为:(1)机会路由方案(opportunistic routingscheme)是基于卫星节点局部感知的方案,即路由决策是根据卫星自身的板载状态(on-board state)决定下一跳,可以更好地适应动态卫星拓扑变化和链路中断等不可预测的突发因
11、素。Li等人8提出使用基于连续时间的时空网格模型(Temporal NetgridModel,TNM),并设计实现了基于网格的最短路径算法,每颗卫星仅需存储固定数量的邻居连接信息,即可根据最短路径算法计算出满足随机流量传输可用路径;类似地,Song等人9提出基于交通信号灯规则的路由方案(Traffic-Light-based intelli-gent Routing strategy,TLR),根据传输中间节点的实时状态,动态调整路由以避免拥塞,可以在负载均衡和路由性能方面取得良好的表现。此类方案仍然存在的挑战是如何保证局部最优解接近于全局最优解以及避免路径选择上出现环路,多数解决方案需要邻居
12、间定期交换状态信息10。(2)预定路由方案(scheduled routing scheme)是基于快照技术和时空图等的卫星模型中提出的,即网络内传输的流量按照互联网服务提供商(Inter-net Service Provider,ISP)网段内的中心控制器,根据网络全局视图所计算得到分配传输路径,Bao等人11最早提出基于软件定义网络(SoftwareDefined Network,SDN)的开放式存储区域网络(Open Storage Area Network,OpenSAN),后续研究在此基础上,文献12细化了OpenSAN的架构分层,提出基于Dijkstra最短路径的路由算法;Li等人
13、13提出基于SDN和网络功能虚拟化(Net-work Function Virtualization,NFV)的空地卫星综合通信软件定义架构(Software dEfined fRame-work for Integrated spaCe-tErrestrial satellitecommunication,SERvICE),提出针对不同数据流按照服务质量(Quality of Service,QoS)需求和传输优先级,根据可用带宽、链路时延以及丢包率等因素制定合理传输路径的路由算法;Tang等人14提出了基于SDN的卫星-地面连接网络的分层组网框架自适应星地协同传输(aDaptive sat
14、EllitE-groundcooPErative tRasmission,DEEPER),并且配套链路资源聚合算法和动态的协同路由算法,设计思路是在结合了节点负载和网络参数的损失函数基础上计算传输损失,在控制域、跨控制域以及自治域中通过最小生成树的方法,找到传输成本最小的传输路径。通常需要按照固定的时间间隔前向更新时空图,以获得具体时刻下的静态拓扑快照,以便获得基于时间维度的传输路径全局最优解,此过程会引入计算的时间和空间开销,同时路径计算和传输具有先后顺序,整体传输时延会增加。上述基于预定路由方案的研究,尚未有针对增量部署太赫兹链路的星座网络进行的改进方案。本文针对增量部署太赫兹链路的巨型L
15、EO星座网络中存在星间链路扭曲,导致星间链路(ISL)传输模式下传输时延劣于弯管转发(BP)传输模式的问题进行重点阐述,基于此问题提出在弯管转发+星间链路(BP+ISL)传输模式的基础之上,加载基于太赫兹时空图的自适应选择传输链路的路由算法。本文的主要贡献概括为:(1)针对增量部署太赫兹链路的巨型LEO星座网络中的星间链路扭曲拉长问题进行建模,同时基于空间链路的物理距离变化特性对太赫兹的信道进行容量分析与计算,构建星座网络时空图模型。(2)提出基于太赫兹时空图的自适应选择传输链路的路由算法,该算法对基于BP+ISL传输模式进行改进,综合考虑了链路容量、卫星剩余电量和终端设备地理位置多重因素,自
16、适应选择合适的传输链路,保证数据传输的服务质量,降低传输时延。2 星间链路扭曲拉长问题现有的巨型LEO星座网络中主要存在3种传输模式15,分别为星地-星间链路的弯管转发BP、使用星间链路ISL和弯管转发+星间链路BP+ISL模式。ISL传输模式在大多数传输场景中可能是时延最低的一种,然而,当地面终端设备位于苛刻的地理方位时,BP传输模式可以比ISL传输模式达到更低的传输时延,ISL传输模式并不总是最优的,本文以Toronto-Miami传输场景中星间链路扭曲问题为例,使用Handley16设计实现的基于Unity3D的星座网络模拟器进行验证。图1(a)是地面终端设备M点处于星间链路扭曲时间窗口
17、的传输场景,图1(b)第8期叶 进等:一种增量部署太赫兹链路的巨型近地轨道星座网络路由算法2877s1,s2,s3t1,t2,t3s2,s3s1vss1s3t1t3s1s3t2给出在某个窗口BP和ISL两种传输模式下的传输距离对比,存在卫星和终端设备,其中卫星为同轨卫星,位于相邻的轨道平面,为异轨卫星,三者均以线速度往东南方向运行。卫星和在地球表面投影的圆形足迹有相交关系,其中 和 分别位于 和 的通信覆盖范围内,位于两者通信范围的相交处。PBPPISL在此种场景下,设星地链路(Ground-SatelliteLink,GSL)和星间链路(Inter-Satellite Link,ISL)均以
18、光速c传播,以最短传播时延优先作为选路依据,比较弯管转发(Bent-Pipe,BP)和ISL两种传输模式需要经过路径长度。令和分别为两种路径的长度,则PBP=t1s1+s1t2+t2s3+s3t3=4 GSL(1)PISL=t1s1+s1s2+s2s3+s3t3=2 GSL+ISLintra+ISLinter(2)mnr2rcosminmint1t3以轨 星的Starlink星座为具体场景,运行在海拔为的卫星,其足迹覆盖直径为的圆形,其中为通信最小高度角。在BP模式中,当终端设备 和 分别位于圆形足迹的边缘附t2近,位于两圆相切位置边缘的极限情况下,可知BP模式需要经过的路径长度最小极值为PB
19、P PBP_min=t1t2+t2t3=2rtanmin(3)ISLintraISLinter s2s3 s1s2ISLintranRR=6 357(km)r在ISL模式下,必须经过一条同轨和异轨,即和。在上述Starlink星座中对同轨与每轨星数 进行分析,如式(4)所示,其中,为地球半径常数,取,为轨道平面高度 s2s3=ISLintra(n)=2(1 cos2n)(R+r)2(4)n=22min=25ISLintraPBP_minPBP PISL以Starlink S1S3的轨道为例,当且时,单条的长度为1 965.937 km,超过的长度1881.4 km。因此,在此种每轨星数较低,传
20、输地理位置纬度差较小的传输场景中,BP比ISL所需的传播时延更低,即,可见ISL传输模式的路由策略是次优的,需要引入BP+ISL传输模式。基于上述分析,本文在基于NS3实现的Hypatia17网络模拟器上,进一步验证星间链路扭曲引起的传播时延激增,对数据传输端到端时延造成的放大效应。本文以Starlink S1为星座构型设计验证性实验场景,其中卫星轨道数和每轨卫星数分别为72和22,卫星高度和卫星每小时旋转的圈数分别为550 km和17 500,Ka天线和太赫兹天线的频率分别为27.0 GHz和0.145 THz;其余实验参数详见表1。本文按照太赫兹链路的占比随机选择部分链路作为太赫兹频段,其
21、余链路设置为Ka频段,在多个时间窗中进行验证实验并取平均值作为最终结果,图2是某个时间窗下的拓扑结构示意图。本文随机选取100个城市节点作为地面终端设备的源节点和目的节点对,使用传统的TCP Cubic协议进行数据传输测试,节点对两两相互发送,用于检验在3种不同的传输模式下链路的时延存在上 图 1 星间链路扭曲问题描述 图 2 某时间窗下网络拓扑示意图(基于Starlink星座构型)2878电 子 与 信 息 学 报第 45 卷述差异性,同时统计传输的平均跳数。验证结果如图3所示,基于最短时延的ISL传输模式和BP+ISL传输模式下,仅使用Ka频段星间链路的平均端到端时延比增量部署太赫兹频段情
22、况下的星间链路更低。由于引入太赫兹频段后部分链路的传输速率变高,加上低跳数场景下频繁出现的星间链路扭曲拉长的现象导致链路的传播时延增大,二者共同作用下,最终导致ISL和BP+ISL传输模式的平均端到端时延相比于单独使用Ka频段链路有所升高,可见星间链路扭曲拉长现象,在增量部署太赫兹链路后变得更加严重,将影响数据的实时传输与及时交付。3 基于太赫兹通信的星座网络时空图建模巨型LEO星座网络可分为星间网段和星地网段,其中星间网段内卫星通过星间链路ISL相连,星地网段内卫星与地面终端设备/网关天线通过星地链路(Ground-Satellite Link,GSL)相连18。时空图构建算法需要预先对星地
23、和星间网段进行连接方式的建模,随后根据预处理的结果构建时空图模型。3.1 星间网段星间网段内的卫星通常以“+Grid”的方式相连19,20,并且传统LEO卫星网络中多数路由算法的网络拓扑模型均为曼哈顿网络(Manhattan net-work)21,22。在多套天线可以同时启用、自主转向跟踪的前提之下,星间链路的连接模式主要分为两种,全天候连接的“+Grid”连接模式(permanentISL,pISL)和按需连接模式(on-demand ISL,oISL)23。m nGt(Vt,Et)mnm n=Nvi,jpISLintra在“+Grid”连接模式下,以的曼哈顿网络来描述单个时隙内的静态连接
24、快照,令为轨道内节点数,为轨道平面数,其中,为拓扑内的任意卫星节点,pISLintertvi,jISLintra为同轨星间链路,为异轨星间链路,为单个时隙。则对于,同轨间连接方式为vti,jv(i1)mod m,jv(i+1)mod m,j,eti,j pISLintra(5)ISLinter异轨间的连接方式为vti,jv(i1)mod m,(j+1)mod nv(i+1)mod m,(j1)mod n,eti,j pISLinter(6)在“+Grid”连接模式下的曼哈顿网络基础模型之上,引入按需连接的星间链路oISL。当节点有特定任务需要经过特定节点转发时,建立oISL;当节点传输任务完成
25、时,oISL进入关闭状态。图4为单一卫星节点引入oISL后“+Grid”连接模式的曼哈顿网络局部模型,当前节点可与周围潜在连接的卫星节点建立连接,相比于pISL降低了跳数以及在当前节点的排队时延。3.2 太赫兹链路建模Cd太赫兹频谱的频率为0.110 THz,其传输容量与源天线和接收天线的物理距离密切相关,使用太赫兹频段作为星间链路的载体,物理距离的轻微变化将会严重影响太赫兹信道的容量和信号的信噪比衰减。根据文献24所示的太赫兹信道容量在通用场景下的建模,综合考虑近地轨道所在的高度可以认为大气稀薄,大气对于信号的衰减影响较小可忽略不计,不考虑空气分子吸收噪声,可得到太赫兹链路容量 与距离 的关
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