近極軌微納衛(wèi)星星座高速數(shù)傳模型路由算法*

史毅龍，姜秀杰，熊蔚明,薛長斌

(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 100190)

近年來，星座網(wǎng)絡(luò)因其具有全球無縫覆蓋、接入簡單、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢，成為地面網(wǎng)絡(luò)的重要補(bǔ)充和延伸。而微納衛(wèi)星也以其成本低、體積小、功耗低、質(zhì)量輕、標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)勢獲得了廣泛關(guān)注,研究應(yīng)用日益增多[1-2]。國內(nèi)外已開展了多項(xiàng)空間演示試驗(yàn)與應(yīng)用研究，如：對地觀測Flock-1 衛(wèi)星星座[3]、Space Technology 5 星座計(jì)劃[4]等。對于包含大量微納衛(wèi)星的近極軌星座，由于星上資源受限，微納衛(wèi)星不可能實(shí)現(xiàn)大衛(wèi)星對地面站那樣的高速數(shù)據(jù)傳輸[5-6]。為解決大量星上探測數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)膯栴}，一種有效方案是在極地區(qū)域建立高速星間鏈路，構(gòu)造高速數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸給即將過境的衛(wèi)星，再通過高速的星地鏈路下傳到地面。

目前針對微納衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)路由方案的研究成果尚少，現(xiàn)有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法主要針對大衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[7]為智能化整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)流量，提出了一種基于負(fù)載均衡的低地球軌道(Low Earth Orbit, LEO)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的分布式路由方案。文獻(xiàn)[8-9]為解決整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡而導(dǎo)致的鏈路擁塞的問題設(shè)計(jì)路由協(xié)議。以上算法多從整個(gè)星座網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓?、?fù)載均衡的角度考慮路由算法的設(shè)計(jì)，而近極軌微納衛(wèi)星星座的路由研究主要聚集于星座在極地形成的局部高速網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)因其低傳輸延時(shí)的要求以及拓?fù)湟?guī)律變化的特點(diǎn)，適合采用ad-hoc網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由(Optimized Link State Routing，OLSR)協(xié)議，但現(xiàn)有的OLSR協(xié)議大多針對無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[10](Wireless Mesh Networks, WMN),沒有利用星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓奶攸c(diǎn)，且OLSR協(xié)議的消息泛洪開銷對于微納衛(wèi)星來說過大。

本文針對該不足，結(jié)合高速數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓奶攸c(diǎn)做出改進(jìn)，得到一套微納衛(wèi)星高速數(shù)傳優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由(Micro-nano satellite High-speed transmission Optimized Link State Routing，MH-OLSR)協(xié)議，該協(xié)議優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)性能，降低了網(wǎng)絡(luò)開銷。

1 微納衛(wèi)星高速數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 微納衛(wèi)星星座高速數(shù)傳場景概述

星座高速數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)用以解決大量微納衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)無法及時(shí)傳輸?shù)膯栴}，由于微納衛(wèi)星的星上資源嚴(yán)重受限，微納星每次過站下傳數(shù)據(jù)量較小、碼速率較低，如果采用傳統(tǒng)的“一星一傳”方式完成大量微納衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，需要大量地面站支撐。全球布站方式實(shí)際上不可取。微納衛(wèi)星高速數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)通過中繼傳輸方式實(shí)現(xiàn)。每個(gè)軌道面以1到3顆星為一組，利用低速L波段星間鏈路將每組的數(shù)據(jù)收集到一顆中間星上，再通過該中間星在兩極附近構(gòu)建高速網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)中，使用高速的X波段星間鏈路將各軌道面的中間星數(shù)據(jù)路由到即將入境的某一軌道面的星上，然后當(dāng)該星入境時(shí)，數(shù)據(jù)通過星地高速鏈路下傳到地面，這樣一個(gè)軌道面只需要中間星具備X波段數(shù)據(jù)傳輸能力即可。以每組均有3顆星為例，過程如圖1所示。

圖1 高速數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of efficient data transmission network

圖1中S1、S2、S3為一組，S4、S5、S6為另外一組。以其中一組說明：S2作為中間星，與鄰近的兩顆星S1、S3分別采用兩個(gè)頻率f1、f2進(jìn)行通信，將S1與S3星的數(shù)據(jù)集中到S2中，再由S2在兩極附近將數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊磳⑷刖车男l(wèi)星，由該星入境時(shí)將數(shù)據(jù)下傳到地面。

1.2 微納衛(wèi)星高速數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)分析

在近極軌星座組網(wǎng)中，太陽同步軌道(Sun-Synchronous Orbit，SSO)星座對低、中、高緯度區(qū)域覆蓋較為均衡，本文以600 km高度、12×12的經(jīng)典同構(gòu)SSO星座為例來說明微納衛(wèi)星高速數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。星座的極區(qū)俯視圖如圖2所示。

圖2 星座的極區(qū)俯視圖Fig.2 Graph of a polar view of the constellation

星座在非極地區(qū)域利用L波段建立距離數(shù)千千米的同軌道面星間鏈路、在極地及過境區(qū)域利用X波段建立星間和星地鏈路，實(shí)現(xiàn)整個(gè)大規(guī)模星座的互聯(lián)互通。由于大規(guī)模星座衛(wèi)星數(shù)量眾多，從成本角度出發(fā)，儀器的小型化和低功耗應(yīng)為其首要考慮因素。在衛(wèi)星可控波束天線獲得高增益、高傳輸速率的同時(shí)，數(shù)傳信號的發(fā)射功率以及衛(wèi)星功耗也會(huì)隨之激增，成本也相應(yīng)地會(huì)上升。因此，綜合考慮，本文中星上可控波束天線定向增益設(shè)定為25 dBi，定向天線的接收G/T為1 dB/K，發(fā)射機(jī)饋線損耗設(shè)為1.5 dB，大氣損耗、天線指向損耗、極化損耗均設(shè)為0.5 dB，X波段載波頻率為8.2 GHz，調(diào)制解調(diào)損耗設(shè)為2 dB，編碼方式采用RS(255,223)+CV(7,1/2)級聯(lián)編碼，Eb/N0為2.5 dB，此時(shí)，發(fā)射功率為1 W。依據(jù)無線電空間傳輸損耗衰減計(jì)算方法以及信噪比、載噪比之間的關(guān)系可以得到星間距離與傳輸速率之間的關(guān)系。星間距離在7200 km上數(shù)據(jù)傳輸速率為500 kbit/s；5000 km上數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mbit/s；500 km上數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Mbit/s。因此在極地形成的高速數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)中，可以近似地認(rèn)為在星間距離小于500 km時(shí)，高速鏈路形成，大于500 km時(shí)高速鏈路斷開。

為分析所構(gòu)建的SSO高速數(shù)傳場景下的網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)路開銷，給出一些網(wǎng)絡(luò)規(guī)則約束：①微納衛(wèi)星高速數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)中的路由方式為動(dòng)態(tài)路由；②節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)傳時(shí)，節(jié)點(diǎn)間距離小于500 km，視作高速鏈路連通，而大于500 km，視作星間高速鏈路斷開；③在星座模型中，同軌道面星間距離固定為3600 km，異軌面星間距離小于700 km 時(shí)視作進(jìn)入極區(qū)，即只有在極區(qū)內(nèi)的異軌面星才能形成高速星間鏈路；④衛(wèi)星一軌時(shí)間約為1.5 h，極區(qū)高速數(shù)傳鏈路連通的持續(xù)時(shí)間可達(dá)200 s以上；⑤星間長距離下的傳播延遲忽略不計(jì)。

當(dāng)采用在地面進(jìn)行靜態(tài)路由計(jì)算再將路由上注星上的方法時(shí)，若中間節(jié)點(diǎn)突發(fā)問題，故障無法及時(shí)檢測。極地的高速數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)近似于ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，且具有拓?fù)渥兓?guī)律、時(shí)延及開銷受限的特點(diǎn)，因此，ad-hoc網(wǎng)絡(luò)中的OLSR協(xié)議較適合該網(wǎng)絡(luò)場景[11-13]。

2 改進(jìn)OLSR路由算法

2.1 OLSR路由協(xié)議分析

OLSR協(xié)議是一種標(biāo)準(zhǔn)化的表驅(qū)動(dòng)式路由協(xié)議，是為了適應(yīng)無線自組網(wǎng)的需求，由經(jīng)典鏈路狀態(tài)算法進(jìn)行優(yōu)化而形成的[14]。協(xié)議通過多點(diǎn)中繼(MultiPoint Relay, MPR)機(jī)制以及鏈路信息壓縮的方式來減少分組消息的開銷。路由協(xié)議的流程如圖3所示。

圖3 OLSR協(xié)議流程圖Fig.3 Flow chart of OLSR routing protocol

OLSR協(xié)議需要周期性發(fā)送 Hello 消息以及TC消息，前者用來獲取一跳及兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)信息，后者用來維護(hù)全網(wǎng)的路由信息。而當(dāng)有數(shù)據(jù)消息發(fā)送時(shí)，因?yàn)橐呀?jīng)有了相應(yīng)的路由信息，不會(huì)增加額外的路由開銷。

OLSR協(xié)議在忽略幀碰撞和各種退避的情況下，路由開銷只和網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、Hello分組發(fā)送間隔Hint、TC 分組發(fā)送間隔Tint、網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)Ntotal有關(guān)[15-16]。為方便分析和運(yùn)算，列出部分參數(shù)并加以說明，如表1所示。

表1 參數(shù)表

設(shè)仿真時(shí)間長度為Tsim，則每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的Hello分組數(shù)為

(1)

網(wǎng)絡(luò)中MPR轉(zhuǎn)發(fā)TC分組的平均次數(shù)設(shè)為Nmpr，由于每個(gè)TC分組需要Nmpr次轉(zhuǎn)發(fā)，因此單節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的TC分組數(shù)為

(2)

當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為Ntotal時(shí)，OLSR協(xié)議的路由開銷Oolsr為

Oolsr=(NHello+NTC)×Ntotal

(3)

路由開銷的下界出現(xiàn)在所有節(jié)點(diǎn)彼此均在一跳范圍內(nèi)時(shí)，該場景下只需要能達(dá)到1跳鄰居節(jié)點(diǎn)的Hello消息就能獲取整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔ⅰ４藭r(shí)OLSR 協(xié)議的開銷僅與 Hello分組的時(shí)間間隔和仿真時(shí)長有關(guān)，利用式(1)可以得到 OLSR 協(xié)議開銷的下界為

(4)

路由開銷的上界出現(xiàn)在單一節(jié)點(diǎn)的所有相鄰節(jié)點(diǎn)均被選為MPR的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)場景中，此時(shí)Nmpr=Ntotal，即任何節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的TC 分組均被網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)一次，因此路由協(xié)議開銷達(dá)到上界。利用式(3)可以得到OLSR協(xié)議開銷的上界為

(5)

由此可知當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)固定時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的開銷主要由Hint以及Tint來決定。傳統(tǒng)的OLSR協(xié)議維護(hù)路由信息的方式是周期性地洪泛 Hello和TC消息，在微納衛(wèi)星高速數(shù)傳場景中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要快速建立路由進(jìn)行高速數(shù)傳時(shí)，固定的發(fā)送間隔使得節(jié)點(diǎn)感知延遲，同時(shí)微納衛(wèi)星軌道規(guī)律性變化的特性沒有得到有效利用。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緩慢變化的情況下，大量重復(fù)而冗余的Hello和TC 消息充斥著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，泛洪對于資源受限的微納衛(wèi)星來說又開銷過大。

2.2 OLSR路由協(xié)議的改進(jìn)方法

MH-OLSR協(xié)議中Hello以及TC發(fā)送間隔的處理方式如圖4所示。

圖4 改進(jìn)協(xié)議Hello及TC消息處理示意圖Fig.4 Process of Hello & TC message of modified routing

改進(jìn)協(xié)議添加了鏈路穩(wěn)定性計(jì)分SL以及MPR穩(wěn)定性計(jì)分SM，以此來度量節(jié)點(diǎn)當(dāng)前拓?fù)涞姆€(wěn)定性，根據(jù)節(jié)點(diǎn)內(nèi)鏈路集以及MPR集的變化情況計(jì)分，分別計(jì)算SL以及SM值，通過它們來確定下一個(gè)Hello消息以及TC消息的發(fā)送時(shí)間。

鏈路穩(wěn)定性計(jì)分的計(jì)分方式如下：當(dāng)鏈路集新增一個(gè)元素，修改一個(gè)元素從其他狀態(tài)恢復(fù)為 SYM_LINK或LOST_LINK 狀態(tài)，以及從SYM_LINK 恢復(fù)為 ASYM_LINK狀態(tài)，將SL置0。節(jié)點(diǎn)每發(fā)送一次Hello消息，SL累加1。

當(dāng)新增節(jié)點(diǎn)或是鏈路集發(fā)生變化時(shí)，意味著節(jié)點(diǎn)間的距離由遠(yuǎn)及近，需要快速建立路由，高速數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性減弱，此時(shí)將SL置0。當(dāng)星間距離由近及遠(yuǎn)，鏈路集變化逐漸減少，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，此時(shí)對SL進(jìn)行累加。

考慮微納衛(wèi)星在某一Hint或者Tint消息間隔內(nèi)可能出現(xiàn)通信故障從而導(dǎo)致消息間隔大于實(shí)際期望值，因此MH-OLSR協(xié)議在Hint以及Tint的計(jì)算中加入緩沖機(jī)制。具體方法是在計(jì)算消息間隔時(shí)，將當(dāng)前消息與之前兩個(gè)發(fā)送間隔內(nèi)的消息進(jìn)行綜合考慮，用其加權(quán)和作為MH-OLSR中Hint及Tint的設(shè)定依據(jù)。Hint的計(jì)算公式如式(6)所示。

(6)

因?yàn)門int的周期較長且在全網(wǎng)洪泛，一個(gè)快速發(fā)送的TC已經(jīng)能夠準(zhǔn)確表示節(jié)點(diǎn)的拓?fù)錉顩r。為了使Tint盡早恢復(fù)為Tmax，TC發(fā)送間隔Tint的計(jì)算方式不同于Hint，如式(7)所示。

(7)

聯(lián)立式(3)、式(6)、式(7)，對路由開銷進(jìn)行進(jìn)一步分析計(jì)算。當(dāng)各節(jié)點(diǎn)均滿足SL>0且SM>0時(shí)，節(jié)點(diǎn)路由的開銷為

(8)

當(dāng)各節(jié)點(diǎn)均滿足SL=0且SM=0時(shí)，節(jié)點(diǎn)路由協(xié)議的開銷為

(9)

當(dāng)只有部分節(jié)點(diǎn)滿足SL>0以及SM>0時(shí)，路由的開銷為

(10)

由2.1節(jié)可知，當(dāng)Tsim及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)固定時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由開銷主要由Hello以及TC消息發(fā)送間隔確定，即可以通過固定時(shí)間內(nèi)發(fā)送Hello以及TC消息泛洪量來衡量網(wǎng)絡(luò)的開銷。MH- OLSR協(xié)議就是通過式(6)、式(7)使得消息泛洪數(shù)量降低來對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化的。

2.3 改進(jìn)OLSR路由算法描述

通過上節(jié)中描述的方法，改進(jìn)算法首先判斷網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓臓顟B(tài)，并以其作為依據(jù)，重新計(jì)算Hint以及Tint，最后采用新的Hint以及Tint對路由進(jìn)行優(yōu)化。具體算法描述見圖5。

圖5 改進(jìn)算法描述示意圖Fig.5 Graph of modified algorithm

步驟1：初始階段以Hconst以及Tconst配置Hello以及TC發(fā)送間隔，并進(jìn)行鏈路感知構(gòu)建每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的鏈路集、鄰居集、MPR及其選擇集。

步驟2:根據(jù)鏈路集的變化情況對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)進(jìn)行分析，通過SL結(jié)合緩沖機(jī)制計(jì)算出每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的Hint。

步驟3:根據(jù)MPR選擇集的變化情況對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)進(jìn)行分析，通過SM計(jì)分計(jì)算出每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的Tint。

步驟4:根據(jù)修改后的Hint以及Tint記錄下一個(gè)Hello 消息以及下一個(gè)TC消息的預(yù)發(fā)時(shí)間，即當(dāng)前時(shí)間+Hint以及當(dāng)前時(shí)間+Tint。

步驟5:修改下一個(gè)Hello消息預(yù)發(fā)時(shí)間為當(dāng)前時(shí)間+Hint， TC同理，配置完成返回步驟2。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真平臺的搭建

由于NS3平臺沒有衛(wèi)星軌道模型的仿真模塊，無法直接構(gòu)建微納衛(wèi)星高速數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真。由1.2節(jié)可知12×12經(jīng)典同構(gòu)SSO星座高速數(shù)傳模型的結(jié)構(gòu)，因此在NS3平臺環(huán)境下自行搭建網(wǎng)絡(luò)模型環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)模型見圖6。在NS3中，采用WayPointModel模擬微納衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡，PropagationLossModel模擬節(jié)點(diǎn)間通信傳輸范圍，最后近似模擬出近極軌微納衛(wèi)星星座數(shù)傳的網(wǎng)絡(luò)模型。

圖6 微納衛(wèi)星星座高速數(shù)傳仿真場景示意圖Fig.6 Graph of simulation scene of high-speed transfer

如圖6所示，在搭建好的仿真環(huán)境下，標(biāo)號0～11為近極軌微納衛(wèi)星高速數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)中各軌的節(jié)點(diǎn)，相關(guān)仿真條件如下：

1)依據(jù)1.2節(jié)中對于高速數(shù)傳鏈路的描述，通過PropagationLossModel設(shè)置各節(jié)點(diǎn)高速數(shù)傳范圍為500 km，高速數(shù)傳傳輸速率為100 Mbit/s。在節(jié)點(diǎn)間數(shù)傳速率為100 Mbit/s的仿真條件下，為了使數(shù)據(jù)包總量不超出NS3 trace模塊中pcap文件的數(shù)據(jù)流記錄上限，數(shù)據(jù)包大小設(shè)為1 Mbit。

2)設(shè)置節(jié)點(diǎn)11為即將入境的目的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)0～10依次設(shè)為源節(jié)點(diǎn)。

3)將各節(jié)點(diǎn)配置為動(dòng)態(tài)路由方式，并設(shè)置12個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的路由方式為MH-OLSR。

4)仿真時(shí)長設(shè)為300 s，采用WayPointModel來近似模擬軌道模型，節(jié)點(diǎn)采用1.2節(jié)描述的SSO軌道星歷文件中的軌道坐標(biāo)，仿真0時(shí)刻對應(yīng)星歷文件中異軌道面節(jié)點(diǎn)距離為[650 km,750 km]的隨機(jī)時(shí)刻。

對該高速數(shù)傳場景中各節(jié)點(diǎn)的軌道模型、數(shù)據(jù)包大小、傳輸速率的配置進(jìn)行仿真。場景仿真次數(shù)為1000次，得出不同初始場景下，各源節(jié)點(diǎn)平均的吞吐率、分組投遞率、整個(gè)網(wǎng)絡(luò)Hello以及TC消息總量，并用gnuplot對數(shù)據(jù)加以分析。

3.2 MH-OLSR算法優(yōu)化后的分析

采用2.3節(jié)的算法思想，依據(jù)拓?fù)錉顩r對全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的消息泛洪進(jìn)行優(yōu)化：①增加網(wǎng)絡(luò)活躍階段節(jié)點(diǎn)消息泛洪的頻率，當(dāng)有拓?fù)渥兓瘯r(shí)使用最短間隔洪泛消息；②降低網(wǎng)絡(luò)非活躍階段節(jié)點(diǎn)消息泛洪的頻率，當(dāng)拓?fù)浞€(wěn)定時(shí)，增加最短間隔洪泛消息；③改變完成后，進(jìn)行仿真分析；④記錄11個(gè)源節(jié)點(diǎn)采用改進(jìn)協(xié)議與原協(xié)議在吞吐率、分組投遞率、全網(wǎng)消息泛洪數(shù)量幾個(gè)方面的對比情況。

圖7 算法改進(jìn)對吞吐率的影響Fig.7 Effect on throughput of algorithm modified

圖7是采用改進(jìn)算法前后，不同節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)時(shí)吞吐率的對比圖。當(dāng)節(jié)點(diǎn)4作為源節(jié)點(diǎn)時(shí)，原協(xié)議的吞吐率為30.235 Mbit/s，采用MH-OLSR協(xié)議的吞吐率提升到了39.703 Mbit/s，此時(shí)改進(jìn)協(xié)議對吞吐率提升最大，約達(dá)到了31.3%。當(dāng)節(jié)點(diǎn)11作為源節(jié)點(diǎn)時(shí)，原協(xié)議的吞吐率為40.686 Mbit/s，采用MH-OLSR協(xié)議的吞吐率為40.690 Mbit/s，吞吐率提升最小。 仿真結(jié)果表明當(dāng)節(jié)點(diǎn)采用MH-OLSR協(xié)議時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐率得到了提升。

圖8是采用改進(jìn)算法前后，不同節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)時(shí)全網(wǎng)分組到達(dá)率的對比。由圖分析可以發(fā)現(xiàn)，采用MH-OLSR算法優(yōu)化后，各節(jié)點(diǎn)的分組到達(dá)率比原來提升了0～7%，也就是說，通過算法優(yōu)化后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均分組投遞率得到了提升。

圖8 算法改進(jìn)對分組投遞率的影響Fig.8 Effect on packet delivery of algorithm modified

采用改進(jìn)算法前后的消息泛洪量的變化見圖9。在圖9中，采用MH-OLSR協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)在50～130 s的仿真時(shí)段，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)處于快速變化階段，Hello以及TC消息發(fā)送數(shù)量由61迅速增加至684，在仿真時(shí)刻為140 s時(shí)，最接近原協(xié)議消息的泛洪數(shù)量。而在拓?fù)溱呌诜€(wěn)定階段，消息增長曲線趨于平緩。在仿真結(jié)束時(shí)刻，采用MH-OLSR協(xié)議優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)將消息泛洪數(shù)量由原來的1830下降到了756，整體降低了58.7%，下降幅度明顯。

圖9 算法改進(jìn)前后消息泛洪量隨時(shí)間變化Fig.9 Message flooding of the two protocol over time

上述各仿真結(jié)果表明，通過算法優(yōu)化后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在提升了平均吞吐率及分組投遞率的情況下，顯著地降低了路由開銷。

4 結(jié)論

根據(jù)OLSR路由協(xié)議的開銷算法，推導(dǎo)一套改進(jìn)協(xié)議MH-OLSR，該協(xié)議依據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓内厔輥碇匦略O(shè)計(jì)消息泛洪方式，使得節(jié)點(diǎn)能在近極軌星座高速數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)場景下預(yù)測出當(dāng)前高速數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)渥兓厔?，并對網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的消息泛洪間隔進(jìn)行優(yōu)化配置。最后，在NS3網(wǎng)絡(luò)仿真平臺近似地構(gòu)建了12軌的SSO高速數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對各軌節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)時(shí)的路由狀態(tài)進(jìn)行了仿真，在星間距離大于500 km則視鏈路為斷開的測試環(huán)境下，分析了MH-OLSR協(xié)議優(yōu)化的關(guān)鍵性能指標(biāo)。結(jié)果表明： 在吞吐率、分組投遞率得到優(yōu)化的情況下，MH-OLSR大大降低了網(wǎng)絡(luò)的開銷，可以為今后微納衛(wèi)星星座高速數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供理論依據(jù)。