1绪论
1.1课题背景
随着社会的发展，空间资源变得越来越宝贵，对空间技术的研究显得越来越重要。因为卫星网络具有很多地面网络所无法达到的特点，比如说它能克服地域限制、覆盖范围广等。卫星发展的历史正从单星向星座发展，形成卫星通信网。卫星通信网研究的关键技术之一是卫星通信网的路由技术[1],而路由问题的关键就是路由算法。地面网络通信系统中，路由问题已经得到了很好的解决，但是在卫星通信系统中，路由问题仍然是当前急需解决的根本问题之一。早期的卫星通信系统大多采用GEO卫星（同步轨道卫星）为中继，然后采用弯管式转发器（Bent-Pipe)为地面两点之间的通信完成数据转发。但是这种数据传输形式是固定的，没有路由可言。为了建立LEO层卫星通信网，必须研究适用在LEO层的路由算法。数据报路由算法应运而生，但是尽管有了算法，我们很难对算法有一个定量的认识，算法是否可以改进也不得而知，而且也不知道这样的算法能否应用到MEO层的卫星中。因此，在这样的背景下本文计划研究数据报路由算法的不足并加以改进，然后在极轨道卫星星座条件下，利用NS仿真软件研究数据报路由算法能否应用到MEO层卫星构成的极轨道卫星星座中，最后在此基础上研究此算法的一些性能和特性。
1.2国内外研究现状
国内外对于路由算法的研究已经做了不少工作，取得了不少成果，Dijkstra算法就是其中之一。Dijkstra算法也称为最短路径算法，是一种集中式的静态算法。尽管定期执行，它也可以自适应。它要求执行该算法的节点具有网络节点间的链路费用信息。它的优点是每个节点局部执行并做出自己的选择，缺点是要求节点具有网络拓扑结构和链路费用信息。除此之外，还有一些诸如FSA算法、Darting算法等基于单层卫星通信网的路由技术。尽管目前针对算法的研究已经不少，但是很少有专门针对算法应用范围、效率、性能等方面的研究，对已有的算法究竟性能如何也没有一个定量的认识。由于研究课题的特殊性，卫星路由算法又不能进行实物实验，所以理想的方法就是用软件仿真来估算算法性能，本文针对这种情况对数据报路由算法进行介绍、改进和仿真，看看这种算法在极轨道卫星星座下的性能和效率等各方面指标[2]。数据报路由算法是一种基于虚拟节点的路由算法，虚拟节点的概念主要是充分利用了星座运动的规律性，它与虚拟拓扑路由具有相同的作用，将卫星的移动性对运行在卫星网上的路由协议进行屏蔽。算法利用虚拟节点在源卫星和目的卫星之间找到最佳路径。算法中每个数据包分布、独立地选择路由。这种算法算法复杂度相对较低，适用于低轨道卫星构成的极轨道卫星星座[3]。
1.3本文的主要研究内容
本文首先通过对数据报路由算法的介绍，提出该算法的不足，加以改进，然后通过仿真分析算法性能。由于研究对象的特殊性，卫星路由技术很难进行实物实验，但是又必须对路由算法进行评测，因此只能进行仿真研究。通过比较，本文最终选择NS作为仿真软件。NS中没有现成的本文需要研究的模型，因此需要修改NS中的协议以达到本文研究所需要的条件。本文主要的研究内容有：
(1)分析算法改进前后的性能比较；
(2)分析把数据报路由算法应用在MEO层卫星组成的极轨道卫星星座中的性能，由此确定此算法是否适合应用在MEO层卫星星座中；
(3)研究数据报路由算法在特殊条件下与其他算法相比的性能
(4)研究轨道倾角变化对算法性能的影响；
(5)研究负载变化对算法性能的影响。
判断算法好坏的最重要指标是延时，因此本文根据仿真产生的数据文件计算算法在特定条件下的延时，来分析算法的性能。
2卫星网络与卫星路由
2.1卫星星座概述
卫星星座定义为一组卫星的空间分布和排列。星座设计主要是为了克服GEO卫星通信系统的不足。最早的星座是在1945年由Arthur C.Clark提出的3颗静止卫星可以覆盖全球（除去两极）的理论中体现的，如图2.1所示。按照不同的分法，星座可以分为不同的种类。按星座构型分，可以分为同构星座（如Walker星座）和异构星座（如Ellipso星座）。按覆盖范围分，可以分为全球覆盖星座、讳度带覆盖星座和区域覆盖星座。按应用分可以分为混合功能星座和单一功能星座。世界上第一个全球星座是美国的Global Positioning System (GPS),如图2.2所示。我国也自主研发了北斗导航卫星系列。
除了轨道形状，还要考虑轨道倾角。事实证明：当轨道倾角为116.6度或者63.4度时，地球引力可以忽略不计[7]。但是选择那个倾角时，低炜度地区的覆盖特性不好。对不同讳度的覆盖要求选择合适的倾角可以减少卫星的数目。赤道轨道即与赤道平面重合的轨道，这种轨道适合覆盖赤道附近区域，但是对两极的覆盖特性太差。极轨道即与赤道平面垂直，穿越南北两极的轨道[8]。这种轨道覆盖特性好，但是同样的覆盖特性比倾斜轨道需要的卫星数目更多。除去前面所说两种轨道，剩下的都是倾斜轨道，倾斜轨道覆盖特性好，而且需要的卫星数目相对较少，但是设计复杂。典型的倾斜轨道实例就是Walker 星座。轨道高度是影响星座设计的另一个关键因素，轨道高了，覆盖特性好，所需的卫星数目就少了，但是通信延迟要增加，所以选择一个合适的轨道高度至关重要。低地球轨道（LEO) —般高度在500km到1500km之间，运行周期在94分钟到115分钟之间，切换频繁。实际应用的例子有全球星系统和依系统等。这种轨道适合应用在对地观测卫星和移动通信卫星系统中。LEO卫星的优点有延时小、发射功率低等，但是它的覆盖范围小，所以需要的卫星数目多，同时卫星收到的大气阻力大，需要频繁的修正轨道，因此LEO卫星不适合用来导航。中地球轨道（MEO)高度一般在5000km到25000km之间。这种轨道空气阻力小，轨道稳定，因此适合导航和多媒体通信卫星。同步地球轨道（GEO)髙度在36000km左右，传播延时大约270ms,信号来回约540ms。由于卫星对地面相对静止，所以GEO卫星覆盖特性基本不变，一颗卫星大约覆盖38%的区域，所以3颗卫星就可以完成全球覆盖。GEO卫星在通信、广播、导航中得到了广泛应用。随着各国空间技术的发展，GEO卫星的位置资源越来越紧缺。三种高度的卫星轨道比较见表2.2。
3仿真星座设计以及DRA算法.......... 13
3.1仿真星座设计介绍......... 13
3.2 DRA算法介绍以及不足......... 14
3.3算法的改进 .........17
4 NS介绍和仿真程序设计......... 20
4.1仿真工具介绍.........20
4.1.1 NS 简介......... 20
4.1.2 NS 安装......... 22
4.2 仿真程序设计......... 24
4.3卫星节点模块......... 26
4.4卫星链路模块......... 28
4.5 卫星路由模块......... 30
5基于NS的仿真及结果分析......... 33
5.1算法优化前后性能比较......... 33
5.2 MEO层应用测试研究......... 36
5.3 LEO层性能测试研究......... 41
5.4轨道倾角对算法的影响......... 43
5.5遗留问题 .........46
5.6 仿真结论 .........47
结论
本文通过对卫星通信有关方面的介绍，引出了一种特殊的极轨道卫星星座模型，然后根据低轨卫星的路由技术，引出了一种基于极地低轨道星座的算法（数据报路由算法），通过对算法的分析找出不足并加以改进。然后介绍了 NS软件，利用NS搭建有关数据报路由算法所需要的运行场景，之后进行仿真，并通过分析仿真结果得出一些结论。通过对算法的仿真分析，验证了优化后的算法相比于优化前的算法性能有所提高。另外通过仿真得出了数据报路由算法的一些特性。仿真结果表明，数据报路由算法可以应用在MEO层卫星组成的星座中，而且相比于最短路径算法，数据报路由算法性能稍优；在轨道高度增加时，算法延时会增加，但算法仍然适用；在轨道倾角变小时，延时会增加，说明这是一种最好用在极轨道卫星星座上的算法。
本文的仿真部分主要做了以下工作：(1)卫星节点的建立；(2)卫星间链路的建立；(3)卫星间下一跳关系的建立；(4)路由模块代码的实现；(5)编写主文件，调度所有配置的元素，实现仿真，输出数据文件；(6)对数据文件进行分析，分析出算法的效率，达到预期效果。由于本人能力有限，还有一些东西没有研究，比如说当网络发生拥塞时数据报路由算法的性能如何，当网络中有节点失效时，算法的性能又如何，万一有问题是不是能够对算法进行改进，这些都可以作为以后的课题进行研究。
参考文献
[1]陈豪.卫星通信与数字信号处理[M].上海：上海交大出版社，2011.01.
[2]毛腾跃，徐正全，朱容波.下一代卫星网络发展研究[J].电信科学，2012 (第6期)、
[3] Markus W，Cecilia D，Hans-Jorg V. ATM-based http://sblunwen.com/txgclw/ routing in LEO/MEO satellitenetworks with intersatellite links[J].外文期刊，1997 (第 1 期）.
[4] Imae M. Hosokawa M. Imamura K.. Two-way satellite time and frequency transfernetworks in Pacific Rim region[J]. IEEE Trans Instrum Meas，2001，50 (2).
[5]张育林，范丽，张艳，项军华.卫星星座理论与设计[ML北京：科学出版社,2008
[6] McFadden L. A., et al. Encyclopedia of the solar system (2nd Edition) [M]. Elsevier,Amsterdam 2007.
[7] Rider L. Optimized Polar Orbit Constellations for Redundant Earth Coverage [J]. Thejournal of the Astronautical Sciences. 1985. 33 (2).
[8] Beste D C. Design of Satellite Constellation for Optimal Continuous Coverage [J].IEEE Trans. on Aerospace and Electronic System, 1978.
[9]杨维廉基于Brouwer平根数的冻结轨道[J].中国空间科学技术，1998.
[10] Uzunalioglu H.，A kyildiz F.，Bender D.. A routing algorithm for LEO satellitenetworks with dynamic connectivity [J]. ACM Baltzer Journal of Wireless Networks(WINET). 2000.