低轨巨型星座网络星地接入策略和星间路由算法研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文

摘要

低轨巨型星座网络快速发展，对推动经济发展和社会进步具有重要意义。然而，

由于低轨巨型星座网络具有规模大、网络拓扑高度动态、地面用户分布不均匀等特

点，如何建立星地链路(Satellite-GroundLink,SGL)和星间链路(Inter-SatelliteLink,ISL)

等卫星信号传输路径，将直接影响卫星信号传输时延、负载均衡和网络吞吐量等性能

指标。本文以降低信号传输时延、提升系统负载均衡和网络吞吐量为研究目标，从星

地接入策略和星间路由算法两方面开展研究，具体工作如下：

在星地接入策略方面，针对低轨巨型星座网络星间路由复杂、网关卫星负载不均

衡等问题，在星地接入策略中考虑星间路由代价，提出了一种基于最小路由代价

（MinimumRoutingCost，MRC）的星地接入策略。该策略分为3个阶段：1）最小

跳数估计：根据用户终端和信关站位置估算用户终端至网关卫星的星间路由跳数；2）

网关卫星分配：基于估计跳数建立二分图模型，采用带权最小代价匹配算法确定网关

卫星和接入卫星类型；3）接入卫星选择：以星间路由跳数和星地仰角加权构造接入

准则，在确定类型的可视卫星中选择最优接入卫星。仿真结果表明，MRC策略能够

降低系统整体星间路由跳数，提高网关卫星负载均衡性和用户接入成功率。

在星间路由算法方面，针对网络拓扑高度动态、负载不均衡等问题，提出了基于

预编码的负载均衡星间路由算法（Pre-CodedInter-satelliteRoutingWithLoad-

Balancing，PCR-LB）。该算法首先给出星间路由序列编码方式，建立网关卫星服务域

（GatewaySatelliteServiceRegion，GSSR），基于最大网络流方法生成网关卫星服务

域初始路由序列。针对地面流量分布不均匀造成的ISL负载不均衡问题，采用

Sinkhorn算法改善ISL负载均衡性能。针对星间路由过程中出现的卫星切换、卫星

故障等情况，设计了相应的路由保持策略。仿真结果表明，PCR-LB算法具有较低的

时间复杂度，能够在最小跳数路径范围内，保持较低的星间链路传输时延，改善ISL

负载均衡性能，提高网络吞吐量。

关键词：低轨巨型星座网络；星地接入策略；路由代价；星间路由算法；负载均衡

I

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Abstract

Therapiddevelopmentofthelow-earth-orbitmega-constellationnetworkisofgreat

significancetopromotingeconomicdevelopmentandsocialprogress.However,thelow-

earth-orbitmega-constellationnetworkhasthecharacteristicsoflargescale,highlydynamic

networktopology,andunevendistributionofgroundusers.Howtoestablishmentsatellite

signaltransmissionpathsuchasSatellite-GroundLink(SGL)andInter-SatelliteLink(ISL)

willseriouslyaffecttheperformanceindicatorssuchassignaltransmissiondelay,access

successrate,andnetworkthroughput.Withtheresearchgoalofreducingsatellitesignal

transmissiondelay,improvingsystemloadbalancingandnetworkthroughput,