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Status und Aussichten der Satelliten-Internet-Routing-Technologie

Erscheinungsdatum: 2021Quelle des Autors: KinghelmAufrufe: 748

1 Beidhändige Rückhand: Einleitung  

Aufgrund seiner großen Flächenabdeckung und hohen Zuverlässigkeit spielt das Satellitenkommunikationssystem eine immer wichtigere Rolle in allen Aspekten der gesellschaftlichen Entwicklung und des nationalen Lebens. Große Länder der Welt konkurrieren auch um die Bereitstellung von Weltrauminfrastruktur und den Aufbau weltraumgestützter Kommunikationsnetzwerke. Mit der tiefen Integration des Satellitenkommunikationssystems und des Internets ist das Satelliteninternet zu einem wichtigen Bestandteil des weltraumgestützten Informationsübertragungssystems geworden. Typische Vertreter des Satelliteninternets sind groß angelegte Satellitenkonstellationssysteme wie Starlink und Oneweb, die in den letzten Jahren rasch vorangetrieben wurden. Da die Struktur des Satelliteninternets immer komplexer wird, werden Umfang und Investitionen immer größer. Wie man sein Potenzial voll ausschöpfen und seine Anwendung effizient durchführen kann, ist ein wichtiges Thema im Bereich des Satelliten-Internets. Die Routing-Technologie ist nicht nur die Basistechnologie zur Gewährleistung der Verbindung zwischen Knoten des Satelliten-Internets, sondern auch eine wichtige Forschungsrichtung des Satelliten-Internets.


Die Weltraumknoten des Satelliteninternets enthalten oft mehrere LEO-Satelliten. Zwischen diesen LEO-Satelliten sowie zwischen Satelliten und dem Boden kommt es zu einer relativen Hochgeschwindigkeitsbewegung, wodurch die gesamte Netzwerktopologie zeitlich variierende Eigenschaften aufweist. Daher kann die auf statischer Topologie basierende Routing-Strategie, die üblicherweise in Bodennetzwerken verwendet wird, nicht direkt im Satelliten-Internet verwendet werden. Frühe Satellitennetzwerke verwendeten hauptsächlich die „Snapshot-Technologie“


[1-2] Um On-Board-Routing und -Weiterleitung zu realisieren, d Satellit und aktualisiert sie regelmäßig. Mit der Zunahme der Anzahl von Satelliten stellt dies große Herausforderungen an die statische zeitdiskrete Technologie basierend auf virtueller Topologie. Daher führt ein häufiger Verbindungswechsel zu einem starken Anstieg des Umfangs der auf dem Satelliten gespeicherten und verwalteten Routing-Tabellen. Um das Problem zu lösen, dass die On-Board-Routing-Tabelle zu groß ist, können Informationen zur relativen Position des Satelliten verwendet werden, sodass die relative Position des Satelliten in derselben Umlaufbahnhöhe für die Routing-Adressierung verwendet werden kann [3].


In ähnlicher Weise können unter Verwendung der Standortidee und der Übernahme der IP-Adressierungsstrategie basierend auf der Adressierung geografischer Standortinformationen die Standortinformationen der Zieladresse mithilfe der IP-Adresse abgerufen und deren relative Ausrichtung berechnet werden. Seine optimale Weiterleitungsschnittstelle kann am räumlichen Knoten für die Weiterleitung von Datenpaketen erhalten werden, der keinen Austausch von Statusinformationen zwischen Nachbarn erfordert [4], was den Signalisierungsaufwand im Satellitennetzwerk reduzieren kann. Das Obige beschreibt nur kurz die aktuelle Forschung zum Satellitennetzwerk-Routing. Im folgenden Teil dieses Artikels wird die Satelliten-Internet-Routing-Technologie zusammengefasst, verschiedene auf Satellitennetzwerken basierende Routing-Strategien systematisch zusammengefasst und dies als Hauptlinie verwendet, um den Forschungsstand und die zukünftige Entwicklungsrichtung des Satelliten-Internet-Routings vorzustellen.



2 Zusammensetzungsstruktur des Satellitenkommunikationsnetzes  



Als vom Satellitenkommunikationsnetz abgeleitetes Informationsübertragungssystem ähnelt das Satelliteninternet dem herkömmlichen Satellitenkommunikationsnetz in der Systemzusammensetzung, einschließlich Raumsegment, Bodensegment und Benutzersegment. Die Systemstruktur des Satellitenkommunikationsnetzwerks ist in Abbildung 1 dargestellt.


Abb. 1 Systemstruktur des Satellitenkommunikationsnetzwerks


Das Weltraumsegment besteht aus Kommunikationssatelliten. Die Umlaufbahn des Satelliten kann in Leo (niedrige Erdumlaufbahn), MEO (mittlere Erdumlaufbahn), Geo (geostationäre Umlaufbahn) oder IGSO (geneigte geosynchrone Umlaufbahn) unterteilt werden. Je nach Art der Bordlast kann der Kommunikationssatellit den Arbeitsmodus „Transparentes Relais“ oder „Bordverarbeitung“ übernehmen.


Der Bodenbereich umfasst eine Gateway-Station, ein Netzwerkmanagementzentrum, einen Internetzugang und andere Funktionseinheiten. Das Benutzersegment umfasst verschiedene Benutzerendgeräte und Unterstützungseinrichtungen für Anwendungsszenarien.


Mit der tiefen Integration des Satellitenkommunikationsnetzes und des Bodennetzes, insbesondere des 5G-Mobilkommunikationssystems, als System ist die Gesamtbetrachtung des Satellitenkommunikationsnetzes und des 5G-Mobilkommunikationsnetzes eine wichtige Richtung des Informationsnetzes in der Zukunft. Darüber hinaus schreitet auch der Aufbau des integrierten Himmel-Erde-Netzwerks Chinas stetig voran. Die Systemstruktur des integrierten Himmel-Erde-Netzwerks ist in Abbildung 2 [5-6] dargestellt.


Abbildung 2: Systemstruktur des integrierten Himmel-Erde-Netzwerks



3 Routingforschung und -analyse unter verschiedenen Raumsegmentarchitekturen  



Die Netzwerkstruktur des Satelliteninternets ist komplex und umfasst viele Netzwerkeinheiten. Die primäre Lösung ist die Verbindung zwischen Knoten im Netzwerk. Daher ist die Routing-Technologie eine wesentliche Technologie zur Gewährleistung einer zuverlässigen und effizienten Informationsübertragung im Satelliteninternet und bildet auch den Hauptinhalt dieses Dokuments. In Bezug auf die Raumsegmentarchitektur kann das Netzwerk in einschichtige und mehrschichtige Konstellationsstrukturen unterteilt werden, die in diesem Abschnitt separat erläutert werden.



3.1 Einschichtiges Konstellationssystem

 



Die Raumsegmentsatelliten des einschichtigen Konstellationssystems werden auf derselben Umlaufhöhe eingesetzt und bestehen aus einer oder mehreren Umlaufebenen. Jeder Satellit ist im Allgemeinen mit einer Inter-Satelliten-Verbindung ausgestattet, die mit benachbarten Satelliten auf derselben Umlaufbahnebene und einer anderen Umlaufbahnebene kommunizieren kann. Gleichzeitig kann der Satellit über die Feed-Verbindung und die Benutzerverbindung mit der Boden-Gateway-Station bzw. der Benutzerstation interagieren und so ein komplexes Himmel-Erde-Kommunikationssystem mit mehreren Verbindungen bilden. Seine Struktur ist in Abbildung 3 dargestellt.


Abb. 3 Satelliten-Internetstruktur mit einschichtiger Konstellation


Bei der Erforschung von Routing-Strategien basiert es auf einem einschichtigen Konstellationssystem, RaumDie Konstellation des Segments ist häufig die LEO-Konstellation, einschließlich der Celestri-ähnlichen Konstellation [7–8], der Globalstar-ähnlichen Konstellation [9], der Iridium-Konstellation [10] usw. Diese Konstellationen bestehen aus mehreren Orbitalebenen und Dutzenden von Satelliten. Für Satellitenknoten in der Konstellation wird ihre Konnektivität vollständig berücksichtigt. Jeder Knoten verfügt häufig über vier Intersatellitenverbindungen, die mit den nächsten vier Nachbarknoten verbunden sind, darunter zwei Nachbarknoten in derselben Umlaufbahnebene und zwei Nachbarknoten in unterschiedlichen Umlaufbahnebenen [7–8, 11–12]. Darüber hinaus berücksichtigen einige Studien nur die einschichtige Konstellation aus mehreren Geosatelliten [13].


Aufgrund der schnellen Relativbewegung zwischen LEO-Satelliten ändert sich die räumliche Topologie der Satellitenknoten mit der Zeit. Die zeitlich variierenden Eigenschaften dieser Topologie sind ein wichtiger Faktor, der beim Entwurf des Routing-Algorithmus berücksichtigt werden muss. Um die Dynamik der räumlichen Topologie abzuschirmen und sie für die obere Schicht transparent zu machen, kann das Konzept des virtuellen Knotens übernommen werden [9,14], sodass der Routing-Algorithmus im Satellitennetzwerk in einem virtuellen Netzwerk mit fester Topologie ausgeführt werden kann , was für das Algorithmusdesign der Routing-Schicht praktisch ist. Neben der Idee der dynamischen Abschirmung gibt es auch Studien, um die Eigenschaften der Konstellation zu nutzen, wie etwa die quasi-invarianten Eigenschaften der geneigten Delta-LEO-Konstellation, die standortbasierte Routing-Strategie zu übernehmen und das Problem des toten Winkels zu lösen [11]. Der tote Winkel ist darauf zurückzuführen, dass der Overhead beim Umschalten zwischen Satelliten berücksichtigt wird, um den Dienst desselben Satelliten möglichst lange nutzen zu können. Der Zugriff auf die Bodenstation ist nicht unbedingt das Problem der Nichterreichbarkeit des Ziels, das durch den nächstgelegenen Satelliten verursacht wird. Obwohl die Topologie des räumlichen Knotens zeitlich schwankt, übernehmen einige Studien angesichts der End-to-End-Verzögerung im System, deren Änderungsintervall viel größer als Hunderte von Millisekunden ist, immer noch die Überschwemmungsstrategie in der Routenerkennungsphase und nutzen die Zusammenarbeit von Bodenstationen, um den Bedarf an Bordspeicher zu reduzieren [9].


Im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Routing-Studien, die die Vorhersagbarkeit des Satellitenbetriebs nutzen und das zeitdiskrete Graphenmodell übernehmen, haben Li et al. [15] schlugen ein zeitliches Gittermodell (TNM) vor, um die zeitlich variierende Topologie großer kleiner Satellitensysteme zu beschreiben. Die Idee besteht darin, den gesamten Raum in einen kleinen Raum, also ein Gitter, zu unterteilen, und der Satellit kann im Gitter lokalisiert werden. Anstatt die Koordinaten jedes Satelliten zu verwenden, wird eine Netzwerktopologie erstellt, die sich an die Weiterleitung zufälliger Dienste anpasst. Ähnlich wie bei der Idee der Gitterpartition haben Na et al. [10] nutzten die geografischen Abdeckungsmerkmale des LEO-Satelliten, um die Region zu unterteilen, den Bodenverkehr quantitativ zu analysieren und mithilfe der Methode des maschinellen Lernens den Satellitenverkehr vorherzusagen, um so eine Referenz für den Entwurf des Routing-Algorithmus bereitzustellen.



3.2 Mehrschichtiges Konstellationssystem

 



Das Raumsegment eines mehrschichtigen Konstellationssystems besteht aus Satelliten mit unterschiedlichen Umlaufhöhen. Verschiedene Systeme können unterschiedliche Kombinationen haben, wie z. B. eine mehrschichtige Leo-, LEO/GEO-, GEO/MEO/LEO-Hybridkonstellation usw. Die Struktur des Satelliten-Internetsystems basierend auf einer mehrschichtigen Konstellation ist in Abbildung 4 dargestellt.


Abb. 4 Struktur des Satelliten-Internetsystems basierend auf einer mehrschichtigen Konstellation


Da das mehrschichtige Konstellationssystem eine komplexere Raumsegmentstruktur aufweist, müssen beim Routing-Design im Netzwerk unterschiedliche Überlegungen berücksichtigt werden. Zu den mehrschichtigen Raumsegmentstrukturen gehören die LEO/MEO-Doppelschichtstruktur [16–17], die LEO/Geo-Doppelschichtstruktur [18], die MEO/IGSO-Doppelschichtstruktur [19] und die dreischichtige LEO/MEO/Geo-Hybridstruktur [20] usw. Die mehrschichtige räumliche Struktur bietet mehr Freiheit bei der Gestaltung der Routing-Strategie, und die Strategien des Routing-Designs sind vielfältiger. Beispielsweise basiert die Arbeitsteilung auf der Distanz. Für kurze Distanzen wird nur die Leo-Schicht für das Routing verwendet, während für lange Distanzen die MEO-Schicht für das Routing verwendet wird [16]. Die Zusammenarbeit zwischen mehrschichtigen Satelliten kann auch auf Verzögerungen oder Verbindungsüberlastungen basieren. Die Routing-Strategie von Jiang et al. [18] besteht darin, dass die Intersatellitenverbindung zwischen Geo und Leo nur dann aktiviert wird, wenn die Sprünge des Leo-Routings den Schwellenwert überschreiten (der Schwellenwert wird anhand der Ende-zu-Ende-Verzögerung bestimmt) oder eine Blockierung auftritt, und dann die Geo-Schicht wird sich dem Routing anschließen.


In der mehrschichtigen Raumsegmentstruktur gibt es eine große Anzahl von Satelliten. Bei der Untersuchung der Routing-Strategie kann die Gruppierung zur Verwaltung verwendet werden. Yi et al. [19] nahm die MEO/IGSO-Hybridkonstellation als Raumsegment und teilte die Satellitenknoten in drei Gruppen ein. Alle MEO-Satelliten auf derselben Umlaufebene gehören zu einer Gruppe, und jeder IGSO-Satellit gehört entsprechend der räumlichen Beziehung zu einer Gruppe. Die drei Gruppen bilden eine Supergruppe, die alle vom Bodenkontrollzentrum verwaltet werden. Jede Gruppe wählt entsprechend ihrer Entfernung vom Bodenkontrollzentrum einen Clusterkopf aus, die anderen sind Mitglieder der Gruppe. Die Interaktion zwischen der Gruppe und dem Bodenkontrollzentrum erfolgt über den Cluster-Kopf. Hinsichtlich der Verwaltung fungieren alle Knoten im Raum als Mitgliedsknoten des Bodenkontrollzentrums. Tatsächlich wendet das System eine zentralisierte Routing-Strategie an, die auf dynamischer Gruppierung basiert.


Aufgrund der hierarchischen Struktur zwischen räumlichen Knoten kann neben der Gruppierung auch die Arbeitsteilung und Zusammenarbeit auf jeder Ebene zur Umsetzung der räumlichen Routing-Strategie genutzt werden. Für das mehrschichtige Weltraumsegment-Satellitensystem bestehend aus Leo-, MEO- und Geo-Satelliten haben Akyildiz et al. angesichts der großen Anzahl von LEO-Satelliten Folgendes vorgeschlagen: [20] Gruppierte LEO-Satelliten, betrachtete jede Gruppe als Knoten und übernahm das Konzept des logischen Standorts, um die Mobilität von LEO-Satelliten vom Protokoll der oberen Schicht zu isolieren, sodass das Protokolldesign der oberen Schicht die Mobilität von Leo nicht berücksichtigt Die Entkopplung zwischen der oberen und unteren Schicht des Protokolls wird realisiert. Die Geo-Schicht verbirgt die spezifische Topologie von Leo, was die Rechenkomplexität reduzieren und die Berechnung der Routing-Tabelle einfacher machen kann. GEO Satellite verwendet den Kürzestpfad-Algorithmus, um die Routing-Tabelle im Netzwerk zu berechnen und an den MEO-Satelliten zu verteilen. Der MEO-Satellit erstellt eine Routing-Tabelle für den LEO-Satelliten und verteilt sie an den LEO-Satelliten, um die Routing-Informationen des gesamten Weltraumnetzwerks festzulegen.


Einige neue Netzwerkstrukturtechnologien aus der neueren Forschung können ebenfalls angewendet werdenFür mehrschichtige Satellitennetzwerke, wie z. B. die SDN-Technologie (Software Defined Network). Wang et al. [21] schlugen eine SDN-Architektur vor, die auf dem dreischichtigen Raumsegment GEO / MEO / LEO basiert und bei dem GEO als oberster Kontrollknoten für die Berechnung der optimierten Kommunikationsverbindung und die Ressourcenplanung verantwortlich ist. Als Hilfspfad hilft der MEO-Satellit dem GEO-Satelliten dabei, Informationen über Ziele am Boden und in der Nähe des LEO-Satelliten zu sammeln. Der LEO-Satellit ist für den Empfang von Befehlen vom GEO-Satelliten und die Durchführung der Informationsweiterleitungsfunktion verantwortlich.


Darüber hinaus weist das integrierte Himmel-Erde-Netzwerk in den letzten Jahren als heißes Forschungsfeld häufig eine mehrschichtige räumliche Struktur auf, sodass in diesem Abschnitt auch sein Routing-Problem erörtert wird. Die von Pace et al. vorgeschlagene Systemarchitektur [22] ist ein integriertes Himmel-Erde-Netzwerk, das eine Bodenschicht, eine Mittelschicht und eine Satellitenschicht umfasst. Der vorgeschlagene Routing-Algorithmus besteht darin, eine Gruppe von Kandidatenpfaden mit minimalen Sprüngen zu finden und den Pfad mit minimaler Überlastung als endgültigen Routing-Pfad auszuwählen. Daher wird das Routing-Problem in ein Optimierungsproblem umgewandelt, das heißt, die Nutzung der am stärksten ausgelasteten Verbindung zu minimieren und einen Netzwerklastausgleich zu erreichen. Yang et al. [23] Mit dem Ziel, das Problem zu lösen, dass das am Boden erfolgreich angewendete Routing-Protokoll im integrierten Netzwerk von Himmel und Erde nicht effektiv funktionieren kann und die Vorhersagbarkeit der Satellitenbewegung nutzt, wurde das Konzept der Topologieerkennungsunterschicht vorgeschlagen, um die Übertragung großer Datenmengen zu vermeiden Anzahl der Routing-Nachrichten.



4. Forschungsrichtung der Satelliten-Internet-Routing-Technologie  



Im Vergleich zum terrestrischen Kommunikationsnetz variiert die Netzwerktopologie des Satelliteninternets zeitlich und der Bordspeicher, die Rechenleistung und die Leistung sind begrenzt. Daher können die bestehenden Routingstrategien für terrestrische Kommunikationsnetze nicht direkt auf das Satellitenkommunikationsnetz angewendet werden. Viele Studien haben entsprechende Routing-Strategie-Untersuchungen entsprechend den Merkmalen des Satellitennetzwerks durchgeführt [24]. Bei Satelliten-Routing-Algorithmen werden im Allgemeinen einige wichtige Leistungsmerkmale berücksichtigt, beispielsweise Verzögerung, Bandbreite, Verlustrate von Datenpaketen, Robustheit und Ressourcennutzung. Diese Schlüsselleistungen werden in diesem Abschnitt klassifiziert und besprochen.



4.1 Verzögerung, Bandbreite und Datenpaketverlustrate

 



Bei der Erforschung von Satelliten-Internet-Routing-Strategien werden oft einzelne oder mehrere Leistungen als Optimierungsziele betrachtet, die sich auf die oft für bestimmte Dienste erforderliche QoS (Quality of Service) beziehen, wie z. B. Verzögerung, Bandbreite, Datenpaketverlustrate usw.


Verzögerung bezieht sich häufig auf eine End-to-End-Verzögerung bei der Routing-Forschung. Verzögerungsminimierung ist das Optimierungsziel vieler Routing-Strategien. Wenn außerdem die Service-QoS eine Verzögerung erfordert, muss die gesamte Ende-zu-Ende-Verzögerung diese Anforderung erfüllen, die ausgedrückt werden kann als



Wobei p (SRC, DES) eine geplante Route von der Quelle zum Ziel darstellt, die aus mehreren Single-Hop-Links bestehen kann; (U, V) stellt eine einzelne Hop-Verbindung dar, und die Start- und Endknoten des einzelnen Hops werden durch u bzw. V dargestellt. D (U, V) stellt die Ende-zu-Ende-Verzögerung der Verbindung (U, V) dar; D stellt die erforderliche End-to-End-Verzögerungsbeschränkung der gesamten Route dar.


Wenn die Service-QoS Bandbreitenanforderungen vorgibt, darf die verfügbare Bandbreite der Verbindung zwischen jedem Hop in der Route nicht geringer sein als die Bandbreitenanforderungen, die ausgedrückt werden können als



Wobei Band (U, V) die verfügbare Bandbreite der Verbindung (U, V) darstellt; Bmin stellt die minimale Bandbreitenbeschränkung dar, die für die gesamte Route erforderlich ist.


Bei der Übertragung von Datenpaketen vom Quellknoten zum Zielknoten können Datenpakete aufgrund von Kanalinterferenzen, Warteschlangen-Timeouts und anderen Gründen verloren gehen. Das Verhältnis der Anzahl der verlorenen Datenpakete zur Gesamtzahl der übertragenen Datenpakete ist die Datenpaketverlustrate. Für die QoS verschiedener Dienste gelten im Allgemeinen unterschiedliche Anforderungen an die Datenpaketverlustrate. Beispielsweise ist die Datenpaketverlustrate bei Datenübertragungsdiensten normalerweise niedriger als bei Sprachübertragungsdiensten.


Ein offensichtlicher Unterschied zwischen Satelliteninternet und terrestrischem Netzwerk besteht darin, dass die Übertragungsentfernung zwischen Knoten lang ist. Beispielsweise ist ein GEO-Satellit etwa 36000 km vom Boden entfernt und die Hin- und Rücklaufzeit des Signals zwischen Satellit und Erde beträgt etwa 240 Ms. Obwohl sich LEO-Satelliten relativ nahe an der Erde befinden, wird die Erdfläche von einem einzelnen LEO abgedeckt Der Satellit ist relativ klein und die Servicezeit am ausgewählten Standort beträgt nur etwa 10 Minuten. Daher ist es notwendig, ständig zwischen LEO-Satelliten zu wechseln. Darüber hinaus wird mit der zunehmenden Verbreitung des Satelliteninternets auch die Verarbeitungszeit an Bord zunehmen. Um die Übertragungsverzögerung von Informationen in Satellitennetzwerken zu verringern, wurden daher viele Studien zum Routing von Satellitennetzwerken durchgeführt, die auf eine geringe Verzögerung abzielen.


Der direktere Weg besteht darin, den End-to-End-Pfad mit der geringsten Verzögerung auszuwählen, um die Routing-Tabelle zu berechnen, z. B. den MLSR-Algorithmus (Multi-Layered Satellite Routing Algorithm) für Multi-Layer-Satelliten [20].


Bei der LEO-Satellitenkonstellation hat die Verbindung zwischen den Satelliten aufgrund der relativen Bewegung zwischen den Satelliten einen Lebenszyklus. DLRA (Double-Layer-Satellite-Network-Routing-Algorithmus) [16] berücksichtigt den verbleibenden Lebenszyklus der Inter-Satelliten-Verbindung in der Gewichtsfunktion des Pfads basierend auf dem MLSR-Algorithmus und dem LEO/MEO-Doppelschicht-Satellitennetzwerk, um den optimalen Pfad unter Berücksichtigung von Verzögerung und Verzögerung zu berechnen Stabilität. Der BDSR-Algorithmus (Bandwidth Delay Satellite Routing) [25] berücksichtigt sowohl Verzögerung als auch Bandbreite. Wenn die Verbindungsbandbreite überlastet ist und die Änderung der durchschnittlichen Ende-zu-Ende-Verzögerung begrenzt ist, wird eine andere Verbindung mit mehr verbleibender Bandbreite ausgewählt. Mit zunehmender Laufzeit nimmt die Ende-zu-Ende-Verzögerung allmählich ab und die durchschnittliche Mindestbandbreite steigt langsam an.


Der Verbindungsstatus ist die grundlegende Information, die für die Routing-Strategie erforderlich ist. Um den Overhead und die Konvergenzzeit des auf dem Verbindungsstatus basierenden Routing-Algorithmus zu reduzieren, verwendet der SLSR-Satellitennetzwerk-Link-State-Routing-Algorithmus (Satellite Network Link State Routing) [26] die Eigenschaften, dass die räumliche Ausbreitungsverzögerung vorhersehbar ist und im Voraus berechnet werden kann . Daher ist nur die unsichere On-Board-Warteschlangenverzögerung die Echtzeit-Statuserfassung für Verbindungs- und Knotenfehler. Für die Routing-Strategie, die sich darauf konzentriert, den Pfad mit der minimalen End-to-End-Verbreitungsverzögerung zu finden, kann es mit der Zunahme des Satellitennetzwerkverkehrs zu einer hohen Verlustrate von Datenpaketen und einer langen Warteschlangenverzögerung kommen. Der auf dem Warteschlangenstatus basierende dynamische Routing-Mechanismus QSDR ( Warteschlangenstatus-basiertes dynamisches Routing) des NGEO-Satellitennetzwerks (nicht geosynchrone Erdumlaufbahn) basierend auf dem Warteschlangenstatus [27] verwendet das Routingmodell des Satelliten-Echtzeit-Warteschlangenstatus, um die vorberechnete Route anzupassen, um Datenpakete so schnell wie möglich zu senden Dies ist möglich und verhindert eine Überlastung am aktuellen Knoten. Alle Satelliten im Netzwerk lassen mehr Platz für den Empfang von Datenpaketen benachbarter Satelliten, was die Warteschlangenverzögerung bis zu einem gewissen Grad reduziert.


Verzögerung ist häufig eine Indexanforderung bei QoS. Darüber hinaus umfasst es auch Bandbreite, Verzögerungsjitter, Datenpaketverlustrate usw. Am Beispiel des Zeitverzögerungsjitters besteht eine seiner Ursachen darin, dass in LEO-Satellitennetzwerken die Satellitenbewegung häufig die relativen Positionen von Satelliten ändert, die zu unterschiedlichen Umlaufbahnen gehören Dies führt zu Zeitverzögerungs-Jitter bei Inter-Satelliten-Verbindungen. Unterschiedliche Anwendungsszenarien haben unterschiedliche QoS-Anforderungen. Entsprechend den Dienstqualitätsanforderungen von Multimediaanwendungen haben Rao et al. [8] verwendete einen genetischen Algorithmus, um das QoS-Routing von Inter-Satelliten-Links zu realisieren, und schlug eine Multi-Path-Inter-Satellite-Link-Routing-Strategie (mpir) vor, die für LEO-Satellitennetzwerke geeignet ist. Die Strategie bietet eine gute QoS-Garantie in Bezug auf Verzögerungsjitter und Anrufblockierung Wahrscheinlichkeit durch Bandbreite und Verzögerung eingeschränkt.


Die Herausforderung liegt jedoch in der Komplexität des Algorithmus, insbesondere wenn die Ressourcen der LEO-Satelliten begrenzt sind. Liu et al. [17] führte einen heuristischen Routing-Algorithmus ein und schlug ein neues vorhersagbares Satellitennetzwerk-Routing-Protokoll (psnrp) vor, um die Servicequalitätsanforderungen von Netzwerkbenutzern zu erfüllen und eine bessere Routing-Leistung zu erzielen. Im Hinblick auf adaptives QoS-Routing haben Yan et al. [28] schlug einen adaptiven Algorithmus für dynamisches Routing (Sradr, Status und Reputation Adaptive Routing) für den Status und die Reputation von Satellitennetzwerken vor, führte das durch die Knotenreputation dargestellte Sicherheitsattribut ein und führte Routenerkennung und dynamische Aktualisierungswartung entsprechend dem Netzwerkstatus durch Node-Reputationswert. Machen Sie den ausgewählten Pfad zu einem sicheren Pfad mit guter Gesamtleistung und gutem Zustand.


Da es sich um ein Informationsübertragungsnetzwerk handelt, ist die Datenpaketverlustrate des Satelliteninternets oft ein wichtiger Indikator für QoS. Zhang et al. [29] zielen auf den starken Anstieg der Datenpaketverlustrate ab, die durch Satelliten-Bodenverbindungsumschaltung verursacht wird, basierend auf statischem Routing bzw. dynamischem Routing. Zwei Optimierungsstrategien, Source Preplanning Calculation (SPPC) und Destination Readdressing Calculation (DRAC), werden vorgeschlagen Linderung des Problems des Datenpaketverlusts. Allerdings kann SPPC die durch zufällige Verzögerung verursachte Übergabeunterbrechung nicht beheben und stellt hohe Anforderungen an die Vermeidung von Überlastungen bei der Netzwerkübertragung. Obwohl DRAC unbekannte Netzwerküberlastungen beheben kann, entstehen dadurch zusätzliche Routing-Overheads.



4.2 Robustheit

 



Aufgrund der kreisförmigen Sichtbarkeit und der festen Umlaufbahn der Satellitenumlaufbahn ist das Satelliten-Internet anfällig für Angriffe und Störungen [30]. Darüber hinaus wird der Satellit aufgrund der Weltraumumgebung, der Alterung von Geräten oder der Notwendigkeit häufiger Updates der Satellitentechnologie ausfallen und die zugehörigen Verbindungen zwischen den Satelliten werden unterbrochen, was zu Änderungen in der Topologie des Satellitennetzwerks führt. Daher stand die Verbesserung der Entstörungsfähigkeit und Robustheit des Netzwerks in den letzten Jahren auch im Mittelpunkt der Satelliten-Internet-Routing-Forschung.


Tabelle 1: Wichtige Leistung, die von einigen Routing-Strategien berücksichtigt wird



Mit Blick auf das Problem, dass sich der Offline-Routing-Algorithmus des MEO/LEO-Satellitennetzwerks nicht an unvorhersehbare Topologieänderungen anpassen kann, haben Li et al. [31] schlugen einen dynamischen Routing-Algorithmus gegen Zerstörung vor, der das Satellitennetzwerk in mehrere Cluster aufteilt, den Umschalteffekt durch die Übernahme des Grenzsatellitenquellen-Routing-Schemas optimiert und die Überlebensfähigkeit des Systems im Falle eines Verbindungsausfalls zwischen Satelliten verbessert. Da der unverwundbare dynamische Routing-Algorithmus den Verbindungsstatus aktualisieren muss, entsteht zusätzlicher Übertragungsaufwand. Auf dieser Grundlage schlägt der Autor außerdem einen unverwundbaren Routing-Algorithmus für LEO-Satellitennetzwerke vor [32], um ungültige Intersatellitenverbindungen automatisch zu vermeiden und mit den geringsten Kosten umzuleiten.


Um der Variabilität des Netzwerks gerecht zu werden, haben Fang et al. [33] schlugen einen Multi-Orbit-Hybrid-Satellitennetzwerk-Routing-Algorithmus vor, der auf Erkennung und Selbstlernen basiert, um die unsicheren Faktoren zu lösen, die durch die Änderung der Satellitennetzwerktopologie verursacht werden. Aufgrund seiner verteilten Betriebseigenschaften verfügt es über eine gute Abwehrfähigkeit. Um der Variabilität der Topologie entgegenzuwirken, ist es häufig erforderlich, den Systemaufwand für die Aktualisierung der Routing-Informationen zu erhöhen. Pan et al. [34] schlugen ein neues Routing-Protokoll opspf (Orbit Prediction Short Path First Routing) für LEO-Satellitennetzwerke und einen dynamischen On-Demand-Routing-Mechanismus vor, der den Kommunikations-Overhead und die Routing-Konvergenzzeit bei unregelmäßigen Topologieänderungen reduzieren kann. Angesichts zahlreicher Faktoren, die die Systemrobustheit beeinträchtigen, wie etwa unbekannte Unterbrechungen, plötzliche Überlastungen und intelligente Interferenzen, ist ein intelligenteres Routing-Schema erforderlich. Han et al. [30] schlug ein Anti-Interferenz-Routing-Schema für heterogenes Satelliten-Internet vor, das auf Spieltheorie und Deep Learning basiert, und modellierte das Routing-Anti-Interferenz-Problem als geschichtetes Anti-Interferenz-Stackelberg-Spiel. Die Routing-Strategie weist einen geringen Overhead und eine gute Anti-Interferenz auf Leistung.



4.3 Ressourcennutzung

 



Aufgrund der mobilen Hochgeschwindigkeitseigenschaften von Satellitenknoten ist die Verteilung des Netzwerkressourcenverkehrs äußerst ungleichmäßig, wenn das Satelliteninternet in dicht besiedelten und dünn besiedelten Gebieten betrieben wird. Sofortiger übermäßiger Datenverkehr führt zu einer Überlastung der Satellitennetzwerkknoten, erhöht die Netzwerkwarteschlangenverzögerung und führt dann zu einer Verschlechterung der Routing-Leistung des gesamten Satellitennetzwerks. Darüber hinaus sollten aufgrund der Knappheit der Umlaufbahnressourcen und der hohen Kosten für den Start und Einsatz von Satelliten Systemressourcen, einschließlich Satelliten, effizient genutzt werden, was auch im Mittelpunkt der Forschung zur Routing-Technologie steht.


Eine Überlastung des Netzwerks führt zum Verlust von Datenpaketen und verringert den Systemdurchsatz, was der effizienten Nutzung von Netzwerkressourcen nicht förderlich ist. Ma et al. [11] schlugen einen verteilten Datagramm-Routing-Algorithmus vor, der für LEO-Satellitennetzwerke geeignet ist. Bei der Auswahl des nächsten Hop-Satellitenknotens wird dessen Überlastungszustand berücksichtigt. Daher trägt die Routing-Strategie zur Überlastungsverarbeitung und zur Reduzierung von Verzögerungen bei und kann die Erfolgsrate der Datenübertragung im Falle eines Knotenausfalls verbessern. Yi et al. [19] schlug eine zentralisierte Routing-Strategie für On-Demand-Computing und Caching für MEO/IGSO-Satellitennetzwerke vor, entwarf einen Routing-Algorithmus für die dynamische Gruppierung der Satellitennetzwerk-Topologie und unterteilte die Routing-Berechnung für die Datenübertragung in drei Phasen: Richtungsschätzung, Richtungsverbesserung und Vermeidung von Überlastungen, um die Konfiguration des Satellitennetzwerks flexibler, die Übertragung effizienter und einfacher zu verwalten.


Der Lastausgleich kann die Informationsübertragung in der netzwerkinternen Verbindung ausgleichen, was dazu beiträgt, den Durchsatz des gesamten Systems zu verbessern und Überlastungen zu vermeiden. Li et al. [27] schlugen einen dynamischen Routing-Aktualisierungsalgorithmus vor, der auf dem Echtzeit-Warteschlangenstatus und dem Routing-Statusmodell basiert, um die Verkehrslast auszugleichen, sicherzustellen, dass jeder Satellit Datenpakete so schnell wie möglich sendet und eine Überlastung des aktuellen Knotens vermeidet. Wang et al. [21] schlugen zwei Routing-Algorithmen vor, um die Anzahl der Intersatellitenverbindungen zu optimieren. Durch die Planung von Datenverkehr mit niedriger Priorität auf die von Diensten mit hoher Priorität verwendeten Links wird die Anzahl der Links reduziert, die von Datenverkehr mit niedriger Priorität verwendet werden. Gleichzeitig wird eine Lastausgleichsstrategie eingeführt, um die Aggregation von Netzwerkflüssen zu steuern, um die Gesamtzahl der verwendeten Verbindungen zu reduzieren und so die Ressourcennutzung von Satellitennetzwerken zu verbessern und Energie zu sparen. Bei dichten Umlaufbahnen kann die Topologiestrategie der Rückwärtsverbindung jedoch die Anzahl der Verbindungen zwischen Satelliten erhöhen und den Verkehr auf jeder Verbindung reduzieren, was zu einer höheren und stabileren Netzwerkkapazitätsleistung beitragen kann [35]. Daher sollte die Strategie zur Reduzierung der Anzahl der Links entsprechend der jeweiligen Situation festgelegt werden.


Rechenleistung ist eine wertvolle Ressource des Satelliteninternets, insbesondere für Satelliten als Weltraumknoten. Die Größe, das Gewicht und der Stromverbrauch von Satelliten begrenzen ihre Rechenleistung und stellen daher auch höhere Herausforderungen an die Routing-Algorithmen. Um den Anforderungen an die Speicher- und Verarbeitungskapazität von Satelliten gerecht zu werden, haben Zhang et al. [36] schlugen einen Algorithmus zur Generierung und Aktualisierung von Routing-Tabellen vor, der die Routing-Berechnung des Satellitennetzwerks dem On-Board-Router und dem Boden-Router zuweist, um sie abzuschließen, und eine LAN-Routing-Tabelle bzw. eine Routing-Tabelle für das gesamte Netzwerk generiert. Der Algorithmus kann den Bedarf an Satellitenrechenleistung reduzieren und die Belastung durch Intersatellitenverbindungen reduzieren, und der Bodenrouter kann auch mit der Erweiterung des Satellitennetzwerks aufgerüstet werden. Basierend auf der Kombination aus Vorberechnung und verteilter On-Board-Echtzeitberechnung und unter Berücksichtigung des Echtzeit-Verbindungsstatus zwischen Satelliten können außerdem die Routing- und Weiterleitungstabelle des nächsten Hops des Ziels auf jedem Satelliten verbessert werden Echtzeitleistung und reduzieren die Rechenlast an Bord [37–38].


Um die Ressourcennutzungseffizienz des Systems zu verbessern, sollte der Routing-Overhead im System so gering wie möglich sein. Die geographisch standortbasierte Methode [39-42] kann verwendet werden, um das Satellitennetzwerk und die Erde in mehrere Domänen zu unterteilen, wodurch die Größe und Generierungszeit der Routing-Tabelle im großen Satelliten-Internet effektiv reduziert und die Stabilität aufrechterhalten werden kann der Routing-Tabelle, wenn sich die Benutzerbedingungen ändern, und reduzieren den Routing-Overhead erheblich.



5. Forschungsperspektive der Satelliten-Internet-Routing-Technologie  




5.1 Routing basierend auf künstlicher Intelligenz

 



Die Routing-Strategie des Satelliten-Internets kann im Allgemeinen als Optimierungsmodell modelliert werden, es handelt sich jedoch häufig um ein Optimierungsproblem mit mehreren Zielen. Mit zunehmender Größe des Satellitennetzwerks nimmt auch seine Rechenkomplexität zu und die Suchschwierigkeit des Routing-Raums nimmt weiter zu. Wenn weitere Faktoren berücksichtigt werden, wie zum Beispiel, dass die Optimierungsziele nicht nur QoS-Anforderungen, sondern auch zeitlich veränderliche Verbindungszustände des Satellitennetzwerks, Interferenzen und andere Faktoren umfassen, erhöht sich die Schwierigkeit des Routings weiter. Herkömmliche Routing-Entwurfsschemata basieren in der Regel auf der künstlichen Modellierung von Netzwerkverkehrseigenschaften und auf dieser Grundlage werden gezielte Routing-Strategien entworfen. Der aktuelle Netzwerkverkehr weist jedoch eine komplexe zeitliche und räumliche Verteilungsvolatilität auf und es ist sehr schwierig, ihn manuell zu modellieren.


Beispielsweise zielen viele modellbasierte Netzwerk-Routing-Optimierungsstudien auf bestimmte Netzwerkszenarien oder bestimmte hypothetische Verkehrsmodelle ab. Aufgrund der durch die Annahmen verursachten Fehler und der Unterschiede zwischen dem Modell und dem realen Netzwerk ist es mit dem vorgeschlagenen Schema schwierig, im realen Netzwerkszenario einen guten Routing-Effekt zu erzielen. Künstliche Intelligenztechnologien wie maschinelles Lernen (ML) können jedoch in der Regel automatisch die Merkmale des Netzwerkverkehrs extrahieren und entsprechende Netzwerkstrategien generieren, ohne auf die Erfahrung menschlicher Experten angewiesen zu sein, was im Vergleich zu herkömmlichen Schemata einen neuen Weg zur Lösung des NP-Schwierigkeitsproblems eröffnet Netzwerk-Routing [43] Daher ist die auf künstlicher Intelligenz basierende Routing-Generierung eine vielversprechende Forschungsrichtung der Satelliten-Internet-Routing-Technologie.



5.2 Satellit und 5g / 6g

 



Seit der dritten Generation versucht der terrestrische Mobilfunkstandard, bei der Standardformulierung das Satellitennetz als Ganzes zu berücksichtigen, ist jedoch weit von der Integration von Himmel und Erde entfernt und das Himmel-Erde-Netzwerk entwickelt sich noch relativ unabhängig voneinander . In den letzten Jahren wurde mit der rasanten Entwicklung des Satelliteninternets der Trend der Integration von Himmel und Erde immer offensichtlicher. Als neue Generation der Mobilkommunikation weist das 5G-Netzwerk eine höhere Offenheit in der Architektur auf. Es wird auch als Netzwerk aus Netzwerken bezeichnet [44], das eine technische Grundlage für die Integration von Satellitennetzwerk und Bodennetzwerk bietet. Als Netzwerksystem der nächsten Generation führen die wichtigsten Institutionen des 6G-Netzwerks die Systemdefinition und die Überprüfung der Schlüsseltechnologie durch. Als wichtiges Merkmal des zukünftigen 6G-Netzwerks wurde die integrierte Entwicklung von Himmel und Erde weithin anerkannt. Daher ist die Verbindung zwischen dem Satellitennetz und dem 5g/6G-Bodennetz eine unumgängliche Voraussetzung.


Der Routing-Mechanismus, der auf der virtuellen Topologie eines herkömmlichen LEO-Satellitennetzwerks basiert, lässt sich nur schwer in den Boden-Routing-Mechanismus integrieren, da ersterer die Satellitenidentifikation und die Verbindung zwischen Satelliten verwendet, um Routing-Informationen zu generieren. Bei der Integration in das Bodennetzwerk auf Basis von IP-Routing sind zwei Routing-Mechanismen erforderlich. Ersterer ist erforderlich, um die gespeicherten Informationen des On-Board-Routings entsprechend der aktuellen Bodenbenutzerverbindung rechtzeitig zu aktualisieren, was zu einem erheblichen Wartungsaufwand an Bord führt und den Ressourcendruck an Bord verschärfen. Aufgrund der Hochgeschwindigkeitsbewegung des Satelliten ändert sich die Verbindungsbeziehung zwischen dem Satellitennetzwerk und dem Bodennetzwerk ständig. Eine Änderung des Zugangssatelliten im herkömmlichen logischen IP-Adressierungsmechanismus führt zu einer Änderung der IP-Adresse des Endgeräts und löst die Bindungsaktualisierung aus. Häufige Bindungsaktualisierungen verbrauchen viele Kommunikationsressourcen an Bord [4]. All dies stellt sehr hohe Anforderungen an das Routing-Design des integrierten Himmels-Erde-Netzwerks und macht das weltweite Routing zu einer neuen Forschungsrichtung.



5.3 riesige Satellitenkonstellation

 



In den letzten Jahren zeigt die Größe der Weltraumknoten des Satelliteninternets die Merkmale einer mehrstufigen und groß angelegten Bereitstellung. Die Größe der Satelliten verschiedener Konstellationen reicht von Dutzenden bis zu Zehntausenden. Das Aufkommen eines riesigen Konstellationssystems hat die Fähigkeit des Weltraumnetzwerks erheblich verbessert und kann Benutzern im Vergleich zu terrestrischen Netzwerken Dienste bieten. Die enorme Knotengröße der riesigen Konstellation stellt große Herausforderungen an die auf virtueller Topologie basierenden Routing-Mechanismen wie die „Snapshot-Technologie“, die üblicherweise beim Konstellations-Routing verwendet wird. Da die Anzahl der durch Topologiesegmentierung erhaltenen Zeitscheiben direkt proportional zur Anzahl der Verbindungswechsel ist, führt die Erweiterung der Konstellationsgröße nicht nur zu einem starken Anstieg der Anzahl der auf dem Satelliten zu speichernden und zu verwaltenden Routing-Tabellen fordert das Satellitennetzwerk mit begrenzten Bordressourcen heraus, eröffnet aber auch eine neue Forschungsrichtung für die Weltraumrouting-Technologie.

6 Fazit  



Als Informationsinfrastruktur hat das Satelliteninternet eine starke Durchdringung und Dynamik. Es wird die Art und Weise der Informationsbeschaffung in der globalen Gesellschaft stark verändern und zur treibenden Kraft des sozialen Wandels und der innovativen Entwicklung werden. Als eine der Grundtechnologien des Satelliten-Internets ist die Routing-Technologie die Schlüsseltechnologie für die effiziente Nutzung von Weltraumressourcen, die Integration und Zusammenarbeit von Himmel und Erde sowie die Unterstützung bei der Bereitstellung von Diensten. Dieses Papier konzentriert sich auf die Verbindungsanforderungen zwischen Satellitennetzwerkknoten und fasst den Forschungsstand zum Routing in Satelliteninformationsübertragungsnetzwerken zusammen. Außerdem werden die Herausforderungen und die weitere Forschungsrichtung der Satelliten-Internet-Routing-Technologie erörtert.


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