Traffic flow-based load balancing routing for imbalanced traffic distribution in LEO satellite networks

Abstract

To provide network services through low-earth orbit (LEO) satellite networks, designing a routing algorithm is essential. However, the mobility of satellites complicates the routing algorithm design. Especially in a globally imbalanced traffic distribution, traditional shortest path-based routing algorithms can overload specific inter-satellite links (ISLs). We propose a routing scheme to alleviate ISL overloads in imbalanced traffic distributions of LEO satellite networks and achieve load balancing. The proposed scheme predicts traffic flow based on global traffic distribution, creating a network topology graph. We create a routing table for each satellite. The created routing tables reduce redundancy in routing paths, optimizing the overall network's ISL usage and reducing end-to-end (E2E) dealy. Also, during routing, our load-balancing algorithm determines the routing path based on the routing table and real-time buffer queue status without exchanging information with adjacent satellites, ensuring reduced packet loss rates and reliable service. Through simulations, we compare the routing performance of our proposed scheme with two benchmark schemes. Simulation results show that the proposed scheme enhances ISL utilization, reducing E2E delay by more than 40 ms and decreasing the packet loss rate by 20%.|저궤도 위성 (LEO) 네트워크를 통해 네트워크 서비스를 제공하기 위해서는 라우팅 알고리즘 설계가 필수적이다. 그러나 위성의 이동성으로 인한 LEO 위성 네트워크 토폴로지 변화는 라우팅 알고리즘 설계를 어렵게 한다. 특히, 전 세계적으로 불균형한 트래픽 분포에서 기존의 최단 경로 기반 라우팅 알고리즘은 특정 위성 간 링크 (ISL)에 과부하를 준다. 우리는 LEO 위성 네트워크의 불균형한 트래픽 분포에서 ISL 과부하 발생을 완화하고 로드 밸런싱을 달성하기 위한 라우팅 방식을 제안합니다. 제안하는 기법은 글로벌 트래픽 분포를 기반으로 트래픽 흐름을 예측하여 네트워크 토폴로지 그래프를 생성합니다. 생성된 그래프를 기반으로 각 위성의 라우팅 테이블을 생성합니다. 생성된 라우팅 테이블은 라우팅 경로의 중복을 줄여 전체 네트워크의 ISL 사용을 최적화하고 종단 간 지연을 줄인다. 또한, 라우팅 과정에서 인접 위성과의 정보 교환 없이 라우팅 테이블과 실시간 버퍼 큐 상태를 기반으로 라우팅 경로를 결정하는 부하 분산 알고리즘으로 패킷 손실률을 줄여 안정적인 서비스를 보장한다. 시뮬레이션을 통해 제안하는 기법과 두 가지 벤치마크 기법의 라우팅 성능을 비교한다. 실험 결과 제안하는 기법이 ISL의 활용을 높여 종단 간 지연을 40 ms 이상 줄이고 패킷 손실률을 20% 감소시켰다.