一种卫星网络路由方法、装置、设备和存储介质转让专利
申请号 : CN202010651910.1
文献号 : CN111917450B
文献日 : 2022-01-11
发明人 : 赵永利 , 刘越 , 何芯逸 , 张琦 , 忻向军 , 张杰
申请人 : 北京邮电大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种卫星网络路由方法,其特征在于,包括:确定卫星星座中每颗同步轨道GEO卫星的控制区域;
获取每颗GEO卫星的控制区域内的多个成员变化快照序列和与每个所述成员变化快照序列对应的多个链路变化快照序列;
对所有链路变化快照序列进行叠加处理,得到每个成员变化快照序列对应的至少一个拓扑叠加快照序列;
确定每个控制区域内每个拓扑叠加快照序列中与相邻控制区域进行通讯的邻接节点;
对每个控制区域内的任意两个邻接节点间的最短路径进行资源配置,以便在进行跨域通信时,根据配置的资源选取通讯路径;
其中,所述确定每个控制区域内每个拓扑叠加快照序列中与相邻控制区域进行通讯的邻接节点,包括:
获取基于历史统计的每个控制区域在当前快照时间段内的全域的卫星通信跨域业务总量以及每个控制区域内每颗低轨卫星承载的跨域业务量;
分别获得当前快照时间段内每个控制区域与各个邻域的邻接节点集,并得出各候选邻接节点对应的链路的生存时间与当前快照时间的时间交集占当前快照时间的比值;
获取每个拓扑叠加快照序列内各个低轨卫星节点到各候选邻接节点的跳数;
将卫星通信跨域业务总量、控制区域内每颗低轨卫星承载的跨域业务量、得到的比值和得到的跳数代入利用预设的邻接节点的权值计算式,计算每个候选邻接节点设定权值;
选取权值最大的候选邻接节点作为每个拓扑叠加快照序列与各个相邻控制区域进行通讯的邻接节点。
2.根据权利要求1所述的卫星网络路由方法,其特征在于,所述确定卫星星座中每颗同步轨道GEO卫星的控制区域,包括:基于历史统计的全球卫星通信业务量,选取出与卫星星座中GEO卫星的数量相同的全球卫星通信业务密集区;
分别以选取出的每个全球卫星通信业务密集区为中心向四周延伸,得到每颗GEO卫星的覆盖范围作为每颗GEO卫星的控制区域。
3.根据权利要求1所述的卫星网络路由方法,其特征在于,获取每颗GEO卫星的控制区域内的多个成员变化快照序列和与每个所述成员变化快照序列对应的多个链路变化快照序列,包括:
以每颗GEO卫星覆盖域内卫星成员变化为依据对整个星座周期内的拓扑进行快照划分,得到成员变化快照序列;其中,控制区域内卫星成员变化为某颗低轨道LEO卫星驶入或驶出每颗GEO卫星的控制区域;
以卫星拓扑中链路的变化为依据对成员变化快照序列进行划分,得到链路变化快照序列,其中,卫星拓扑中链路的变化为卫星拓扑中发生链路的新建或拆除。
4.根据权利要求3所述的卫星网络路由方法,其特征在于,对所有链路变化快照序列进行叠加处理,得到每个成员变化快照序列对应的至少一个拓扑叠加快照序列,包括:对成员变化快照序列中的当前链路变化快照序列和下一个链路变化快照序列进行叠加,取两个链路变化快照序列的交集,将两个快照序列中曾发生链路断开的链路全部移除,得到合并链路变化快照序列;
判断合并链路变化快照序列中是否存在孤立卫星簇,以及,判断下一个链路变化快照序列为成员变化快照序列对应的最后一个链路变化快照序列;其中,孤立卫星簇表示该快照序列拓扑中存在一颗或几颗卫星节点与其他卫星节点全部断开连接;
若合并链路变化快照序列中不存在孤立卫星簇,且下一个链路变化快照序列为成员变化快照序列对应的最后一个链路变化快照序列,将合并链路变化快照序列记为成员变化快照序列对应的一个拓扑叠加快照序列;
若合并链路变化快照序列中不存在孤立卫星簇,且下一个链路变化快照序列为成员变化快照序列对应的最后一个链路变化快照序列,将当前链路变化快照序列和下一个链路变化快照序列分别记为成员变化快照序列对应的一个拓扑叠加快照序列;
若合并链路变化快照序列中不存在孤立卫星簇,且下一个链路变化快照序列不为成员变化快照序列对应的最后一个链路变化快照序列,将当前链路变化快照序列记为成员变化快照序列对应的一个拓扑叠加快照序列,并对下一个链路变化快照序列和下一个链路变化快照序列之后的链路变化快照序列再次进行叠加处理,直到成员变化快照序列对应的最后一个链路变化快照序列被叠加后未出现孤立卫星簇或成员变化快照序列对应的最后一个链路变化快照序列记为成员变化快照序列对应的一个拓扑叠加快照序列停止叠加。
5.根据权利要求1所述的卫星网络路由方法,其特征在于,所述对每个控制区域内的任意两个邻接节点间的最短路径进行资源配置,包括:计算出每个控制区域内每个拓扑叠加快照序列中任意两个邻接节点的最短路径;
确定卫星通信跨域业务总量与和每颗低轨卫星承载的跨域业务量的比值;
根据所述比值,对每个控制区域内的任意两个邻接节点间的最短路径进行资源配置。
6.根据权利要求5所述的卫星网络路由方法,其特征在于,所述根据所述比值,对每个控制区域内的任意两个邻接节点间的最短路径进行资源配置,包括:根据所述比值,对每个控制区域内的任意两个邻接节点间的最短路径预留与所述比值相对应的信道或波长资源。
7.一种卫星网络路由装置,其特征在于,包括:第一确定模块,用于确定卫星星座中每颗同步轨道GEO卫星的控制区域;
获取模块,用于获取每颗GEO卫星的控制区域内的多个成员变化快照序列和与每个所述成员变化快照序列对应的多个链路变化快照序列;
叠加模块,用于对所有链路变化快照序列进行叠加处理,得到每个成员变化快照序对应的至少一个拓扑叠加快照序列;
第二确定模块,用于确定每个控制区域内每个拓扑叠加快照序列中与相邻控制区域进行通讯的邻接节点;
配置模块,用于对每个控制区域内的任意两个邻接节点间的最短路径进行资源配置,以便在进行跨域通信时,根据配置的资源选取通讯路径;
其中,所述确定每个控制区域内每个拓扑叠加快照序列中与相邻控制区域进行通讯的邻接节点,包括:
获取基于历史统计的每个控制区域在当前快照时间段内的全域的卫星通信跨域业务总量以及每个控制区域内每颗低轨卫星承载的跨域业务量;
分别获得当前快照时间段内每个控制区域与各个邻域的邻接节点集,并得出各候选邻接节点对应的链路的生存时间与当前快照时间的时间交集占当前快照时间的比值;
获取每个拓扑叠加快照序列内各个低轨卫星节点到各候选邻接节点的跳数;
将卫星通信跨域业务总量、控制区域内每颗低轨卫星承载的跨域业务量、得到的比值和得到的跳数代入利用预设的邻接节点的权值计算式,计算每个候选邻接节点设定权值;
选取权值最大的候选邻接节点作为每个拓扑叠加快照序列与各个相邻控制区域进行通讯的邻接节点。
8.一种卫星网络路由设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任意一项所述的卫星网络路由方法。
9.一种存储介质,其特征在于,所述存储介质存储计算机指令,所述计算机指令用于使计算机执行权利要求1至6任一所述卫星网络路由方法。
说明书 :
一种卫星网络路由方法、装置、设备和存储介质
技术领域
背景技术
组网方式难以满足卫星网络的性能要求。而软件定义网络(Software Defined Network,
SDN)技术在地面通信网中展现出诸多优势。于是,业界提出软件定义卫星网络(Software
Defined Satellite Network, SDSN)架构,将SDN技术应用于卫星网络,获得广泛关注。
均交由部署SDN控制器的地球同步轨道卫星或地面控制中心完成,减轻了卫星节点的负担。
拓扑形式分为动态拓扑路由、虚拟节点路由和快照路由三大类。动态拓扑路由要求卫星节
点之间频繁交换网络拓扑信息,对星上处理能力要求较高,系统开销大。而虚拟节点路由在
实际应用中尚存在一些问题。对于卫星网络空间段,卫星节点间的连接关系、传播时延可以
预知。快照路由算法就是利用卫星网络的周期性,按时间段从实时变化的星座中提取出多
个拓扑快照序列,每个网络中的拓扑快照序列被看作静止不变,从而分时段计算路由。快照
路由算法虽然会占用一定的星上存储空间,但消除了卫星节点之间的拓扑信息交换,从而
降低了星上处理负担,减少了信令开销。因此,快照路由是最为合理易于实现的一种方法。
照下为业务计算路由将导致其频繁切换路由表,带来极大的时延抖动,而且带来的星上存
储压力将不容忽视,所以在SDSN 架构很少使用快照路由,且由于SDSN架构的控制器可以实
时获取到底层卫星网络的状态,所以SDSN架构中更多地使用动态路由算法。但由于跨域业
务的存在,这种动态路由算法将会带来极大时延,而且控制器间会频繁的交互各自网络状
态,造成资源的浪费。
发明内容
浪费。
括:
或驶出每颗GEO卫星的控制区域;
移除,得到合并链路变化快照序列;
该快照序列拓扑中存在一颗或几颗卫星节点与其他卫星节点全部断开连接;
化快照序列对应的一个拓扑叠加快照序列;
路变化快照序列分别记为成员变化快照序列对应的一个拓扑叠加快照序列;
变化快照序列对应的一个拓扑叠加快照序列,并对下一个链路变化快照序列和下一个链路
变化快照序列之后的链路变化快照序列再次进行叠加处理,直到成员变化快照序列对应的
最后一个链路变化快照序列被叠加后未出现孤立卫星簇或成员变化快照序列对应的最后
一个链路变化快照序列记为成员变化快照序列对应的一个拓扑叠加快照序列停止叠加。
值;
网络路由方法。
理的卫星网络快照,其核心在于邻域间邻接节点的选取,通过邻接节点将两个控制区域连
接,对两个控制区域中的拓扑快照进行空间维度的叠加,为跨域业务提供服务,而每卫星无
需其他域的拓扑状态,而且此方法增加了单快照时间长度,极大减少了多层卫星网络中星
上快照存储量,降低了跨域业务通信时延,同时,避免了卫星间频繁交互底层网络信息而带
来的资源浪费。
附图说明
发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以
根据这些附图获得其他的附图。
具体实施方式
二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部
分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后
面列举的元件或者物件及其等同,而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似
的词语并非限定于物理的或者机械的连接,而是可以包括电性的连接,不管是直接的还是
间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系,当被描述对象的绝对位置改变
后,则该相对位置关系也可能相应地改变。
中心向四周延伸,得到每颗GEO卫星的覆盖范围作为每颗GEO卫星的控制区域。例如,卫星星
座中GEO卫星的数量为N,可以选出N个全球卫星通信业务密集区,以使尽可能多的卫星通信
业务集中在单颗GEO卫星覆盖域内,尽量减少跨控制区域的卫星通信业务量,最后分别以选
取出的N个卫星通信业务密集区为中心向四周延伸该GEO卫星的覆盖范围,使每个控制区域
的覆盖范围或承载的业务量大抵相同,将全球划分为N个控制区域。
道LEO卫星驶入或驶出每颗GEO卫星的控制区域;以卫星拓扑中链路的变化为依据对成员变
化快照序列SI进行划分,得到链路变化快照序列 ,其中,卫星拓扑中链路的变化 为卫
星拓扑中发生链路的新建或拆除。
链路全部移除,得到合并链路变化快照序列,对下一个链路变化快照序列 进行更新;
簇表示该快照序列拓扑中存在一颗或几颗卫星节点与其他卫星节点全部断开连接;
为成员变化快照序列对应的一个拓扑叠加快照序列;
一个链路变化快照序列 分别记为成员变化快照序列对应的一个拓扑叠加快照序列;
记为成员变化快照序列对应的一个拓扑叠加快照序列,并返回(1)对下一个链路变化快
照序列 和下一个链路变化快照序列之后的链路变化快照序列再次进行叠加处理,直到
成员变化快照序列对应的最后一个链路变化快照序列被叠加后未出现孤立卫星簇或成员
变化快照序列对应的最后一个链路变化快照序列记为成员变化快照序列对应的一个拓扑
叠加快照序列停止叠加。
出现孤立卫星簇后,退回到叠加前的快照序列后再进行判断,本实施例不做具体限制。
的比值;
定权值Wan;
或波长资源。首先,计算出每个控制区域内每个拓扑叠加快照序列中任意两个邻接节点的
最短路径;再次,确定卫星通信跨域业务总量与和每颗低轨卫星承载的跨域业务量的比值;
然后,根据卫星通信跨域业务总量与和每颗低轨卫星承载的跨域业务量的比值,对每个控
制区域内的任意两个邻接节点间的最短路径进行资源配置。例如,根据卫星通信跨域业务
总量与和每颗低轨卫星承载的跨域业务量的比值,对每个控制区域内的任意两个邻接节点
间的最短路径预留与所述比值相对应的信道或波长资源,以便在进行跨域通信时,根据配
置的资源选取通讯路径。
分布式场景的情况下,这多台设备中的一台设备可以只执行本发明实施例的方法中的某一
个或多个步骤,这多台设备相互之间会进行交互以完成的方法。
的选取,通过邻接节点将两个控制区域连接,对两个控制区域中的拓扑快照进行空间维度
的叠加,为跨域业务提供服务,而每卫星无需其他域的拓扑状态,而且此方法增加了单快照
时间长度,极大减少了多层卫星网络中星上快照存储量,降低了跨域业务通信时延,同时,
避免了卫星间频繁交互底层网络信息而带来的资源浪费。
颗GEO卫星分别以一个自己视野内的密集区为中心向四周延伸其覆盖范围,若在覆盖范围
延伸过程中,出现两密集区距离较近而可以将其置于一颗GEO卫星的覆盖范围内,则重新另
选一个密集区,使每个控制区域的覆盖范围大抵相同。如图2所示,将全球覆盖为六个控制
区域{D1,D2,D3,D4,D5,D6}。
员变化快照序列{S1,S2,S3}。然后根据卫星拓扑中星间链路的变化情况对成员变化快照序
列SI再次划分,得到一系列时间长度更短的链路变化快照序列 图3中(b)部分所示为S3
对应的快照序列 对3中(b)部分中S3对应的快照序列
以孤立卫星簇出现与否为约束条件进行叠加,可以看出若
进行叠加则卫星节点F将会成为孤立卫星簇,域内其他LEO卫星失去联系,因
此仅让 进行叠加生成一个拓扑叠加快照序列,而 进行叠加生成另一个拓
扑叠加快照序列,如图3中(c)部分所示。
算每个候选邻接节点设定权值,式中Wan代表每个域内边界节点的权值, 表示该边界节点
对应链路生存时间与当前快照的时间交集占该快照总时间的比值,Bd表示在全域内的跨域
通信业务量,BLEO表示域内各个LEO卫星节点承载的跨域通信业务量,H表示域内每个LEO卫
星节点到某一边界节点的最小跳数。然后,取权值Wan最大的节点作为两个控制区域间的邻
接节点。如图4所示,以控制区域D1与控制区域D2间邻接节点的选取为例进行说明,卫星节
点的左下标数值为该颗卫星承载的跨域业务量与全域内跨域业务量的比值 控制区
域D1与控制区域D2间的链路上标数值为该条链路生存时间与当前快照的时间交集占该快
照总时间的比值 并将M、N、O、P到自身的最小跳数设为0.5。然后根据权值计算公式得M、
N、O、P这四个边界节点的权值分别为0.40、0.74、0.57、0.38,所以选取权值最大的卫星节点
N作为控制区域D1与控制区域D2间的邻接节点。
D1和控制区域D3间的邻接节点分别为卫星节点B和卫星节点O,根据该颗卫星承载的跨域业
务量与全域内跨域业务量的比值 为节点B和O之间的一条最小跳路径预留信道资源。
宿节点是否位于其控制区域,若在其控制区域内则直接为该业务计算路由,否则将业务信
息发送到相关域,进行域间通信。如图6所示,考虑目的节点为D1域内的节点L、D2域内的节
点K 和D5域的节点J三种情况。当目的节点为D1域内的节点L时,D1域控制器直接为该业务
计算最短路由,并选取一条最短路由F‑>G‑>H‑>L,对相关的LEO卫星进行流表下发;当目的
节点为D2域内的节点K时,D1域控制器会首先计算节点F到与D2域的邻接节点N的最短路径,
并选取任意一条最短路径F‑>J‑>N,对D1域内相应的LEO卫星节点下发流表,同时将业务信
息及邻接节点信息发送给D2域控制器,D2域控制器计算出邻接节点B 到目的节点K的最短
路径,并任意选取一条最短路径B‑>F‑>J‑>K,对D2 域相应的LEO卫星下发流表;当目的节点
为D5域内的节点J时,D1域控制器会首先计算节点F到与中间域D2域的邻接节点N的最短路
径,并选取任意一条最短路径F‑>J‑>N,对D1域内相应的LEO卫星节点下发流表,同时将业务
信息及邻接节点信息发送给D2域控制器,D2域控制器会直接根据接收到的D1域控制器的信
息选用预置的链路B‑>F‑>G‑>H(H为D2域和 D5域的邻接节点),为该业务生成流表并下发的
D2域相应的LEO卫星节点,同时将业务和邻接节点信息发送给D5域控制器,D5域控制器计算
邻接节点E到目的节点J的最短路径,并任取一条最短路径E‑>F‑>J,生成流表并下发到相应
的LEO卫星节点。
模块75:
卫星驶入或驶出每颗GEO卫星的控制区域;
路全部移除,得到合并链路变化快照序列;
该快照序列拓扑中存在一颗或几颗卫星节点与其他卫星节点全部断开连接;
化快照序列对应的一个拓扑叠加快照序列;
路变化快照序列分别记为成员变化快照序列对应的一个拓扑叠加快照序列;
变化快照序列对应的一个拓扑叠加快照序列,并对下一个链路变化快照序列和下一个链路
变化快照序列之后的链路变化快照序列再次进行叠加处理,直到成员变化快照序列对应的
最后一个链路变化快照序列被叠加后未出现孤立卫星簇或成员变化快照序列对应的最后
一个链路变化快照序列记为成员变化快照序列对应的一个拓扑叠加快照序列停止叠加。
值;
比值相对应的信道或波长资源。
通信接口1040和总线1050。其中处理器 1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口
1040通过总线1050实现彼此之间在设备内部的通信连接。
或多个集成电路等方式实现,用于执行相关程序,以实现本说明书实施例所提供的技术方
案。
操作系统和其他应用程序,在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案
时,相关的程序代码保存在存储器1020中,并由处理器1010来调用执行。
输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等,输出设备可以包括显示器、
扬声器、振动器、指示灯等。
(例如移动网络、WIFI、蓝牙等)实现通信。
行所必需的其他组件。此外,本领域的技术人员可以理解的是,上述设备中也可以仅包含实
现本说明书实施例方案所必需的组件,而不必包含图中所示的全部组件。
其他数据。计算机的存储介质的例子包括,但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器
(SRAM)、动态随机存取存储器 (DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器
(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读
存储器(CD‑ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带,磁带磁盘存储或其
他磁性存储设备或任何其他非传输介质,可用于存储可以被计算设备访问的信息。
或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合,步骤可以以任意顺序实现,并存在如
上所述的本发明的不同方面的许多其它变化,为了简明它们没有在细节中提供。
以框图的形式示出装置,以便避免使本发明难以理解,并且这也考虑了以下事实,即关于这
些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即,这些细节应当
完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如,电路)以描述本发明的
示例性实施例的情况下,对本领域技术人员来说显而易见的是,可以在没有这些具体细节
的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此,这些描述应被认为是说明
性的而不是限制性的。
如,其它存储器架构(例如,动态RAM(DRAM)) 可以使用所讨论的实施例。
等,均应包含在本发明的保护范围之内。