CN101552933B - 低/中轨道双层卫星光网络自适应路由系统及代理路由计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了低/中轨道双层卫星光网络自适应路由系统，该系统由空间段路由连接星地接入段，中轨道卫星管理层至少由4颗管理员卫星和管理员卫星组成，管理员卫星和管理员卫星直接管理低轨道卫星路由层，低轨道卫星路由层是由一颗主代理卫星、4颗次级代理卫星和至少8颗普通卫星连接组成。计算方法包括拓扑参数；确定低轨道卫星对中轨道卫星接入生存时间报告；主代理节点和链路；星间链路时延；低轨道卫星时延报告；中轨道卫星时延报告；链路负载；路由代价函数计算。双层卫星光网络分为高度动态变化的接入网和周期性变化的空间段核心网两部分，接入网负责空间段与地面网络融合，空间段利用星间激光链路中继直至服务目地卫星。

Description

低/中轨道双层卫星光网络自适应路由系统及代理路由计算方法

技术领域

本发明涉及卫星网络技术，具体涉及一种低/中轨道双层卫星光网络自适应路由系统及代理路由计算方法。

背景技术

宽带业务的迅速兴起促使卫星通信从弯管式向网络化方向发展。在宽带卫星通信中，当星间链路超过10Gbps时，激光星间链路终端在功耗、体积和重量等方面都比相应的微波链路终端优越得多。随着数个Gbps量级的高速光交叉链路的实现，构建基于激光链路的非静止轨道多层卫星网络，融合地面光纤网络形成一个空天地一体网络成为解决全球宽带接入的最佳选择。

已有卫星网络有限状态机算法和动态虚拓扑路由本质上是静态算法，合适的时间片长度才能保证路由精确度和计算开销间取得平衡，该算法没有考虑卫星节点和链路故障，存在抗毁性和容错性不足的缺陷；数据报文路由算法、曼哈顿网络算法和支柱网络拓扑算法适用于圆极轨道规则网络拓扑，存在扩展性和灵活性差的缺陷；多层卫星网络分级卫星路由协议算法开辟了多层卫星网络路由算法的先河，此后的多层结构算法都由此衍生而来；多层卫星网络路由算法复杂，路由计算开销大，它通过周期性计算路由表来处理星间链路拥塞，存在不能快速响应网络拥塞的缺陷；卫星分组路由协议每个快照时刻都更新一次组成员，如果某时刻有一个低轨卫星移动出中轨卫星覆盖范围，则必须重新定义低轨卫星组成员，这样势必存在导致大量组更新计算开销的缺陷。

卫星网络算法大都利用网络快照的方式把动态拓扑静态化，以最小化传输和处理时延为标准选路，但瞬时最短路径不能保证全局时间最优，另外没有考虑网络资源分配机制，目前算法很难保证不同级别的服务质量。

人们试图想把成熟的网络算法应用到卫星网络中，但真正可以在卫星网络里应用的却没有取得理想的结果，卫星网络路由算法还没有制定出通用的标准，关于卫星光网络路由算法更是少有突破性进展，也是卫星激光链路组网的一大难题和关键技术。

在基于波分复用的多层卫星光网络中，信息的交换、处理和传输以波长为粒度进行，波长资源的分配是必须考虑的课题。因此无论是异步传输模式虚路由、有限状态机链路分配路由协议、数据报文自寻址路由算法、分级卫星路由协议还是卫星分组路由协议和多层卫星网络路由协议都无法满足多波长卫星光网络需求。设计一种能综合考虑波长资源利用和数据包传输时延，具有自适应功能且可提供一定服务质量保证的卫星光网络波长路由算法是一个亟待解决的课题。

发明内容

本发明的目的是提出一种能实时响应卫星网络拓扑和链路负载快速变化，具有较低路由信息开销的优点的低/中轨道双层卫星光网络自适应路由系统。

本发明的另一目的提出一种代理路由计算方法。

为了克服已有微波链路卫星网络的不足，本发明所解决的技术方案是：一种低/中轨道双层卫星光网络自适应路由系统，特殊之处在于该系统由一个空间段路由连接一个星地接入段组成，所述系统空间段路由包括中轨道卫星管理层，其中轨道卫星管理层由4颗管理员卫星和管理员卫星组成，管理员卫星和管理员卫星直接管理低轨道卫星路由层，M_i管理的低轨道卫星路由层是由一颗主代理卫星、4颗次级代理卫星和至少8颗普通卫星连接组成；M_n管理的低轨道卫星路由层由一颗主代理卫星、4颗次级代理卫星和至少8颗普通卫星连接组成，中轨道卫星管理层包括管理员卫星的代理模块的信号发送给划分管理域模块，划分管理域模块的信号发送给第一生成模块，生成模块的信号发送给发送模块，发送模块的信号发送给第二生成模块，第二生成模块的信号发送给共享模块，共享模块的信号发送给全局时延报告模块，全局时延报告模块的信号发送给路由计算部分的服务卫星选择模块，卫星选择模块的信号发送给生存时刻判断模块，生存时刻判断模块持是的信号发送给直接中继判断模块，如果生存时刻判断模块持否定，则生存时刻判断模块的信号发送给管理员卫星和管理员卫星的代理模块；中继判断模块持是的信号发送给中继转发模块，中继判断模块持否定，则中继判断模块的信号发送给低轨卫星层路由模块，中继转发模块的信号返回给卫星选择模块；低轨卫星层路由模块的信号发送给跳转门限判定模块，跳转门限判定模块持是的信号发送给发送数据模块，跳转门限判定模块持否定，则跳转门限判定模块的信号发送给层间路由计算模块，层间路由计算模块的信号发送给中轨卫星层路由模块，中轨卫星层路由模块的信号发送给发送数据模块，发送数据模块的信号再返回发送给卫星选择模块的前端，中继转发模块的信号发送给卫星选择模块的后端。

低/中轨道双层卫星光网络自适应路由系统及代理路由系统具体操作，按下述步骤进行：

1)拓扑参数的确定：

网络中的节点对集合可表示为：V＝{(v_i，v_j)∈V×V}，连接节点对(v_i，v_j)的链路记为l_i→j：v_i→v_j，链路参数随时间周期性变化，因此链路代价是一个时变周期函数，记为f_ij(t)，路径p_sd由一系列不会构成自环的弧构成，记为p_sd：{v_s→v_s+1→...→v_d|d＝s+h}；

式中：h为路径上弧的数目或称跳数，v_s和v_d分别为源节点和目的节点，s和d分别为源节点逻辑地址和目的节点逻辑地址，源节点逻辑地址为s，则路径上每增加一跳，相应的节点逻辑地址加一；

2)、确定低轨道卫星对中轨道卫星接入生存时间报告

在系统运行周期内，中轨道卫星与低轨道卫星的接入时间是一个周期分段阶跃函数，把系统周期T分为p个时隙，T_i＝{t_i-1＜t≤t_i|i＝1，...，p}，也即在t_i-1时刻接入，t_i时刻断开，则在任意时隙T_i内两个节点间接入生存时间定义为：

式中：v_a→v_b表示节点对(v_a，v_b)间的链接，l_a→b表示该链接的链路；

3)、确定主代理节点和链路

主代理链路

定义为在管理域内与管理员具有最长生存时间的星际链路，对应的低轨卫星节点称之为主代理

$l_p^i=\arg \underset{v_a\∈L_{i,j}^A,v_b\∈M_i}{\max }\left\{{\mathrm{\Γ}}_i(v_a\→v_b)\right\}$

$v_p^i=\left\{L_{i,j}^A\right|l_{{L^A}_{i,j}\→M_i}=l_p^i\}---\left(2\right)$

式中M_i代表中轨卫星节点，

表示M_i管理的低轨卫星代理节点，其中j＝0，1，2，3：

4)、星间链路时延报告收集

卫星节点v_a和v_b间的链路记为l_a→b，其距离记为R(l_a→b)，定义该链路时延函数为

式中：c为光速；

5)、低轨道卫星时延报告生成

卫星节点v_a时延报告DR(v_a)定义为二维的集合

其元素分别代表与节点v_a具有星间激光链路的节点v_b和他们之间的时延；低轨道卫星时延报告由主代理、次级代理和普通成员与低轨道卫星间时延组成：

$\mathrm{DR}\left(L_{i,j}\right)=\{E,D\left(l_{L_{i,j}\→E}\right)|E=v_p^i\}\∪\{F,D\left(l_{L_{i,j}\→F}\right)|F\∈L_{i,j}^A\}$

$\∪\{G,D\left(l_{L_{i,j}\→G}\right)|G=L_{i,j}^B\}\∪\{H,D\left(l_{v_p^i\→H}\right)|H=M_i\}---\left(4\right)$

式中：L_i，j代表任意的低轨道卫星节点，

代表主代理卫星节点，

代表次级代理卫星节点，代表普通成员卫星节点，M_i代表管理L_i，j的中轨卫星节点；

6)、中轨道卫星时延报告生成

由于中轨卫星只和其同层两个卫星具有永久性星间激光链路，覆盖低层五个代理低轨卫星，因此其时延报告：

$\mathrm{DR}\left(M_i\right)=\{E,D\left(l_{M_i\→E}\right)|E=M_k,M_r,k\≠r\≠i\}\∪\{F,D\left(l_{M_i\→F}\right)|F=v_p^i\}$

$\∪\{G,D\left(l_{M_i\→G}\right)|G=L_{i,j}^A,j=\mathrm{0,1,2,3}\}---\left(5\right)$

式中：M_i为其中一颗中轨卫星，M_k和M_r为另外两颗和M_i具有永久连接的中轨卫星，

表示中轨卫星M_i管理的低轨卫星主代理，

代表中轨卫星M_i管理的次级代理卫星节点；

7)确定波长使用率业务负载

设激光星间链路波分复用的波长数均为W，定义参数

将链路l_i→j的波长使用表示为

波长利用率表示该链路负载，定义路径p_sd：{v₀→v₁→...→v_h|v₀＝v_s，v_h＝v_d}上波长利用率函数：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{sd}}\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{h-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{W-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{i,i+1}^k---\left(6\right)$

8)确定路由代价函数

任意一条路径p_sd：{v₀→v₁→...→v_h|v₀＝v_s，v_h＝v_d}，路由代价由时延和波长使用二部分组成，时延包括上行链路、下行链路的传输时延和队列时延；波长使用代表业务负载；选路标准是时延和链路负载的综合，用修正Dijkstra最短路径算法计算服务的源宿节点对(v_s，v_d)间路由代价函数f(p_sd)最小的路径p_sd：

$f\left(p_{\mathrm{sd}}\right)={\mathrm{\ρ}}_0\mathrm{Prop}\_\mathrm{Delay}/T_{\max }+{\mathrm{\ρ}}_1\mathrm{Wave}\_\mathrm{Utilization}$

$={\mathrm{\ρ}}_0[D_q+\underset{i=0}{\overset{h-1}{\mathrm{\Σ}}}D\left(l_{i\→i+1}\right)]/T_{\max }+{\mathrm{\ρ}}_1{(1+\underset{i=0}{\overset{h-1}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\λ}}_{i\→i+1}^{k\left(i\right)})}^m---\left(7\right)$

式中：ρ₀，ρ₁分别为时延和波长利用率加权因子，且ρ₀+ρ₁＝1，D_q是队列时延，h为路径p_sd的跳数，T_max为路径p_sd上链路的最大时延，m是波长利用率指数因子。

1、中轨道卫星管理员模型：

低轨道/中轨道双层卫星光网络分级管理员和代理自适应路由策略实现了网络管理和业务承载的分离。低轨道卫星传输网络业务，中轨道卫星对低轨道实施网络管理，进行路由表更新和故障恢复。受激光链路覆盖范围限制，中轨道卫星无法和低轨道建立一对一的连接。作为网络管理员，中轨卫星的管理域包括三个部分：与中轨卫星具有最长连接时间的低轨卫星作为主代理，与主代理一跳距离的四个卫星为次级代理，距四个次级代理一跳远的卫星为普通成员，由主代理、次级代理和普通成员组成了中轨卫星的管理域。当中轨卫星和对应的主代理星际链路进入死亡时刻后，管理域进行更新，下一个时隙仍然以最长生存时间为准则建立管理域。记中轨卫星集合为M＝{M_i|i＝0，1，...，S(M)-1}，S(M)为中轨卫星个数。

2、低轨道卫星代理模型

中轨卫星的管理域依据与管理员具有最长生存时间的主代理划分，记主代理节点为

在每个管理域内，与主代理相邻的四个低轨卫星作为M_i的次级代理，记为集合L^A _i＝{L^A _i，j|j＝0，1，...，3}，集合L^B _i＝{L^B _i，j|j＝0，1，...，S(L^B _i)-1}表示除了代理之外的普通成员，因此M_i的管理域成员可以表示为集合

∪L^A _i∪L^B _i。任意一个低轨道卫星和其相邻四个低轨道卫星节点间具有永久性星间激光链路。

在本路由算法中，由管理员、主代理实现网络管理，中轨道卫星是管理员，和中轨道卫星具有最长连接时间的低轨道卫星称为主代理。当中轨道卫星和低轨道卫星间有星际激光链路我们称之为生存时间，否则进入死亡时间段。中轨道卫星依据最长生存时间的低轨道卫星对整个低轨道卫星进行分组管理，依据与主代理低轨道卫星跳数距离划分管理域。各管理域的更新周期等于主代理和管理员之间星际激光链路的生存时间，即只有当管理员和主代理之间星际激光链路进入死亡时刻才进行管理域更新。这种基于代理的最长连接时间组更新模式可以极大减少拓扑变化信息开销，避免了已有多层卫星网络路由算法频繁组更新从而导致网络性能下降的问题。路由代价函数是时延和波长资源利用率的加权综合，任意一条路径p_sd，路由代价由二部分组成，时延(上、下行链路时延，传输和队列时延)和波长使用(业务负载)。选路标准是时延和链路负载的综合，用修正Dijikstra最短路径算法计算服务的源宿节点对(v_s，v_d)间路由代价函数f(p_sd)最小的路径p_sd：

$f\left(p_{\mathrm{sd}}\right)={\mathrm{\ρ}}_0[D_q+\underset{i=0}{\overset{h-1}{\mathrm{\Σ}}}D\left(l_{i\→i+1}\right)]/T_{\max }+{\mathrm{\ρ}}_1{(1+\underset{i=0}{\overset{h-1}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\λ}}_{i\→i+1}^{k\left(i\right)})}^m$

其中，ρ₀和ρ₁是两个常数权重因子，且ρ₀+ρ₁＝1。D_q是卫星节点队列时延，D(l_i→i+1)是相邻卫星节点i和j间传输时延。

信道分配算法有：(1)随机选择波长，也即随机选择信道；(2)选择信道利用率最低的，这样就可以把负载均衡，称为最少利用法；(3)选择信道利用率最高的，网络剩余容量最大，称为最多利用法。

是卫星节点对i和i+1之间的波长利用率。其中m的取值如下式，(1)、(2)、(3)三种情况分别对应于三种波长信道分配算法：

本发明与现有技术相比，为了简化研究，将低轨道/中轨道双层卫星光网络分为高度动态变化的接入网和周期性变化的空间段核心网两部分，接入网负责空间段与地面网络的融合，空间段利用星间激光链路中继直至服务目的地卫星。本算法实现了网络管理和业务承载的分离，低轨道卫星传输网络业务，中轨道卫星对低轨道卫星实施网络管理，进行路由表更新和故障恢复，本算法原理如图1所示。低轨卫星组更新以组中和其管理员具有最长生存时间的星际激光链路为标准，可以极大减少拓扑变化信息开销，避免了已有多层卫星网络路由算法频繁组更新从而导致网络性能下降的问题。路由代价函数f(p_sd)是时延和波长资源利用率的加权综合，能实时响应网络链路状态信息变化，通过改变时延和波长利用率加权因子保证不同级别的服务质量请求。算法流程如图2所示。

附图说明

图1为本算法原理图；

图2为本算法流程图；

图3为本算法网络吞吐量示意图；

图4为本算法中轨卫星吞吐量示意图；

图5为本算法时延示意图；

图6为本算法最佳跳转门限图。

具体实施方式

附图为本发明的实施例。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

参照图1、图2所示，一种低轨道/中轨道双层卫星光网络自适应路由系统，其特征在于该系统由一个空间段路由连接一个星地接入段组成，所述空间段路由包括中轨道卫星管理层M，其中轨道卫星管理层M至少由4颗管理员卫星M_i和管理员卫星M_n组成，管理员卫星M_i和管理员卫星M_n直接管理低轨道卫星路由层L。M_i管理的低轨道卫星路由层L是由一颗主代理卫星

4颗次级代理卫星L^A _i，j和至少8颗普通卫星L^B _i，j连接组成。M_n管理的低轨道卫星路由层L由一颗主代理卫星vⁿ _p、4颗次级代理卫星L^A _n，j和至少8颗普通卫星L^B _n，j连接组成。上述网络管理部分它包括管理员卫星M_i、M_n的代理模块1.1的信号发送给划分管理域模块1.2，划分管理域模块1.2的信号发送给第一生成模块1.3，生成模块1.3的信号发送给发送模块1.4，发送模块1.4的信号发送给第二生成模块1.5，第二生成模块1.5的信号发送给共享模块1.6，共享模(1.6的信号发送给全局时延报告模块1.7，全局时延报告模块1.7)的信号发送给路由计算部分的服务卫星选择模块2.1，卫星选择模块2.1的信号发送给生存时刻判断模块2.2，生存时刻判断模块2.2持是的信号发送给直接中继判断模块2.3，如果生存时刻判断模块2.2持否定，则生存时刻判断模块2.2的信号返回给发送给确定管理员和代理模块1.1；中继判断模块2.3持是的信号发送给中继转发模块2.4，中继判断模块2.3持否定，则中继判断模块2.3的信号发送给低轨卫星层路由模块2.5，中继转发模块2.4的信号返回给卫星选择模块2.1；低轨卫星层路由模块2.5的信号发送给跳转门限判定模块2.6，跳转门限判定模块2.6持是的信号发送给发送数据模块2.9，跳转门限判定模块2.6持否定，则跳转门限判定模块2.6的信号发送给层间路由计算模块2.7，层间路由计算模块2.7的信号发送给中轨卫星层路由模块2.8，中轨卫星层路由模块2.8的信号发送给发送数据模块2.9，发送数据模块2.9的信号再返回发送给卫星选择模块2.1的前端，中继转发模2.4的信号发送给卫星选择模块2.1的后端。

在传统的微波卫星网络中，中轨卫星依据覆盖区域对低轨卫星实行分组管理，中低轨卫星间通过激光星际链路建立一一对应的关系。而激光链路光束发散角很小，同时中轨卫星只能配置有限的通信转发终端，因此中轨卫星不可能和所有的低轨卫星建立一对一的星际激光链路。为了对传统的多层卫星网络高层对低层依据覆盖区域分组管理策略做出修正，提出了低轨道/中轨道双层卫星光网络基于管理员和代理的分级路由策略。

在本路由算法中，由管理员、主代理实现网络管理，中轨道卫星是管理员，和中轨道卫星具有最长连接时间的低轨卫星称为主代理。当中轨卫星和低轨卫星间有星际激光链路我们称之为生存时间，否则进入死亡时间段。中轨卫星依据最长生存时间的低轨卫星对整个低轨卫星进行分组管理。和主代理低轨卫星具有数跳距离的低轨卫星称为一个管理域。低轨卫星组更新以组中和其管理员具有最长生存时间的星际激光链路为上限，每次只有当管理员和主代理之间星际激光链路进入死亡时刻才进行管理域更新。

这种基于代理的最长连接时间组更新模式可以极大地减少拓扑变化信息开销，解决了已有的多层卫星网络路由算法频繁组更新所导致的网络阻塞问题。

为了实施本路由算法，对低轨道卫星和中轨道卫星进行如下定义：

a)、管理员：每个中轨道卫星为一个管理员，负责管理其管理域内的低轨卫星，和周围两个管理员(中轨道卫星)具有永久的星间激光链路，用来共享整个网络状态信息。受激光链路覆盖范围限制，中轨道卫星无法和低轨道卫星建立一对一的连接。作为网络管理员，中轨卫星的管理域包括三个部分。与中轨卫星具有最长连接时间的低轨卫星作为主代理，与主代理一跳距离的四个卫星为代理，距四个代理一跳远的卫星作为中轨卫星的管理域。把系统周期T分为p个时隙，每个时隙内中轨道卫星管理一组低轨卫星，当中轨卫星和对应的主代理星际链路进入死亡时刻后，管理域进行更新，下一个时隙仍然以最长生存时间为准则建立管理域。记中轨卫星集合为M＝{M_i |i＝0，1，...，S(M)-1}，S(M)为中轨卫星个数。

b)、主代理：中轨道卫星作为管理员把满足最小仰角限制且具有最长接入时间的一个低轨道卫星作为其主代理。管理域通过主代理的生存和死亡实现更新。中轨卫星的管理域依据与管理员具有最长生存时间的主代理划分，记主代理节点为

c)、次级代理和普通成员：与主代理相邻的四个低轨卫星作为M_i的次级代理，记为集合L^A _i＝{L^A _i，j|j＝0，1，...，3}，次级代理与主代理具有永久的星间激光链路，负责管理其周围一跳内的低轨卫星节点。与次级代理距离一跳远的低轨卫星节点为普通成员，可表示成集合L^B _i＝{L^B _i，j|j＝0，1，...，S(L^B _i)-1}，S(L^B _i)为普通成员个数。

d)管理域：每个管理员的管理域由主代理、次级代理和与次级代理相距一跳的低轨道卫星成员构成。M_i的管理域可以表示为集合

主代理和次级代理一组五个低轨道卫星节点称为代理，他们和管理员具有直接的星际激光链路，进行组更新、网络状态信息和故障信息向上层发布。如图1所示，两个中轨道卫星作为管理员，负责管理两组低轨卫星分别称为组1和组2，其中三个轨道面三个平面环上的四个卫星作为其次级代理，负责与其相邻的8个卫星的管理。这种跨轨和跨环的代理分布，有利于管理资源的高效使用，把卫星切换最小化。如果有限的中轨卫星无法覆盖数量巨大的低轨卫星节点，则可把管理域扩大为距代理一跳距离以上的节点，直至能完全覆盖为止。

低轨道/中轨道双层卫星光网络自适应路由系统的代理路由具体操作，按下述步骤进行：

1)拓扑参数的确定：

网络中的节点对集合可表示为：V＝{(v_i，v_j)∈V×V}，连接节点对(v_i，v_j)的链路记为l_i→j：v_i→v_j，链路参数随时间周期性变化，因此链路代价是一个时变周期函数，记为f_ij(t)，路径p_sd由一系列不会构成自环的弧构成，记为p_sd：{v_s→v_s+1→...→v_d|d＝s+h}；

式中：h为路径上弧的数目或称跳数，v_s和v_d分别为源节点和目的节点，s和d分别为源节点逻辑地址和目的节点逻辑地址，源节点逻辑地址为s，则路径上每增加一跳，相应的节点逻辑地址加一。

2)、确定低轨道卫星对中轨道卫星接入生存时间报告

在系统运行周期内，中轨道卫星与低轨道卫星的接入时间是一个周期分段阶跃函数，把系统周期T分为p个时隙，T_i＝{t_i-1＜t≤t_i|i＝1，...，p}，也即在t_i-1时刻接入，t_i时刻断开，则在任意时隙T_i内两个节点间接入生存时间定义为：

式中：v_a→v_b表示节点对(v_a，v_b)间的链接，l_a→b表示该链接的链路。

3)、主代理节点和链路

主代理链路

定义为在管理域内与管理员具有最长生存时间的星际链路，对应的低轨卫星节点称之为主代理

$l_p^i=\arg \underset{v_a\∈L_{i,j}^A,v_b\∈M_i}{\max }\left\{{\mathrm{\Γ}}_i(v_a\→v_b)\right\}$

$v_p^i=\left\{L_{i,j}^A\right|l_{{L^A}_{i,j}\→M_i}=l_p^i\}---\left(2\right)$

式中M_i代表中轨卫星节点，

表示M_i管理的低轨卫星代理节点，其中j＝0，1，2，3。

4)、星间链路时延

卫星节点v_a和v_b间的链路记为l_a→b，其距离记为R(l_a→b)，定义该链路时延函数为

式中：c为光速。

5)、低轨道卫星时延报告

卫星节点v_a时延报告DR(v_a)定义为二维的集合

其元素分别代表与节点v_a具有星间激光链路的节点v_b和他们之间的时延。低轨道卫星时延报告包括与主代理、次级代理和普通成员间时延组成：

$\mathrm{DR}\left(L_{i,j}\right)=\{E,D\left(l_{L_{i,j}\→E}\right)|E=v_p^i\}\∪\{F,D\left(l_{L_{i,j}\→F}\right)|F\∈L_{i,j}^A\}$

$\∪\{G,D\left(l_{L_{i,j}\→G}\right)|G=L_{i,j}^B\}\∪\{H,D\left(l_{v_p^i\→H}\right)|H=M_i\}---\left(4\right)$

式中：L_i，j代表任意的低轨到卫星节点，

代表主代理卫星节点，

代表次级代理卫星节点，

代表普通成员卫星节点，M_i代表管理L_i，j的中轨卫星节点。

6)、中轨道卫星时延报告

由于中轨卫星只和其同层两个卫星具有永久性星间激光链路，覆盖低层五个代理低轨卫星，因此其时延报告：

$\mathrm{DR}\left(M_i\right)=\{E,D\left(l_{M_i\→E}\right)|E=M_k,M_r,k\≠r\≠i\}\∪\{F,D\left(l_{M_i\→F}\right)|F=v_p^i\}$

$\∪\{G,D\left(l_{M_i\→G}\right)|G=L_{i,j}^A,j=\mathrm{0,1,2,3}\}---\left(5\right)$

式中：M_i为其中一颗中轨卫星，M_k和M_r为另外两颗和M_i具有永久连接的中轨卫星，

表示中轨卫星M_i管理的低轨卫星主代理，

代表中轨卫星M_i管理的次级代理卫星节点。

7)波长使用率业务负载

设激光星间链路波分复用的波长数均为W，定义参数

将链路l_i→j的波长使用表示为

波长利用率表示该链路负载，定义路径p_sd：{v₀→v₁→...→v_h|v₀＝v_s，v_h＝v_d}上波长利用率函数：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{sd}}\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{h-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{W-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{i,i+1}^k---\left(6\right)$

8)路由代价函数

任意一条路径p_sd：{v₀→v₁→...→v_h|v₀＝v_s，v_h＝v_d}，路由代价由二部分组成，时延(上、下行链路时延，传输和队列时延)和波长使用(业务负载)，选路标准是时延和链路负载的综合，用修正Dijikstra最短路径算法计算服务的源宿节点对(v_s，v_d)间路由代价函数f(p_sd)最小的路径p_sd：

$f\left(p_{\mathrm{sd}}\right)={\mathrm{\ρ}}_0\mathrm{Prop}\_\mathrm{Delay}/T_{\max }+{\mathrm{\ρ}}_1\mathrm{Wave}\_\mathrm{Utilization}$

$={\mathrm{\ρ}}_0[D_q+\underset{i=0}{\overset{h-1}{\mathrm{\Σ}}}D\left(l_{i\→i+1}\right)]/T_{\max }+{\mathrm{\ρ}}_1{(1+\underset{i=0}{\overset{h-1}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\λ}}_{i\→i+1}^{k\left(i\right)})}^m---\left(7\right)$

式中：ρ₀，ρ₁分别为时延和波长利用率加权因子，且ρ₀+ρ₁＝1，D_q是队列时延，h为路径p_sd的跳数，T_max为路径p_sd上链路的最大时延，m是波长利用率指数因子。

具体的流程如图2所示，主要由网络管理和路由计算两部分组成。

A、网络管理

1.1、确定管理员和代理：确定管理员、主代理和次级代理；

1.2、划分管理域：依据管理员、代理和主代理进行管理域划分；

1.3、

生成：低轨卫星层生成

1.4、发送：向中轨卫星层发送

1.5、DR(M_i)生成：中轨卫星层生成管理员时延报告DR(M_i)；

1.6、共享

和DR(M_i)：在中轨卫星层共享DR(M_i)和

交换管理员时延报告；

1.7、发布全局时延报告：向低轨卫星层发布网络全局时延报告；

B、路由选择

2.1：服务卫星对选择：对任意数据包依据最长覆盖准则选择服务卫星对(v_s，v_d)，两个对应的低轨卫星分别记为L_i，j和L_n，m；

2.2：生存时刻判断：L_i，j和L_n，m所在管理域的主链路是否在生存时间段，如果否，也即进入死亡时刻，转到网络管理1.1步；否则转向下一步；

2.3：直接中继判断：判断L_i，j和L_n，m的管理员M_i和M_n是否为同一颗卫星，如果否，转向第2.5步，否则转向下一步；

2.4：中继转发：如果i＝n，也即两个服务卫星对被同一颗中轨卫星覆盖，选择该卫星直接中继转发，转向2.1；

2.5：低轨卫星层路由：用修正Dijikstra最短路径算法计算服务的源目的节点对间路由代价函数f(p_sd)最小的路径p_sd；

2.6：跳转门限判定：定义阈值门限h_threshold，如果路径p_sd的跳数

转到2.9，否则执行下一步；

2.7：层间路由计算：选择源目的卫星到其管理员M_s和M_d最优路径p_ss和p_ds，使得各自路由代价函数f(p_ss)和f(p_ds)最小；

2.8：中轨卫星层路由：在中轨道卫星层选择最优路径，使得

最小；

2.9：发送数据：按照选定的路径发送数据。

实施例1

为了验证本路由算法，利用Opnet网络性能仿真软件建立了双层卫星光网络进程模型，节点模型和网络模型来仿真算法性能，算法仿真结果如下：

①、经过网络的初始化预热状态后，接收数据到达稳态，单层网络平均速率为102Mbps，如图3虚线所示；双层网络吞吐量为102.5Mbps，如图3实线所示。在双层卫星网络中，由于有中轨道卫星的中继，当低轨道卫星的星间激光链路利用率很大时，数据包通过中轨道卫星中继转发，因此丢包率大大降低。如果网络业务源在数Gbps量级，低轨道卫星/中轨道卫星双层网络结构相对单层网络结构吞吐量优势将更加明显。

②、图4所示为中轨道卫星平均吞吐量。由于中轨道卫星和低轨道卫星周期性运动，二者之间周期性出现生存和死亡时间段，因此两个轨道面上6个中轨道卫星的吞吐量均为正弦周期变化。当中轨道卫星和其代理的低轨道卫星之间距离最近时，低轨道卫星向中轨道卫星中继数据量增多，随着中轨道卫星和其代理的低轨道卫星之间距离逐渐增大，中继数据逐渐减少。当主代理链路

进入死亡时刻，进行组更新，中轨道卫星层卫星吞吐量达到极小值。另一方面，从两图可以看到赤道轨道中轨道卫星平均吞吐量为3.2Mbps，极地轨道中轨道卫星平均吞吐量为0.8Mbps。这是由于赤道轨道中轨道卫星比极地轨道中轨道卫星对低轨道卫星层的覆盖范围广，刚好补充了零相位因子低轨卫星星座对赤道地区覆盖不足。

③、图5所示为单层和双层网络时延，可以看出双层网络时延比单层网络平均时延降低3.96毫秒而且抖动很小。单层低轨道卫星网络平均时延为72.15毫秒，突发业务模型使得邻近高速数据业务源节点的星间激光链路负载很大，而远离高速数据源的星间激光链路负载较小，当星间激光链路的利用率增加时，队列时延增加，全局网络时延出现75.27毫秒的最大时延，并且随机出现波峰。低轨道卫星/中轨道卫星场景网络时延周期性波动，平均时延为69.19毫秒。每55分钟出现一个波峰，峰值为69.89毫秒。一方面这是由于低轨道卫星和中轨道卫星平均连接时间为1个小时，在服务期间发生中继中轨道卫星的切换导致时延突然增加，切换完毕网络达到下一个稳定状态；另一方面由于本算法是时延和资源利用率的加权综合，每当低轨道卫星层星间激光链路波长利用增加到一定门限时会放弃该链路，网络拥塞概率降低，不会随机出现时延波峰值；

④、在低轨道卫星/中轨道卫星双层卫星光网络本路由算法具体仿真实现中，我们没有设定固定的阈值门限h_threshold，而是通过自适应学习低轨道卫星层和中轨道卫星层的路由代价函数f来搜索一个最佳的跳转门限h_threshold。图6所示为网络跳转门限随仿真时间变化曲线，跳转门限从5开始，之后在6-8之间振荡，在14.01分钟后收敛到6，由此我们得到了最优的跳转门限值。

Claims (1)

1.一种低/中轨道双层卫星光网络自适应路由系统，其特征在于该系统由一个空间段路由连接一个星地接入段组成，所述系统空间段路由包括中轨道卫星管理层(M)，其中轨道卫星管理层(M)至少由4颗管理员卫星M_i和管理员卫星M_n组成，管理员卫星M_i和管理员卫星M_n直接管理低轨道卫星路由层(L)，M_i管理的低轨道卫星路由层(L)是由一颗主代理卫星(vⁱ _p)、4颗次级代理卫星(L^A _i，j)和至少8颗普通卫星(L^B _i，j)连接组成；M_n管理的低轨道卫星路由层(L)由一颗主代理卫星(vⁿ _p)、4颗次级代理卫星(L^A _n，j)和至少8颗普通卫星(L^B _n，j)连接组成，中轨道卫星管理层包括：管理员卫星M_i和管理员卫星M_n的代理模块(1.1)的信号发送给划分管理域模块(1.2)，划分管理域模块(1.2)的信号发送给第一生成模块(1.3)，生成模块(1.3)的信号发送给发送模块(1.4)，发送模块(1.4)的信号发送给第二生成模块(1.5)，第二生成模块(1.5)的信号发送给共享模块(1.6)，共享模块(1.6)的信号发送给全局时延报告模块(1.7)，全局时延报告模块(1.7)的信号发送给路由计算部分的服务卫星选择模块(2.1)，卫星选择模块(2.1)的信号发送给生存时刻判断模块(2.2)，生存时刻判断模块(2.2)持是的信号发送给直接中继判断模块(2.3)，如果生存时刻判断模块(2.2)持否定，则生存时刻判断模块(2.2)的信号发送给管理员卫星和管理员卫星的代理模块(1.1)；中继判断模块(2.3)持是的信号发送给中继转发模块(2.4)，中继判断模块(2.3)持否定，则中继判断模块(2.3)的信号发送给低轨卫星层路由模块(2.5)，中继转发模块(2.4)的信号返回给卫星选择模块(2.1)；低轨卫星层路由模块(2.5)的信号发送给跳转门限判定模块(2.6)，跳转门限判定模块(2.6)持是的信号发送给发送数据模块(2.9)，跳转门限判定模块(2.6)持否定，则跳转门限判定模块(2.6)的信号发送给 层间路由计算模块(2.7)，层间路由计算模块(2.7)的信号发送给中轨卫星层路由模块(2.8)，中轨卫星层路由模块(2.8)的信号发送给发送数据模块(2.9)，发送数据模块(2.9)的信号再返回发送给卫星选择模块(2.1)的前端，中继转发模块(2.4)的信号发送给卫星选择模块(2.1)的后端；

低/中轨道双层卫星光网络自适应路由系统及代理路由系统具体操作，按下述步骤进行：

1)拓扑参数的确定：

网络中的节点对集合可表示为：V＝{(v_i，v_j)∈V×V}，连接节点对(v_i，v_j)的链路记为l_i→j：v_i→v_j，链路参数随时间周期性变化，因此链路代价是一个时变周期函数，记为f_ij(t)，路径p_sd由一系列不会构成自环的弧构成，记为p_sd：{v_s→v_s+1→…→v_d|d＝s+h}；

式中：h为路径上弧的数目或称跳数，v_s和v_d分别为源节点和目的节点，s和d分别为源节点逻辑地址和目的节点逻辑地址，源节点逻辑地址为s，则路径上每增加一跳，相应的节点逻辑地址加一；

2)、确定低轨道卫星对中轨道卫星接入生存时间报告

在系统运行周期内，中轨道卫星与低轨道卫星的接入时间是一个周期分段阶跃函数，把系统周期T分为p个时隙，T_i＝{t_i-1＜t≤t_i|i＝1，...，p}，也即在t_i-1时刻接入，t_i时刻断开，则在任意时隙T_i内两个节点间接入生存时间定义为：

式中：v_a→v_b表示节点对(v_a，v_b)间的链接，l_a→b表示该链接的链路；

3)、确定主代理节点和链路

主代理链路 

定义为在管理域内与管理员具有最长生存时间的星际链路，对应的低轨卫星节点称之为主代理 

式中M_i代表中轨卫星节点， 表示M_i管理的低轨卫星代理节点，其中j＝0，1，2，3：

4)、星间链路时延报告收集

卫星节点v_a和v_b间的链路记为l_a→b，其距离记为R(l_a→b)，定义该链路时延函数为

式中：c为光速；

5)、低轨道卫星时延报告生成

卫星节点v_a时延报告DR(v_a)定义为二维的集合 

其元素分别代表与节点v_a具有星间激光链路的节点v_b和他们之间的时延；低轨道卫星时延报告由主代理、次级代理和普通成员与低轨道卫星间时延组成：

式中：L_i，j代表任意的低轨道卫星节点， 

代表主代理卫星节点， 

代表次级代理卫星节点， 

代表普通成员卫星节点，M_i代表管理L_i，j的中轨卫星节点；

6)、中轨道卫星时延报告生成

由于中轨卫星只和其同层两个卫星具有永久性星间激光链路，覆盖低层五个代理低轨卫星，因此其时延报告：

式中：M_i为其中一颗中轨卫星，M_k和M_r为另外两颗和M_i具有永久连接的中轨卫星， 

表示中轨卫星M_i管理的低轨卫星主代理， 

代表中轨卫星M_i管理的次级代理卫星节点； 

7)确定波长使用率业务负载

设激光星间链路波分复用的波长数均为W，定义参数 

将链路l_i→j的波长使用表示为 

波长利用率表示该链路负载，定义路径p_sd：{v₀→v₁→…→v_h|v₀＝v_s，v_h＝v_d}上波长利用率函数：

8)确定路由代价函数

任意一条路径p_sd：{v₀→v₁→…→v_h|v₀＝v_s，v_h＝v_d}，路由代价由时延和波长使用二部分组成，时延包括上行链路、下行链路的传输时延和队列时延；波长使用代表业务负载；选路标准是时延和链路负载的综合，用修正Dijkstra最短路径算法计算服务的源宿节点对(v_s，v_d)间路由代价函数f(p_sd)最小的路径p_sd：

式中：ρ₀，ρ₁分别为时延和波长利用率加权因子，且ρ₀+ρ₁＝1，D_q是队列时延，h为路径p_sd的跳数，T_max为路径p_sd上链路的最大时延，m是波长利用率指数因子， 

是卫星节点对i和i+1之间的波长利用率。

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