CN102075232B

CN102075232B - 一种卫星星间链路的链路重构方法

Info

Publication number: CN102075232B
Application number: CN 201110023578
Authority: CN
Inventors: 潘成胜; 刘春玲; 丁元明; 王明洋
Original assignee: Dalian University
Current assignee: Dalian University
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-01-20
Also published as: CN102075232A

Abstract

本发明所属技术领域为卫星网络，涉及一种卫星星间链路的链路重构方法，该发明可应用于卫星之间链路的重新构建。本发明在对失效链路进行链路重构时，规定了每颗卫星的连接度阈值，连接度即为卫星自身连接链路的条数，即卫星建立链路的条数不能超过自身的连接度阈值。为了更充分利用卫星上的资源，在卫星的选择顺序上，应该优先选择当前连接度最小的卫星节点进行链路重构，并在链路重构时尽量使其自身的连接度达到最大值；在重构链路的选择上，仍然需要对链路可视性、连接度和距离参数做出判断。链路重构后需要更新网络中卫星自身的连接度属性，并循环判断结束条件。

Description

一种卫星星间链路的链路重构方法

所属技术领域

本发明所属技术领域为卫星网络，涉及一种星间链路重构方法HDMD(Link reconfigurationbased on Highest-connectivity Degree and Minimum link Delay)，该发明可应用于卫星之间链路的重新构建。

背景技术

卫星网络是当今世界研究的热门话题，卫星通信技术已经日趋成熟，它能够提供高速Internet接入及交互式多媒体业务，近年来成为卫星通信的一个重要应用领域。现在发展中的卫星通信系统，除采用传统的地球同步轨道(GEO)卫星外，还采用了低轨(LEO)、中轨(MEO)以及混合卫星星座。

随着卫星网络中节点不断的增多，出现了很多问题，例如：外国的间谍卫星通过一定的技术手段攻击或干扰我国骨干卫星之间的链路，导致星间链路失效；随着卫星的绕地运行，出现卫星设备故障或卫星链路之间信号的强力干扰，导致星间链路失效；某些卫星自身出现故障，导致卫星损毁，间接导致星间链路失效。如何有效地解决这种链路失效情况，是网络管理面临的紧迫问题，也是军事战争中急需解决的一个重大问题。否则，链路的失效可能意味着工作或日常生活的混乱或巨额损失，尤其是在战争情况下，该问题已经关系到国家的生死存亡。

链路重构是以链路安全和链路抗毁为目的，链路建立为手段的一种快速恢复网络通信的技术，当网络中出现链路失效的情况时，自动触发重构机制，确定失效链路后，重新建立新的链路以代替失效链路，保证整个网络正常通信。随着当前的社会经济、大众生活、国家政治、军事发展等对卫星网络的依赖性越来越大，人们对网络的稳定性和通畅性的要求也越来越高，链路重构的研究也越来越重要。

现在的链路重构方法仅适用于规模较小的卫星网络，当卫星网络中卫星的数目增多，这些重构机制就会出现很多缺陷，例如：重新建立的链路过多地选择到骨干卫星节点上，造成骨干卫星节点损毁，最终导致整个卫星网络的“瘫痪”。

发明内容

针对这种状况，设计了一种新的星间链路重构方法。它限制卫星所建立的链路条数不超过一个阈值(连接度阈值)，并且在建立链路的选择上以最小链路时延为代价，以此来保障整个网络的稳定性和时延最小性。

一种卫星星间链路的链路重构方法，具有如下步骤：

步骤1卫星数量确定步骤：将链路检测得到的受链路失效影响的所有卫星节点确定为需要进行链路重构的卫星；

事实上判定哪条链路失效是需要进行链路检测才能够确定的，本算法并不是如何检测出失效链路，而是在假定已经检测出失效链路的前提下进行链路重构。

步骤2卫星连接度阈值的确定步骤；将卫星链路失效前的连接度值设为该卫星的连接度阈值；

我们为每颗卫星设定一个连接度阈值，当卫星的连接度达到阈值时，将不会建立任何链路，这样对网络的稳定性提供了一定的保障。关于连接度阈值的确定，我们规定网络拓扑中卫星最初的连接度值为该卫星的连接度阈值，该值在整个链路重构的过程中保持不变；步骤3建立连接度表步骤：将步骤1中确定的卫星放入集合S中，即S＝{S_1，S_2，...，S_N}，并建立这N个节点的连接度表；

连接度表T，表T的格式如表1所示：

表1连接度表T

节点	节点1	节点2	...	节点N
					节点损毁后的连接度
链路重构后的连接度
					连接度阈值

表T的作用为：一方面找出连接度最小的卫星节点，并首先对其进行链路重构，另一方面，从表中可以判断出哪些卫星达到连接度阈值，在建立链路时将这些卫星排除。

步骤4节点确定步骤：在步骤3中找出连接度最小的卫星作为节点，记该节点为S_Cmin，若所有卫星的连接度相等，则采取保持最长可视时间原则选取优先建立链路的卫星，使建立的链路能够保持最长的连接时间。

步骤5建立链路步骤：首先为S_Cmin卫星节点建立其周围的星间链路，建立链路的条数为C_max-C_min，其中C_max为卫星节点自身的连接度阈值，C_min为S_Cmin卫星当前的连接度值，建立链路的卫星从集合S中其余卫星中选取；

建立链路的选择上遵循三个条件：首先保证S_Cmin卫星与建立链路的另一端卫星的可视性，其次保证两颗卫星各自的连接度应该小于自身的连接度阈值，第三选择链路长度最短的卫星建立链路；

步骤6链路更新步骤：若找到符合所述步骤5中三个条件的链路，那么建立S_Cmin周围的链路，并更新连接度表中的卫星连接度值，集合S中连接度达到最大值的卫星不会再建立任何链路；从连接度表中其余卫星中选出连接度最小的卫星节点，跳至步骤5，建立其周围的链路，直到集合S为空集时为止。

这样做的目的是尽可能地为每个受链路失效影响的卫星都能建立新的链路。如果集合S为空时，仍然没有建立新的链路，则本次链路重构完成，等待下一次链路重构的触发。

循环执行步骤4～6，直到集合S为空时为止，链路重构结束，等待下一次链路重构的触发。

所述步骤3中所述卫星连接度表包括节点损毁后的连接度、更新后的连接度、链路重构后的连接度和连接度阈值。

所述步骤4中若所有卫星的连接度相等，则采取保持最长可视时间原则选取优先建立链路的卫星，使建立的链路能够保持最长的连接时间。

所述步骤4中我们规定卫星纬度值比较大小时使用代数值比较，其原则有以下两种：

i)若卫星的运动方向自南向北，即上一时刻卫星的纬度值小于当前卫星的纬度值，则选取纬度值最低的卫星作为首选S_Cmin；

ii)若卫星的运动方向自北向南，即上一时刻卫星的纬度值大于现在卫星的纬度值，则选取纬度值最高的卫星作为首选S_Cmin。

所述步骤5中所述建立链路的选择上遵循三个条件，如果不满足三个条件中的任何一个，则从其余卫星中再次选择，如果直到最后一个卫星也没有满足这三个条件，则重新从集合S中选择连接度最小的节点S_Cmin，执行步骤5。

附图说明

以下结合附图及实例对本发明进行详细说明。

图1是HDMD链路重构方法流程图；

图2是保持最长可视时间原则流程图；

图3是卫星建立链路条件流程图。

图4是卫星网络拓扑示意图

图5是卫星网络中出现失效链路示意图

图6是重构后的网络示意图

图7是卫星网络拓扑示意图

图8是卫星网络中出现失效链路示意图

图9是重构后的网络示意图

具体实施方式

本发明在对失效链路进行链路重构时，规定了每颗卫星的连接度阈值，连接度即为卫星自身连接链路的条数，即卫星建立链路的条数不能超过自身的连接度阈值。为了更充分利用卫星上的资源，在卫星的选择顺序上，应该优先选择当前连接度最小的卫星节点进行链路重构，并在链路重构时尽量使其自身的连接度达到最大值；在重构链路的选择上，仍然需要对链路可视性、连接度和距离参数做出判断。链路重构后需要更新网络中卫星自身的连接度属性，并循环判断结束条件。

参见图1，其为HDMD星间链路重构方法的流程图，选择链路时延最小的卫星建立链路，并且前提是建立链路后该卫星不能超过其最大连接度，否则选择下一个链路时延最小的卫星建立链路。具体包括如下步骤：

首先确定受链路失效影响的所有卫星节点(步骤S100)，该步骤可使用如[工兵学报]第28卷第8期(2007年8月)上发表的“基于概率方法的卫星网络链路自主检测”中所记载的技术方案，在本发明中对于此方法不再详细说明；为每颗卫星设定一个连接度阈值，网络拓扑中卫星最初的连接度值为该卫星的连接度阈值，该值在整个链路重构的过程中保持不变(步骤S101；确定好卫星节点后，假设有N颗卫星，将它们放入集合S中即S＝{S_1，S_2，...，S_N}(步骤S102)；建立这N个节点的连接度表T(步骤S103)；找出连接度最小的卫星作为节点，记该节点为S_Cmin(步骤S104)；判断连接度最小的卫星节点是否唯一(步骤S105)；

如果有一颗以上卫星的连接度相等，即节点不唯一(步骤S105：否)；那么、采取保持最长可视时间原则选取优先建立链路的卫星，确定唯一节点(步骤S106)；

步骤S106中采取保持最长可视时间原则选取优先建立链路的卫星的方法如图2保持最长可视时间原则流程图所示，首先判断卫星的运动方向是否是自南向北(步骤S200)，即上一时刻卫星的纬度值小于当前卫星的纬度值，如果卫星的运动方向是自南向北，即上一时刻卫星的纬度值小于当前卫星的纬度值(步骤S200：是)，则选取纬度值最低的卫星作为首选(步骤S202)；若卫星的运动方向不是自南向北(步骤S200：否)，即上一时刻卫星的纬度值大于现在卫星的纬度值，则选取纬度值最高的卫星作为首选S_Cmin(步骤S201)。

如果有卫星节点唯一(步骤S105：是)；那么、判断节点是否满足建立条件(步骤：S107)；步骤S107的判断方法如图3卫星建立链路条件流程图所示，

首先、判断S_Cmin卫星与建立链路的另一端卫星的可视性(步骤S300)，如果步骤S300为是，那么判断两颗卫星各自的连接度是否小于自身的连接度阈值(步骤S301)，如果步骤S301为是，那么判断是否是选择了链路长度最短的卫星建立链路(步骤S302)，如果步骤S302为是，那么链路建立条件成立，即满足链路建立条件(步骤S107：是)；建立节点周围的星间链路(步骤：S108)；并更新连接度表T中的卫星连接度值(步骤S109)；循环执行步骤S104-S109，直到集合S为空时为止(步骤S110)。

如果图3卫星建立链路条件流程图中步骤S300、步骤S301、步骤S302为否时，即不满足链路建立条件(步骤S107：否)，那么返回步骤S104从其余卫星中再次选择。

链路重构结束，等待下一次链路重构的触发。

下面分两种情况介绍实例

实施例1：单颗卫星损毁导致链路失效

如图4所示，该图为一个假定的卫星网络中的一部分，包括卫星204、205、206、304、305、306、404、405、406九颗卫星，这九颗卫星的连接度均为4。如图5所示如果卫星305损毁，那么链路205-305、305-405、304-305和305-306就会失效，卫星304到306、205到405的通信就不能通过305转发，只能再寻找其它中继卫星转发，这样增大了网络延时，也增大了其他链路的负载。此时进行链路重构，具体如下：

1、卫星数量确定

从图5中我们检测到失效链路进而找到受链路失效影响的卫星节点：205、405、304和306，这四颗卫星的连接度由原来的4变为3；

2、卫星连接度阈值的确定

这四颗卫星的最初连接度都为4，则每颗卫星的连接度阈值为4；

3、建立连接度表

受影响的卫星数目为4，将它们放入集合S中，即S＝{S_205，S_304，S_306，S_405}，建立连接度表T如表2所示：

表2链路失效后的连接度表

节点	205	304	306	405
					节点损毁后的连接度	3	3	3	3
链路重构后的连接度
					连接度阈值	4	4	4	4

4、节点确定

表T中所有节点的连接度都相等，根据保持最长可视时间原则，卫星运动方向为自北向南，假设304的纬度值最高、可视时间最长，所以这里选择纬度值最高的304，首先建立304周围的链路；

5、建立链路

建立链路的条数确定为：4-3＝1(条)，然后从205、306、405这三颗卫星中选择一个卫星建立链路，首先选择与304可视的节点，205及405均符合要求，然后从中选出建立链路后连接度不超过阈值的节点，205及405均符合要求，最后再从中选出链路距离最短的节点，此时205的链路距离最短，即将最后的选出的卫星与304建立链路，最后选出的卫星为205；

6、链路更新

前面已经选出建立链路的卫星节点，更新连接度表T中的连接度值，如表3所示：

表3链路更新后的连接度表

节点	205	304	306	405
					节点损毁后的连接度	3	3	3	3
链路重构后的连接度	4	4	3	3
					连接度阈值	4	4	4	4

7、从更新后的连接度表中继续选出连接度最小的节点306、405，重复步骤4～6，直到集合S为空；

8、最后集合S为空时的连接度表T如表4所示，链路重构结束，等待下一次链路重构的触发，链路重构完成图如图6所示。

表4链路重构完成后的连接度表

节点	205	304	306	405
					节点损毁后的连接度	3	3	3	3
链路重构后的连接度	4	4	4	4
					连接度阈值	4	4	4	4

实施例2两颗卫星损毁导致链路失效

如图7所示，该图为一个假定的卫星网络中的一部分，包括卫星204、205、206、304、305、306、404、405、406、504、505、506共十二颗卫星，该12颗卫星的连接度均为4，如图8所示假设卫星305和405损毁，那么网络中会检测到7条链路失效(该检测方法为现有技术不在本发明中详细描述)，此时进行链路重构，具体如下：

1、卫星数量确定

从图8中我们通过检测到失效链路进而找到受链路失效影响的卫星节点：205、304、306、404、406和505，这六颗卫星的连接度由原来的4变为3；

2、卫星连接度阈值的确定

这六颗卫星的初始连接度都为4，则每颗卫星的连接度阈值为4；

3、建立连接度表

集合S＝{S_205，S_304，S_306，S_404，S_406，S_505}，建立连接度表T如表5所示：

表5链路失效后的连接度表

节点	205	304	306	404	406	505
							节点损毁后的连接度	3	3	3	3	3	3
链路重构后的连接度
							连接度阈值	4	4	4	4	4	4

4、节点确定

表T中所有节点的连接度都相等，根据保持最长可视时间原则，这里选择304作为首选；

5、建立链路

建立链路的条数确定为：4-3＝1(条)，建立链路的卫星为205；

6、链路更新

选出建立链路的卫星节点，更新连接度表T中的连接度值，如表6所示：

表6链路更新后的连接度表

节点	205	304	306	404	406	505
							节点损毁后的连接度	3	3	3	3	3	3
链路重构后的连接度	4	4	3	3	3	3
							连接度阈值	4	4	4	4	4	4

7、重复步骤4～6，直到集合S为空；

8、最后集合S为空时的连接度表T如表7所示，链路重构结束，等待下一次链路重构的触发，链路重构完成图如图9所示。

表7链路重构完成后的连接度表

节点	205	304	306	404	406	505
							节点损毁后的连接度	3	3	3	3	3	3
链路重构后的连接度	4	4	3	3	4	4
							连接度阈值	4	4	4	4	4	4

经过上面两个实例的分析，通过HDMD算法链路重构后，我们成功地旁路掉损毁节点，并快速重建了新的星间链路，保证了网络间的正常通信。

综上，对本发明的实施例进行了说明。但本发明并不限于上述实施例所记述的范围，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种卫星星间链路的链路重构方法，其特征在于具有如下步骤：

步骤2卫星连接度阈值的确定步骤：将卫星链路失效前的连接度值设为该卫星的连接度阈值；

步骤3建立连接度表步骤：将步骤1中确定的卫星放入集合S中，即S=｛S_1，S_2，…，S_N｝，并建立这N个节点的连接度表；

步骤4节点确定步骤：在步骤3中找出连接度最小的卫星作为节点，记该节点为S_Cmin，

步骤5建立链路步骤：首先为S_Cmin卫星节点建立其周围的星间链路，

建立链路的条数为C_max－C_min，

其中C_max为卫星节点自身的连接度阈值，C_min为S_Cmin卫星当前的连接度值，建立链路的卫星从集合S中其余卫星中选取；

2.根据权利要求1所述的一种卫星星间链路的链路重构方法，其特征在于所述步骤2中卫星的连接度阈值，该值在整个链路重构的过程中保持不变。

3.根据权利要求1所述的一种卫星星间链路的链路重构方法，其特征在于所述步骤3中所述卫星连接度表包括节点损毁后的连接度、链路重构后的连接度和连接度阈值。

4.根据权利要求1所述的一种卫星星间链路的链路重构方法，其特征在于所述步骤4中若所有卫星的连接度相等，则采取保持最长可视时间原则选取优先建立链路的卫星，使建立的链路能够保持最长的连接时间。

5.根据权利要求4所述的一种卫星星间链路的链路重构方法，其特征在于所述步骤4中

6.根据权利要求1所述的一种卫星星间链路的链路重构方法，其特征在于所述步骤5中所述建立链路的选择上遵循三个条件，如果不满足三个条件中的任何一个，则从其余卫星中再次选择，如果直到最后一个卫星也没有满足这三个条件，则重新从集合S中选择连接度最小的节点S_Cmin，执行步骤5。