CN102413535A - 一种多层次卫星通信系统的星际链路间认知路由方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于多层卫星通信系统的异构网络中的路由选择算法，采用基于学习的认知路由算法，解决了由于异构卫星链路中端到端比较多，链路选择不均匀的问题。在路由选择过程中缓存每次的链路利用率值，通过对这不同时刻的链路利用率进行分析，引入平滑因子来预知下一时刻的链路利用率，能够迅速、精确地感知周围拥塞时延等情况，从而达到自适应地选择路由路径的目的，从而平衡这个全球的异构网络整个负载问题。所述多层卫星通信系统包括两颗高轨道下的卫星以及中低轨道上的卫星。

Description

一种多层次卫星通信系统的星际链路间认知路由方法

技术领域

本发明涉及一种应用于多层次地卫星通信系统的星际链路的认知路由算法，属于卫星通信技术领域。

背景技术

卫星通信是地球上多个地球站(包括陆地、水面和大气层)利用空中人造通信卫星作为中继站而进行的无线电通信。通信卫星由若干个转发器、数副天线与位置和姿态控制、遥测和指令、电源分系统组成，其主要作用是转发各地球站信号。

按照工作轨道区分，卫星通信系统一般分为以下3类：

低轨道卫星通信系统(LEO)：距地面500-2000Km，传输时延和功耗都比较小，但每颗星的覆盖范围也比较小，低轨道卫星通信系统由于卫星轨道低，信号传播时延短，所以可支持多跳通信；其链路损耗小，可以降低对卫星和用户终端的要求，可以采用微型/小型卫星和手持用户终端。同时，由于低轨道卫星的运动速度快，对于单一用户来说，卫星从地平线升起到再次落到地平线以下的时间较短，所以卫星间或载波间切换频繁。因此，低轨系统的系统构成和控制复杂、技术风险大、建设成本也相对较高。

中轨道卫星通信系统(MEO)：距地面2000-20000Km，传输时延要大于低轨道卫星，但覆盖范围也更大。中轨道卫星的链路损耗和传播时延都比较小，仍然可采用简单的小型卫星。如果中轨道和低轨道卫星系统均采用星际链路，当用户进行远距离通信时，中轨道系统信息通过卫星星际链路子网的时延将比低轨道系统低。而且由于其轨道比低轨道卫星系统高许多，每颗卫星所能覆盖的范围比低轨道系统大得多，当轨道高度为10000Km时，每颗卫星可以覆盖地球表面的23.5％，因而只要几颗卫星就可以覆盖全球。如果需要为地面终端提供宽带业务，中轨道系统将存在一定困难，而利用低轨道卫星系统作为高速的多媒体卫星通信系统的性能要优于中轨道卫星系统。

高轨道卫星通信系统(GEO)：距地面35800km，即同步静止轨道。理论上，用三颗高轨道卫星即可以实现全球覆盖。传统的同步轨道卫星通信系统的技术最为成熟，自从同步卫星被用于通信业务以来，用同步卫星来建立全球卫星通信系统已经成为了建立卫星通信系统的传统模式。但是，同步卫星有一个不可克服的障碍，就是较长的传播时延和较大的链路损耗，严重影响到它在某些通信领域的应用，特别是在卫星移动通信方面的应用。首先，同步卫星轨道高，链路损耗大，对用户终端接收机性能要求较高。这种系统难于支持手持机直接通过卫星进行通信，或者需要采用12m以上的星载天线(L波段)，这就对卫星星载通信有效载荷提出了较高的要求，不利于小卫星技术在移动通信中的使用。其次，由于链路距离长，传播延时大，单跳的传播时延就会达到数百毫秒，加上语音编码器等的处理时间则单跳时延将进一步增加，当移动用户通过卫星进行双跳通信时，时延甚至将达到秒级，这是用户、特别是话音通信用户所难以忍受的。

正因为当前的这三种卫星通信系统都有其优点及弊端，本文采用了三种卫星通信系统联合使用形成多层次卫星通信系统，GEO的覆盖区域比较大，当需要进行很大面积跨越通信时，如跨越东西半球的通信等，我们采用GEO卫星交换信息，但在一个GEO下的MEO区域中则进行小范围通信，LEO则是更小范围通信，这样可以保证满足不同的通信质量需求下。本发明就是在多层析的卫星通信系统中进行考虑，其采用的卫星通信系统模型结构图见附图1.

在这个异构的卫星通信系统中，路由的选择是个需要首要考虑的问题，因为LEO系统中的不断节点不断切换会导致链路拥塞，GEO系统节点会有长时延的问题，那么在整个通信系统中对不同层的通信系统需要考虑不同的路由选择方式，不合适的路由选择可能并不能体现这个异构的多层次空间通信系统的优越性，反而会带来更严重的问题。

依据上述所述由于卫星链路具有长时延高带宽的特性，而且异构网络中有很多条可以构建的可达链路，那怎么选择合适的路径就是一个棘手的问题。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种多层次卫星通信系统的星际链路间认知路由方法，它是感知当前的网络条件，然后依据现在网络中的情况判断，选择出最好的行为方案以利于网络的整个性能的提升。它主要是考虑到通信系统的记忆效应，在短期内减少网络负载震荡，从而慢慢反应到通信系统中的长期变化。

技术方案：将每次的路由选择当作一个学习过程：搜集当前通信系统的参数信息，依据现有的链路利用率、时延、卫星通信系统特有的受自然环境因素的影响，已经这个多层次通信系统的当前层次等一系列的参数对下一步的路由进行选择，选择出当前环境下相对最优的解，这最优的参数主要是指链路利用率和通信时延。

因为对时延和链路利用率进行考虑，要体现学习，需有参数的输入输出，可以将系统的链路利用率和时延分别用链路利用率函数f()和时延函数d()表示出来，在下一次路由选择的时候依据前n次的f和d函数值进行计算。

本发明主要是以链路利用率函数作为参考的主要参数，定义f函数：

f(x)＝w(i)*(链路负载能力-链路用的带宽)/理论上链路所能达到的带宽

其中，w(i)为不同层中链路的所对应的不同权值。

进行路由选择时，需计算第x次链路利用率f_x，从其缓存总取出前x-1的f值，使得

f_x＝(a⁰f_x+a¹f_x-1+…+a^xf₀)/(x+1)

其中a为平滑因子，为了得到每次相对平滑的f_x值，a∈(0，1)。

判断这卫星节点是否适合于当前网络情况，一旦选择次节点作为路由选择，将这个f_x的值存于缓存中，这样在每层通信系统内部进行路由选择的时候依据当前的状况计算得到的函数值是否使得这个网络内的通信状况是良好的，如果网络拥塞了，则舍弃这个路由节点，另辟新径。

一、体系结构

本发明主要是用于多层次的卫星通信系统，整个卫星通信系统分为三层，如图1所示，有高轨道卫星系统(GEO)、中轨道卫星系统(MEO)以及低轨道卫星系统(LEO)，其中每个GEO卫星都会覆盖一个MEO群组，这个群中的MEO卫星都是通过一个GEO卫星进行管理。同样，每个MEO卫星会覆盖一个LEO组群。在同一层的卫星之间连接通过卫星内部链路(ISLs)，不同层的卫星之间的连接通过轨道链路(IOLs)，从A节点到同样的卫星B节点的路径记做ISL_A→B，不同轨道间的记做IOL_A→B.

除了空间的三层卫星通信系统外，还有地面网络，也就是数据的接收端和发送端源头所在。在地面上的数据传输是通过用户数据链路(UDLs)。、

分成的通信系统中，不同层之间和每层内部采用的路由算法是不一样的，其计算也不会一样。每个层内部也可以采用认知路由的算法，层与层之间也可以采用不同的认知路由的算法，这样可以保证整个系统都是优化的，有记忆的，本发明主要讨论不同层之间的认知路由。

不同层之间采用边界路由的标志，在GEO覆盖的MEO群组中有一个边界的节点，称之为边界节点，GEO只与自己覆盖区域内的边界节点进行信息交换，当GEO需要将数据流向下传送时，依据在GEO和边界的节点之间已经选好的路由进行依次地发送数据，数据流向上传输依据MEO和LEO群之间的数据通信也是如此。

二、方法流程

主要以不同层间的卫星通信系统路由选择为主，本发明重点是在不同轨道间的卫星进行通信的时候需要依据各自不同的带宽等条件选择合适的路由，所以本发明的核心思想体现在星际链路选择路由时，需根据当前的缓存中存在的链路状况判断此卫星节点是否合适加入作为路由节点。

多层次卫星通信系统的星际链路间认知路由方法中，所述卫星通信系统至少包括两颗高轨道卫星，多个低轨道与中轨道卫星；应用的系统中还须有地球站和卫星之间传送信号载波，认知路由算法是利用网络和用户的存储能力，提前消费网络资源，达到高效利用这多层卫星通信系统网络资源的目标；

步骤1.判断源端发送数据对象所在地址，依据其地址选择通过怎么样的卫星传输，若距离很远，即已经超过中轨卫星一个卫星覆盖的范围则转步骤2，若距离是中轨区范围但已超过一个低轨卫星覆盖区域，则转至步骤3，否则转至步骤4；

步骤2.将当前数据传输给控制该地面区域的低轨卫星，再依次通过星际链路传给中轨卫星，直至高轨卫星，高轨卫星之间通过同轨道链路传输，然后再通过星际链路传送到终端地面网络，转至步骤5；

步骤3.将当前数据传输给控制该地面区域的低轨卫星，再通过星际链路传给中轨卫星，中轨卫星之间通过同轨道链路传输，然后再通过星际链路传送到终端地面网络；转至步骤5；

步骤4.将当前数据传输给控制该地面区域的低轨卫星，低轨卫星之间通过同轨道链路传输，再通过星际链路传送到终端地面网络；

步骤5.继续进行地面网络之间的数据转发与接收；

星际链路间的选择利用多层次卫星通信系统的星际认知路由方法，以实现网络链路的优化。

有益效果：本发明提出了一种多层的卫星通信系统认知路由算法，主要用于解决由于异构网络以及不断变化的动态网络中链路选择不均衡导致整个通信系统利用率下降的问题。

卫星通信系统有着长时延、高带宽的特点，要求在这样的多层卫星系统中，其高轨卫星与低轨卫星间能进行快速的切换而且不会影响这个网络的性能参数，现在一般为人们所知的很多的计算路由节点的算法如TCD等一些算法，但这些算法都是适用于地面网络，在高空中并不那么适合，反而会因为考虑过多链路负载而导致链路拥塞。本发明就是针对高空的多层的异构网络采用认知路由的算法，来平衡整个通信系统的网络负载，在通信需求比较小的时候，认知路由能够加快整个系统的响应速度，在网络通信负载比较大的时候，认知路由能够调节整个网络的链路平衡，保证这个通信系统的畅通，从而优化了这个多层次的空间通信系统。

因此，本发明的有益效果主要包括迅速、精确地感知当前网络环境，从而提高卫星通信信号质量，平衡整个卫星通信系统，使得链路利用率提高，网络时延减小。

附图说明

图1是根据本发明的卫星通信系统构成框架图，主要由GEO、MEO、LEO三大部分组成。

图2是应用于具体的模型的简化图，其中有两个高轨道卫星G1，G2以及接下来G1覆盖的一个中轨道卫星群，即图中的M_1，2M_1，3M_2，1M_2，2等，第三层是低轨道下的卫星群L_1，2L_1，3L_2，1L_2，2等。

具体实施方式

为了方便描述，我们假定有如下应用实例，如图2所示：系统包括两个颗高轨卫星，多个中轨卫星以及低轨卫星和若干个地面终端以及一个地面控制中心。该地球站作为源端不断向不同地理长度的地域发送消息。

步骤1：地面网络源端不断发送不同地理长度的消息，并对这种不同的消息分别标记。

步骤2：发送的过程中依据数据的标记信息可以获知数据经过路径，因为各个数据终端的长短不一，这些数据将会会通过不同轨道的卫星。

步骤3：检测数据发送通信的时间内，各个不同轨道的链路的数据利用率以及时延情况，做出分析。

步骤4：继续发送数据，选择同一个卫星覆盖范围下的一部分数据，一段时间数据密，一段时间数据比较疏，再记录下整个卫星通信系统的网络链路使用情况，记录下来并分析。

步骤5：分析得到的数据，相较于其他的地面已经比较成熟的路由算法，分析这种路由算法是否能够更好的适应于异构网络，可以均匀地分布整个网络的负载。

在某个卫星节点进行下一跳路由选择时，具体的认知路由算法的步骤：首先得到首次链路带宽函数f₀值，假设此时缓存中已经有了x-1个参数函数了。

步骤1：取出之前保存在节点缓存中的函数值，再取相应的平滑因子依据公式进行计算，平滑因子的取值需取号，可以依据多次取值求得最优的平滑因子。

步骤2：在可到达的点中比较f_x的函数值，取得较为合理的点作为可到达点。若算得的f_x值为1，则表示网络从这个节点出去会导致网络拥塞之类的，必须舍弃。

步骤3：选择好点后将当前f_x值放入缓存中。

步骤：4：重复步骤2，知道整个网络中的路由表建立好，数据可以依据已经建立好的路由表进行数据传输。

Claims (1)

1.  一种多层次卫星通信系统的星际链路间认知路由方法，其特征在于所述卫星通信系统至少包括两颗高轨道卫星，多个低轨道与中轨道卫星；应用的系统中还须有地球站和卫星之间传送信号载波，认知路由算法是利用网络和用户的存储能力，提前消费网络资源，达到高效利用这多层卫星通信系统网络资源的目标；

步骤1. 判断源端发送数据对象所在地址，依据其地址选择通过怎么样的卫星传输，若距离很远，即已经超过中轨卫星一个卫星覆盖的范围则转步骤2，若距离是中轨区范围但已超过一个低轨卫星覆盖区域，则转至步骤3，否则转至步骤4；

步骤2. 将当前数据传输给控制该地面区域的低轨卫星，再依次通过星际链路传给中轨卫星，直至高轨卫星，高轨卫星之间通过同轨道链路传输，然后再通过星际链路传送到终端地面网络，转至步骤5；

步骤3. 将当前数据传输给控制该地面区域的低轨卫星，再通过星际链路传给中轨卫星，中轨卫星之间通过同轨道链路传输，然后再通过星际链路传送到终端地面网络；转至步骤5；

步骤4. 将当前数据传输给控制该地面区域的低轨卫星，低轨卫星之间通过同轨道链路传输，再通过星际链路传送到终端地面网络；

步骤5. 继续进行地面网络之间的数据转发与接收；

星际链路间的选择利用多层次卫星通信系统的星际认知路由方法，以实现网络链路的优化。

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