CN103686810B - 一种卫星网络邻居检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星网络邻居检测方法，包括如下步骤：（1）检查接触计划图，如果本节点与某卫星节点即将接触，即在预测的时间内在相互的通信范围内，转下一步骤；（2）每隔T_interval特定时刻发送邻居探测数据包，数据包中携带自己当前的一跳邻居节点信息和二跳邻居节点信息；（3）更新各类邻居列表信息；（4）根据本节点的一跳、二跳、三跳邻居列表发现到达目的节点的实时路径；（5）维护各类邻居列表信息。本发明利用卫星轨道可预见的特点，可以发现三跳内的邻居节点。在同步卫星、中低轨卫星同时存在的情况下，能够发现数据发送卫星到地面站的实时路径，并且辅助检测星间、星地间失效链路。

Description

一种卫星网络邻居检测方法

技术领域

本发明涉及卫星网络技术领域，特别涉及用于多卫星协同自组织网络中的卫星网络邻居检测方法。

背景技术

各国航天事业进入飞速发展期，发射航天飞行器的数量和种类较以往有很大程度的增加，航天探索的任务不仅包括对地观测、全球导航、通信覆盖，而且新增了月球探测、火星探测等深空探测任务。基于空间通信和探测的各类应用对卫星系统的空间分辨率、时间分辨率的要求越来越高，需要发展能携带多种观测仪器、连续回传数据、持续观测的卫星系统，单个卫星难以解决连续回传和持续观测的问题，因此各国都在积极研发多卫星协同自组织网络系统，以实现多种手段对地观测、持续观测、连续回传。

多卫星协同自组织网络系统由多颗卫星的协同操作共同完成既定任务，根据任务的不同，协同的卫星范围可能是小卫星组成的分布式卫星系统、多轨道卫星组成的星座系统(如铱星系统、全球星系统)或者多卫星平台(高、中、低轨卫星)组成的多层卫星网络。多卫星协同自组织网络的关键技术包括协议体系、路由方法、传输机制等。目前现有的中继技术大多采用“弯管”转发模式，信号直接放大后转发，例如天链中继卫星就是采用这种模式增大覆盖范围。“弯管”模式不能支持端到端的“存储-运载-转发”多跳传输，为了应对网络多跳传输的需求，并兼容现有卫星，体系结构设计上要考虑兼容“弯管”转发和星上IP交换。目前，空间信息网络体系向着IP体系[1]、CCSDS体系[2]、容延容断网络(DTN)体系[3-4]相结合的方向发展。无论何种体系，卫星网络路由是多卫星自组织网络不可或缺的关键技术之一，而邻居发现又是路由的支撑技术。

由于卫星轨道的可预见性和规律性，类似因特网的动态路由不适宜于多卫星协同自组织网络，基于周期Hello的邻居发现和基于链路状态泛洪的路由更新也不能适宜于高延迟、高误码、不对称的空间链路。目前，空间卫星网络多采用空间虚拟化路由[5-6]和时间虚拟化路由[7-8]，其前提是在某个空间或者时间范围内卫星间的链路状态较少改变。空间虚拟化路由利用覆盖区域虚拟化隐藏了卫星的移动性，无需预先进行路由计算，适用性较强，所需的存储空间较小。更适合低轨道单层卫星网络极轨星座，不适用于倾斜星座，但是空间虚拟化路由要求卫星网络拓扑非常规则，对星上处理能力要求高，健壮性较差，出现卫星节点失效或者链路失效，性能急剧下降。时间虚拟化路由又称快照序列、有限状态机或时隙划分，时间虚拟化路由认为星际链路通断时刻发生在各时间点上，而在时间片内，设定卫星网络拓扑结构固定不变，当时间片足够小时，在该时间片内的各链路代价假定不变，其优点是星际链路ISL可预先精确计算，开销较小，但是时间虚拟化路由缺点在于对于网络拥塞状况、流量控制与网络故障适应性与恢复性较差。由此可见，即使在利用卫星规律性进行路由的情况下，邻居发现也是必不可少的。即使在特定的时间卫星之间有可以预见的邻居关系，空间传播环境的不确定性、空间链路的不稳定性和空间信息网络流量的突发性，将使卫星邻居关系发生改变，从而导致卫星网络的路由变化。

针对空间网络的容延容断特性，Scott C等人提出了基于基础图的路由(CGR)[9],在节点路由计算之前，每个卫星节点上拥有全网卫星的接触信息。卫星节点根据接触信息从所有可能路径中自主选择有剩余容量的可行路径。其优点在于星际链路ISL可预先精确计算，网络开销较小，具有一定能力的流量控制能力，但是对于变化的星座结构，需要更新全网中卫星节点间的接触信息，对星上的处理要求较高。CGR路由是一种具有广泛实用性的卫星网络路由，IETF草案建议其在DTN网络框架下使用，是一种bundle层的路由。Bundle[10]层位于应用层之下，其他协议层之上。应用了类似于E-mail的存储转发机制解决了间歇连续、长时延、时延抖动大、不对称数据速率、高误码率等问题。它通过单跳错误控制机制把信息片段绑定发送到下一跳节点，增加了数据传输的可靠性。但CGR本身并不限制在某一协议层次使用。D.Ellard等人针对DTN网络提出了IP层邻居发现协议草案[11]，采用基于UDP的信标消息宣告可用邻居节点以及节点可以支持的服务。McMahon A.等人针对DTN网络提出了端点发现协议草案[12]，用于DTN节点报告自己的存储、路由、安全能力、端点标识、注册信息、保管托管能力，由于一个DTN节点上可能有多个bundle端点，因此，该协议也可以用作邻居发现。以上两个草案都是针对容延容断网络的邻居发现协议，并不是专门针对多卫星协同自组织网络。

卫星网络和一般的地面DTN网络最大的区别在于无线射频部分。卫星网络的天线指向精度较高，即波束很窄、方向固定，因此即使两个卫星/飞行器在相互通信范围内，但天线指向未对准，那么仍然不能发现相邻的卫星飞行器。文献[13]针对采用定向天线的移动自组织网络，提出了非辅助定向发射模式的邻居发现算法与非辅助定向发射定向接收模式的邻居发现算法，不需要依赖GPS或其他辅助信息就能独立实现邻居发现，该算法依赖于天线的波束成形技术。目前，随着天线阵列、波束成形、智能天线、相控阵天线、多入多出天线技术的发展，定向天线在不调整位置方向的情况下也可以进行波束指向调整，进行全方位扫描，解决了上述卫星邻居发现中的天线对准问题。

在多星自组织网络中，经典的互联模式：地球同步卫星由于轨道高、相对地面静止可以作为中继卫星，中低轨道卫星通过同步卫星与地面站进行通信；而同一星座的中、低轨卫星，同轨道的相邻卫星之间可能有链路，因此同轨道邻居卫星也可以相互作为中继卫星。由此可见，在多数情况下，卫星载荷数据要回传到地面站，一般不会超过3跳。

发明内容

本发明提出一种卫星网络邻居检测方法，适应卫星网络化的发展，在多层卫星存在的情况下，能够发现数据发送卫星到地面站的实时路径，并且辅助检测星间、星地间失效链路。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种卫星网络邻居检测方法，包括如下步骤：

(1)检查接触计划图，如果本节点与某卫星节点即将接触，即在预测的时间内在相互的通信范围内，转下一步骤。

(2)每隔T_interval特定时间发送邻居探测数据包，数据包中携带自己当前的一跳邻居节点信息和二跳邻居节点信息。

(3)更新各类邻居列表信息：

当收到邻居探测包，如果本节点不在对方的一跳邻居列表里，则将对方加入自己的一跳邻居列表，并注明单向链接；如果本节点在对方的一跳邻居列表里，则将对方加入自己的一跳邻居列表，并注明双向链接，只有具有双向链接关系的节点之间才构成一跳邻居；如果对方在本节点的二跳或者三跳邻居列表内，那么在二跳或者三跳邻居列表内删除对方节点。

如果一跳邻居节点B的一跳邻居列表里存在某个节点A，A不在本节点的一跳邻居列表内，且A和B具有双向链接关系，那么将A加入本节点的二跳邻居列表；如果A在三跳邻居列表内，那么在三跳邻居列表内删除A。

如果一跳邻居节点B的二跳邻居列表里存在某个节点C，C不在本节点的一跳和二跳邻居列表内，那么将C加入本节点的三跳邻居列表。

(4)如果在预测的时间内，对于路由计算得到的下一跳节点，没有和本节点形成接触计划图中预测的邻居关系，那么根据本节点的一跳、二跳、三跳邻居列表发现到达目的节点的实时路径；如果不存在这样的实时路径，那么节点保管数据，等待其它路由对应下一跳节点的接触计划时间到来。

(5)维护各类邻居列表信息：

对于各邻居列表中的各条目，如果在3T_interval时间内没有更新，那么删除该条目。

上述各步骤中所述的“T_interval”时间是一个预先设定的值，表示邻居探测数据包周期发送的间隔时间，一般以秒为单位。

进一步，对于步骤(1)，当有数据流发送或者转发时，计算路由，假设相应的下一跳为N；假设当前时间为t_current，如果本地节点和N即将接触，且最早的接触时间t_end满足t_end-t_current>3T_interval，那么转下一步骤。

本发明的有益效果是，利用卫星网络节点间的信息交互，发现多跳之内的邻居，为卫星网络路由提供支持，在预测链路失效的情况下，能够提供实时路径。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1为本发明实施例的卫星网络邻居自动发现流程示意图。

图2为本发明实施例的邻居探测数据发送流程图。

图3为本发明实施例的邻居列表更新和维护流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，一种卫星网络邻居检测方法，具体实施时，可以采用软件技术实现本发明技术方案所提供流程的自动运行。

如图1所示，具体应用可以将该软件作为一个模块，嵌入其他协议软件中，实施例的实现过程如下：

步骤一：当有数据发送或者转发时，检查接触计划图。

(1)当有数据流发送或者转发时，计算路由，假设相应的下一跳为N。

(2)假设当前时间为t_current，如果本地节点和N即将接触，且最早的接触时间t_end满足t_end-t_current>3T_interval，那么转(3)。否则，当前节点对数据进行保管。

其中，T_interval为定时器的最小时间粒度，即邻居探测数据包的发送时间间隔。

(3)启动定时器，定时器超时时间为t_current+3T_interval，并转步骤二。

(4)如果超时以后N在本地节点的1跳邻居列表里，那么按照路由计算的结果将数据发送给下一跳N，并转步骤四；否则，查看节点的2跳/3跳邻居列表，如果N在本地节点的2跳/3跳邻居列表里，那么按照表内的信息进行转发；否则，对数据进行保管。

步骤二、定时广播邻居探测数据包，流程如图2所示。

本地节点启动定时器，广播邻居探测数据包，其超时时间为t_current+T_interval，定时器到期后，如果t_current>t_end，那么结束广播邻居探测数据包；否则广播邻居探测数据包，将定时器超时时间刷新为t_current+T_interval，定时器到期后重复该步骤。本实施例中邻居探测数据包结构如表1所示。

表1

步骤三、根据收到的邻居探测数据包，更新和维护本地邻居列表，流程如图3所示。

(1)如果本节点在对方的1跳邻居列表里，那么转(2)，否则转(3)。

(2)如果对方已经在本地节点的1跳邻居列表内，那么将1跳邻居列表内相应条目的过期时间更新为t_current+3T_interval，并注明为双向链接；否则，将对方加入本地节点的1跳邻居列表，并注明双向链接，将相应条目的过期时间更新为t_current+3T_interval。如果对方在本地节点的2跳/3跳邻居列表内，则在2跳/3跳邻居列表内删除该条目。如果对方的1跳邻居列表里存在某个具有双向链接的节点A，A不在本节点的1跳邻居列表内，那么转(4)；如果对方的2跳邻居列表里存在某个节点A，A不在本节点的1跳和2跳邻居列表内，那么转(5)。

(3)如果对方已经在本地节点的1跳邻居列表内，那么将1跳邻居列表内相应条目的过期时间更新为t_current+3T_interval，并注明为双向链接；否则，将对方加入本地节点的1跳邻居列表，并注明单向链接，将相应条目的过期时间更新为t_current+3T_interval。如果对方在本地节点的2跳/3跳邻居列表内，则在2跳/3跳邻居列表内删除该条目。

(4)如果A在自己的2跳邻居列表内，那么将2跳邻居列表内相应条目的过期时间更新为t_current+3T_interval；否则，将A加入本地节点的2跳邻居列表，将邻居列表中的“中间节点”设置为对方节点，将相应条目的过期时间设定为t_current+3T_interval；如果A在自己的3跳邻居列表内，则在3跳邻居列表内删除该条目。

(5)如果A在自己的3跳邻居列表内，那么将3跳邻居列表内相应条目的过期时间更新为t_current+3T_interval；否则，将A加入本地节点的3跳邻居列表，将邻居列表中的“中间节点1”设置为对方节点，将邻居列表中的“中间节点2”设置为所接收到的邻居探测消息中对应2跳邻居列表条目的“中间节点”，将相应条目的过期时间设定为t_current+3T_interval。

本实施例中本地邻居列表结构如下图表2所示。

(a)1跳邻居列表

邻居ID/地址	链路状态(单向/双向)	过期时间

(b)2跳邻居列表

邻居ID/地址	中间节点ID/地址	过期时间

(c)3跳邻居列表

邻居ID/地址	中间节点1的ID/地址	中间节点2的ID/地址	过期时间

步骤四、如果数据流未结束，并且t_current<t_end，那么继续发送数据；如果数据流未结束，并且t_current>t_end，那么将未传输的数据保管；如果数据流结束，那么数据发送转发流程结束。

步骤五、维护各类邻居列表信息：

每隔T_interval时间检查各类邻居列表条目，如果条目的过期时间超过当前时间，那么删除该条目。

综上所述，利用卫星网络节点间的信息交互，发现多跳之内的邻居，为卫星网络路由提供支持，在预测链路失效的情况下，能够提供实时路径。

利用卫星轨道可预见的特点，可以发现三跳内的邻居节点。在同步卫星、中低轨卫星同时存在的情况下，能够发现数据发送卫星到地面站的实时路径，并且辅助检测星间、星地间失效链路。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种卫星网络邻居检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)检查接触计划图，如果本节点与某卫星节点即将接触，即在预测的时间内在相互的通信范围内，转下一步骤；

(2)每隔T_interval特定时间发送邻居探测数据包，数据包中携带自己当前的一跳邻居节点信息和二跳邻居节点信息；

(3)更新各类邻居列表信息：

当收到邻居探测包，如果本节点不在对方的一跳邻居列表里，则将对方加入自己的一跳邻居列表，并注明单向链接；如果本节点在对方的一跳邻居列表里，则将对方加入自己的一跳邻居列表，并注明双向链接，只有具有双向链接关系的节点之间才构成一跳邻居；如果对方在本节点的二跳或者三跳邻居列表内，那么在二跳或者三跳邻居列表内删除对方节点；

如果一跳邻居节点B的一跳邻居列表里存在某个节点A，A不在本节点的一跳邻居列表内，且A和B具有双向链接关系，那么将A加入本节点的二跳邻居列表；如果A在三跳邻居列表内，那么在三跳邻居列表内删除A；

如果一跳邻居节点B的二跳邻居列表里存在某个节点C，C不在本节点的一跳和二跳邻居列表内，那么将C加入本节点的三跳邻居列表；

(4)如果在预测的时间内，对于路由计算得到的下一跳节点，没有和本节点形成接触计划图中预测的邻居关系，那么根据本节点的一跳、二跳、三跳邻居列表发现到达目的节点的实时路径；如果不存在这样的实时路径，那么节点保管数据，等待其它路由对应下一跳节点的接触计划时间到来；

(5)维护各类邻居列表信息：

对于各邻居列表中的各条目，如果在3T_interval时间内没有更新，那么删除该条目。

2.根据权利要求1所述的一种卫星网络邻居检测方法，其特征在于，上述各步骤中所述的“T_interval”时间是一个预先设定的值，表示邻居探测数据包周期发送的间隔时间，以秒为单位。

3.根据权利要求1所述的一种卫星网络邻居检测方法，其特征在于，对于步骤(1)，当有数据流发送或者转发时，计算路由，假设相应的下一跳为N，假设当前时间为t_current，如果本地节点和N在即将接触，且最早的接触时间t_end满足t_end-t_current>3T_interval，那么转下一步骤。