CN103916177B - 基于geo‑igso/meo双层卫星网络的通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及卫星通信领域，特别涉及一种基于GEO‑IGSO/MEO双层卫星网络的通信方案与层间星际链路的建立方法。将MEO星群分为n簇，并选取GEO‑IGSO骨干网络中n个节点分别作为n个MEO簇的簇头。同簇内MEO节点之间可以直接通信，而不同簇内MEO节点通信需由骨干网络转发。本发明通过对用户终端接入信息的注册方案、同簇内MEO节点通信方案和不同簇内MEO节点通信方案设计，实现了移动用户终端通过GEO‑IGSO/MEO双层卫星网络的通信。通过固定分配表、资源预约表和自由分配表的发明了一种合理、高效的资源管理方法，实现了GEO‑IGSO/MEO双层卫星网络层间星际链路的高效重建，在保证系统在避免拥塞的情况下，实现了资源利用的最大化。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信领域，特别涉及一种基于GEO-IGSO/MEO双层卫星网络的通信方法。
背景技术
单层卫星网络造价低、结构简单，在卫星网络发展初期，可以满足系统设计要求，但当卫星网络进入以业务多样化，骨干传输可靠化，覆盖全球化为特征的天基综合信息网时代后，由于不同高度卫星的局限性，单层卫星网络就很难满足系统设计需求了，而多层星座卫星网络则逐渐成为一种合理的拓扑结构形式，这就促使多层卫星网络作为发挥各种卫星优势的综合系统被提了出来。
多层星座网络中，不同层之间采用层间星际链路ILISL(Inter-Layer Inter-Satellite Link)连接。由于层间卫星存在相对运动，ILISL存在着建立-拆除-再建立的动态变化过程，称为ILISL的重建。由于ILISL的重建过程与用户链路切换过程的相似性，已有的ILISL建立策略通常是简单地直接采用用户链路切换策略。每个接入网节点独立地选择与之建立ILISL的骨干网络节点，使得各ILISL的重建时间比较分散，从而导致了网络拓扑重构次数的增加。
从骨干网络节点的角度，ILISL的重建就是骨干卫星网络信道资源重新分配的问题，对于双层卫星网络，现有的研究主要集中于双层卫星网络的路由和组播问题，很少考虑ILISL的建立策略对系统性能的影响。实际上，由于ILISL是双层卫星网络的骨干传输链路，每一次ILISL的重建都可能导致整个网络拓扑的重构，因此ILISL重建对网络性能的影响不可忽略。需要利用高效的资源管理策略管理ILISL的建立，尽可能地减少双层卫星网络拓扑重构次数，提高双层卫星网络拓扑结构的稳定性。
发明内容
本发明涉及卫星通信领域，特别涉及一种基于GEO-IGSO/MEO双层卫星网络的通信方案与层间星际链路的建立方法。在GEO-IGSO/MEO双层卫星网络中，MEO星座是具有本地交换功能的接入网络，GEO-IGSO星座则是完成传输、交换和管理功能的骨干网络，MEO星座和GEO-IGSO星座之间采用层间星际链路ILISL(Inter-Layer Inter-Satellite Link)连接。将MEO星座分为n簇，并选取GEO-IGSO骨干网络中n个节点分别作为n个MEO簇的簇头。同簇内MEO节点之间可以直接通信，而不同簇内MEO节点通信需由骨干网络转发。本发明通过对用户终端接入信息的注册方案、同簇内MEO节点通信方案和不同簇内MEO节点通信方案设计，实现了移动用户终端通过GEO-IGSO/MEO双层卫星网络的通信。通过固定分配表、资源预约表和自由分配表的发明了一种合理、高效的资源管理方法，实现了GEO-IGSO/MEO双层卫星网络层间星际链路的高效重建，在保证系统在避免拥塞的情况下，实现了资源利用的最大化。
附图说明
图1 5GEO+6IGSO/27MEO双层卫星网络结构模型；
图2同簇内MEO节点、不同簇内MEO节点通信过程示意图；
图3 GEO-IGSO骨干网络资源管理方案；
图4固定分配表或自由分配表；
图5资源预约表。
具体实施方式
本发明以5GEO-6IGSO/27MEO双层卫星网络为例，通过仿真5GEO-6IGSO骨干网络节点与MEO接入网络节点在一个周期内(GEO、IGSO卫星运动周期与地球自转周期相同，即24小时)链路通断状态，将27颗MEO卫星分为5簇，并选取5GEO-6IGSO网络中5个节点分别作为5个MEO簇的簇头。同簇内MEO节点之间可以直接通信，而不同簇内MEO节点通信需由骨干网络转发。
本发明主要包括5项主要内容：
1. 5GEO-6IGSO/27MEO双层卫星网络系统；
2.用户接入信息的注册方法；
3.同簇内MEO节点通信方案；
4.不同簇内MEO节点通信方案；
5.GEO-IGSO/MEO双层卫星网络层间星际链路建立方法，即GEO-IGSO骨干网络资源管理方案。
1. 5GEO-6IGSO/27MEO双层卫星网络系统；
5GEO-6IGSO/27MEO双层卫星网络系统包括:由5颗GEO卫星、6颗IGSO卫星构成的骨干网络，由27颗MEO构成的接入网络，地面站。如图1所示。
5颗GEO卫星轨道参数如下，分别位于：东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°。
6颗IGSO卫星采用Walker Delta星座，轨道高度35800km，轨道倾角为55°，3个轨道平面的升交点围绕赤道均匀分布，其角距为120°。在每个轨道平面内，2颗卫星均匀分布，其角距为180°。
27颗MEO卫星采用Walker Delta星座，轨道高度27878km，轨道轨道倾角是55°，分布在3条近圆形的轨道上，每条轨道上分布9颗卫星。
2.用户接入信息的注册方法；
无论是同簇内的MEO节点通信，还是不同簇内的MEO节点通信，第1步都要完成的是用户终端接入信息的注册。如图2所示，下面以User_A和User_B注册过程为例说明用户接入信息的注册过程。
步骤1：User_A，User_B接收接入网MEO星群发射的导频信号，在满足接入条件的情况下，通过链路(1)、(3)，分别接入MEO_A，MEO_B；
步骤2：MEO_A，MEO_B，通过链路(2)，分别将用户的User_A，User_B已接入的信息上传给本簇的簇头GEO/IGSO_A；
步骤3：GEO/IGSO_A将从接入网节点接收到的用户接入信息通过骨干网星间链路传回地面信关站；
至此，注册完成。用户接入的信息已保存至地面信关站总路由表。
3.同簇内MEO节点通信方案；
如图2所示，下面以User_A和User_B通信过程为例说明簇内节点通信过程。
当User_A要向User_B发送业务的请求时，步骤如下。
步骤1：首先User_A，通过链路(1)，向其接入卫星节点MEO_A发送请求；
步骤2：请求信息经MEO_A，GEO/IGSO_A转发，传回地面信关站；
步骤3：地面信关站查询总的路由表，返回User_B接入MEO_B的注册信息。北京主站返回的注册信息经由GEO/IGSO_A，MEO_A转发最终返回给User_A；
步骤4：User_A将MEO_B的ID写入要发送的数据包的目的地址字段，通过链路(1)，将数据包发送给MEO_A；
步骤5：MEO_A通过动态路由算法找到MEO_B，进而通过链路(3)找到与MEO_B直连的User_B。
步骤6：业务结束后，沿路径将各卫星的带宽释放。
4.不同簇内MEO节点通信方案；
如图2所示，下面将以User_A和User_C通信过程为例说明不同簇簇间节点通信过程。注册过程都是相同的，不赘述。注册完成后当User_A要向User_C发送业务的请求时，步骤如下。
步骤1：首先User_A，通过链路(1)，向其接入卫星节点MEO_A发送请求，
步骤2：请求信息经MEO_A，GEO/IGSO_A转发，传回北京主站；
步骤3：北京主站查询总的路由表，返回User_C接入MEO_C的注册信息。北京主站返回的注册信息由GEO/IGSO_A，MEO_A转发最终返回给User_A；
步骤4：User_A将MEO_C的ID写入要发送的数据包的目的地址字段，通过链路(1)，将数据包发送给MEO_A；
步骤5：MEO_A通过查看路由表，发现目的ID不是簇内节点ID，通过链路(2)，直接将数据包转发给簇头GEO/IGSO_A；
步骤6：GEO/IGSO_A查看路由表，将数据包转发给MEO_C的簇头GEO/IGSO_B，GEO/IGSO_B通过链路(4)，将数据包转发给MEO_C，MEO_C通过链路(5)将数据包转发给直连的User_C。
步骤7：业务结束后，沿路径将各卫星的带宽释放。
5.GEO-IGSO/MEO双层卫星网络层间星际链路建立方法，即GEO-IGSO骨干网络资源管理方案。
调度器调度算法流程如图3所示。每个簇头节点星上集中控制调度器中存放了固定分配表、自由分配表及资源预约表。如图4所示，在固定分配表和自由分配表中存放了本簇中所有簇成员(MEO节点)的ID号，如图5所示，在资源预约表中存放了进行资源预约的MEO节点的记录，每一个记录由MEO节点ID号及其对应的预约时隙数目组成。
步骤(1)：调度器的时隙分配是一帧一帧进行的，在每一帧的开始，调度器首先处理固定分配表，为簇内每个MEO节点固定分配一定数量的时隙。
步骤(2)：查看资源预约表是否为空；
步骤(3)：当资源预约表为空，调度器以轮询方式工作对自由分配表头端的MEO节点依次分配一个业务时隙；
步骤(4)：直到调度器指针挪到自由分配表的尾端，
步骤(5)：以此循环，直到将一帧内的时隙分配完毕。
步骤(6)：当资源预约表不为空时，如果在资源预约表的头端存放的记录对应x个预约时隙数目，调度以先到先得的服务方式为资源预约表中的MEO节点分配时隙，一次分一个时隙。
步骤(7)：逐个减少资源预约表中MEO节点对应的请求时隙数目，
步骤(8)：判断请求时隙数是否为减为0，
步骤(9)：如果该MEO节点请求时隙数不为0，以此循环，直到给该地面站分配x个业务时隙；
步骤(10)：将该记录从资源预约表中删除，此过程持续到资源预约表中没有记录(在一帧内)。
步骤(11)：为了给予没有发出预约请求的MEO节点较高的剩余时隙分配优先级，当资源预约记录从资源预约表中删除时，其相应的MEO节点ID挪到自由分配表的尾端。
Claims (2)
1.一种基于GEO-IGSO/MEO双层卫星网络的通信方法，其特征在于：
(1)用户终端接入信息的注册：从接入网节点接收到的用户接入信息通过骨干网星间链路传回地面信关站；所有用户终端接入的信息都保存至地面信关站总路由表，具体包括以下步骤：
步骤1：首先UserA，通过链路，向其接入卫星节点MEO_A发送请求；
步骤2：请求信息经MEO_A和GEO-IGSO_A转发，传回北京主站；
步骤3：北京主站查询总的路由表，返回UserC接入MEO_C的注册信息；北京主站返回的注册信息由GEO-IGSO_A和MEO_A转发最终返回给UserA；
(2)在GEO-IGSO/MEO双层卫星网络中，MEO星座是具有本地交换功能的接入网络，GEO-IGSO星座则是完成传输、交换和管理功能的骨干网络，MEO星座和GEO-IGSO星座之间采用层间星际链路ILISL(Inter-Layer Inter-Satellite Link)连接；将MEO星座分为n簇，并选取GEO-IGSO骨干网络中n个节点分别作为n个MEO簇的簇头；同簇内MEO节点之间可以直接通信，而不同簇内MEO节点通信需由骨干网络转发；
所述双层卫星网络包括：
1)5颗GEO卫星轨道参数如下，分别位于：东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°；
2)6颗IGSO卫星采用Walker Delta星座，轨道高度35800km，轨道倾角为55°，3个轨道平面的升交点围绕赤道均匀分布，其角距为120°；在每个轨道平面内，2颗卫星均匀分布，其角距为180°；
3)27颗MEO卫星采用Walker Delta星座，轨道高度27878km，轨道倾角是55°，分布在3条近圆形的轨道上，每条轨道上分布9颗卫星；
(3)GEO‐IGSO/MEO双层卫星网络层间星际链路建立方法，所述方法包括：
1)每个簇头节点星上集中控制调度器中存放了固定分配表、自由分配表及资源预约表；
2)在固定分配表和自由分配表中存放了本簇中所有簇成员MEO节点的ID号，在资源预约表中存放了进行资源预约的MEO节点的记录，每一个记录由MEO节点ID号及其对应的预约时隙数目组成；
3)调度器的时隙分配是一帧一帧进行的，在每一帧的开始，调度器首先处理固定分配表，为簇内每个MEO节点固定分配一定数量的时隙；
4)调度再处理资源预约表，以先到先得的服务方式为资源预约表中的MEO节点分配时隙；如果在资源预约表的头端存放的记录对应x个预约时隙数目，则给该地面站分配x个业务时隙，并将该记录从资源预约表中删除，此过程持续到资源预约表中没有记录；
5)当资源预约表为空，调度器以轮询方式工作对自由分配表头端的MEO节点依次分配一个业务时隙，直到调度器指针挪到自由分配表的尾端，以此循环，直到将一帧内的时隙分配完毕；
6)为了给予没有发出预约请求的MEO节点较高的剩余时隙分配优先级，当资源预约记录从资源预约表中删除时，其相应的MEO节点ID挪到自由分配表的尾端。
2.根据权利要求1所述的基于GEO-IGSO/MEO双层卫星网络的通信方法，其特征在于：
(1)簇内通信时，当源用户端要向目的用户端发送业务的请求时，当源用户端接入的MEO卫星与目的用户端接入的MEO卫星属于同一簇内节点时，两个MEO卫星节点可以通过MEO层卫星的动态路由直接通信；
(2)簇间通信时，当源用户端要向目的用户端发送业务的请求时，当源用户端接入的MEO卫星与目的用户端接入的MEO卫星属于不同簇内节点时，两个MEO卫星节点不能通过MEO层卫星的动态路由直接通信，而需要GEO‐IGSO骨干网络转发。
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