CN103986512B - 基于区域划分的卫星网络星间链路故障恢复方法 - Google Patents

Abstract

基于区域划分的卫星网络星间链路故障恢复方法，首先通过将链路故障概率添加到路径代价公式中，以此避开故障率较高的链路，尽可能的使业务所选择的路径不会发生故障；然后将卫星网络划分为8个不同的区域，监测卫星网络拓扑，当卫星网络中出现链路故障后，在一个小范围的区域中，进行重路由，为故障链路寻找合适的替代路径，所有经过故障链路的业务都可以通过替代路径转发；当区域内无合适的替代路径时，采用带有限制条件的洪泛法，发送洪泛信息，为业务寻找合适的转发路径。本方法使得卫星网络中的业务尽量避开故障链路，而发生链路故障后，可以快速查找替代路径，缩小链路故障恢复所需时延，降低资源浪费，从而大大提升卫星网络的通信效率。

Description

基于区域划分的卫星网络星间链路故障恢复方法

技术领域

本发明涉及一种低轨卫星之间链路故障恢复的方法，属于卫星通信网络领域。特别是涉及一种低轨道卫星在运行过程中的链路故障问题，通过引入链路代价计算公式，调控网络流量的选路，尽量避开故障率较高的链路；通过实施区域划分，在较小范围内为故障链路进行重路由以查找替代路径，降低对经过故障链路的业务的影响。

背景技术

卫星网络因其灵活的全球通信能力已经成为下一代网络和星际网络不可或缺的一部分。作为未来通信的关键，卫星网络无论是在通信研究、太空探索，还是军事应用上，都具有非常重要的地位。卫星网络具有高动态拓扑、处理设施有限、存储空间有限等特性，这些限制使得现有的地面网络的一些理论方法无法在卫星网络中得到应用，并使得设计高效的路由算法具有很大的困难。此外，在情况复杂的外太空，硬件损坏、电磁干扰、军事破坏、距离变化、能源携带有限等，都很有可能导致卫星的损坏或故障，这些都会对卫星网络的通信造成很大的影响。低轨卫星一般运行在500-2000千米高的轨道上，其修复的成本很高，且修复耗时较长。因此，为了能够降低卫星故障对于卫星通信的影响，快速恢复链路故障，对于卫星的星间链路的故障恢复工作的研究是非常重要的。

目前对于星间链路故障的恢复研究中，有研究提出用洪泛法解决问题，但是由于洪泛法发送的洪泛信息没有限制，其开销较大，会对网络资源造成浪费，且仅对于故障链路较少的情况比较适用。而且当故障链路附近没有能够到达目的节点的路径时，其所查找到的路径存在时延过大的现象。通过文献调研发现，星间链路故障与卫星节点的硬件性能以及所处外太空环境有关，因此链路发生故障是存在一定的概率的，目前还没有路由算法将链路故障的概率考虑进去。

因此，我们需要针对链路的故障，提出开销较小、适应多条链路故障的链路故障恢复策略。同时，提出一种链路故障的概率模型，针对此模型改进路由算法。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于区域划分的卫星网络星间链路故障恢复方法，用以解决卫星网络中的星间链路故障对通信带来的影响。并提出链路的故障率模型，针对该模型改进路由代价计算公式，以尽量避开故障率较高的链路。与其他星间链路故障解决方案相比，本方案注重在较小区域内完成对链路故障的恢复，信令开销小、适应性强，可有效降低丢包率，并解决链路故障所造成的时延问题。

技术方案：本发明的方法是通过提出故障率模型，将故障率添加到路由寻路的代价公式中，尽量避开为业务选择故障率较高的链路。并通过对卫星网络进行区域划分，从而在链路发生故障时，在区域内进行重路由，为故障链路查找可行的替代路径。当区域内重路由不可行时，启动带有限制条件的洪泛法，通过为洪泛信令添加跳数限制来减少资源开销、提高通信效率。

一、体系结构

本方法主要分为两个部分，一是故障链路避免：故障未发生时，按照故障概率，尽量选择故障率低的链路进行信息传输；二是故障链路恢复：链路发生故障后，在较小的区域内进行故障恢复。

故障链路避免：假设有n个卫星节点，为卫星网络中的卫星节点从1到n进行编号，用Link_i,j表示卫星i和卫星j之间的链路，该段链路的故障概率为P_i,j。为卫星网络进行路由计算时，普遍采用的是以时延为链路的权值，用Delay_i,j表示星间链路Link_i,j的时延，则路径代价公式为：

为了避免所计算出的路径上的链路经常发生故障，所以应当在路由计算时，尽量的避开故障链路。

设k为任意大于0的常数，在计算路由时，更改路径代价公式为：

根据公式(2)计算路由时，按照具体的需要，调整故障概率系数k的大小，以此增大故障率较高的链路的权值，从而避开故障率较高的链路。

链路故障恢复：本方法中的区域划分，是指以地球球心为原点，建立直角坐标系。由原点指向北极点的方向为Z轴方向，由原点指向纬度为0、经度为0的点的方向为Y轴方向，由原点指向纬度为0、经度为东经90度的点的方向为X轴。这样可以将整个卫星网络将分布在八个象限中，分别为区域编号为1到8。对于低轨卫星，将同一个象限内的卫星认为是在同一个区域中。同一个区域中的卫星节点中除了存储路由表之外，还存储本区域的卫星节点间的链路状态，以便于发生链路故障时，能够快速反应，本地重路由以恢复链路故障。其区域划分示意图如图1所示。本方法中，无链路故障时，卫星不启用链路故障修复策略，仅按照原有路由方案进行数据包发送，这样可以降低卫星网络的信令开销。

根据星间链路的两端卫星节点所属区域是否相同，将链路划分为：

●区域内链路：链路两端卫星节点的区域编号相等时，说明链路两端卫星节点处于同一个区域内，则称该段链路为区域内链路；

●区域间链路：链路两端卫星节点的区域编号不相等时，说明链路两端卫星节点处于不同的区域内，则称该段链路为区域间链路。

当星间链路发生故障时，无法利用该链路发送信息。此时应当首先判断故障链路的类型，如果是域内链路故障，则启动区域内的重路由，为该段链路查找替代路径；如果是区域间链路故障，则使用带有限制条件的洪泛法，为经过该段链路的数据包寻找最优的可达路径。链路分类示意图如图2所示。

区域内路由：当前区域内的节点都具有本节点的链路状态信息表，当链路发生故障时，将故障链路从链路状态信息表中去掉，按照路由方法进行路由，查找替代路径。不过，此时路由方法所使用的路径代价公式不包含链路故障率，即代价公式使用公式(1)。原因是当前的区域中，已经有链路发生故障，应以实际情况为主，而不能参考链路的故障概率。

洪泛法：卫星节点所要发送的数据包需要经过故障链路，则发送洪泛信息到与其相邻的卫星节点。收到洪泛信息的卫星节点查询路由表，如果能够不经故障链路就可以发送数据包到目的节点，则发送成功应答信息到原卫星节点并终止传播洪泛信息，否则同样向其邻居节点发送所收到的洪泛信息。为了避免洪泛信息不断的发送下去，占用不必要的网络资源，为洪泛信息设定一个生命值life：即洪泛信息如果被转发life次，如果还没有收到成功应答信息，则自动丢弃洪泛信息。对于无法成功发送的数据包，直接丢弃。

二、方法流程

本方法主要分为故障链路的避免和恢复两部分。通过对路径的代价公式进行修改，来尽量避开故障率较高的链路，提升卫星网络的效率；通过将卫星网络划分为八个区域，而后在区域内进行故障链路的恢复，降低链路故障带来的影响，提高卫星网络应急能力与通信效率。方法的具体执行步骤如下：

步骤1.收集链路状态信息，并加载链路故障率模型；

步骤2.根据所收集到的链路状态信息表，使用集中式路由算法，根据改进后的代价公式Metric＝Σ(k*P_i,j+1)*Delay_i,j来计算并得到路由表；其中，卫星节点i和卫星节点j故障概率为P_i,j，k为任意大于0的常数，Delay_i,j表示星间链路Link_i,j的时延，

步骤3.对于所有的卫星节点i属于区域S，1≤i≤n，1≤S≤8，则将步骤2中计算所得到的路由表以及区域S中的链路状态信息表发送到卫星节点i；

步骤4.根据路由表所得路径进行数据包发送工作，并同时监测网络中拓扑变化情况；

步骤5.通过网络拓扑监测，如果发现无拓扑变化，则转步骤4，继续进行拓扑监测，否则继续下面步骤；

步骤6.检查引发拓扑变化的是否是链路故障问题，如果不是链路故障问题，则说明正常的星间链路切换引起了卫星网络拓扑的变化，路由表需要重新计算，转步骤12；如果是链路故障问题，则继续下面步骤；

步骤7.根据故障链路两端的卫星节点，判断故障链路属于区域内故障链路还是区域间故障链路，若为区域间故障链路，转步骤10，若为区域内故障链路，继续下面步骤；

步骤8.启动区域内的路由，根据区域链路状态信息表，快速的为故障链路查找替代路径，进行链路故障恢复；

步骤9.如果替代路径查找成功，则保存替代路径并将所有经过故障链路的数据包通过替代路径进行传送，并转步骤4，继续拓扑监测工作，否则，继续下面步骤；

步骤10.启用带限制条件的洪泛法，即为洪泛信息添加生命值life，洪泛信息最多可被转发life次；若仍未收到成功应答信息，则放弃当前方向的探测；当前节点无法通过故障链路发送数据包，故当前节点通过向邻居节点发送洪泛信息，来探测能将数据包发送到目的节点的卫星节点；

步骤11.如果发送洪泛信息的节点收到成功应答信息，则将数据包发送到应答卫星节点，转步骤4，继续拓扑监测工作，如果直到最后都没有收到成功应答信息，则丢弃数据包，转步骤4，继续拓扑检测工作；

步骤12.由于拓扑变化，本次路由过程结束。

有益效果：本发明提出一种基于区域划分的卫星网络星间链路故障恢复策略，用以解决卫星网络中星间链路发生故障对通信带来的问题。解决的方式主要是提前避开故障链路和故障发生后的快速恢复。通过这两种方式，可以有效的解决卫星链路故障所带来的麻烦，提高低轨卫星网络的通信效率。

传统的星间链路故障解决方法通常将链路故障看作是拓扑发生变化，由此导致卫星网络重新计算路由。这样会导致卫星网络对于路由的计算过于频繁，消耗网络资源，降低卫星网络的工作效率。已有的较好的解决方案是在卫星网络拓扑未发生正常切换之前，通过洪泛法为通过故障链路的业务查找替代路径，但是该方案并不完善。洪泛信息在扩散过程中，如果没有收到成功应答信息，会一直扩散下去，浪费网络资源。而且当故障链路附近没有能够到达目的节点的路径时，其所查找到的路径存在时延过大的现象，对于实时业务的影响很大。

因此，本发明的主要效果是将链路的故障概率考虑到路径代价中，尽可能在进行路由计算时就避开故障率较高的链路，从而降低在通信过程中，路径被破坏的几率。根据区域划分，可以将链路故障在一个小的范围内进行处理，无需改变全局的路由计算，能够快速反应以对故障链路进行恢复，降低了网络资源的浪费，缩短传输时延。对于无法在区域内部路由解决的链路故障，可以使用带有限制条件的洪泛法，通过添加跳数限制，降低了洪泛信令对于网络资源的消耗，同时所查找到的替代路径时延较小。本发明对于链路故障问题的解决，具有很好的效果，时延小，链路资源浪费减少，同时尽量避开故障链路，降低了链路故障对于业务的影响。适用于卫星网络故障的解决，在空天网络发展中具有有益效果。

附图说明

图1是卫星网络区域划分示意图，

图2是链路分类示意图，

图3是基于区域划分的星间链路故障恢复策略流程图，

图4是基于区域划分的星间链路故障恢复策略应用实例示意图。

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4所示：卫星网络，中1号至9号卫星节点处于同一个区域，10号至15号卫星节点处于同一个区域，链路link_5,8、link_9,12两条链路发生故障。其中卫星节点5所发送的数据包需要经过链路link_5,8，到达8号卫星节点；9号节点发送数据包，经过链路link_9,12，目的节点为15号卫星节点。卫星网络运行的具体步骤如下：

步骤1.根据路由方案进行路由，避开故障率较高的链路。下发路由表及区域链路状态信息表，并按照选定的路径进行数据包传输；

步骤2.通过检测发现卫星网络拓扑发生变化，经过判断，是由于卫星链路link_5,8、link_9,12发生故障引起的拓扑变化；

步骤3.首先处理链路link_5,8，该链路两端卫星节点处于同一区域，因此使用区域内重路由方法。将链路link_5,8设置为断开，而后通过区域内路由计算，为该链路寻找替代路径；

步骤4.经过区域内路由计算，得到替代路径：即从5号卫星节点转发数据包到4号卫星节点，再到7号卫星节点，再到8号卫星节点。保存此替代路径，所有经过链路link_5,8的数据包都通过此替代路径传送；

步骤5.对于故障链路link_9,12，该链路两端卫星节点处于不同区域，因此使用带有限制条件的洪泛法，假设洪泛信息的生命值life＝3；

步骤6.此时9号卫星节点向邻居节点发送洪泛信息，探测能够不经故障链路link_9,12就可以将数据包送达目的节点的卫星节点；

步骤7.当8号卫星节点收到洪泛信息后，将洪泛信息生命值减1。查询路由表，发现由该节点到15号卫星节点同样要经过链路link_9,12，检查生命值为2，故扩散洪泛信息到其邻居节点；

步骤8.当11号卫星节点收到洪泛信息后，将洪泛信息生命值减1。查询路由表，发现由该节点到15号卫星节点不需要经过链路link_9,12，此时返回成功应答信息到8号卫星节点，终止洪泛信息扩散；

步骤9.当8号卫星节点收到成功应答信息时，将其返回到9号卫星节点；

步骤10.根据洪泛所得路径信息，将从9号卫星节点发往15号卫星节点的数据包，按照路径link_9,8→link_8,11发送到11号卫星节点；

步骤11.当11号节点收到数据包后，按照路径link_11,14→link_14,15发送数据包到目的节点，即15号卫星节点；

步骤12.完成对于故障链路的处理后，继续监测卫星网络拓扑；

步骤13.发现卫星网络拓扑发生变化，并且没有发生链路故障，而是由正常的星间链路切换引起；

步骤14.本次路由过程结束。

Claims (1)

1.一种基于区域划分的卫星网络星间链路故障恢复方法，其特征在于该故障恢复方法的具体执行步骤如下：

步骤1.收集链路状态信息，并加载链路故障概率模型；

步骤2.根据所收集到的链路状态信息，使用集中式路由算法，根据改进后的路径代价公式来计算并得到路由表；其中，卫星节点i和卫星节点j之间的链路故障概率为P_i,j，k为任意大于0的常数，Delay_i,j表示星间链路Link_i,j的时延，

步骤3.对于所有的卫星节点i属于区域S，1≤i≤n，1≤S≤8，假设n为网络中的卫星节点的个数，S为区域编号，则将由链路状态信息形成的区域S的链路状态信息表以及步骤2中计算所得到的路由表发送到卫星节点i；

步骤4.根据由路由表得到的路径进行数据包发送工作，并同时监测网络拓扑的变化情况；

步骤5.通过网络拓扑监测，如果发现网络拓扑无变化，则转步骤4，继续进行网络拓扑监测，否则继续下面的步骤；

步骤6.检查引发网络拓扑变化的是否是链路故障问题，如果不是链路故障问题，则说明正常的星间链路切换引起了网络拓扑变化，路由表需要重新计算，转步骤12；如果是链路故障问题，则继续下面的步骤；

步骤7.根据故障链路两端的卫星节点，判断故障链路是属于区域内故障链路还是属于区域间故障链路，若为区域间故障链路，转步骤10，若为区域内故障链路，继续下面的步骤；

步骤8.启动区域内的重路由，根据区域的链路状态信息表，快速地为故障链路查找替代路径，进行链路故障恢复；

步骤9.如果替代路径查找成功，则保存替代路径并将所有需要经过故障链路的数据包通过替代路径进行传送，并转步骤4，继续网络拓扑监测工作，否则，继续下面的步骤；

步骤10.启用带限制条件的洪泛法，即为洪泛信息添加生命值life，洪泛信息最多可被转发life次；若当前卫星节点仍未收到成功应答信息，则放弃当前方向的探测；当前卫星节点无法通过故障链路发送数据包，故当前卫星节点通过向邻居卫星节点发送洪泛信息，来探测能将数据包发送到目的卫星节点的卫星节点；

步骤11.如果发送洪泛信息的当前卫星节点收到成功应答信息，则将数据包发送到应答卫星节点，转步骤4，继续网络拓扑监测工作，如果直到最后都没有收到成功应答信息，则丢弃数据包，转步骤4，继续网络拓扑监测；

步骤12.由于网络拓扑发生变化，本次路由过程结束。