CN105471493A - 一种适用于双层卫星网络的多测度路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于双层卫星网络的多测度路由方法，该方法包括：根据星下点最近原则进行分簇的双层卫星分簇算法，下层卫星通过星下点最近原则加入其覆盖上层卫星所在簇，并以此上层卫星为管理卫星；基于卫星分簇管理，实施综合反映链路占用率和传输时延的多测度链路信息交换方案，计算卫星间的复合链路代价及链路状态并交换形成全网状态信息数据库；基于全网状态信息数据库，根据跳数和复合链路代价决定的最小代价双层路由计算方法选择最优路径。本发明分簇方便快捷，信息交互简便，在路由计算时充分考虑了链路忙碌度和传输时延，能够有效的避免拥塞，从而提高卫星路由系统的整体利用率。

Description

一种适用于双层卫星网络的多测度路由方法

1技术领域

本发明涉及卫星通信领域，涉及一种适用于双层卫星网络的多则度路由方法。

2背景技术

双层卫星网络是在双层轨道平面内同时布星，将各层卫星组合而成，利用层间星际链路建立的立体交叉卫星网络。双层卫星网络具有时延性能好、发生网络阻塞概率低、系统抗毁性强等优点。现有的双层卫星网络的路由技术大多是结合多层网络自身特点，将单层卫星网络的算法有条件的移植使用，而很少在分群分簇技术上进行研究。因此，在研究双层卫星网络的分群分簇技术基础上，设计与之对应的路由算法是提高双层卫星资源利用率的有效途径。

3发明内容

本发明实施例公开了一种适用于双层卫星网络的多测度路由方法，能够有效的避免拥塞，从而提高卫星路由系统的整体利用率。具体方法如下：

根据双层卫星网络分簇算法，下层卫星根据星下点最近原则加入其覆盖上层卫星所在簇，并以此上层卫星为管理卫星；没有被上层卫星覆盖的下层卫星加入临近卫星所在簇，并服从簇内上层卫星的管理。

基于卫星的分簇管理，实施多测度链路信息交换方案，综合反映链路占用率和传输时延，计算卫星间的复合链路代价和链路状态信息，并在上层卫星之间交换复合链路代价和链路状态信息形成全网状态信息数据库。

基于全网状态信息数据库，根据跳数和复合链路代价决定的最小代价双层路由计算方法，方法分为簇内路由计算和簇间路由计算两种，簇内路由计算只需考虑使复合链路代价最小的最优路径，簇间路由计算则需选择跳数代价积最小的路径。

与现有技术相比，本发明设计了一种适用于双层卫星网络的分簇算法，下层卫星采用星下点最近原则确定管理卫星，加入管理卫星所在簇。与现有技术不同，本发明实施了一种链路信息交换方法，把链路占用率和链路长度加入交换信息，该方法能够通过群管理卫星和其覆盖的下层卫星完成全网的链路信息交换，为路由决策提供依据。本发明设计了一种双层卫星网络链路代价最小路由算法，算法分为簇内路由和簇间路由两种计算方式，簇内路由计算只需考虑使复合链路代价最小的最优路径，簇间路由计算则需选择跳数代价积最小的路径。实施本发明能够有效的避免拥塞，从而提高卫星路由系统的整体利用率。

4附图说明

图1为本发明设计的双层卫星网络多测度路由方法流程；

图2为本发明设计的双层卫星网络分簇算法实例流程；

图3为本发明实施的星下点距离计算示意图；

图4为本发明设计的链路信息交换方法实例流程；

图5为本发明设计的双层卫星网络链路代价最小路由算法实例流程。

5具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，以GEO&LEO双层卫星网络为例，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作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。

假设GEO&LEO卫星星座采用3颗静止卫星和24颗低轨卫星组成的结构。GEO地球同步卫星轨道高度为35786km，轨道周期86164s，轨道数为1，最小通信仰角10°；LEO低轨卫星轨道高度为1450km，轨道周期6840s，轨道数为3，最小通信仰角10°，LEO轨道内ISL两条，状态为永久性，轨道间ISL两条，状态为非永久性。

A.双层卫星网络分簇算法设计

下面结合附图2和具体实施例进一步说明分簇算法的具体实施方案。实现GEO&LEO双层卫星全联通分簇算法的具体步骤如下：

S101、LEO卫星通过广播找到当前覆盖它的所有GEO卫星，统计覆盖它的GEO卫星颗数n。若n＝1，进入S102；若n>1，进入S103；若n＝0，进入S104。

S102、LEO卫星只为一颗GEO卫星所覆盖，LEO加入该GEO卫星所在簇，簇的编号与该GEO卫星编号相同，在链路信息交换时LEO将信息传给簇管理卫星——对应的GEO进行链路信息汇总；

S103、LEO卫星被多颗GEO卫星覆盖时，此时通过计算星下点距离并按照“星下点最近原则”确定一颗GEO作为该LEO的管理卫星，LEO加入该GEO卫星所在簇，簇的编号与该GEO卫星编号相同。星下点距离计算如图3所示，假设(α_A，β_A)是LEO卫星A星下点A’的经纬度坐标，而(α_B,β_B)是GEO卫星B星下点B’的经纬度坐标，地球半径为R，则两颗卫星间的星下点距离由下式计算得到：

$\left|A^{\′}{B}^{\′}\right|=R\sqrt{2-2cos({\mathrm{\α}}_B-{\mathrm{\α}}_A)cos({\mathrm{\β}}_B-{\mathrm{\β}}_A)}$

根据这个公式，可以计算出LEO与将其覆盖的所有GEO间的星下点距离，通过比较它们之间的大小，选择星下点距离最小的GEO作为该LEO卫星的簇管理者，是为星下点最近原则。在链路信息交换时LEO将信息传给簇管理卫星——对应的GEO进行链路信息汇总；

S104、LEO卫星没有找到覆盖它的GEO卫星时，即LEO处于极地位置时，极地LEO卫星加入离它最近的同轨道且被GEO覆盖的LEO卫星所在的簇。具体步骤是：S104a、极地LEO(编号L_ij)查看同轨道相邻的两颗LEO卫星是否均被GEO覆盖；若是则进入S104b、比较总距离(轨道间链路距离加上层间链路距离)大小，选择加入总距离较小的GEO所在簇；若不是则进入S104c、选择加入相邻覆盖LEO的管理GEO所在簇，并记下中转LEO编号k。在链路信息交换时，极地LEO先将信息汇总到LEO卫星k，卫星k再把链路信息在对应的GEO卫星上进行汇总。

经过上述步骤，就可实现GEO&LEO双层卫星网络的全联通分簇。因为LEO卫星拓扑运动的可预测性，每经历一个周期，系统将重新执行一次双层卫星网络分簇算法进行分簇方案的更新。

B.双层卫星网络多测度链路信息交换方案

传统的链路信息只考虑链路的距离作为链路的依据，因此链路信息的交换时，只需传递卫星与相邻点间链路的连通性及链路长度。然而，这种方法无法反应卫星网络的流量负载情况。为了综合反映链路物理连接变化及流量负载变化，本发明使用综合链路代价进行卫星间的信息交换。

假设卫星A与卫星B之间的物理距离为D_AB，光速为c，输入队列长度为L，平滑后的输出队列缓冲长度为L_av，星际链路带宽为v，综合链路代价公式可由下式计算得到：

${\mathrm{Cost}}_{comp}\left(t\right)=\frac{D_{AB}\left(t\right)}{c}+\frac{L_{av}\left(t\right)}{v\left(t\right)}$

其中平滑后的输出队列缓冲长度由下式计算得到：

L_av(t)＝(1-α)L_av(t-1)+α·L(t)

下面结合具体实施例进一步说明卫星多测度链路信息交换的具体实施方案，以GEO&LEO双层卫星网络为例，如图4实现该方案的具体步骤如下：

S201、LEO卫星判断自己是否为GEO所覆盖，若是则为覆盖卫星，执行步骤S202；不是则为极地卫星，执行步骤S203；

S202、覆盖卫星收集邻接点链路的状态信息计算综合链路代价，并将链路的状态信息与链路代价以包的形式发送给其对应的管理GEO进行汇报；

S203、极地卫星通过判断同轨道相邻卫星的距离确定能够被GEO覆盖的LEO，并把此LEO称为极地卫星的LEO管理星。极地卫星收集邻接点链路的状态信息计算综合链路代价，并将链路的状态信息与链路代价以包的形式通过LEO管理星中转，完成向对应管理GEO的汇报；

S204、簇管理卫星GEO汇总本簇所有覆盖卫星以及极地卫星的邻接链路状态和综合链路代价；

S205、GEO卫星收集邻接点链路状态信息计算综合链路代价并记录下来完成进一步汇总；

S206、GEO卫星之间交换链路状态信息及综合链路代价，形成GEO&LEO双层卫星系统全网络状态信息数据库。

自此，完成上述6个步骤后，GEO&LEO双层卫星网络多测度链路信息交换就已完成，进入路由计算阶段。

C.链路代价最小路由算法

基于全网状态信息数据库，实施链路代价最小路由算法实现该路由计算及更新触发方案，如图5所示，该算法的具体步骤如下：

S301、由于LEO、GEO卫星运动规律，因此卫星之间的链路通断在时间上服从周期性。在一个更新周期内，隶属于一个簇内的LEO卫星之间的相互连接关系不变。因此簇内的LEO卫星路由表可以根据复合链路代价最小原则计算出来，计算过程在对应的管理卫星GEO上完成。

S302、管理GEO卫星将本簇内的LEO路由表计算好之后，将路由表广播分发到到簇内所有LEO卫星处。其中，极地卫星通过其对应的管理LEO卫星转发获取路由表。

S303、簇间路由计算除考虑复合链路代价外，还充分考虑降低跳数以尽可能减少处理时延。因此设计LEO簇间路由表计算遵循跳数-复合链路代价积最小原则。计算公式如下：

min[h_ij(k)·Cost_ij(k)]

路由计算由请求连接用户接入的LEO卫星所在簇管理GEO卫星完成，并分发给各卫星。

S304、结合簇内LEO路由表与簇间LEO路由表可以计算出任意两颗卫星间的使链路代价最小的路径作为本方案的路由。

如果计算出来的路径及备选路径复合链路代价均大于本方案设定的链路代价阈值λ，则认为路径即将发生严重的拥塞，或路径中有卫星失效，此时应触发对路由表的更新。

应用本发明实施例，分簇方便快捷，信息交互简便，在路由计算时充分考虑了链路忙碌度和传输时延，能够有效的避免拥塞，从而提高卫星路由系统的整体利用率。

Claims (4)

1.一种适用于双层卫星网络的多测度路由方法，所述方法包括：

根据双层卫星网络分簇算法，下层卫星根据星下点最近原则加入其覆盖上层卫星所在簇，并以此上层卫星为管理卫星；没有被上层卫星覆盖的下层卫星加入临近卫星所在簇，并服从簇内上层卫星的管理。

基于卫星的分簇管理，实施多测度链路信息交换方案，综合反映链路占用率和传输时延，计算卫星间的复合链路代价和链路状态信息，并在上层卫星之间交换复合链路代价和链路状态信息形成全网状态信息数据库。

基于全网状态信息数据库，根据跳数和复合链路代价决定的最小代价双层路由计算方法，方法分为簇内路由计算和簇间路由计算两种，簇内路由计算只需考虑使复合链路代价最小的最优路径，簇间路由计算则需选择跳数代价积最小的路径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双层卫星网络分簇算法根据上层卫星覆盖范围分簇，下层卫星的管理卫星由星下点最近原则动态确定。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多测度链路信息交换方案综合反映链路占用率和传输时延，该方案包括：

A.链路信息包括链路占用率和链路长度综合决定的链路代价；

B.信息更新时，下层卫星首先计算相邻链路的链路代价并将信息汇总给簇管理上层卫星，上层卫星间进行广播形成全网链路状态与代价表。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双层卫星路由算法根据跳数和复合链路代价决定的最小代价计算路由，算法包括：

A.在管理卫星上进行簇内各下层卫星间路由表计算，计算根据复合链路代价最小的原则确定路由；

B.簇间各下层卫星间路由表计算，计算根据跳数-复合链路代价积最小原则确定路由。