CN106789340A - 基于预测的卫星网络自适应拓扑发现与维护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于预测的卫星网络自适应拓扑发现与维护方法，主要解决现有卫星网络中由于网络拓扑频繁变化导致的拓扑发现与维护开销大的问题。其实现步骤是：1)网络节点计算本节点未来一段时间内的轨道数据，并与邻居节点交换轨道数据，依据交换所得的轨道数据预测与邻居节点的未来一段时间内的通断情况并在全网同步；2)利用预测的通断情况动态调整拓扑发现与维护报文的发送频率；3)在网络节点发现与邻居节点的实际通断情况和预测的通断情况不一致时，通过与邻居节点重新交换轨道数据预测新的未来一段时间内的通断情况并在全网同步。本发明与现有技术相比能够在实现卫星网络动态拓扑发现与维护的同时降低开销，可用于卫星通信网络。

Description

基于预测的卫星网络自适应拓扑发现与维护方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，更进一步涉及一种自适应拓扑发现与维护方法，可用于卫星通信网络。

背景技术

卫星通信网络具有覆盖范围广、通信距离远、不受地理条件限制，且传输质量好、组网灵活等特点，为实现全球实时无缝信息传递，提供了有效的解决手段。

卫星网络拓扑发现与维护是路由协议的重要组成部分，是路由算法计算路由的依据。高效的拓扑发现与维护协议可以降低卫星节点能量的消耗，延长网络寿命，提高链路利用率。然而，因为卫星节点的运动，卫星网络存在拓扑结构变化快的特性，给设计适用于卫星网络的拓扑发现与维护协议提出了严峻挑战。

卫星依据轨道运动，通过卫星的六个轨道根数，利用轨道预测模型可以确定卫星未来一段时间内任意时刻的位置和运动状态。卫星通过与邻居卫星交换预测的轨道信息可以获得未来一段时间内任意时刻与邻居的通断信息，可以利用这些信息优化卫星的拓扑发现与维护机制，降低卫星拓扑发现与维护的资源消耗，提高链路利用率。

卫星网络中的路由方式主要有两种，一种为静态路由，另外一种为动态路由，两种路由方式使用不同的拓扑发现与维护协议。

静态路由使用的拓扑发现与维护协议是根据卫星运动的可预知性、周期性和地球自转的周期性，将卫星网络的运行周期划分为n个时间片段。协议认为网络拓扑的变化只发生在时间片段的切换时刻，在时间片段内，卫星网络拓扑结构不会发生变换。这种协议的优点是链路开销小，但是所需要的存储资源开销大，无法实时的发现网络拓扑的动态变化。因此，当卫星节点失效时，网络中的其他节点依然按照未有节点失效的拓扑进行路由表的计算，将导致大量网络连接断开，网络流量显著降低，甚至是全网瘫痪。

动态路由使用拓扑发现与维护报文动态感知卫星网络拓扑结构的变化。这种协议在应对网络中各种变化时具有很强的灵活性，可以及时发现网络拓扑的变化，但是由于卫星网络拓扑变化频繁，导致网络节点需要频繁发送拓扑发现与维护报文，占用大量链路资源，使得网络节点的负荷大大加重。

发明内容

本发明的目的在提出一种基于预测的卫星网络自适应拓扑发现与维护方法，以解决上述现有技术由于网络拓扑频繁变化所导致拓扑发现与维护开销大的问题，减小网络节点的负荷，提高卫星网络资源的利用率。

实现上述目的技术思路是，网络节点通过本节点的轨道六根数计算本节点未来一段时间内的轨道数据，并与邻居节点交换轨道数据，依据交换所得的轨道数据预测网络节点与邻居节点的未来一段时间内的连通情况并在全网同步；根据链路连通情况，自适应的调整拓扑发现与维护报文的发送频率；在网络节点发现与邻居节点的实际连通情况和预测的连通情况不一致时，通过与邻居节点重新交换轨道数据预测新的未来一段时间内的连通情况，以在全网同步；当邻居节点的实际连通情况与预测情况一致时，则网络节点直接利用预测的连通情况代表邻居节点的连通情况。

依据上述思路，本发明的实现步骤包括如下：

(1)启动网络节点：设置网络节点的轨道六根数，周期性地广播带有自身ID的拓扑发现与维护报文，初始化邻接关系表为空，初始化链路状态数据库为空；

(2)网络节点根据链路状态数据库中的链路通断时段记录，判断当前时刻t₁与链路状态数据库中记录的链路连通或者断开时刻t₂的差值|t₁-t₂|是否大于设定的门限值σ：如果|t₁-t₂|＞σ，则网络节点维持初始设定的拓扑发现与维护报文的广播周期T_a，否则，网络节点减小拓扑发现与维护报文的广播周期T_b；

(3)网络节点判断是否收到邻居节点广播的拓扑发现与维护报文：如果网络节点收到邻居节点广播的带有邻居节点ID的拓扑发现与维护报文，则执行步骤(4)，否则执行步骤(5)

(4)网络节点判断邻接关系表中是否存在该邻居节点的ID：如果邻接关系表中不存在该邻居节点的ID，则将该邻居节点的ID加入邻接关系表，并设定该邻居节点的超时定时器，执行步骤(7)，否则，只刷新该邻居节点的超时定时器，执行步骤(5)；

(5)网络节点判断是否存在邻居超时定时器超时：如果存在邻居超时定时器超时，则执行步骤(6)，否则，返回步骤(2)；

(6)网络节点将超时邻居节点ID从邻接关系表中删除，依据链路状态数据库的链路通断记录，判断当前时刻t₁与链路状态数据库中记录的该邻居节点断开时刻t₃的差值|t₁-t₃|是否小于设定的门限值β：如果|t₁-t₃|＜β，则卫星节点生成新的本节点与该邻居节点的链路通断记录，执行步骤(10)，否则，返回步骤(2)；

(7)网络节点查找本节点的链路状态数据库的链路通断时段记录，判断当前时刻t₁与链路状态数据库中记录的邻居节点连通时刻t₄的差值|t₁-t₄|是否小于设定的门限值β：如果|t₁-t₄|＜β，则执行步骤(8)，如果链路状态时刻库中不存在该条链路通断记录或者|t₁-t₄|≥β，则执行步骤(9)；

(8)网络节点根据链路状态数据库中的节点通断时段记录，判断当前连通时段是否为最后一次与该邻居节点的连通时段：如果是，则执行步骤(9)，否则，执行步骤(10)；

(9)网络节点与邻居节点交换预测的未来一段时间内轨道数据，通过链路模型计算链路状态，更新链路状态数据库与邻居节点对应的链路通断记录；

(10)网络节点判断本节点链路状态数据库的更新时间与邻居节点链路状态数据库的更新时间是否一致：如果两者更新时间不一致，则网络节点与邻居节点交换链路状态数据库，并设定链路状态数据库的更新时间为当前时刻，返回步骤(2)，否则，直接返回步骤(2)。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明引入实际链路通断情况与预测链路通断情况判别机制，在链路实际通断情况与预测情况一致时不进行网络节点间链路状态数据库的同步，解决了卫星网络拓扑频繁变化导致的节点间链路状态数据库频繁同步的问题，减少了链路状态数据库同步报文的发送数目，从而降低了拓扑发现与维护的开销，减小了网络节点的负荷，提高了卫星网络资源利用率。

2)本发明引入自适应的网络拓扑发现与维护报文的发送机制，加快了链路确认连通或者断开的速度，提高了链路的利用率。

3)本发明采用网络节点间动态交换轨道数据生成预测链路通断状态，不需要存储卫星网络在整个运行周期全部时间片段的网络拓扑，从而降低了网络节点的存储开销。

附图说明

图1是本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照附图1，本发明的具体步骤如下：

步骤1，启动网络节点。

(1a)设置网络节点的轨道六根数，即设置网络节点的轨道半长轴a，偏心率e，轨道倾角i，近地点幅角ω，升交点赤经Ω和过近地点时刻τ；

(1b)设置网络中每个网络节点的ID：即每个节点的ID为128位无符号的不同整型数；

(1c)初始化邻接关系表为空；

(1d)初始化链路状态数据库为空；

(1e)网络节点周期性地广播带有自身ID的拓扑发现与维护报文。

步骤2，网络节点判断是否减小拓扑发现与维护报文的广播周期。

(2a)设置门限值σ＝t₂×θ，其中σ为轨道数据的预测精度，t₂为链路状态数据库中记录的链路连通或者断开时刻；

(2b)网络节点根据链路状态数据库中的链路通断时段记录，判断当前时刻t₁与链路状态数据库中记录的链路连通或者断开时刻t₂的差值|t₁-t₂|是否小于设定的门限值σ：如果|t₁-t₂|＞σ，则网络节点维持初始设定的拓扑发现与维护报文的广播周期T_a，否则，网络节点减小拓扑发现与维护报文的广播周期T_b。

步骤3，网络节点判断是否收到邻居节点广播的拓扑发现与维护报文。

网络节点判断当前时刻是否收到任何一个邻居节点广播的拓扑发现与维护报文：如果网络节点收到邻居节点广播的带有邻居节点ID的拓扑发现与维护报文，则执行步骤(4)，否则，执行步骤(5)。

步骤4，网络节点判断邻接关系表中是否存在该邻居节点的ID。

网络节点提取收到的拓扑发现与维护报文中的邻居节点ID，判断邻接关系表中是否存在该ID：如果邻接关系表中不存在该邻居节点的ID，则将该邻居节点的ID加入邻接关系表，并设定该邻居节点的超时定时器，执行步骤(7)，否则，只刷新该邻居节点的超时定时器，执行步骤(5)。

步骤5，网络节点判断是否存在邻居超时定时器超时。

网络节点为每个邻居维持一个超时定时器，依据此定时器判断是否存在邻居节点超时：如果超时，则执行步骤(6)，否则，返回步骤(2)。

步骤6，网络节点判断邻居节点的断开时刻是否与预测一致。

(6a)设置门限值β＝2T_b，其中T_b为减小的拓扑发现与维护报文广播周期；

(6b)网络节点将超时邻居节点ID从邻接关系表中删除，依据链路状态数据库的链路通断记录，判断当前时刻t₁与链路状态数据库中的该邻居节点断开时刻t₃的差值t₁-t₃|是否小于设置的门限值β：如果|t₁-t₃|＜β，则卫星节点生成新的本节点与该邻居节点的链路通断记录，执行步骤(10)，否则，返回步骤(2)。

步骤7，网络节点判断邻居节点的连通时刻是否与预测一致。

(7a)设置门限值β＝2T_b，其中T_b为减小的拓扑发现与维护报文广播周期；

(7b)网络节点查找本节点的链路状态数据库的链路通断时段记录，判断当前时刻t₁与链路状态数据库中记录的邻居节点连通时刻t₄的差值|t₁-t₄|是否小于设定的门限值β：如果|t₁-t₄|＜β，则执行步骤(8)，如果链路状态时刻库中不存在该条链路通断记录或者|t₁-t₄|≥β，则执行步骤(9)。

步骤8，网络节点判断预测的通断时段记录是否过时。

由于当前时段为链路状态数据库中预测链路通断时段的最后一段，其代表网络节点之前预测的通断时段已经过时，通过触发网络节点与邻居的轨迹交换，可计算该条链路新的预测通断时段，因此，网络节点可根据链路状态数据库中的节点通断时段记录，判断当前连通时段是否为最后一次与该邻居节点的连通时段：如果是，则执行步骤(9)，否则，执行步骤(10)。

步骤9，网络节点与邻居节点交换预测的未来一段时间内轨道数据，更新链路状态数据库与邻居节点对应的链路通断记录。

本步骤是通过链路模型计算链路状态，利用计算的链路通断状态更新链路状态数据库中该邻居节点对应的链路通断记录，实现对链路状态数据库与邻居节点对应的链路通断记录的更新，其过程如下：

(9a)确定预测轨道数据的时间长度：T_q＝min(T_c,T_s)，其中T_c为网络节点计算能力允许的最大时间长度，T_s为网络节点存储能力所允许的最大时间长度；

(9b)网络节点利用网络节点的轨道半长轴a，偏心率e，轨道倾角i，近地点幅角ω，升交点赤经Ω和过近地点时刻τ，计算网络节点在T_q时间长度内每个时间点t的轨道数据，即：

(9b1)选取地心赤道惯性坐标系作为参考系；

(9b2)利用公式计算网络节点的平均角速度n，其中u地球质量G

与引力常数M乘积，u＝GM＝3.086005×10¹⁴m³/s²；

(9b3)计算平近点角M＝n(t-τ)；

(9b4)利用迭代法解方程E＝M+esinE，得到偏近点角E；

(9b5)通过求解方程解得真近点角f；

(9b6)确定网络节点在时间点t的坐标

(9c)网络节点与邻居节点交换(9b)中计算得到的T_q时间长度内的轨道数据；

(9d)网络节点利用(9c)中交换得到的邻居节点轨道数据，预测T_q时间长度内与邻居节点的链路通断状态：

(9d1)利用网络节点与邻居节点在时间点t的两个坐标，计算地心到两个节点确定的直线的距离d₁和两个节点之间的距离d₂；

(9d2)判断d₁大于地球半径d_R和d₂小于节点最大允许通信距离d₃这两个条件是否同时成立,如果d₁＞d_R和d₂＜d₃同时成立，则代表在时间点时两者之间的链路为连通状态，否则，两者之间的链路为断开状态。

步骤10，网络节点判断是否与邻居节点交换链路状态数据库。

网络节点判断本节点链路状态数据库的更新时间与邻居节点链路状态数据库的更新时间是否一致：如果两者更新时间不一致，则网络节点与邻居节点交换链路状态数据库，并设定链路状态数据库的更新时间为当前时刻，完成本次拓扑发现与维护过程，返回步骤(2)，否则，直接返回步骤(2)，进行下一次的拓扑发现与维护过程。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于预测的卫星网络自适应拓扑发现与维护方法，包括：

(1)启动网络节点：设置网络节点的轨道六根数，周期性地广播带有自身ID的拓扑发现与维护报文，初始化邻接关系表为空，初始化链路状态数据库为空；

(2)网络节点根据链路状态数据库中的链路通断时段记录，判断当前时刻t₁与链路状态数据库中记录的链路连通或者断开时刻t₂的差值|t₁-t₂|是否大于设定的门限值σ：如果|t₁-t₂|＞σ，则网络节点维持初始设定的拓扑发现与维护报文的广播周期T_a，否则，网络节点减小拓扑发现与维护报文的广播周期T_b；

(3)网络节点判断是否收到邻居节点广播的拓扑发现与维护报文：如果网络节点收到邻居节点广播的带有邻居节点ID的拓扑发现与维护报文，则执行步骤(4)，否则执行步骤(5)

(4)网络节点判断邻接关系表中是否存在该邻居节点的ID：如果邻接关系表中不存在该邻居节点的ID，则将该邻居节点的ID加入邻接关系表，并设定该邻居节点的超时定时器，执行步骤(7)，否则，只刷新该邻居节点的超时定时器，执行步骤(5)；

(5)网络节点判断是否存在邻居超时定时器超时：如果存在邻居超时定时器超时，则执行步骤(6)，否则，返回步骤(2)；

(6)网络节点将超时邻居节点ID从邻接关系表中删除，依据链路状态数据库的链路通断记录，判断当前时刻t₁与链路状态数据库中记录的该邻居节点断开时刻t₃的差值|t₁-t₃|是否小于设定的门限值β：如果|t₁-t₃|＜β，则卫星节点生成新的本节点与该邻居节点的链路通断记录，执行步骤(10)，否则，返回步骤(2)；

(7)网络节点查找本节点的链路状态数据库的链路通断时段记录，判断当前时刻t₁与链路状态数据库中记录的邻居节点连通时刻t₄的差值|t₁-t₄|是否小于设定的门限值β：如果|t₁-t₄|＜β，则执行步骤(8)，如果链路状态时刻库中不存在该条链路通断记录或者|t₁-t₄|≥β，则执行步骤(9)；

(8)网络节点根据链路状态数据库中的节点通断时段记录，判断当前连通时段是否为最后一次与该邻居节点的连通时段：如果是，则执行步骤(9)，否则，执行步骤(10)；

(9)网络节点与邻居节点交换预测的未来一段时间内轨道数据，通过链路模型计算链路状态，更新链路状态数据库与邻居节点对应的链路通断记录；

(10)网络节点判断本节点链路状态数据库的更新时间与邻居节点链路状态数据库的更新时间是否一致：如果两者更新时间不一致，则网络节点与邻居节点交换链路状态数据库，并设定链路状态数据库的更新时间为当前时刻，返回步骤(2)，否则，直接返回步骤(2)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，全网的网络节点ID不同，即每个节点的ID为128位无符号的不同整型数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中设定的门限值σ，由以下公式确定：σ＝t₂×θ，θ为轨道数据的预测精度，t₂为链路状态数据库中记录的链路连通或者断开时刻。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)中设定的门限值β，由以下公式确定：β＝2T_b，其中T_b为拓扑发现与维护报文广播周期。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(9)中网络节点通过轨道六根数计算的轨道数据时间长度T_q，其计算公式如下：

T_q＝min(T_c,T_s)，

其中T_c为网络节点计算能力允许的最大时间长度，T_s为网络节点存储能力所允许的最大时间长度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(9)中通过链路模型计算链路状态，按如下步骤进行：

(9a)确定预测轨道数据的时间长度T_q：使用公式T_q＝min(T_c,T_s)确定计算轨道数据的时间长度T_q；

(9b)网络节点利用网络节点的轨道半长轴a，偏心率e，轨道倾角i，近地点幅角ω，升交点赤经Ω和过近地点时刻τ，计算网络节点在T_q时间长度内每个时间点t的轨道数据，即：

(9b1)选取地心赤道惯性坐标系作为参考系；

(9b2)利用公式计算网络节点的平均角速度n，其中u地球质量G与引力常数M乘积，u＝GM＝3.086005×10¹⁴m³/s²；

(9b3)计算平近点角M＝n(t-τ)；

(9b4)利用迭代法解方程E＝M+e sin E，得到偏近点角E；

(9b5)通过求解方程解得真近点角f；

(9b6)确定网络节点在时间点t的坐标

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\frac{a(1-e^2)}{1+e\cos f}\left[\begin{array}{c}cos\mathrm{\Ω}cos(\mathrm{\ω}+f)-sin\mathrm{\Ω}sin(\mathrm{\ω}+f)\cos i\\ sin\mathrm{\Ω}cos(\mathrm{\ω}+f)+cos\mathrm{\Ω}sin(\mathrm{\ω}+f)\cos i\\ sin(\mathrm{\ω}+f)\cos i\end{array}\right].$

(9c)网络节点与邻居节点交换(9b)中计算得到的T_q时间长度内的轨道数据；

(9d)网络节点利用(9c)中交换得到的邻居节点轨道数据，预测T_q时间长度内与邻居节点的链路通断状态：

(9d1)利用网络节点与邻居节点在时间点t的两个坐标，计算地心到两个节点确定的直线的距离d₁和两个节点之间的距离d₂；

(9d2)判断d₁是否大于地球半径d_R和d₂是否小于节点最大允许通信距离d₃：如果d₁＞d_R且d₂＜d₃，则代表在时间点时两者之间的链路为连通状态，否则，两者之间的链路为断开状态。