CN108551398A - 一种用于星间激光通信快速组网的拓扑重构方法 - Google Patents

Abstract

一种用于星间激光通信快速组网的拓扑重构方法，本发明提供一种LEO/MEO星间光链路的快速拓扑生成方法，该方法包括选举集中式控制器负责全局带宽需求及链路信息收集、处理及下发；初始星间链路按最小集规则按带宽利用率情况进行重复迭代删除；星间光链路业务承载按转发跳数及连通度约束进行重新分配；星间光链路关闭冗余链路。在对于突发的临时业务场景中，使用该发明可以在保持基础QoS需求的情况下，寻找满足业务需求的最小星间激光链路集，提升星间网络部署速度及效率，实现星间激光通信的快速灵活组网。

Description

一种用于星间激光通信快速组网的拓扑重构方法

技术领域

本发明涉及卫星间光通信领域，尤其涉及中/低地球轨道(Low/Middle EarthOrbit,LEO/MEO)双层卫星网络中快速组网的拓扑重构方法。

背景技术

卫星网络作为空天地一体化网络中的重要组成部分，具有快速提供大面积覆盖接入的能力。伴随当前网络高带宽、广覆盖、密集接入的发展趋势，将多颗卫星进行组网协同提供数据通信服务具有重要意义。与单层卫星组网结构相比，组建LEO/MEO双层卫星网络将可具有更高的频谱利用效率、抗毁性以及更低的时延和更低的网络拥塞率等特点，被视为最有应用前景以及实际部署意义的卫星组网技术之一。

然而，LEO/MEO卫星组网受到轨道高度、倾角等严苛限制，建立及维护卫星之间的激光束连接仍然困难。此外，在卫星在轨高速运行期间，仅有有限的时间窗口供星间链路建立。虽然一些研究集中在更准确和精确的激光指向和跟踪上以减少星间链路建立难度，但星间链路建立仍需满足快速反应条件。传统的相对固定和冗余的星间链路可以降低链路建立和恢复时间，但也会造成额外的光谱资源浪费和能量消耗，并无法满足对于紧急情况下的多个临时业务的快速响应。

因此，本发明从LEO/MEO卫星网络快速组网需求出发，提出了一种用于星间激光通信快速组网的拓扑重构方法，该发明可在保证网络时延和连通度的限制的同时，降低星间冗余链路数目，以提升星间网络部署速度及效率，尽最大可能的保证数据的无间断传输。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种LEO/MEO星间光链路的快速拓扑生成方法，用于星间激光通信的快速组网，以提升星间网络部署速度及效率，尽最大可能的保证数据的无间断传输。

根据本发明的一个方面，提供了一种最小星间光链路集合的发现方法，所述方法包括：在由卫星位置及激光器数量状态所确定的初始冗余星间链路集中，根据最大化带宽利用率和网络时延限制，按星间链路裁剪规则，循环迭代删除星间链路，直至形成最小星间链路集，并按该最小星间链路集建立星间网络。

由此，能够实现降低星间冗余链路数目，从而能够提升星间网络部署速度及效率，实现紧急情况下的多个临时业务的快速响应。

在此，星间链路裁剪规则为：在当前待裁剪星间链路集中，查找并选择带宽利用率最低的星间链路，根据网络状态评估规则，评估该链路关闭后当前网络业务是否仍能满足网络时延限制和网络连通度限制完成承载；若删除后能承载全部业务需求，则返回步骤S205；若删除后不能承载全部业务需求，则当前待裁剪星间链路集即为所述的最小星间链路集；该所述规则中，仅在第一次星间链路裁剪时将初始冗余星间链路集作为当前待裁剪星间链路集。

所述的星间链路裁剪规则中，所述的网络时延限制以及网络连通度限制的定义规则为：光信号从源端通过卫星光链路进行转发，最终到达目的端。其最短路径跳数，也即经过转发的卫星数目须小于一个随不同时延要求进行调整的阈值，该阈值被定义为网络时延限制；光信号从源端通过卫星光链路进行转发，最终到达目的端，有多条可选路径。所有满足服务质量要求的路径数目，不得小于一个随不同网络要求的阈值，该阈值被定义为网络连通度限制。

所述的星间链路裁剪规则中，所述的网络状态评估规则为：将所有业务需求按照最短路由方法，分配至裁剪后的当前待裁剪星间链路集所构成的网络中之后：若所有星间光链路的单波长带宽均不小于被分配的带宽值，则当前网络被认为能够承载全部业务需求；若被分配的带宽值有超过星间光链路的单波长带宽的，则对这些链路上的业务按路由重定向规则进行调整；经过调整，若其能够满足所有星间光链路的单波长带宽均不小于被分配的带宽值，则当前网络仍被认为能够承载全部业务需求，否则当前网络被认为不能承载全部业务需求。

由此，能够实现减少冗余星间链路数目的同时，保证网络时延和连通度的限制，使得网络服务质量的基本要求不被破坏。

此外，在对星间链路进行裁剪的过程中，进行网络状态评估后，若存在星间光链路的单波长带宽无法承载被分配的业务带宽的请况时，需要对这些链路上的业务按路由重定向规则进行调整。所述的业务的路由重定向规则为：单波长带宽小于被分配带宽值的星间光链路上，对超过链路容量部分的业务流进行路由重定向，即在所有可能建立连接，且对应光链路容量允许的卫星中，选择一个最短路径进行中转。

由此，一定程度上避免星间链路进行裁剪的过程进行不完全，无法关闭所有冗余星间链路，得到星间激光链路的最小集合。

根据本发明的一个具体实施例，所述方法在所述步骤S205之前还包括：在卫星运行相对位置动态变化的一个周期内，根据需求选取一定数量的时隙，每个时隙即对应一个卫星通信节点的静态状态，根据每个状态中的卫星相对位置以及激光器数量，得到该状态下所有可能建立的卫星间激光链路集合，该集合即为初始冗余星间链路集。将所有业务需求按照最短路由方法，分配至初始冗余星间链路集所构成的星间网络中，计算所有链路的带宽利用率，即链路上分配带宽与总带宽之比。

由此，应对空间星座动态多变的情况，选举集中式控制器负责全局带宽需求及链路信息收集、处理及下发。

附图说明

为了更清楚地说明本发明，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显然地，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前提下，还可以根据这些附图获得的更多的附图。

图1为本发明一个实施例提供的LEO/MEO双层卫星网络场景图

图2为本发明一个实施例提供的星间激光通信快速组网的拓扑重构计算流程图

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。本发明中所述的星间激光通信快速组网的拓扑重构方法，可部署但不限于LEO/MEO双层卫星网络，对于所有具有网络拓扑状态快速切换特点的卫星组网场景均适用。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。

如图1所示，本发明一个实例给出了LEO/MEO双层卫星组网的场景示意。LEO/MEO协同通信架构中，MEO卫星一般作为核心节点负责数据的汇聚及大容量转发，LEO卫星主要负责地面站信息接入以及相对较低容量的数据转发。所述星间激光通信快速组网的拓扑重构方法可部署与该双层网络的一个集中式控制节点上，该节点的选取可在MEO或LEO层卫星中选择，而选取的原则一般为具有较强计算及通信能力的卫星具有较高的被选择优先级。如图1所示，卫星101被选取作为集中式控制节点，负责全局带宽数据收集以及快速拓扑重构计算、拓扑更新信息下发等操作。

如图2所示，本发明一个实例给出了星间激光通信快速组网的拓扑重构计算流程方法描述：

在卫星运行相对位置动态变化的一个周期内，当产生拓扑重构需求时，可采用启动该拓扑重构方法。

步骤S201：集中式控制节点负责记录当前卫星网络中卫星数目、轨道坐标、业务带宽及时延需求等基础网络信息；

步骤S202：集中式控制节点根据需求选取一定数量的时隙，每个时隙即对应一个卫星通信节点的静态状态，根据每个状态中的卫星相对位置以及激光器数量，得到初始冗余星间链路集S；

步骤S203：在该初始冗余星间链路集S中，将当前网络业务按最短径原则进行初始部署。其中，上述选取一定数量的时隙的方式包括但不限于：

方式1：采取等长时间段划分星座周期，每个时间段内的网络拓扑被看作静止不变，在周期内选取时隙并从中提取拓扑。

方式2：采取变长时间段划分星座周期，选择时间段的依据是卫星覆盖区在一个时间段内移动的距离占覆盖区直径的比例足够小，根据已有研究，该比例可取7％。

根据实际需要，能够选择合适的方式来划分星座周期选取时隙。不失一般性地，下文中仅以方式1为例，但是本领域技术人员能够理解，能够类似地采取方式2。

步骤S204：集中式控制器根据当前业务的时延要求以及网络的连通度要求，计算转发次数阈值α及连通度阈值D，相关计算比例可以参考每跳数转发设备20μs进行设置；

步骤S205：以当前拓扑星间链路集作为当前待裁剪星间链路集，并对所有工作链路进行编号，依次计算链路的带宽利用率，链路带宽利用率可用当前业务流总带宽除以链路容量得出；

步骤S206：找出具有最小带宽利用率的链路，记为L，准备将其从当前待裁剪星间链路集中进行删除；

步骤S207：集中控制节点将链路L从现有拓扑中临时删除，并根据被删除的链路上的业务请求进行网络状态评估；

步骤S208：为被删除链路L上的所有业务请求重新按照最短路径原则分配转发路径；

步骤S209：当所有业务流均可按最短路径原则被剩余链路承载时，表明当前链路可被删除，跳转至步骤S212；当存在业务流不能被剩余链路承载的情况时，尝试增加转发次数，按照路由重定向规则进行流量分配，跳转至步骤S210；

步骤S210：当按最短路径进行流量重新指定超出剩余带宽限制时，采用扩大转发次数的方式进行流量重新计算，其规则为：光信号从源端通过卫星光链路进行转发，其最短路径跳数，也即经过转发的卫星数目须小于一个随不同时延要求进行调整的阈值，该阈值被定义代表服务质量要求的转发次数阈值α；同时，为了保证链路拓扑生成快速收敛而忽略链路负载均衡需求，设置网络连通度限制，也即，光信号从源端通过卫星光链路进行转发，最终到达目的端，按最短路由优先的原则进行备选路径计算时，所有满足服务质量要求的备选路径数目，不得小于一个随不同网络要求的阈值，该阈值被定义为代表网络连通度限制的连通度阈值D；

步骤S211：当存在满足条件的备选路径时，说明该链路L可以被裁剪，跳转至步骤2012；当不存在满足条件的备选路径时，说明该拓扑处于最小星间链路集状态，拓扑重构结束。

步骤S212：集中式控制器将被裁剪链路信息下发至对应卫星，执行链路关闭操作。然后跳转至步骤205，进行其他链路裁剪。

Claims (8)

1.一种用于星间激光通信快速组网的拓扑重构方法，所述方法包括：

C.(S207)将所述的最小带宽利用率的链路从所述的当前待裁剪星间链路集所构成的网络中临时删除；

D.(S209)进行网络状态评估，评估所述的最小带宽利用率的链路被临时删除后，当前网络业务是否仍能满足所述的网络时延限制和网络连通度限制且能够完成承载。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤D进行评估之后可能的结果包括：

-(S212)若删除后当前网络能承载全部业务需求，则从当前待裁剪星间链路集中删掉该链路，关闭此星间链路，并以删除后的星间链路集为最新的当前待裁剪星间连路集，返回S205；

-(S210)若删除后当前网络不能承载全部业务需求，则对这些链路上的业务进行路由重定向调整。

3.如权利要求1所述，其特征在于，所述的网络时延限制以及网络连通度限制的定义规则为：

-光信号从源端通过卫星光链路进行转发，最终到达目的端。其最短路径跳数，也即经过转发的卫星数目须小于一个随不同时延要求进行调整的阈值，该阈值被定义为网络时延限制；

-光信号从源端通过卫星光链路进行转发，最终到达目的端，有多条可选路径。所有满足服务质量要求的路径数目，不得小于一个随不同网络要求的阈值，该阈值被定义为网络连通度限制。

4.如权利要求1所述，其特征在于，所述的网络状态评估规则为：

(S208)将所有业务需求按照最短路由方法，分配至裁剪后的星间链路集所构成的网络中之后：

-若所有星间光链路的单波长带宽均不小于被分配的带宽值，且满足所述的网络时延限制和网络连通度限制，则当前网络被认为能够承载全部业务需求；

-若被分配的带宽值有超过星间光链路的单波长带宽的或有不满足所述的网络时延限制和网络连通度限制的链路，则当前网络被认为不能够承载全部业务需求。

5.如权利要求2所述，其特征在于，路由重定向调整方法包括：

(S210)根据所述的网络时延限制以及网络连通度限制，对不能被网络承载的业务流进行次短路径选路；

(S211)判断当前网络业务是否能够承载所有的业务流带宽；

-(S212)若其能够满足所有星间光链路的单波长带宽均不小于被分配的带宽值，则当前网络仍被认为能够承载全部业务需求，从当前待裁剪星间链路集中删掉该链路，并以删除后的星间链路集为最新的当前待裁剪星间连路集；

-否则当前网络被认为不能承载全部业务需求，不关闭该临时删除星间链路，拓扑重构结束。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤C之前包括：

B1.(S205)计算所有链路的带宽利用率，即链路上分配带宽与总带宽之比；

B2.(S206)查找得到所述的最小带宽利用率的链路。

7.如权利要求6所述，其特征在于，在所述的步骤B之前包括：

A.(S201)在卫星运行相对位置动态变化的一个周期内，根据需求选取一定数量的时隙，每个时隙即对应一个卫星通信节点的静态状态，在每个状态中选取一颗卫星作为集中控制节点，初始化全局拓扑信息以及星间通信业务带宽信息。

8.如权利要求7所述，其特征在于，所述的初始化全局拓扑信息以及星间通信业务带宽信息内容包括：

(S202)根据每个状态中的卫星相对位置以及激光器数量，得到该状态下所有可能建立的卫星间激光链路集合，该集合即为初始的当前待裁剪星间连路集；

(S203)将所有业务需求按照最短路由方法，分配至初始冗余星间链路集所构成的星间网络中；

(S204)根据具体的业务服务质量要求，计算网络时延限制和网络连通度限制。