CN108667955A

CN108667955A - 一种Walker星座网络的地理分区IP编址方法

Info

Publication number: CN108667955A
Application number: CN201810400999.7A
Authority: CN
Inventors: 刘亮; 丁睿; 赵源; 沈宇飞; 梁宗闯
Original assignee: China Academy of Space Technology CAST
Current assignee: China Academy of Space Technology CAST
Priority date: 2018-04-28
Filing date: 2018-04-28
Publication date: 2018-10-16
Anticipated expiration: 2038-04-28
Also published as: CN108667955B

Abstract

一种Walker星座网络的地理分区IP编址方法，包括地表大区划分、各大区IP地址分配规则、用户终端与卫星对地端口的IP地址更新规则，地表大区划分规则，是指针Walker星座的卫星分布和运动规律，给出了形状规则，排列整齐的大区分布，并且各个大区的范围充分大，使得移动用户跨越大区，更新IP地址的频率充分降低；各大区IP地址分配规则，给出与用户分布密度相关的大区IP地址分配策略，对不同大区分配不同数量的IP地址，使得维护网络运行所需的IP地址数充分减少；用户终端与卫星对地端口IP地址更新规则，使得在系统动态变化过程中，始终保证卫星节点与移动用户的地址汇聚关系，从而保证IP包准确发送到移动用户。

Description

一种Walker星座网络的地理分区IP编址方法

技术领域

本发明涉及航天信息领域，特别是一种Walker星座网络的地理分区IP编址方法。

背景技术

Walker星座网络是一种全球一体化通信系统，具有全球无缝覆盖、快速机动布网等优点。但由于卫星节点与地面移动用户间存在相对运动，这使得地面用户频繁的穿越不同的卫星覆盖区，从而使得IP协议的运行受到很大影响。

Walker星座网络的编址对于业务通信的持续性、QoS保证能力以及卫星通信系统的吞吐量等都有影响，是天基信息系统中的关键技术，尤其是随着系统中接入用户数量的扩展，对于该问题的解决方法也越来越重要，成为目前卫星通信技术的一个研究热点。

Walker星座网络中卫星节点始终在相对地球运动，这造成接入的用户不断穿越卫星覆盖区域，尤其是对于星座轨道面较低时，由于卫星节点的运动速率很高，接入用户与卫星之间的切换会非常频繁。传统IP编址方法是卫星对地端口的IP地址保持不变，而用户满足与接入卫星之间的地址汇聚关系。采用这种方法，当用户由旧卫星覆盖区域穿越到新的卫星覆盖区域时，需要更新IP地址，从而与新的卫星满足地址汇聚关系。采用这种编址方法，随着用户数量的扩展，网络中的地址更新事件会更加频繁的出现，从而严重影响低轨道卫星IP网络的运行效率。

为提高卫星星座网络中IP协议的运行效率，有些学者提出了基于地理信息的编址方案。该方案将地球表面划分为若干形状规则的大区(例如由两条经线和纬线所包围的区域)，每个大区分配一定数量的IP地址。假定每个用户通过定位系统实时的指导自己的坐标，当用户位于某区域中时，用户的IP地址则为该大区中的某个地址，只有用户跨越到新的地理大区时，才进行IP地址的更新。不同于卫星节点的相对地球遍历运动特点，在绝大部分情况下，地面移动用户的运动速率较低，且运动范围有限，故，相对来说，移动用户跨越地理分区的频率远远小于移动用户变换卫星覆盖区的频率。因此，采用基于地理信息的IP编址方法及装置大大降低了移动用户IP地址更新的频率和开销，从而提高了卫星星座网络运行效率。

尽管通过以上的地理信息编址方案，能够大大降低卫星星座网络中用户IP地址更新的开销。然而，该方案没有充分考虑IP协议中的卫星节点与接入用户的地址汇聚关系，因此难以保证IP包准确传输到移动用户。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种Walker星座网络的地理分区IP编址方法，解决了现有的基于地理信息的IP编址方法及装置大大降低了移动用户IP地址更新的频率和开销，提高了卫星星座网络运行效率，但是没有充分考虑IP协议中的卫星节点与接入用户的地址汇聚关系，因此难以保证IP包准确传输到移动用户的问题。

本发明的技术解决方案是：一种Walker星座网络的地理分区IP编址方法，包括如下步骤：

(1)进行地表大区划分；

(2)建立各个地表大区的IP地址分配规则；

(3)建立各个地表大区中用户终端与卫星对地端口的IP地址更新规则。

所述的所述的地表大区划分的方法为：

(1)获取Walker星座网络的轨道面数m、每个轨道面的卫星数n；

(2)当n＝2,4,6,8时，将地球表面剖分成行，每行有C_d＝2m个均分的地表大区，进而得到当前的所有地表大区数量N_D为

其中，N_S为Walker星座网络的卫星数；

计算得到地表大区的相同纬度间隔经度间隔为进而得到凯莱投影地图下Walker星座网络地表大区划分，设i＝1,...,R_d，第i行大区位于纬线位于零度经线右侧的地表大区标号依次为

(3)当n≥9时，设

如果n为奇数，在纬度范围内划分为行，每行有C_d＝2m个地表大区，在各一个地表大区，得到地表大区总数为

如果n为偶数，在纬度范围内划分成行，每行有C_d＝2m个地表大区，在和中各一个大区，得到当前情况下地表大区总数为

其中，m≥1，且n为偶数或为n≥9的奇数。

所述的建立各个地表大区的IP地址分配规则的方法为：

(1)设地表大区编号为地表大区D_i所需的IP地址数量为γ(D_i)，地表大区D_i扩展后需分配的IP地址数量Γ(D_i)为ρ(D_i)＝log₂Γ(D_i)；

其中，为进行向上取整符号；

(2)计算得到扩展后所有地表大区总的IP地址数量为

ρ_t＝log₂Γ_t；

(3)如果ρ_t＝log₂Γ_t不大于32，将大区重新排列为对于i＝1,...,N_D，D_k(i)的起始IP地址IP_start(D_k(i))与结束IP地址IP_back(D_k(i))满足

IP_back(D_k(i))＝IP_start(D_k(i))+Γ(D_k(i))-1

D_(k(i))的子网掩码为

IP₀为IP地址初始值。

所述的将大区重新排列为的方法为：

第一步：设一组整数k(1),...,k(N_D)，满足k(i)＝i，i＝1,...,N_D；

第二步：设T＝N_D-1；

第三步：对于i＝1,...,T，如果ρ(D_k(i))<ρ(D_k(i+1))，则令y＝k(i+1)，k(i+1)＝k(i)，k(i)＝y；

第四步：将T的值减1，如果T≥1，则进入第三步；如果T＝0，则得到重排后的大区顺序

所述的建立各个地表大区中用户终端与卫星对地端口的IP地址更新规则的方法为：

(1)记walker星座有N_S＝m·n颗卫星，m为轨道数量，n为每个轨道中的卫星数量，各个轨道均为以地球为半径的圆形，轨道半径为R，轨道倾角为θ，相邻轨道面的升焦点赤经差值相同，轨道中相邻卫星与地心连线的夹角为

(2)对于l＝1,...,m、d＝1,...,n，设第l个轨道面上的第d颗卫星的坐标为ω_l,d＝(λ_l,d,φ_l,d,R)；

对应的极地轨道映射坐标为

其中，Π(x)＝2-2k·π，-π+2k·π≤x≤π+2k·π，为第l个轨道面的升半圈与赤道面的夹角，为第l个轨道面的降半圈与赤道面的夹角；

(3)进行倾斜圆轨道坐标均匀化的映射，得到所对应的均匀化极轨坐标为

Ω_l,d＝(Λ(λ_l,d),Φ₁(φ_l,d),R)

其中，Φ₁满足：当m为奇数时对于l＝1,2,...,m，

当m为偶数时对于l＝1,2,...,m，

(4)对于l＝1,...,m、d＝1,...,n，设卫星S_l,d的坐标为ω_l,d、对应的极地轨道映射坐标为均匀化极轨坐标为Ω_l,d，则S_l,d对地端口地址的分配和更新按照如下规则：

如果S_l,d的均匀化极轨坐标Ω_l,d位于某个平行大区D_i范围内，则S_l,d对地端口地址为

IP(S_l,d)＝IP_start(D_i)+1

随着S_l,d的运动，如果Ω_l,d由大区D_i运动到另一个平行大区D_j，则S_l,d的对地端口地址变更为

IP(S_l,d)＝IP_start(D_j)+1；

对于地表大区D_i中IP地址的分配和更新规则为：

(41)设IP_ava(D_i)为D_i中没有被分配的IP地址集合，IP_min(D_i)＝minIP_ava(D_i)为IP_ava(D_i)的最小IP地址；

如果D_i内没有移动用户，则IP_ava(D_i)＝{IP_start(D_i)+2,IP_start(D_i)+3,...,IP_back(D_i)-1}，IP_min(D_i)＝minIP_ava(D_i)＝IP_start(D_i)+2；

如果D_i内除IP_start(D_i)、IP_start(D_i)+1、IP_back(D_i)外，所有IP地址已分配，则

(42)当用户a进入D_i区域范围时，如果则a的地址为IP(a)＝IP_min(D_i)，IP_ava(D_i)＝IP_ava(D_i)/{IP(a)}，IP_min(D_i)更新为IP_min(D_i)＝minIP_ava(D_i)；如果则用户a的IP地址分配失败；

当用户a离开D_i区域范围时，a的地址IP(a)将释放，则对于大区D_i，IP_ava(D_i)＝IP_ava(D_i)U{IP(a)}，如果IP(a)<IP_min(D_i)，则IP_min(D_i)＝IP(a)。

一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-权利要求5任一所述方法的步骤。

一种电推进羽流与卫星通信波束兼容性测试终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如权利要求1-权利要求5任一所述方法的步骤。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明与现有技术相比，不仅提高了卫星星座网络运行效率，而且充分考虑IP协议中的卫星节点与接入用户的地址汇聚关系，保证了IP地址包准确传输到移动用户的问题。

附图说明

图1为每个轨道面卫星数为2,4,6,8时的地表大区划分规则图；

图2为每个轨道面卫星数大于等于9，且为奇数时的地表大区划分规则图；

图3为每个轨道面卫星数大于等于9，且为偶数时的地表大区划分规则图。

具体实施方式

本发明一种Walker星座网络的地理分区IP编址方法，包括地表大区划分、各大区IP地址分配规则、用户终端与卫星对地端口的IP地址更新规则，地表大区划分规则，是指针Walker星座的卫星分布和运动规律，给出了形状规则，排列整齐的大区分布，并且各个大区的范围充分大，使得移动用户跨越大区，更新IP地址的频率充分降低；各大区IP地址分配规则，给出与用户分布密度相关的大区IP地址分配策略，对不同大区分配不同数量的IP地址，使得维护网络运行所需的IP地址数充分减少；用户终端与卫星对地端口IP地址更新规则，使得在系统动态变化过程中，始终保证卫星节点与移动用户的地址汇聚关系，从而保证IP包准确发送到移动用户。

1、星座基本信息与坐标映射

1.1walker星座的基本信息

walker星座具有以下排列规律：卫星星座中有N_S＝m·n颗卫星，其中m为轨道数量，n为每个轨道中的卫星数量。各个轨道均为以地球为半径的圆形，各个轨道的半径均为R，轨道倾角均为θ，相邻轨道面的升焦点赤经差值相同。每个轨道中，相邻卫星与地心连线的夹角均为

1.2坐标映射

按照以下两步，获取各个卫星坐标的映射。

第一步：得到由倾斜圆轨道到极地轨道的映射。

对于l＝1,...,m，d＝1,...,n，设第l个轨道面上的第d颗卫星的坐标为ω_l,d＝(λ_l,d,φ_l,d,R)

对应的极地轨道映射坐标为

其中，

设函数Π，满足Π(x)＝2-2k·π，-π+2k·π≤x≤π+2k·π

则函数Π能够将任意一个角度，按照2π周期的对应关系，映射到[-π,π]范围内。设和分别为第l个轨道面的升半圈与降半圈与赤道面的夹角。

则

第二步：得到倾斜圆轨道坐标均匀化的映射，得到所对应的均匀化极轨坐标Ω_l,d＝(Λ(λ_l,d),Φ₁(φ_l,d),R)

其中，当m为奇数时，对于l＝1,2,...,m，以下成立

当m为奇数时，对于l＝1,2,...,m，以下成立

其中：

2、地表大区划分

根据轨道面数m，和每个轨道面的卫星数n来划分地表编址大区。本发明限于m≥1，n为偶数，或满足n≥9的奇数的情况。

1.1当n＝2,4,6,8时，将地球表面剖分成行，每行有C_D＝2m个，大区数量，满足：

所有大区具有相同的维度间隔和经度间隔大区的排列如图1所示。在凯莱投影中自下而上，则对于i＝1,...,R_D，第i行大区为于纬线到纬线之间。每一行中的大区可在两条纬线之间左右平移，其中完全位于零度经线右侧的第一个大区标号为D_i,1，其右侧的大区为D_i,2，D_i,2右侧为D_i,3，以此类推，直到与D_i,1左侧接壤。

1.2n≥9时，设

如果n为奇数，如图2所示，在纬度范围，内排列成行，每一行有C_d＝2m个大区，这些大区被称为平行大区；在和中各有一个大区，这两个大区被称作极地大区。这种情况下的大区总数为

如果n为偶数，如图3所示在在纬度范围，内排列成行，每一行有C_d＝2m个大区，这些大区被称为平行大区；在和中各有一个大区，分别表示为D_south和D_north，这两个大区被称作极地大区。这种情况下的大区总数为

各行大区可依前述进行横向平移。

3、各大区IP地址分配规则

设大区编号为对于设大区D_i所需的IP地址数量为γ(D_i)，这里γ(D_i)的取值需考虑D_i所在区域的人口稠密程度，用户分布规律等因素。

对于任意给定的考虑到IP协议地址汇聚的因素，则各个大区的IP地址分配按照如下规则进行。

将各个大区所需地址数扩展为2的k次幂的形式。

对于则大区D_i所需的IP地址扩展为

设ρ(D_i)＝log₂Γ(D_i)。

进一步，计算出总共所需要的地址数，并扩展为2的k次幂的形式。

扩展后总的IP地址数为

设ρ_t＝log₂Γ_t。

接下来，对于给定的完全地址段，拆分得到各个大区分配的地址段。

基于10网段的进行分配，只考虑ρ_t≤24的情况。

设则各个大区的地址分配就是由给定的IP₀，得到IP_start(D_i)和

3.1地址分配规则A

如果则获得IP_start(D_i)与IP_back(D_i)的步骤如下。

首先，将大区重新排列为其算法如下。

表1：大区重新排序算法

经过算法1，可以得到大区的重新排列满足

其一：对于任意的1≤i<j≤N_D，ρ(D_k(i))≥ρ(D_k(j))。

其二：对于1≤i<j≤N_D，如果ρ(D_k(i))＝ρ(D_k(j))，则k(i)<k(j)。

其次，获得各个大区分配的地址段

对于i＝1,...,N_D，IP_start(D_k(i))与IP_back(D_k(i))满足

IP_back(D_k(i))＝IP_start(D_k(i))+Γ(D_k(i))-1

此外，大区D_(k(i))的子网掩码为

3.2地址分布规则B

如果设表示大区号所占的位数。

对于，i＝1,...,N_D设Bin_Ψ(i)为i所对应的二进制序列(高位在前，低位在后，不足的则补0)。

例如：

则对于i＝1,...,N_D大区D_i的首地址IP_start(D_i)、末地址IP_back(D_i)和子网掩码Mask(D_i)分别为

4、卫星和地面用户的IP地址更新规则

4.1卫星对地端口IP地址的分配和更新规则

对于l＝1,...,m d＝1,...,n，设卫星S_l,d的坐标为ω_l,d，对应的极地轨道映射坐标为均匀化极轨坐标为Ω_l,d。则S_l,d对地端口地址的分配和更新按照如下规则。

首先，位于某个平行大区中的卫星的编址规则如下。

如果S_l,d的均匀化极轨坐标，Ω_l,d位于某个平行大区D_i范围内，则S_l,d对地端口地址为

IP(S_l,d)＝IP_start(D_i)+1

IP(S_l,d)＝IP_start(D_j)₊1

其次，对于n≥9的情况，极地大区范围内的卫星的编址采用地址维持时间最长的规则，具体如下。

以北极大区D_north为例，

首先，在系统初始时刻。

如果没有卫星的均匀化极轨坐标位于D_north的范围内，则不进行该大区范围内的卫星对地端口编址；

如果有且只有一颗卫星S_Nor的均匀化极轨坐标，Ω_Nor位于D_north的范围内，则S_Nor的对地端口地址为

IP(S_Nor)＝IP_start(D_North)+1

如果有多颗卫星S_Nor1,...,S_Nork，它们对应的均匀化极轨坐标，Ω_Nor1,...,Ω_Nork均位于D_north的范围内，则，在S_Nor1,...,S_Nork当中，选取

将其对地端口地址设为D_north的首地址，满足

这里，是S_Nor1,...,S_Nork中均匀化极轨坐标能够在Ω_Nor1,...,Ω_Nork的范围内滞留时间最长的一颗卫星。这里的滞留时间最长解释如下。

如果S_Nor1,...,S_Nork中，有卫星位于升轨半区，则，为位于升轨半区的卫星中，均匀化极轨坐标纬度最小的。如果S_Nor1,...,S_Nork中的所有卫星都位于降轨半区，则为这些卫星中，均匀化极轨坐标纬度值最大的。此外，如果有多颗卫星具有相同的滞留时间，则选取其轨道序号最小的卫星。

对于中的卫星，将它们的对地端口地址设为全0，即

其次，随着卫星的运动，当的均匀化极轨坐标离开D_north后，在D_north的范围内，仍然按照以上规则，选择一颗新的，满足滞留时间最长的卫星，S'_Nor，其对地端口地址为D_north的首地址，满足：

IP(S'_Nor)＝IP_start(D_North)+1

对于南极大区范围内卫星的编址，可同理得到。

4.2接入用户IP地址的分配和更新规则

对于大区D_i中的移动用户任意移动用户a，其IP地址分配遵循以下原则。a的IP地址为D_i中，除了IP_start(D_i)和IP_start(D_i)+1外，没有被分配的最小的地址。则移动用户IP地址的分配和更新规则具体如下。

对于i＝1,...,N_D，设IP_ava(D_i)为D_i中，没有被分配的IP地址集合。则IP_min(D_i)＝minIP_ava(D_i)为IP_ava(D_i)中最小的地址。则大区IP地址的管理规则及移动用户IP地址的分配更新规则如下。

首先，

如果D_i内没有移动用户：

则IP_ava(D_i)＝{IP_start(D_i)+2,IP_start(D_i)+3,...,IP_back(D_i)-1}

IP_min(D_i)＝minIP_ava(D_i)＝IP_start(D_i)+2

如果D_i内，除了IP_start(D_i)，IP_start(D_i)+1，IP_back(D_i)外，所有用户的IP地址都已经分配给了移动用户，则

其次，当用户a进入D_i区域范围内，则

如果则a的地址为IP(a)＝IP_min(D_i)，

IP_ava(D_i)＝IP_ava(D_i)/{IP(a)}，IP_min(D_i)更新为IP_min(D_i)＝minIP_ava(D_i)。

如果则a的IP地址分配失败。

再次，当用户a离开D_i，a的地址IP(a)将释放，则，对于大区D_i，IP_ava(D_i)＝IP_ava(D_i)U{IP(a)}，如果IP(a)<IP_min(D_i)，则IP_min(D_i)＝IP(a)。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种Walker星座网络的地理分区IP编址方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)进行地表大区划分；

(2)建立各个地表大区的IP地址分配规则；

2.根据权利要求1所述的一种Walker星座网络的地理分区IP编址方法，其特征在于：所述的所述的地表大区划分的方法为：

(1)获取Walker星座网络的轨道面数m、每个轨道面的卫星数n；

其中，N_S为Walker星座网络的卫星数；

(3)当n≥9时，设

其中，m≥1，且n为偶数或为n≥9的奇数。

3.根据权利要求1或2所述的一种Walker星座网络的地理分区IP编址方法，其特征在于：所述的建立各个地表大区的IP地址分配规则的方法为：

其中，为进行向上取整符号；

(2)计算得到扩展后所有地表大区总的IP地址数量为

ρ_t＝log₂Γ_t；

IP_back(D_k(i))＝IP_start(D_k(i))+Γ(D_k(i))-1

D_(k(i))的子网掩码为

IP₀为IP地址初始值。

4.根据权利要求3所述的一种Walker星座网络的地理分区IP编址方法，其特征在于：所述的将大区重新排列为的方法为：

第一步：设一组整数k(1),...,k(N_D)，满足k(i)＝i，i＝1,...,N_D；

第二步：设T＝N_D-1；

5.根据权利要求1或2所述的一种Walker星座网络的地理分区IP编址方法，其特征在于：所述的建立各个地表大区中用户终端与卫星对地端口的IP地址更新规则的方法为：

对应的极地轨道映射坐标为

Ω_l,d＝(Λ(λ_l,d),Φ₁(φ_l,d),R)

其中，Φ₁满足：当m为奇数时对于l＝1,2,...,m，

当m为偶数时对于l＝1,2,...,m，

IP(S_l,d)＝IP_start(D_i)+1

IP(S_l,d)＝IP_start(D_j)+1；

对于地表大区D_i中IP地址的分配和更新规则为：

6.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-权利要求5任一所述方法的步骤。

7.一种电推进羽流与卫星通信波束兼容性测试终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如权利要求1-权利要求5任一所述方法的步骤。