CN108768504B - 基于leo/meo的软件定义卫星网络的控制报文快照路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LEO/MEO的软件定义卫星网络的控制报文快照路由方法，技术方案是先采用链路通断快照划分方法将基于LEO/MEO的软件定义卫星网络一个拓扑周期内的拓扑划分为初始快照序列；合并初始快照序列中的快照碎片，得到第二快照序列；判断基于LEO/MEO的软件定义卫星网络是否满足采用简化的快照合并条件，若满足，采用简化的快照合并方法对第二快照序列进行合并，若不满足，采用基本快照合并方法对第二快照序列进行合并，得到第三快照序列；对第三快照序列中的每个快照计算所有卫星和NOCC之间的路由，将路由发送到网络中所有节点，节点在快照切换的时刻对路由进行更新。采用本发明可以解决控制报文频繁地重路由，提高控制报文传输的可靠性和稳定性。

Description

基于LEO/MEO的软件定义卫星网络的控制报文快照路由方法

技术领域

本发明涉及卫星网络技术领域，尤其涉及一种面向基于低地球轨道和中地球轨道(即LEO/MEO，Low Earth Orbit/Middle Earth Orbit)的软件定义卫星网络(以下均称为基于LEO/MEO的软件定义卫星网络)的控制报文快照路由方法。

背景技术

卫星网络具有全球覆盖、不依赖于地面基础设施等突出优势，受到世界范围的广泛关注。当前，卫星网络日益与蜂窝网、物联网和互联网等地面网络融合，形成天地一体的网络。然而，传统卫星网络按照定制专用、孤立封闭的技术思路构建，在网络融合、资源管理以及功能配置等方面面临突出的问题。随着软件定义无线电、软件定义网络等技术的飞速发展，软件定义思想为卫星网络的发展提供了新思路。软件定义卫星网络为管理卫星网络提供了新的视角，受到了国内外的广泛关注。软件定义卫星网络是指基于软件定义思想构造卫星网络，通过设计开放、标准的数据平面接口支撑数据平面与控制平面解耦，实现网络态势与控制的逻辑集中，进而支持网络业务定制与应用创新。软件定义卫星网络可以通过统一的控制平面将卫星网络与地面网络融合，根据用户和业务的需求以及网络状态灵活动态地分配网络资源，快速和轻易地实现网络功能的更新或扩展。

如图1所示，基于LEO/MEO的软件定义卫星网络由LEO/MEO卫星星座、地面站和网络操作控制中心(Network Operation and Control Center，NOCC)组成。其中，LEO/MEO卫星星座中的卫星通过星间链路互连，卫星与地面站之间通过星地链路连接，地面站和NOCC之间通过地面链路连接。

LEO/MEO卫星星座包括极轨道星座和倾斜轨道星座两种典型的类型。为了实现对地覆盖的均匀性，两种类型的星座均包含多个轨道高度和轨道倾角相同、均匀分布的圆轨道，每条轨道上均匀分布着相同数量的卫星。极轨道星座是一种特殊的LEO/MEO卫星星座，它的轨道倾角大约为90°。对于极轨道星座或倾斜轨道星座，假设星座中有N条轨道，每条轨道上均匀分布着M颗卫星，则星座中总共有N*M颗卫星。S_ij(i＝1,…,N；j＝1,…,M)表示第i条轨道上的第j颗卫星。同一轨道上相邻卫星之间的地心角为轨道平面与赤道平面的夹角，即轨道倾角为α，轨道高度为h。卫星绕轨道旋转一周的时间，即轨道周期为其中R为地球半径，M_e为地球质量，G为万有引力常数。卫星从地球的南半球向北半球飞行的时候经过地球赤道平面的点称为升交点。卫星和地心的连线，与升交点和地心的连线之间的张角称为真近点角。真近点角确定了卫星在轨道上的位置。卫星真近点角取值之间的差值称为相位角。为了减少覆盖的重叠率，相邻轨道上对应卫星的真近点角有一定的差异，即存在一定的相位角。极轨道星座中，相邻轨道上对应卫星的相位角为倾斜轨道星座中，相邻轨道上对应卫星的相位角为其中F＝0,…,N-1称为相位因子。在极轨道星座或倾斜轨道星座中，连接同一轨道上相邻卫星的星间链路称为轨内链路。由于同一轨道上卫星的相对位置保持不变，因此轨内链路持续存在且性能稳定。连接相邻轨道上邻近卫星的星间链路称为轨间链路。为了防止星上天线的追踪速度超过限定值，轨间链路在超过一定纬度值时会自动关闭，这一纬度值称为极区边界纬度值。纬度大于极区边界维度值的区域称为极区。极区分为南极区和北极区，当卫星离开极区到达低纬度区域时，相应的轨间链路又会重新连接。

NOCC作为软件定义卫星网络的控制器，负责对整个网络进行集中控制；LEO/MEO卫星星座中的卫星作为软件定义卫星网络的交换机，负责按照NOCC发送的控制规则对控制报文进行处理和转发；地面站负责在卫星和NOCC之间建立控制通道，转发控制报文。软件定义卫星网络中的控制报文由卫星发送给NOCC的网络状态、NOCC发送给卫星的控制规则和配置参数组成。

由于软件定义卫星网络的研究刚刚起步，目前还没有控制报文路由方法相关的研究。但是，传统卫星网络中的路由方法可以为设计基于LEO/MEO的软件定义卫星网络的控制报文路由方法提供参考。传统卫星网络中的静态路由方法能够充分利用卫星网络拓扑可预测的特点，不需要动态获取网络状态，通常采用离线方式计算路由，适合用于基于LEO/MEO的软件定义卫星网络中控制报文的路由。现有的快照路由方法是一种典型的静态路由方法，通过将离线计算的路由提前上传到卫星上，卫星在快照切换的时刻对路由进行更新。该方法包括两个步骤：第一步，快照划分，通过利用卫星运动的周期性和可预测性，将卫星网络的拓扑划分为一系列周期性重复出现的拓扑快照；第二步，路由计算，对每个快照采用Dijkstra算法等离线计算卫星间的路由。其中，快照划分有两种方法：链路通断快照划分方法(参见英文文献索引为Gounder V V,Prakash R,Abu-Amara H.Routing In Leo-BasedSatellite Networks[C].Wireless Communications and Systems,1999EmergingTechnologies Symposium,1999:22.1～22.6.中文翻译为Gounder V V,Prakash R,Abu-Amara H.LEO卫星网络中的路由[C].无线通信与系统,1999新兴技术研讨会,1999:22.1～22.6.)和等时间间隔快照划分方法(参见英文文献索引为Werner M.A Dynamic RoutingConcept For Atm-Based Satellite Personal Communication Networks[J].IEEEJournal on Selected Areas in Communications,1997,15(8):1636～1648.中文翻译为Werner M.一种面向基于ATM的卫星个人通信网络的动态路由概念[J].IEEE通信选定领域期刊,1997,15(8):1636～1648.)。链路通断快照划分方法根据星间链路连通性变化来划分快照，该方法能够完整地反映卫星网络拓扑的状态变化，即当有一条链路连通或断开就产生一个快照，每个快照反映每次链路连通或断开持续时间内卫星网络拓扑状态；但由于LEO/MEO卫星网络拓扑是不断变化的，因而此种方法会产生大量的快照和快照碎片(如果某个快照持续时间t小于t₀，t₀表示时间阈值，0＜t₀≤5s，则称该快照为快照碎片)。等时间间隔快照划分方法采用等时间间隔来划分快照，即将拓扑划分为一系列持续时间相同的快照，为了保证每个快照中拓扑的连通性，划分快照的时间间隔不能太大，因而也会产生大量的快照和快照碎片。

因此，现有的快照路由方法存在以下问题：

1.现有快照路由方法中的快照划分会产生大量快照，造成快照频繁切换，控制报文重路由，给控制报文传输过程中带来分组(即封装好了的报文)丢失、额外的分组时延和分组乱序等问题，严重影响网络高效稳定运行。

2.现有快照路由方法的快照划分会产生一些“快照碎片”，因快照碎片持续时间过短，造成短时间内需要更新路由，使得路由的稳定性降低。

鉴于此，如何提供一种基于LEO/MEO的软件定义卫星网络的控制报文快照路由方法，减少快照切换和控制报文重路由，避免控制报文传输过程中的分组丢失、额外的分组时延、分组乱序，保证基于LEO/MEO的软件定义卫星网络中控制报文可靠地传输成为本领域研究人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于LEO/MEO的软件定义卫星网络的控制报文快照路由方法，解决现有技术中快照切换频繁，控制报文频繁地重路由，控制报文分组丢失、额外的分组时延、分组乱序的问题，提高基于LEO/MEO的软件定义卫星网络中控制报文传输的可靠性和稳定性。

本发明的技术方案是：

第一步，快照划分，采用链路通断快照划分方法将基于LEO/MEO的软件定义卫星网络一个拓扑周期内的拓扑划分为初始快照序列，即从时间维度，将一个拓扑周期按链路建立或断开划分为一系列时间片，每个时间片内的拓扑即为一个快照，这个时间片的长短即是快照持续时间。初始快照序列用G(0),…,G(k),…,G(K-1)表示，其中K为初始快照序列中的快照数目，每当有一条链路(包含星间链路和星地链路)建立或断开(即只要拓扑发生变化)就产生一个快照。因此，快照是网络一段时间的拓扑，这段时间(即一个快照所处的时间片)即是快照的持续时间。其中，初始快照序列中第k个快照表示为无向图G(k)＝(V,E(k)),k＝0,…,K-1，其中V＝{v₁,…,v_P}为基于LEO/MEO的软件定义卫星网络中的节点集合，P为节点数目，节点指LEO/MEO卫星星座中的卫星、地面站和NOCC，E(k)为初始快照序列中第k个快照时的链路集合。将初始快照序列中的第k个快照与初始快照序列中第k+1个快照合并，表示为G(k)∩G(k+1)，G(k)∩G(k+1)＝(V,E(k)∩E(k+1))，其中E(k)∩E(k+1)表示初始快照序列中第k个快照时的链路集合与初始快照序列中第k+1个快照时的链路集合的交集，即保留G(k)和G(k+1)两个快照中的公共链路。快照合并需要保证合并之后的快照拓扑是连通的。

第二步，合并初始快照序列G(0),…,G(k),…,G(K-1)中的快照碎片，得到第二快照序列，第二快照序列用G′(0),…,G′(l),…,G′(L-1)表示，其中L为第二快照序列中的快照数目，L≤K。其中，第l个快照表示为无向图G′(l)＝(V,E′(l)),l＝0,...,L-1，其中E′(l)为第二快照序列中第l个快照时的链路集合。方法是：

2.1令变量k＝0，l＝0，设置持续时间阈值t₀，0＜t₀≤5s。

2.2判断是否满足条件K＝1，若满足，转2.15，若不满足，转2.3。

2.3判断是否满足条件k＜K，若满足，转2.4，若不满足，转2.16。

2.4判断G(k)是否为快照碎片，即判断G(k)的持续时间是否小于t₀，若是，转2.5，若不是，转2.14。

2.5判断是否满足k＝K-1，若满足，转2.6，若不满足，转2.8。

2.6判断无向图(V,E′(L-1)∩E(k))是否为连通图，若是，转2.7，若不是，转2.15。

2.7令快照G′(L-1)＝(V,E′(L-1)∩E(k))，转2.16。

2.8判断无向图(V,E(k)∩E(k+1))是否为连通图，若是，转2.9，若不是，转2.14。

2.9令快照G′(l)＝(V,E(k)∩E(k+1))，k＝k+2。

2.10判断是否满足条件k＜K，若满足，转2.11，若不满足，转2.16。

2.11判断G′(l)是否为快照碎片(即判断G′(l)的持续时间是否小于t₀)且(V,E′(l)∩E(k))为连通图，若满足，转2.12，若不满足，转2.13。

2.12令G′(l)＝(V,E′(l)∩E(k))，k＝k+1，转2.10。

2.13l＝l+1，转2.3。

2.14G′(l)＝G(k)，k＝k+1，l＝l+1，转2.3。

2.15G′(l)＝G(k)，l＝l+1。

2.16令L＝l，得到第二快照序列G′(0),…,G′(l),…,G′(L-1)。

第三步，判断基于LEO/MEO的软件定义卫星网络是否满足采用简化的快照合并条件，方法是：

3.1判断基于LEO/MEO的软件定义卫星网络是否是极轨道星座，若是，执行3.1.1，若不是，转3.2；

3.1.1判断是否满足条件t₁-t′₁≥t₃，若满足，转第五步，若不满足，转第四步。为极轨道星座中水平环从建立到断开的时间，β为极区边界维度值，M为一条轨道上的卫星数目，T为卫星轨道周期；t₁′为极轨道星座中连续两个水平环建立的时间间隔，当M为偶数时，当M为奇数时，对于极轨道星座和倾斜轨道星座，设星座中有N条轨道，将除第N条轨道和第1条轨道之间的星间链路外，连接不同轨道上对应卫星的一组星间链路称为水平环。将第i条轨道的第j颗卫星表示为S_i,j，第i条轨道的第j颗卫星和第i+1条轨道的第j颗卫星之间的星间链路表示为(S_i,j,S_i+1,j)，水平环表示为集合{(S_1,j,S_2,j),…,(S_i,j,S_i+1,j),…,(S_N-1,_j,S_N,j)}(不包括星间链路(S_N,j,S_1,j))，N、M均为正整数，1≤i≤N-1、1≤j≤M，极轨道星座水平环中的所有星间链路同时建立或断开。

3.2此时是倾斜轨道星座，执行3.2.1；

3.2.1判断是否满足条件θ_S-N≥ω+ω_HL且t₂-t′₂≥t₃，若满足，转第五步，若不满足，转第四步。为星地链路的最大持续时间，T为卫星轨道周期，R为地球半径，γ为地面站的天线仰角，h为卫星轨道高度。θ_S-N＝π-arccos(2sin²β+2sin²βcot²α-1)为倾斜轨道星座中一条轨道上南极区和北极区之间的地心角，α为卫星轨道倾角，β为极区边界维度值。为同一轨道上相邻卫星之间的地心角，M为一条轨道上的卫星数目。为倾斜轨道星座中第1条轨道和第N条轨道上对应卫星的相位差，F为相位因子。为倾斜轨道星座一个水平环中第一条链路刚建立到最后一条链路刚断开的时间。为倾斜轨道星座一个水平环中第一条链路刚建立到下一个水平环中第一条链路刚建立的时间。

第四步，采用基本快照合并方法对第二快照序列G′(0),…,G′(l),…,G′(L-1)进行合并，得到第三快照序列G″(0),…,G″(s)…,G″(S-1)，其中S为合并后的快照数目，s＝0,…,S-1：

4.1令变量l＝0，s＝0。

4.2判断是否满足条件L＝1，若满足，转4.8，若不满足转4.3。

4.3G″(s)＝G′(l)，l＝l+1。

4.4判断是否满足条件l＜L，若满足，转4.5，若不满足，转4.9。

4.5判断无向图(V,E″(s)∩E′(l))是否为连通图，若是，转4.6，若不是，转4.7。

4.6令G″(s)＝(V,E″(s)∩E′(l))，l＝l+1，转4.4。

4.7令s＝s+1，转4.3。

4.8G″(s)＝G′(l)，s＝s+1。

4.9令S＝s，得到第三快照序列G″(0),…,G″(s)…,G″(S-1)，转第六步。

第五步，采用简化的快照合并方法对第二快照序列G′(0),…,G′(l),…,G′(L-1)进行合并，得到第三快照序列G″(0),…,G″(s)…,G″(S-1)，其中S为合并后的快照数目：

5.1令变量l＝0，s＝0。

5.2判断是否满足条件L＝1，若满足，转5.6，若不满足转5.3。

5.3判断是否满足条件l＜L，若满足，转5.4，若不满足，转5.7。

5.4查找G′(l)中持续快照数最多的星地链路，将这个持续快照数最多的星地链路持续的快照数记为N_max。G′(l)中包含至少一条星地链路，每条星地链路可能在G′(l)以及之后连续多个快照中存在，星地链路在G′(l)及之后连续存在的快照个数即为该星地链路持续的快照数。

5.5G″(s)＝(V,E′(l)∩…∩E′(l+N_max-1))，l＝l+N_max，s＝s+1，转5.3。

5.6G″(s)＝G′(l)，s＝s+1。

5.7令S＝s，得到第三快照序列G″(0),…,G″(s)…,G″(S-1)。

第六步，路由计算，对第三快照序列G″(0),…,G″(s)…,G″(S-1)中的每个快照，每条链路的代价设定为该链路在快照持续时间内的平均传播时延，采用Dijkstra算法(参见朱清新,杨凡,钟黔川等.计算机算法设计与分析[M],北京:人民邮电大学出版社,2008:109.)计算所有卫星和NOCC之间的路由。

第七步，将所有卫星和NOCC之间的路由发送给基于LEO/MEO的软件定义卫星网络中的所有节点上(包括所有卫星、地面站和NOCC)，节点在快照切换的时刻对路由进行更新。

与现有技术相比，本发明可以达到以下技术效果：

本发明对现有快照路由中的快照划分过程进行了优化，对链路通断快照划分方法产生的快照序列进行了合并，能够有效减少基于LEO/MEO的软件定义卫星网络控制报文重路由，进而减少控制报文传输过程中的分组丢失，额外的分组时延、分组乱序，同时消除了快照碎片，提高了路由的稳定性。

附图说明

图1是本发明所述基于LEO/MEO的软件定义卫星网络架构示意图；

图2是本发明总体流程图；

图3是本发明第二步所述快照碎片合并流程图；

图4是本发明第四步所述基本快照合并方法流程图；

图5是本发明第五步所述简化的快照合并方法流程图。

具体实施方式

图1是本发明所述基于LEO/MEO的软件定义卫星网络架构示意图，基于LEO/MEO的软件定义卫星网络由LEO/MEO卫星星座、地面站和网络操作控制中心(Network Operationand Control Center，NOCC)组成。其中，LEO/MEO卫星星座中的卫星通过星间链路互连，卫星与地面站之间通过星地链路连接，地面站和NOCC之间通过地面链路连接。NOCC作为软件定义卫星网络的控制器，负责对整个网络进行集中控制；LEO/MEO卫星星座中的卫星作为软件定义卫星网络的交换机，负责按照NOCC发送的控制规则对控制报文进行处理和转发；地面站负责在卫星和NOCC之间建立控制通道，转发控制报文。软件定义卫星网络中的控制报文由卫星发送给NOCC的网络状态、NOCC发送给卫星的控制规则和配置参数组成。

图2是本发明总体流程图。本发明包括以下步骤：

第一步，快照划分，采用链路通断快照划分方法将基于LEO/MEO的软件定义卫星网络一个拓扑周期内的拓扑划分为初始快照序列，即从时间维度，将一个拓扑周期按链路建立或断开划分为一系列时间片，每个时间片内的拓扑即为一个快照，这个时间片的长短即是快照持续时间。初始快照序列用G(0),…,G(k),…,G(K-1)表示，其中K为初始快照序列中的快照数目，每当有一条链路(包含星间链路和星地链路)建立或断开(即只要拓扑发生变化)就产生一个快照。其中，初始快照序列中第k个快照表示为无向图G(k)＝(V,E(k)),k＝0,…,K-1，其中V＝{v₁,…,v_P}为基于LEO/MEO的软件定义卫星网络中的节点集合，P为节点数目，节点指LEO/MEO卫星星座中的卫星、地面站和NOCC，E(k)为初始快照序列中第k个快照时的链路集合。将初始快照序列中的第k个快照与初始快照序列中第k+1个快照合并，表示为G(k)∩G(k+1)＝(V,E(k)∩E(k+1))，其中E(k)∩E(k+1)表示初始快照序列中第k个快照时的链路集合与初始快照序列中第k+1个快照时的链路集合的交集，即保留G(k)和G(k+1)两个快照中的公共链路。

第二步，合并初始快照序列G(0),…,G(k),…,G(K-1)中的快照碎片，得到第二快照序列，第二快照序列用G′(0),…,G′(l),…,G′(L-1)表示，其中L为第二快照序列中的快照数目，L≤K。其中，第l个快照表示为无向图G′(l)＝(V,E′(l)),l＝0,...,L-1，其中E′(l)为第二快照序列中第l个快照时的链路集合。图3是本发明第二步所述快照碎片合并流程图，具体流程是：

2.1令变量k＝0，l＝0，设置持续时间阈值t₀，0＜t₀≤5s。

2.2判断是否满足条件K＝1，若满足，转2.15，若不满足，转2.3。

2.3判断是否满足条件k＜K，若满足，转2.4，若不满足，转2.16。

2.4判断G(k)是否为快照碎片，即判断G(k)的持续时间是否小于t₀，若是，转2.5，若不是，转2.14。

2.5判断是否满足k＝K-1，若满足，转2.6，若不满足，转2.8。

2.6判断无向图(V,E′(L-1)∩E(k))是否为连通图，若是，转2.7，若不是，转2.15。

2.7令快照G′(L-1)＝(V,E′(L-1)∩E(k))，转2.16。

2.8判断无向图(V,E(k)∩E(k+1))是否为连通图，若是，转2.9，若不是，转2.14。

2.9令快照G′(l)＝(V,E(k)∩E(k+1))，k＝k+2。

2.10判断是否满足条件k＜K，若满足，转2.11，若不满足，转2.16。

2.11判断G′(l)是否为快照碎片(即判断G′(l)的持续时间是否小于t₀)且(V,E′(l)∩E(k))为连通图，若满足，转2.12，若不满足，转2.13。

2.12令G′(l)＝(V,E′(l)∩E(k))，k＝k+1，转2.10。

2.13l＝l+1，转2.3。

2.14G′(l)＝G(k)，k＝k+1，l＝l+1，转2.3。

2.15G′(l)＝G(k)，l＝l+1。

2.16令L＝l，得到第二快照序列G′(0),…,G′(l),…,G′(L-1)。

第三步，判断基于LEO/MEO的软件定义卫星网络是否满足采用简化的快照合并条件，方法是：

3.1判断基于LEO/MEO的软件定义卫星网络是否是极轨道星座，若是，执行3.1.1，若不是，转3.2；

3.1.1判断是否满足条件t₁-t′₁≥t₃，若满足，转第五步，若不满足，转第四步。为极轨道星座中水平环从建立到断开的时间，β为极区边界维度值，M为一条轨道上的卫星数目，T为卫星轨道周期；t₁′为极轨道星座中连续两个水平环建立的时间间隔，当M为偶数时，当M为奇数时，对于极轨道星座和倾斜轨道星座，设星座中有N条轨道，将除第N条轨道和第1条轨道之间的星间链路外，连接不同轨道上对应卫星的一组星间链路称为水平环。将第i条轨道的第j颗卫星表示为S_i,j，第i条轨道的第j颗卫星和第i+1条轨道的第j颗卫星之间的星间链路表示为(S_i,j,S_i+1,j)，水平环表示为集合{(S_1,j,S_2,j),…,(S_i,j,S_i+1,j),…,(S_N-1,_j,S_N,j)}(不包括星间链路(S_N,j,S_1,j))，N、M均为正整数，1≤i≤N-1、1≤j≤M，极轨道星座水平环中的所有星间链路同时建立或断开。

3.2此时是倾斜轨道星座，执行3.2.1；

3.2.1判断是否满足条件θ_S-N≥ω+ω_HL且t₂-t′₂≥t₃，若满足，转第五步，若不满足，转第四步。为星地链路的最大持续时间，T为卫星轨道周期，R为地球半径，γ为地面站的天线仰角，h为卫星轨道高度。θ_S-N＝π-arccos(2sin²β+2sin²βcot²α-1)为倾斜轨道星座中一条轨道上南极区和北极区之间的地心角，α为卫星轨道倾角，β为极区边界维度值。为同一轨道上相邻卫星之间的地心角，M为一条轨道上的卫星数目。为倾斜轨道星座中第1条轨道和第N条轨道上对应卫星的相位差，F为相位因子。为倾斜轨道星座一个水平环中第一条链路刚建立到最后一条链路刚断开的时间。为倾斜轨道星座一个水平环中第一条链路刚建立到下一个水平环中第一条链路刚建立的时间。

第四步，采用基本快照合并方法对第二快照序列G′(0),…,G′(l),…,G′(L-1)进行合并，得到第三快照序列G″(0),…,G″(s)…,G″(S-1)，其中S为合并后的快照数目，s＝0,…,S-1；图4是本发明第四步所述基本快照合并方法流程图，具体流程是：

4.1令变量l＝0，s＝0。

4.2判断是否满足条件L＝1，若满足，转4.8，若不满足转4.3。

4.3G″(s)＝G′(l)，l＝l+1。

4.4判断是否满足条件l＜L，若满足，转4.5，若不满足，转4.9。

4.5判断无向图(V,E″(s)∩E′(l))是否为连通图，若是，转4.6，若不是，转4.7。

4.6令G″(s)＝(V,E″(s)∩E′(l))，l＝l+1，转4.4。

4.7令s＝s+1，转4.3。

4.8G″(s)＝G′(l)，s＝s+1。

4.9令S＝s，得到第三快照序列G″(0),…,G″(s)…,G″(S-1)，转第六步。

第五步，采用简化的快照合并方法对第二快照序列G′(0),…,G′(l),…,G′(L-1)进行合并，得到第三快照序列G″(0),…,G″(s)…,G″(S-1)，其中S为合并后的快照数目；图5是本发明第五步所述简化的快照合并方法流程图，具体流程是：

5.1令变量l＝0，s＝0。

5.2判断是否满足条件L＝1，若满足，转5.6，若不满足转5.3。

5.3判断是否满足条件l＜L，若满足，转5.4，若不满足，转5.7。

5.4查找G′(l)中持续快照数最多的星地链路，将这个持续快照数最多的星地链路持续的快照数记为N_max。G′(l)中包含至少一条星地链路，每条星地链路可能在G′(l)以及之后连续多个快照中存在，星地链路在G′(l)及之后连续存在的快照个数即为该星地链路持续的快照数。

5.5G″(s)＝(V,E′(l)∩…∩E′(l+N_max-1))，l＝l+N_max，s＝s+1，转5.3。

5.6G″(s)＝G′(l)，s＝s+1。

5.7令S＝s，得到第三快照序列G″(0),…,G″(s)…,G″(S-1)。

第六步，路由计算，对第三快照序列G″(0),…,G″(s)…,G″(S-1)中的每个快照，每条链路的代价设定为该链路在快照持续时间内的平均传播时延，采用Dijkstra算法计算所有卫星和NOCC之间的路由。

第七步，将所有卫星和NOCC之间的路由发送到在网络中所有节点上(包括所有卫星、地面站和NOCC)，节点在快照切换的时刻对路由进行更新。

Claims (5)

1.一种基于LEO/MEO的软件定义卫星网络的控制报文快照路由方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，快照划分，采用链路通断快照划分方法将基于LEO/MEO的软件定义卫星网络一个拓扑周期内的拓扑划分为初始快照序列，即从时间维度，将一个拓扑周期按链路建立或断开划分为一系列时间片，每个时间片内的拓扑即为一个快照，这个时间片的长短即是快照持续时间，初始快照序列用G(0),…,G(k),…,G(K-1)表示，其中K为初始快照序列中的快照数目，每当有一条链路建立或断开就产生一个快照；初始快照序列中第k个快照G(k)＝(V,E(k)),k＝0,…,K-1，其中V＝{v₁,…,v_P}为基于LEO/MEO的软件定义卫星网络中的节点集合，P为节点数目，节点指LEO/MEO卫星星座中的卫星、地面站和NOCC即网络操作控制中心，E(k)为初始快照序列中第k个快照时的链路集合；将初始快照序列中的第k个快照与初始快照序列中第k+1个快照合并表示为G(k)∩G(k+1)，G(k)∩G(k+1)＝(V,E(k)∩E(k+1))，其中E(k)∩E(k+1)表示初始快照序列中第k个快照时的链路集合与初始快照序列中第k+1个快照时的链路集合的交集，即保留G(k)和G(k+1)两个快照中的公共链路，快照合并需要保证合并之后的快照拓扑是连通的；LEO指低地球轨道，MEO指中地球轨道；

第二步，合并初始快照序列G(0),…,G(k),…,G(K-1)中的快照碎片，得到第二快照序列，第二快照序列用G′(0),…,G′(l),…,G′(L-1)表示，其中L为第二快照序列中的快照数目，L≤K，第l个快照表示为无向图G′(l)，G′(l)＝(V,E′(l)),l＝0,...,L-1，其中E′(l)为第二快照序列中第l个快照时的链路集合；

第三步，判断基于LEO/MEO的软件定义卫星网络是否满足采用简化的快照合并条件，方法是：

3.1判断基于LEO/MEO的软件定义卫星网络是否是极轨道星座，若是，执行3.1.1，若不是，转3.2；

3.1.1判断是否满足条件t₁-t′₁≥t₃，若满足，转第五步，若不满足，转第四步，为极轨道星座中水平环从建立到断开的时间，β为极区边界维度值，M为一条轨道上的卫星数目，T为卫星轨道周期；t′₁为极轨道星座中连续两个水平环建立的时间间隔，当M为偶数时，当M为奇数时，对于极轨道星座和倾斜轨道星座，设星座中有N条轨道，将除第N条轨道和第1条轨道之间的星间链路外，连接不同轨道上对应卫星的一组星间链路称为水平环；将第i条轨道的第j颗卫星表示为S_i,j，第i条轨道的第j颗卫星和第i+1条轨道的第j颗卫星之间的星间链路表示为(S_i,j,S_i+1,j)，水平环表示为集合{(S_1,j,S_2,j),…,(S_i,j,S_i+1,j),…,(S_N-1,j,S_N,j)}，N、M均为正整数，1≤i≤N-1、1≤j≤M，极轨道星座水平环中的所有星间链路同时建立或断开；

3.2此时是倾斜轨道星座，执行3.2.1；

3.2.1判断是否满足条件θ_S-N≥ω+ω_HL且t₂-t′₂≥t₃，若满足，转第五步，若不满足，转第四步，为星地链路的最大持续时间，T为卫星轨道周期，R为地球半径，γ为地面站的天线仰角，h为卫星轨道高度，θ_S-N＝π-arccos(2sin²β+2sin²βcot²α-1)为倾斜轨道星座中一条轨道上南极区和北极区之间的地心角，α为卫星轨道倾角，β为极区边界维度值，为同一轨道上相邻卫星之间的地心角，M为一条轨道上的卫星数目，为倾斜轨道星座中第1条轨道和第N条轨道上对应卫星的相位差，F为相位因子；为倾斜轨道星座一个水平环中第一条链路刚建立到最后一条链路刚断开的时间，为倾斜轨道星座一个水平环中第一条链路刚建立到下一个水平环中第一条链路刚建立的时间；

第四步，采用基本快照合并方法对第二快照序列G′(0),…,G′(l),…,G′(L-1)进行合并，得到第三快照序列G″(0),…,G″(s)…,G″(S-1)，其中S为合并后的快照数目，s＝0,…,S-1，转第六步；

第五步，采用简化的快照合并方法对第二快照序列G′(0),…,G′(l),…,G′(L-1)进行合并，得到第三快照序列G″(0),…,G″(s)…,G″(S-1)，其中S为合并后的快照数目；

第六步，路由计算，对第三快照序列G″(0),…,G″(s)…,G″(S-1)中的每个快照，每条链路的代价设定为该链路在快照持续时间内的平均传播时延，采用Dijkstra算法计算所有卫星和NOCC之间的路由；

第七步，将所有卫星和NOCC之间的路由发送到网络中所有节点，节点在快照切换的时刻对路由进行更新。

2.如权利要求1所述的基于LEO/MEO的软件定义卫星网络的控制报文快照路由方法，其特征在于第二步所述合并初始快照序列G(0),…,G(k),…,G(K-1)中的快照碎片的方法是：

2.1令变量k＝0，l＝0，设置持续时间阈值t₀；

2.2判断是否满足条件K＝1，若满足，转2.15，若不满足，转2.3；

2.3判断是否满足条件k＜K，若满足，转2.4，若不满足，转2.16；

2.4判断G(k)是否为快照碎片，即判断G(k)的持续时间是否小于t₀，若是，转2.5，若不是，转2.14；

2.5判断是否满足k＝K-1，若满足，转2.6，若不满足，转2.8；

2.6判断无向图(V,E′(L-1)∩E(k))是否为连通图，若是，转2.7，若不是，转2.15；

2.7令快照G′(L-1)＝(V,E′(L-1)∩E(k))，转2.16；

2.8判断无向图(V,E(k)∩E(k+1))是否为连通图，若是，转2.9，若不是，转2.14；

2.9令快照G′(l)＝(V,E(k)∩E(k+1))，k＝k+2；

2.10判断是否满足条件k＜K，若满足，转2.11，若不满足，转2.16；

2.11判断G′(l)是否为快照碎片即判断G′(l)的持续时间是否小于t₀，且(V,E′(l)∩E(k))为连通图，若满足，转2.12，若不满足，转2.13；

2.12令G′(l)＝(V,E′(l)∩E(k))，k＝k+1，转2.10；

2.13l＝l+1，转2.3；

2.14G′(l)＝G(k)，k＝k+1，l＝l+1，转2.3；

2.15G′(l)＝G(k)，l＝l+1；

2.16令L＝l，得到第二快照序列G′(0),…,G′(l),…,G′(L-1)。

3.如权利要求1所述的基于LEO/MEO的软件定义卫星网络的控制报文快照路由方法，其特征在于第四步所述采用基本快照合并方法对第二快照序列G′(0),…,G′(l),…,G′(L-1)进行合并，包括以下步骤：

4.1令变量l＝0，s＝0；

4.2判断是否满足条件L＝1，若满足，转4.8，若不满足转4.3；

4.3G″(s)＝G′(l)，l＝l+1；

4.4判断是否满足条件l＜L，若满足，转4.5，若不满足，转4.9；

4.5判断无向图(V,E″(s)∩E′(l))是否为连通图，若是，转4.6，若不是，转4.7；

4.6令G″(s)＝(V,E″(s)∩E′(l))，l＝l+1，转4.4；

4.7令s＝s+1，转4.3；

4.8G″(s)＝G′(l)，s＝s+1；

4.9令S＝s，得到第三快照序列G″(0),…,G″(s)…,G″(S-1)。

4.如权利要求1所述的基于LEO/MEO的软件定义卫星网络的控制报文快照路由方法，其特征在于第五步所述采用简化的快照合并方法对第二快照序列G′(0),…,G′(l),…,G′(L-1)进行合并，包括以下步骤：

5.1令变量l＝0，s＝0；

5.2判断是否满足条件L＝1，若满足，转5.6，若不满足转5.3；

5.3判断是否满足条件l＜L，若满足，转5.4，若不满足，转5.7；

5.4查找G′(l)中持续快照数最多的星地链路，将这个持续快照数最多的星地链路持续的快照数记为N_max，G′(l)中包含至少一条星地链路，每条星地链路可能在G′(l)以及之后连续多个快照中存在，星地链路在G′(l)及之后连续存在的快照个数即为该星地链路持续的快照数；

5.5G″(s)＝(V,E′(l)∩…∩E′(l+N_max-1))，l＝l+N_max，s＝s+1，转5.3；

5.6G″(s)＝G′(l)，s＝s+1；

5.7令S＝s，得到第三快照序列G″(0),…,G″(s)…,G″(S-1)。

5.如权利要求2所述的基于LEO/MEO的软件定义卫星网络的控制报文快照路由方法，其特征在于所述持续时间阈值t₀满足0＜t₀≤5s。