CN110505153A - 一种天地一体化的混合路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种天地一体化的混合路由方法，包括计算轨道面内卫星之间的链路距离和基于轨道间卫星之间的时变链路距离，建立时变双向曼哈顿卫星网络模型；统计各卫星与邻居卫星节点的队列时延及与地面节点间星地链路的队列时延；计算不影响网络路由性能的时间间隔，预测出在时间间隔内邻居节点与次近邻节点的链路传输时延和队列时延；根据基于预测次近邻的卫星路由算法，计算卫星网络路由的链路时延；在源终端与目的终端通信时，基于最小均方误差预测机制，预测地面路由上每条链路的队列时延；在5G‑卫星一体化的架构下以最小化天地一体化混合路由的链路总时延为目标，选择路径最优的上星5G‑卫星节点和下星5G‑卫星节点，得到天地一体化混合路由的集合。

Description

一种天地一体化的混合路由方法

技术领域

本发明涉及天地一体化技术领域，包括一种天地一体化的混合路由方法。

背景技术

5G追求无处不在的覆盖范围，确保从密集的城市场景到人口稀少的地区或两者之间的流量服务不间断。大容量密集小区与光纤回程相结合，在城市最热门的地方提供最佳性能。然而，随着用户远离城市中心，光纤部署变得稀缺和昂贵，因此卫星技术将发挥主要作用。事实上，卫星通信被认为是满足5G覆盖要求的最经济实惠的技术。

为了提高效率，5G从能够适应不同服务需求的固定解决方案转变为灵活解决方案。但是，现在6千兆赫的无线回程网络是由固定的拓扑结构组成，这些固定拓扑结构是通过频谱规划设计的。它们处理故障或拥塞事件的能力非常有限，仅限于激活冗余设备或在环拓扑中改变数据流传输方向。因此，它们无法动态适应网络拓扑结构以适应流量的变化，无法自动响应链路故障，也无法在网络中融合新加入的节点，这是未来5G密集部署中的基本特征。

为了克服上述的局限性,在未来的无线网络中，卫星与地面5G系统的一体化将提供一个新的网络架构，为地面容量有限时的拥塞区域提供备份连接，使用天地一体化的混合路由技术，通过卫星网络分流地面5G网络的用户流量，避免网络拥塞。

发明内容

本发明的目的是提出一种天地一体化的混合路由方法，以实现在地面网络发生拥塞或突发性变化时，能够建立具有最小链路时延的天地一体化的混合路由。

为了达到上述目的，本发明的技术方案提供一种天地一体化的混合路由方法，包括以下步骤，

步骤1，计算轨道面内卫星之间的链路距离L和基于轨道间卫星之间的时变链路距离D_ij，建立时变双向曼哈顿卫星网络模型；

所述时变双向曼哈顿卫星网络模型是指，对曼哈顿网络做时变的加权处理，在链路上通过加权区分不同纬度的卫星链路距离，其中轨道内的卫星链路距离加权值是L，轨道间的卫星链路距离加权值是时变链路长度D_ij；

步骤2，统计各卫星与邻居卫星节点的队列时延及与地面节点间星地链路的队列时延；

步骤3，根据步骤1所得时变链路距离D_ij，计算不影响网络路由性能的时间间隔t_max，通过当前卫星的链路状态预测出t_max内邻居节点与次近邻节点的链路传输时延和队列时延；

步骤4，根据基于预测次近邻的卫星路由算法，计算卫星网络路由的链路时延，所述链路时延是链路的传输时延和队列时延之和；

所述基于预测次近邻的卫星路由算法，包括在卫星节点收到需要转发的数据时，记录数据的入口方向，该方向在任何情况下都不会成为数据的下一跳方向；然后计算目的节点所在的方向，对比预测的邻居节点和次近邻节点的链路时延，选择有最短时延的候选邻居节点为转发的下一跳，直至目的节点；

步骤5，在源终端与目的终端通信时，基于最小均方误差预测机制，预测计算出地面路由上每条链路的队列时延；

步骤6，源终端根据步骤5所得地面路由的链路时延和步骤4所得卫星网络路由的链路时延，在5G-卫星一体化的架构下以最小化天地一体化混合路由的链路总时延为目标，选择路径最优的上星5G-卫星节点和下星5G-卫星节点，最终得到天地一体化混合路由的集合。

而且，步骤3中，计算t_max实现如下，

对于预设的误差阈值δ，对于网络中任意两卫星节点间的传输时延满足以下关系，

|T_p(t+Δt)-T_p(t)|≤δ

其中，Δt表示时间间隔；

上述关系条件转化为经过时间间隔Δt后，若网络中任一链路的距离变化值ΔD满足，

ΔD≤δ×c/N

其中，c表示光速，N表示路由经过的链路数；对于连续函数ΔD(Δt)，总能够找到一个最大的t_max，使得当Δt≤t_max时，满足ΔD≤δ×c/N，且仅当Δt＝t_max时有ΔD＝δ×c/N成立。

而且，步骤6中，设u_s是源终端，u_d是目的终端，g_i是上星的5G-卫星节点，g_j是下星的5G-卫星节点；设W是已知的地面路由上节点的集合，包括g_i和g_j，记g表示地面路由上经过的任一5G-卫星节点；s_i是g_i接入的卫星节点，s_j是g_j接入的卫星节点，设S是卫星节点的集合，包括s_i和s_j，记s表示地面路由上经过的任一卫星节点；在5G-卫星一体化的架构下以最小化天地一体化混合路由的链路总时延为目标，选择路径最优的上星5G-卫星节点和下星5G-卫星节点时，目标函数表示为：

其中，

表示源终端u_s与g_i接入的s_i的总时延；

表示g_j接入的s_j与目的节点u_d的时延；

表示g_i接入的s_i与g_j接入的s_j之间的卫星路由时延；

表示源终端u_s与g_i之间的总时延；

表示g_j与目的节点u_d之间的总时延；

表示s_i与s_j之间的总队列时延；

表示s_i与s_j之间的总传输时延；

表示g_i与s_i之间的星地链路总时延；

表示g_j与s_j之间的星地链路总时延。

与现有技术相比，本发明所具有的积极效果是：

(1)本发明的时变双向曼哈顿网络模型，根据卫星轨道的倾角计算时变的链路距离，即适用于极轨道星座又适用于倾斜轨道星座；

(2)基于预测次近邻的卫星路由算法不仅可以获得该节点的邻居节点信息，还可以得到该节点的次近邻节点的信息，将预测范围扩大，有效地避免了数据包偏离目的节点而导致路由时间变长或者数据包丢失的情况；

(3)本发明提供的天地一体化混合路由方法，为地面容量有限时的拥塞区域提供备份连接，使用本发明的天地一体化混合路由技术，使用卫星网络分流地面5G网络的用户流量，避免网络拥塞。

附图说明

图1为本发明实施例的天地一体化混合路由流程图；

图2为本发明实施例的天地一体化结构示意图；

图3为本发明的时变双向曼哈顿卫星网络示意图；

图4为本发明的基于预测次近邻的卫星路由示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供一种天地一体化的混合路由方法，包括以下步骤：

步骤1，根据卫星的运行轨道参数和球面空间几何知识，分别计算轨道面内卫星之间的链路距离L和轨道间卫星之间的时变链路距离D_ij，建立时变双向曼哈顿卫星网络模型。

所述的时变双向曼哈顿卫星网络模型是指，对曼哈顿网络做时变的加权处理，即在链路上通过加权的方法来区分不同纬度的卫星链路距离，其轨道内的卫星链路距离加权值是L，轨道间的卫星链路距离加权值是时变链路长度D_ij。

如图3所示，本发明的时变双向曼哈顿卫星网络模型建立方法如下：

1)所有轨道面内星际链路(Inter-satellite Link,ISL)的长度，即链路距离L是固定的，L根据现有技术可以用下面的公式计算出：

其中，r等于地球半径与卫星轨道高度之和，M为单个轨道面上的卫星颗数；

现有技术可见参考文献[1]：白建军，彭伟，卢泽新.中低轨道卫星星座网络动态特性研究，计算机工程与科学，2005,27(9):85-88

2)两个相邻轨道面上的卫星S_i和S_j之间的轨道面间的时变链路距离D_ij与时间t的关系，根据现有技术可建立如下:

φ_i＝arcsin(sinθ×sin(w×t+γ_i))

φ_j＝arcsin(sinθ×sin(w×t+γ_j))

其中，r等于地球半径与卫星轨道高度之和，φ_i,φ_j分别为时刻t卫星S_i和S_j在轨道球上的赤纬，λ_i,λ_j分别为时刻t卫星S_i和S_j在轨道球上的赤经；t为从初始时刻算起卫星的飞行时间，θ为轨道面与赤道平面之间的夹角，Ω₀为升交点的位置，单位是度，w是卫星绕地球旋转的角速度，单位为度/秒，γ_i,γ_j分别为卫星S_i和S_j的初始相位角，ω_e为地球自转的角速度，单位为度/秒。

现有技术可见参考文献[1]：白建军，彭伟，卢泽新.中低轨道卫星星座网络动态特性研究，计算机工程与科学，2005,27(9):85-88

3)本发明提出对曼哈顿网络的拓扑做时变的加权处理，即在链路上通过加权的方法来区分不同纬度的卫星链路距离，其轨道内的卫星链路距离加权值是L，轨道间的卫星链路距离加权值是时变链路长度D_ij。

步骤2，统计获得卫星链路间的输入总流量和输出总流量，提供卫星与不同方向邻居卫星的队列时延及与地面节点间星地链路的队列时延：

实施例中，每个卫星上具有5个端口，其中4个端口对应邻居卫星上的一个端口，另1个端口对应地面节点的端口，通过端口，可以建立该卫星与邻居卫星及地面节点之间的链路。如图2所示，每一个端口上可以配置该端口对应的性能计数器，该性能计数器用于统计该端口输入的报文I₁,I₂,I₃,I₄,I₅和输出的报文数O₁,O₂,O₃,O₄,O₅，从而获得该端口对应链路的队列时延，包括该卫星与4个邻居卫星的队列时延及与地面节点间星地链路的队列时延；

步骤3，根据步骤1所得时变链路距离D_ij，计算不影响网络路由性能的时间间隔t_max，则可以假设在时间间隔t_max内邻居卫星节点与次近邻卫星节点的链路传输时延和队列时延没有变化，即通过步骤2所得当前卫星的链路状态预测出t_max内邻居节点与次近邻节点的链路传输时延和队列时延。

其中本发明提出t_max计算方法如下：

对于某一可以接受的误差δ，存在一个最大的时间区间t_max，使得在经过时间间隔t_max后，节点的运动不影响网络的路由性能。即具体实施时可以预设误差阈值δ，对于网络中任意两卫星节点间的传输时延满足关系:

|T_p(t+Δt)-T_p(t)|≤δ

其中，Δt表示时间间隔，T_p(t)表示t时刻的路由传输时延，T_p(t+Δt)表示经过时间间隔Δt后的路由传输时延，

上述条件可以转化为:经过时间间隔Δt后，若网络中任一链路的距离变化值ΔD满足:

ΔD≤δ×c/N

其中c表示光速，N表示路由经过的链路数。对于连续函数ΔD(Δt)，总可以找到一个最大的t_max，使得当Δt≤t_max时，满足ΔD≤δ×c/N，且仅当Δt＝t_max时有ΔD＝δ×c/N成立。

步骤4，根据本发明提出的基于预测次近邻的卫星路由算法，计算卫星网络路由的链路时延，即链路的传输时延和队列时延之和；

本发明提出的基于预测次近邻的卫星路由算法是指：

1)定义时变双向曼哈顿卫星网络中，某卫星的初始地址为(α_i,β_i,id_i)，α_i是初始经度，β_i是初始纬度，id_i是轨道号，则随时间变化的卫星地址为(α_i+ω_et,β_i+wt,id_i)，其中，w是卫星绕地球旋转的角速度，单位为度/秒，ω_e为地球自转的角速度，单位为度/秒，t为从初始时刻算起卫星的飞行时间。

2)每个卫星节点有4个方向的端口连接邻居卫星节点，当节点收到需要转发的数据时，所述卫星记录数据的入口方向，该方向在任何情况下都不会成为数据的下一跳方向；然后计算目的节点所在的方向，对比根据步骤3所得预测的邻居节点和次近邻节点的链路时延，即链路传输时延和队列时延之和，选择有最短链路时延的候选邻居节点为转发的下一跳，直至目的节点。

下面，如图4所示，通过一个具体的实施例来对本发明所述的选择下一跳的方法进行详细的介绍:

a)计算id＝id_d-id_s，α＝α_d-α_s，β＝β_d-β_s，其中，α_s是卫星S23的经度，β_s是卫星S23的纬度，id_s是卫星S23的轨道号，α_d是目的卫星S41的经度，β_d是目的卫星S41的纬度，id_d是目的卫星S41的轨道号，α是S23与S41的相对经度，β是S23与S41的相对纬度，id是S23与S41的相对轨道号；

b)当id＝0，S23随时间变化的卫星地址S(α_s+ω_et,β_s+wt,id_s)和S41随时间变化的卫星地址D(α_d+ω_et,β_d+wt,id_d)在同一个轨道上，首先，记录数据的入口方向，该方向在任何情况下都不会成为数据的下一跳方向；再比较β，β>0，则向下方向的节点S24不会成为数据的下一跳方向；β<0，则向上方向的节点S22不会成为数据的下一跳方向；最后比较剩下候选方向的邻居节点及预测的次近邻节点的传输时延及队列时延，选择有最短链路时延的候选邻居为转发的下一跳；否则，必定β＝0，此时表示当前卫星就是目的S41。

c)当id≠0时，S23随时间变化的卫星地址S(α_s+ω_et,β_s+wt,id_s)和S41随时间变化的卫星地址D(α_d+ω_et,β_d+wt,id_d)不在同一个轨道上，首先，记录数据的入口方向，该方向在任何情况下都不会成为数据的下一跳方向；再比较α，β，若α>0且β>0，则目的卫星S41在S23的右上侧，确定候选节点为向上方向的节点S22和向右方向的节点S33；若α<0且β>0，则目的卫星S41在S23的左上侧，确定候选节点为向上方向的节点S22和向左方向的节点S13；若α<0且β<0，则目的卫星S41在S23的左下侧，确定候选节点为向下方向的节点S24和向左方向的节点S13；若α>0且β<0，则目的S41在S23的右下侧，确定候选节点为向下方向的节点S24和向右方向的节点S33；最后比较剩下候选方向的邻居节点及预测的次近邻节点的传输时延及队列时延，选择有最短链路时延的候选邻居为转发的下一跳；

如图4所示的目的卫星S41在S23的右上侧，确定候选节点为向上方向的节点S22和向右方向的节点S33，再计算S23与候选节点S22链路的传输时延及队列时延之和为T₁，S23的次近邻节点S21，S32与S22链路的传输时延及队列时延之和分别为T₂，T₃；S23与候选节点S33链路的传输时延及队列时延之和为T₄，S23的次近邻节点S32，S43与S33链路的传输时延及队列时延之和分别为T₅，T₆；再比较T₁+T₂,T₁+T₃,T₄+T₅,T₄+T₆的大小，若T₁+T₂或T₁+T₃最小，则选择候选节点S22为S23的下一跳节点。

步骤5，在源终端与目的终端通信时，基于最小均方误差预测机制，预测计算出地面路由上每条链路的队列时延：

具体实施时，可在源终端与目的终端通信时，每一个节点广播控制分组，建立初始的路由邻居表。在数据分组传输开始源终端使用距离向量路由算法计算出源终端到目的终端之间的地面路由和该地面路由上的5G-卫星节点集合；从起始时刻开始，源终端采集该地面路由上所有5G-卫星节点之间链路的流量状态信息，使用最小均方误差预测机制(MMSE)预测该地面路由上的每条链路的流量，从而根据M/M/1排队模型计算出该地面路由上每条链路的队列时延；

其中，距离向量路由算法和最小均方误差预测机制(MMSE)、M/M/1排队模型为现有技术，本发明不予赘述。

步骤6，源终端根据步骤5所得地面路由的链路时延和步骤4所得卫星网络路由的链路时延，在5G-卫星一体化的架构下以最小化天地一体化混合路由的链路总时延为目标，计算该路径最优的上星5G-卫星节点和下星5G-卫星节点，最终得到天地一体化混合路由的集合。

所述的选择最优的上星的5G-卫星节点和下星的5G-卫星节点是指：在5G-卫星一体化的架构下构建以最小化天地一体化混合路由的链路总时延的目标函数。

如图2所示的天地一体化架构由5G-卫星节点，卫星节点，5G-卫星一体化核心网络和云服务器组成，其中5G-卫星节点表示既可以与地面节点通信，又可以与卫星节点通信的节点，包括5G-卫星基站，5G-卫星网关，5G-卫星终端。终端用户可以通过地面链路接入5G-卫星基站，再由地面链路通过5G-卫星网关接入5G-卫星一体化核心网络，从而访问云服务器；也可以由星地链路通过5G卫星节点接入卫星网络，再由星地链路通过卫星节点接入5G-卫星一体化核心网络，从而访问云服务器。虚线表示卫星节点之间的链路，实线表示地面节点之间的链路；u_s是源终端，u_d是目的终端，g_i是上星的5G-卫星节点，即表示下一跳是卫星节点的5G-卫星节点，g_j是下星的5G-卫星节点，即表示上一跳是卫星节点的5G-卫星节点；

根据步骤5计算的地面路由上每条链路的时延和步骤4计算的卫星网络的路由链路时延，在5G-卫星一体化的架构下以最小化天地一体化混合路由的链路总时延为目标对该路径上星的5G-卫星节点和下星的5G-卫星进行最优选择，目标函数表示为：

其中:

设W是已知的地面路由上节点的集合，包括g_i和g_j等等，记g表示地面路由上经过的任一5G-卫星节点。s_i是g_i接入的卫星节点，s_j是g_j接入的卫星节点，设S是卫星节点的集合，包括s_i和s_j等等，记s表示地面路由上经过的任一卫星节点。

表示源终端u_s与g_i接入的s_i的总时延，为步骤5所得地面路由链路时延和步骤2所得星地链路时延之和。

表示g_j接入的s_j与目的节点u_d的时延，为步骤5所得地面路由链路时延和步骤2所得星地链路时延之和。

表示g_i接入的s_i与g_j接入的s_j之间的卫星路由时延，可根据步骤4所得卫星路由链路时延计算。

表示源终端u_s与g_i之间的总时延，可根据步骤5所得地面路由链路时延计算。表示g_j与目的节点u_d之间的总时延，可根据步骤5所得地面路由链路时延计算。

表示s_i与s_j之间的总队列时延，可根据步骤3所得卫星节点间队列时延计算。表示s_i与s_j之间的总传输时延，可根据步骤3所得卫星节点间传输时延计算。表示g_i与s_i之间的星地链路总时延，可根据步骤2所得星地链路时延计算。

表示g_j与s_j之间的星地链路总时延，可根据步骤2所得星地链路时延计算。

具体实施时，以上流程可采用计算机软件技术实现自动运行。运行本发明方法的装置也应当在本发明的保护范围内。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的结构关系及原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种天地一体化的混合路由方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1，计算轨道面内卫星之间的链路距离L和基于轨道间卫星之间的时变链路距离D_ij，建立时变双向曼哈顿卫星网络模型；

所述时变双向曼哈顿卫星网络模型是指，对曼哈顿网络做时变的加权处理，在链路上通过加权区分不同纬度的卫星链路距离，其中轨道内的卫星链路距离加权值是L，轨道间的卫星链路距离加权值是时变链路长度D_ij；

步骤2，统计各卫星与邻居卫星节点的队列时延及与地面节点间星地链路的队列时延；

步骤3，根据步骤1所得时变链路距离D_ij，计算不影响网络路由性能的时间间隔t_max，通过当前卫星的链路状态预测出t_max内邻居节点与次近邻节点的链路传输时延和队列时延；

步骤4，根据基于预测次近邻的卫星路由算法，计算卫星网络路由的链路时延，所述链路时延是链路的传输时延和队列时延之和；

所述基于预测次近邻的卫星路由算法，包括在卫星节点收到需要转发的数据时，记录数据的入口方向，该方向在任何情况下都不会成为数据的下一跳方向；然后计算目的节点所在的方向，对比预测的邻居节点和次近邻节点的链路时延，选择有最短时延的候选邻居节点为转发的下一跳，直至目的节点；

步骤5，在源终端与目的终端通信时，基于最小均方误差预测机制，预测计算出地面路由上每条链路的队列时延；

步骤6，源终端根据步骤5所得地面路由的链路时延和步骤4所得卫星网络路由的链路时延，在5G-卫星一体化的架构下以最小化天地一体化混合路由的链路总时延为目标，选择路径最优的上星5G-卫星节点和下星5G-卫星节点，最终得到天地一体化混合路由的集合。

2.根据权利要求1所述一种天地一体化的混合路由方法，其特征在于：步骤3中，计算t_max实现如下，

对于预设的误差阈值δ，对于网络中任意两卫星节点间的传输时延满足以下关系，

|T_p(t+Δt)-T_p(t)|≤δ

其中，Δt表示时间间隔；

上述关系条件转化为经过时间间隔Δt后，若网络中任一链路的距离变化值ΔD满足，

ΔD≤δ×c/N

其中，c表示光速，N表示路由经过的链路数；对于连续函数ΔD(Δt)，总能够找到一个最大的t_max，使得当Δt≤t_max时，满足ΔD≤δ×c/N，且仅当Δt＝t_max时有ΔD＝δ×c/N成立。

3.根据权利要求1或2所述一种天地一体化的混合路由方法，其特征在于：步骤6中，设u_s是源终端，u_d是目的终端，g_i是上星的5G-卫星节点，g_j是下星的5G-卫星节点；设W是已知的地面路由上节点的集合，包括g_i和g_j，记g表示地面路由上经过的任一5G-卫星节点；s_i是g_i接入的卫星节点，s_j是g_j接入的卫星节点，设S是卫星节点的集合，包括s_i和s_j，记s表示地面路由上经过的任一卫星节点；在5G-卫星一体化的架构下以最小化天地一体化混合路由的链路总时延为目标，选择路径最优的上星5G-卫星节点和下星5G-卫星节点时，目标函数表示为：

其中，

表示源终端u_s与g_i接入的s_i的总时延；

表示g_j接入的s_j与目的节点u_d的时延；

表示g_i接入的s_i与g_j接入的s_j之间的卫星路由时延；

表示源终端u_s与g_i之间的总时延；

表示g_j与目的节点u_d之间的总时延；

表示s_i与s_j之间的总队列时延；

表示s_i与s_j之间的总传输时延；

表示g_i与s_i之间的星地链路总时延；

表示g_j与s_j之间的星地链路总时延。