CN111294108B - 一种面向正交圆轨道构型卫星星座的高效路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向正交圆轨道构型卫星星座的高效路由方法。该方法根据星座链路模型提出了以就近原则和趋近原则以及赤道轨道卫星主动周期性更新机制来保证网络链路的合理性和便宜性，然后在链路模型的基础上提出基于跳数预测的链路优先级算法，通过链路实际通断状态，不回传策略导致的链路伪断开状态，目的节点方向，链路拥塞程度和链路传播时延因素的依次决策，最终卫星根据各链路的优先级发出数据包。并且根据源卫星节点和目的卫星节点的类别分为了四种情况进行讨论，根据卫星编号和状态信息，针对每种情况都给出了从不同链路发出数据包的跳数预测方法。

Description

一种面向正交圆轨道构型卫星星座的高效路由方法

技术领域

本发明属于卫星组网领域，特别涉及面向正交圆轨道构型卫星星座的高效路由方法。

背景技术

随着互联网技术的广泛应用和航空航天产业的迅速发展，利用卫星网络开展互联网业务业已成为热点问题，星间路由技术则是其关键。根据实现机制可以将这些路由方法分为三个类别：基于虚拟拓扑的路由算法，基于虚拟节点的路由算法，动态拓扑更新路由算法。

基于虚拟拓扑的路由算法的基本思想是根据卫星运行的周期性将星座周期分为若干小的时间片段，在每个时间片中，可以认为卫星是静止的，卫星网络拓扑没有发生改变，从而屏蔽卫星的高动态拓扑特性。一般地，先在地面分别计算出各时间片拓扑所对应的路由表，然后将其存储到各卫星上，那么在卫星运行过程中就只需要根据运行时间判断使用什么路由表就可以正确路由了。虽然这种路由算法易于实现，但是由于需要卫星预存储所有阶段的路由表，对卫星的存储能力是有一定要求的，而且因为路由都是提前计算的，卫星网络的抗毁性较差。基于虚拟节点的路由算法又称为覆盖区域分割法，该方法同样利用了卫星运行的周期性，将地球表面的区域根据卫星运行的特点划分为不同的覆盖区域，并给覆盖区域定义一个逻辑地址，在某一时刻，卫星根据离各区域的距离映射到最近的区域，通过固定的地面逻辑地址屏蔽卫星的运动性。此种算法虽然不需要提前计算路由，需要的存储空间较小，但对星座的规则性要求苛刻，实用性较差。运行动态拓扑更新类型算法的卫星节点通过实时交换网络链路信息，从而各节点根据自己获取的拓扑信息表计算出相应的路由表，该类型的算法由于是根据实时的网络状态计算路由，所以拥有良好的抗毁性能，对网络突发状况通常有能力做出较好的反应，但是频繁的交换网络信息且计算复杂度高对卫星系统的硬件条件也提出了挑战。

基于虚拟拓扑和基于虚拟节点的路由方法是通过从不同的方面来屏蔽卫星拓扑的高动态性，在一定程度上属于过度地利用卫星运行的规则性。在卫星通信系统中，采用星上处理、星上交换以及星上路由技术将大幅提高卫星网络的效能，仅仅依靠先验知识来计算路由存在着很大的缺陷，所以能根据网络环境做出调整的分布式动态路由更新机制是一个更好的选择。而且目前无连接的IP机制是地面网络事实上的技术标准，为了便于卫星网络更好的与地面互联网融合，越来越多的学者开始着眼于无连接的星上路由机制的研究，基于动态拓扑更新的机制也非常适合设计出无连接的路由算法。但是现有的卫星动态拓扑更新类算法一般是在地面路由算法的基础上修改适配而来，卫星节点间交换网络信息过于频繁，对星座拓扑的利用又过少，没有充分的发挥出通信卫星星座强规律性的优势。现有算法的另外一个问题是所设计的路由算法复杂度普遍较高，在资源紧缺的卫星系统中是不适用的。故设计出一种能充分利用星座规律，且能随网络状态而变化，计算复杂度又低的路由算法是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的是面向正交圆轨道构型卫星星座，提出一种基于跳数预测的链路优先级高效路由方法，利用卫星运行的规律，降低星座网络的路由开销。为了实现该目的，本发明所采用的步骤是：

步骤1：网络拓扑变化触发卫星状态信息更新。本发明提出的路由方法属于分布式路由方法，各卫星根据数据包的目的地址和卫星状态信息确定下一跳节点。触发链路信息更新的拓扑变化，主要有极轨道卫星和赤道轨道卫星之间的运动导致的相连接卫星的切换和极轨道卫星进出极区导致的链路拓扑改变。由于卫星运动的周期规律性，这两种拓扑变化信息也是各自以一定的周期进行触发的。

步骤2：根据链路通断状态预设各链路的优先级。在已知卫星状态信息的情况下，本路由方法首先根据链路的实际通断状态和由不回传策略引起的伪断开状态预先设定卫星各链路的优先级。

步骤3：根据数据包目的节点地址初步确定各链路的优先级。在卫星节点接收到数据包之后，根据其目的卫星节点地址通过基于跳数预测的链路定级方法初步确定各链路的优先级。这其中又需要根据自身节点和目的卫星节点是极轨道卫星还是赤道轨道卫星分情况讨论，不同的情况其跳数预测方法不一样。

步骤4：根据链路拥塞状态和链路传播时延最终确定链路的优先级。链路拥塞状态和链路传播时延也会影响网络的时延和吞吐量等性能，在跳数预测初步确定优先级后，根据各链路端口的数据包排队情况和链路两端卫星的相对位置情况对各链路的优先级做出相应调整，最后卫星即可通过优先级最高的链路发出数据包。

本发明提出的面向正交圆轨道构型卫星星座的高效路由方法主要由卫星状态信息更新和基于跳数的链路优先级算法两部分组成，算法部分的基本流程如附图1所示，分为初始化、初步定级和最终定级三个部分。本发明提出的路由方法具有常数级的时间复杂度和空间复杂度，并且已经在EXata网络仿真环境中实现。仿真场景采用4条极轨道和一条赤道轨道构成的星座，每个极轨道面上有9颗卫星，赤道轨道面上有8颗卫星，轨道高度为1457.6km，同向极轨道面间的经度差为47.1707°。卫星在轨道面上均匀分布，且同向邻轨相邻卫星以20°纬度错开分布，赤道轨道第一颗卫星和极轨道第一颗卫星处于重合位置，南北极区分别设置为南北纬度的70°和90°之间。故卫星编号为00，01，…，07；10，11，…18；20，21，…28；30，31，…38；40，41，…48。网络业务采取随机选取业务源节点和目的节点的方法，总共1000条业务，各卫星作为源节点或目的节点在仿真中业务的分布基本是均匀的，每一颗卫星都有几乎相等的机率作为业务的源节点或者目的节点，其比例大概为2％，即大约20条业务。附图9给出了本发明所提出的路由方法的平均时延性能和由SPFA(Shortest PathFaster Algorithm)算法计算的理想时延性能差距，由附图9所示的仿真结果可以看出，本发明提出的高效路由方法的时延性能接近于理想情况。

附图说明

图1是本发明采用的链路优先级策略整体流程图；

图2是本发明提出的一种链路切换状态示意图；

图3是本发明提出的另一种链路切换状态示意图；

图4是本发明采用的卫星链路编号示意图；

图5是本发明采用的数据包头部信息；

图6是本发明采用的子星座间链路更新信息交互示意图；

图7是本发明采用的卫星进入极区触发链路状态更新示意图；

图8是本发明定义的传播时延因素的影响示意图；

图9是本发明的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

正交圆轨道星座可以较好的实现全球的连续覆盖，其优点在于对地覆盖比极轨道星座更加均匀，星间链路也较为稳定。星座由N条过南北极点的轨道和一条位与赤道上方的轨道组成，编号为0，1，…，N，一共N+1条轨道，其中轨道编号为0的表示赤道轨道。每条极轨道上有M颗卫星，赤道轨道上有2N颗卫星，轨间相邻卫星相位差是同轨相邻卫星相位差的一半。星座中的卫星则可以通过轨道号加上卫星号来标记，例如在4条极轨道且每条极轨道有9颗卫星的星座系统中，极轨道卫星编号为10，11，…，18，20，…，40，41，…，48，赤道轨道卫星编号为00，01，…，07，在子星座极轨道星座中，10、20、30、40号卫星应处于对齐状态，注意这里的对齐并非指在同一纬度线上，而是说这四颗星中任意两颗相邻的卫星将在能建立星间链路的条件下会建立直连的链路，其他卫星的编号排布同理顺推。正交圆轨道星座的链路模型也可以分为两部分来描述。一部分是极轨道星座卫星间的链路，这部分又分为三种情况：

(1)非极区非反向缝区域卫星链路；

(2)非极区反向缝区域卫星链路；

(3)极区卫星链路。

第一种情况卫星有四条星间链路，分别是同轨相邻的两颗卫星之间的链路和左右相邻轨道的相邻卫星间的链路。在第二种情况中，由于反向缝两边的卫星相对运动速度过快，难以建立稳定的星间链路，故本文采取无反向缝链路的方式来构建星座拓扑，那么这种区域中的卫星只有三条星间链路。在南北极区域，由于卫星非常密集，各卫星节点的收发器会相互干扰，一般采取临时关闭异轨星间链路的策略，也就是说在第三种情况中，卫星只有相同轨道的相邻卫星间才有星间链路。

另外一部分与赤道轨道星座卫星有关，可分为两小部分：

(1)赤道轨道相邻卫星间的链路；

(2)赤道轨道卫星与极轨道卫星间的链路。

赤道卫星都是在一条轨道上的，属于同轨链路，其组成的同轨星间链路将在赤道上空构成一个环。另外，赤道轨道卫星也会在一定规则下和极轨道卫星建立通信链路。

为了便于描述，我们将极轨道星座和赤道轨道星座称为正交圆轨道星座的子星座。如何构建子星座之间的星间链路是一个值得探讨的问题。因为这种异构复合星座卫星间的运动更加复杂，不像其子星座那样可以在相对运动过快的区域不去建立星间链路，为使子星座间链路较为稳定的同时便于后续路由算法的设计，本文根据极轨道的升交点和降交点的位置设定赤道轨道卫星的初始位置，并采用赤道轨道卫星的周期性主动链路更新机制来保证子星座间链路的合理性。

赤道轨道卫星主动更新链路的时刻一般来说只有两种状态，如附图2和附图3所示。红点表示极轨道卫星，黑点表示赤道轨道卫星，为了图示清晰，用绿点表示距离极近的极轨道卫星和赤道轨道卫星的近似重合状态，反向缝两侧的卫星运行方向相反，一者从南到北，一者从北到南。附图2和3只是为了说明子星座间的链路切换问题，省略了很多与星座间链路无关的卫星节点，也省略了所有子星座内部的星间链路。这两种星座状态随卫星的运行周而复始的不停切换，赤道轨道卫星发起链路切换的位置在两条相邻极轨道的中间区域和极轨道所在的区域，极轨道数为N，则赤道轨道卫星在运行一周的时段内需要主动发起切换4N次。如附图2所示，赤道轨道卫星会发现自身前进方向和前方向赤道方向运行的极轨道卫星，比如赤道轨道卫星1、3、5、7都是与自己前进方向上的卫星建立星间链路，而卫星2和4与各自右下方的卫星建立链路，卫星6和8与各自右上方卫星建立链路。卫星2之所以在最近的几颗卫星中只选择与右下方卫星建立链路，而不与其右上方甚至左方卫星建立链路，是因为只有右下方卫星会与2号卫星越来越近，其他卫星建立链路的原因同理。在附图3中，卫星1和3与各自下方卫星建立链路，卫星5和7与各自上方卫星建立链路，2、4、6、8号卫星与离自身非常近的极轨道卫星建立链路。综上所述，赤道轨道卫星建立星座间链路的原则有两条，就近原则和趋近原则，即在离自身比较近的极轨道卫星中选择一个在未来一段时间内会与自己越来越近的作为新的链路对象。

实际星座的设计会对轨间距离和轨道倾角等参数做出适当的调整，存在一定的更新位置偏差，但这是可以接受的，而且在卫星高度一致的情况下，星座周期等于卫星轨道周期，卫星运转一圈又回到了初始状态，所以本节提出的链路策略依然是行之有效的。

极轨道卫星和赤道轨道卫星维护不同的基本状态参数信息。赤道卫星状态信息包括：极轨道星座的轨道面数N；极轨道星座一条轨道上的卫星数M；卫星的轨道号P_o，赤道轨道星座轨道号固定为0；卫星的卫星号S_o，取值0，1，…，2N-1；与本卫星相连接的极轨道卫星的轨道号P_polar；与本卫星相连接的极轨道卫星的卫星号S_polar；本卫星的链路优先状态信息L_state。极轨道卫星也有一些状态信息需要保存在本地：极轨道星座的轨道面数N；极轨道星座一条轨道上的卫星数M；本卫星的轨道号P_o，取值1，2，…，N；本卫星的卫星号S_o，取值0，1，…，M-1；每条极轨道都有两颗赤道轨道卫星与之相连，参数H_e1记录链路1上收到的与赤道轨道卫星的距离信息；参数H_e2记录链路2上收到的与赤道轨道卫星的距离信息；与本卫星距离最近的赤道轨道卫星号S_e1，与H_e1相关；本卫星所在轨道的另一端的赤道轨道卫星编号S_e2，与H_e2相关；指示本卫星和同轨相邻卫星是否在极区的参数F_polar，用XXX表示，此处X取值0或1，0表示在极区，1表示不在极区，第一个X指示与链路1连接的相邻卫星位置，第二个指示本卫星位置，第三个指示与链路2相连卫星的位置；指示卫星是处于东半球还是西半球的参数F_hemi，此处东西半球是以反向缝划分，该参数的作用是指示相邻轨道间的链路编号。如当卫星11通过链路4与卫星21相连时，卫星11处于东半球，F_hemi置为0，当卫星11通过链路3与卫星21相连时，卫星11处于西半球，F_hemi置为1，其他卫星同理顺推；本卫星的链路优先状态信息L_state。本卫星的链路优先状态信息L_state均以XXXXX格式来依次表明链路1、2、3、4、5的优先级，X是数字，取值0-5，数值越大优先级越高。

星座中卫星最多能建立五条链路，如附图4所示，将链路编号为1、2、3、4、5，以卫星运行前向方向为链路1，反方向为链路2，前进方向左方链路为链路3，右方为链路4，赤道轨道卫星和极轨道卫星间为链路5。如果卫星没有某一链路，可认为该链路处于断开状态。

卫星接收数据包的头部信息如附图5所示，包含目的卫星节点的轨道号和卫星号，以及该数据包传输路径上已经到达过的卫星节点的编号。

根据以上设定条件，基于跳数预测的链路优先级高效路由方法的具体实施步骤为：

步骤1：网络拓扑变化触发卫星状态信息更新。

赤道轨道卫星每隔一定的时间都会发起子星座间的链路更新，此时各极轨道卫星的H_e1和H_e2都置为0，链路建立后，链路两端的节点立刻交互信息，告知对方自身的卫星编号，赤道轨道卫星的参数P_polar和S_polar得以更新，与赤道轨道卫星相连的极轨道卫星(假设为11)参数H_e1置为1，然后卫星11通过链路1和2将更新信息发送出去，其他卫星接收到信息后更新H_e1和H_e2(需要加1)，然后继续前向发送(链路2收则链路1发，反之同理)信息直到信息传达一周为止。如附图6所示，在这个过程中，有两个用红色节点表示的信息源，所以附图6中黑色节点会从一条链路上收到两次更新，需要在两次更新值中选一个较小的非零值作为参数最终值，且对应的赤道轨道卫星号就是参数S_e1和S_e2的值，最后经过短暂的链路建立时间，所有由子星座间链路更新引起的位置参数更新也已完成。易知，H_e1和H_e2分别记录的是卫星到与本轨道相连的两颗赤道卫星的最小跳数。

极轨道星座卫星还有两个参数与地理位置相关，F_hemi会在卫星过极区后更新，东西半球变换，F_hemi从1变为0或者从0到1，毋庸多言。另一个参数与极区相关，卫星到极区会关闭链路3和4，从而极轨道卫星的L_state会变为XX00X。如附图7所示，卫星节点从非极区到极区时，F_polar从011变成001，含义参照前文参数解析，由于该参数的影响在同轨一跳范围内，所以该更新信息将发送到前向和后向相邻节点，从而其邻接节点的相应参数也会发生改变。

步骤2：根据链路通断状态预设各链路的优先级。

卫星对每个数据包都有一个独立的空间保存参数L_state，该参数占用的内存与发送队列最大长度相关。每当接收一个数据包，第一步是卫星将其加入到发送队列，对应参数L_state置为11111，然后根据链路通断状态置相应位置为0，之后遍历该数据包路径上的节点，已到过的且与本卫星有直接链路的节点认为是伪断开状态，将参数L_state的相应位置也置为零，至此参数通过链路通断状态完成初始化，之后的操作将略过优先级是0的链路。

步骤3：根据数据包目的节点地址初步确定各链路的优先级。

这一步是基于跳数预测的链路优先级高效路由方法的关键步骤，所谓跳数预测，就是通过卫星节点本地收集保存到的一些信息估计从本节点到目的节点经由不同链路发送的路径跳数。可分为四种情况详细说明：

1.源卫星和目的卫星均是赤道卫星

这种情况中赤道轨道卫星需要判断源赤道卫星分别通过链路1和链路2到达目的卫星的跳数，源卫星和目的卫星的轨道号都是0，在本情况中也无须讨论，需要明确的参数有源卫星的卫星号S_o，目的卫星的卫星号为S_d，赤道轨道卫星数量为2N，则源卫星通过链路1到达目的卫星的跳数为

hop_1＝mod(S_d-S_o，2N) (1)

式中形如mod(a，b)表示a对b取模，下同。源卫星通过链路2到达目的卫星的跳数为

hop_2＝2N-mod(S_d-S_o，2N) (2)

如果hop_1≤hop_2，当P_polar不为N，有

hop_5＝hop_1+2 (3)

故

如果hop_1＞hop_2，当P_polar不为1，有

hop_5＝hop_2+2 (5)

此时

注意如果之前已确定链路优先级为0则不会更改该链路的优先级。

2.源卫星和目的卫星均是极轨道卫星

源卫星和目的卫星都是极轨道卫星时，数据包可以在极轨道卫星星座内部传到目的地，也可以经过赤道轨道卫星的中转来到达目的卫星，选择哪种方式需要通过预测两种方式的跳数大小来确定。

极轨道星座内部的跳数预测需要知道的参数有源卫星和目的卫星的轨道号与卫星号P_o、S_o、P_d、S_d，以及星座轨道数N，各轨道卫星数M。数据包在极轨道星座内部传输时，可以将极轨道星座链路拓扑假想成一个规则网状图，这与实际拓扑的区别不过是网格的形状不同和在极点处有一个拓扑的翻转，不影响本文跳数预测的正确性。

从源节点到目的节点的路径分为水平跳数和垂直跳数，以跳数为参考时，可以认为数据包先通过最小的跳数到达目的节点所在卫星轨道，然后再以最小跳数到达目的卫星本身，前者为水平跳数，后者为垂直跳数。由于反向缝的存在，水平传输只有一个方向，跳数为

hop_h＝|P_d-P_o| (7)

而垂直跳数

hop_v1＝mod(S_d-S_o，M) (8)

hop_v2＝M-mod(S_d-S_o，M) (9)

故通过极轨道星座内部的路径传输预测跳数hop1为

如果通过赤道卫星的中转路径，则总跳数hop2也分为水平跳数和垂直跳数，可以不影响初步定级结果地认为水平跳数全部在赤道轨道链路上，垂直跳数包括源卫星通过同轨链路和星座间链路到达赤道卫星的部分，以及赤道卫星通过星座间链路和与目的卫星同轨的链路部分。源卫星到达赤道卫星的跳数在卫星位置参数H_e1和H_e2中已经说明，下面阐述赤道卫星星座链路跳数的预测过程。

如果通过链路1或链路5到达赤道卫星，则与源卫星轨道相连的赤道轨道卫星的卫星号是S_e1，S_e1通过其链路1到达与目的轨道相连的赤道卫星的跳数最小为

此时与目的轨道相连的赤道卫星号S_ed11为

这里计算的卫星号可能有一跳的误差，与卫星对齐状态和卫星数量等因素有关。

而与目的卫星间的跳数最小为

hop_11＝min(mod(S_d-S_ed11，M)，M-mod(S_d-S_ed11，M)) (13)

式中形如min(a，b)表示取a和b的最小值，下同。

于是得到源卫星通过链路1或链路5传输数据包到达目的极轨道卫星的预测跳数

hop11＝H_e1+hop_e11.0hop_11 (14)

S_e1通过其链路2到达与目的轨道相连的赤道卫星的跳数最小为

hop_e12＝N-mod(P_d-P_o，N) (15)

此时与目的轨道相连的赤道卫星号S_ed12为

S_ed12与目的卫星间的跳数最小为

hop_12＝min(mod(S_d-S_ed12，M)，M-mod(S_d-S_ed12，M)) (17)

于是数据包通过源卫星So的链路1或者链路5再通过Se1的链路2到达目的卫星的最小跳数hop12为

hop12＝H_e1+hop_e12+hop_12 (18)

同理

hop_21＝min(mod(S_d-S_ed21，M)，M-mod(S_d-S_ed21，M)) (19)

得到源卫星通过链路2和S_e2的链路1到达目的卫星的最小跳数大概为

hop21＝H_e2+hop_e21+hop_21 (20)

S_e2通过其链路2到达与目的轨道相连的赤道卫星S_ed22的跳数hop_e22与hop_e12也相等。而且有

hop_22＝min(mod(S_d-S_ed22，M)，M-mod(S_d-S_ed22，M)) (22)

可得源卫星通过链路2和S_e2的链路2到达目的卫星的最小跳数为

hop22＝H_e2+hop_e22+hop_22 (23)

然后比较hop11、hop12、hop21和hop22的大小，选择跳数最小的一种路径类型而从确定可能的下一跳节点，并记该最小值为hop2。

当hop1大于hop2时，将选择赤道轨道卫星作为中转节点，否则只是在极轨道星座内部传输。如果选的是前一种，将从四种链路类型中选择跳数最小的一个并结合H_e1和F_hemi来确定参数L_state的状态变化，如下表所示

表1极轨道卫星链路状态更新规则1

如果参数L_state某些链路状态在之前的步骤中已置为0，则本次将忽略该链路优先级的更新，下面的描述也遵从此设定，不再赘述。

当hop1不大于hop2时，即在极轨道星座的内部链路上传递数据包，此时的链路状态变化则如下表所示

表2极轨道卫星链路状态更新规则2

由于基于跳数预测的链路优先级算法是假设链路完备来展开的，能确定的也只是下一跳节点，不可能精确预测后续数据包的路径，所以只能做一个大概率是正确的预测。比如上表第一行，预测数据包应该向右上方发送，即从链路1或链路4发送，其优先级最高，而剩下的三条链路的跳数无法准确确定孰多孰少，但是应该是相差无几，所以优先级也设置为一样的(0除外)；第二行表示目的卫星和源卫星在反向缝同侧且是对齐的，有水平链路相连，故数据包应向右方发送，在F_hemi＝0的半球面中，应是从链路4发出，从上下方向发送跳数次多，处于第二优先级，且容易知道在链路完备的情况下剩下的两条链路的跳数应是最多的，设置其为最低的优先级。

3.极轨道卫星到赤道轨道卫星

源卫星是极轨道卫星，目的卫星是赤道轨道卫星时，预测跳数的方法与上一节求hop11等值基本上是一样的，只不过部分地方需要调整。本节只以hop11为例，hop11通过三部分求得，分别是源卫星直接到赤道卫星的最小跳数H_e1，S_e1到S_ed11的跳数hop_e11，以及S_ed11到目的卫星S_d的跳数hop_11。在本节的情境中S_ed11就是S_d，故此时hop_11＝0。而

hop_e11＝mod(S_d-S_e1，2N) (24)

故

hop11＝H_e1+mod(S_d-S_e1，2N) (25)

同理易得

hop12＝H_e1+2N-mod(S_d-S_e1，2N) (26)

hop21＝H_e2+mod(S_d-S_e2，2N) (27)

hop22＝H_e2+2N-mod(S_d-S_e2，2N) (28)

链路优先级的判断规则也和表1一致。

4.赤道轨道卫星到极轨道卫星

源卫星是赤道轨道卫星，目的卫星是极轨道卫星，这种情况下卫星有三条可能的发送链路，分别是链路1、链路2和链路5。从链路1和链路2到达目的卫星的跳数包括两部分，一是从源节点到与目的卫星轨道相连的赤道卫星S_ed1或S_ed2的最小跳数，另一部分是从S_ed到目的卫星的跳数。

hop_ed1＝min(mod(S_d-S_ed1，M)，M-mod(S_d-S_ed1，M)) (31)

有通过链路1发出的预测跳数为

hop_1＝hop_e1+hop_ed1 (32)

同理有

hop_e2＝N-mod(P_d-P_poalr，2N) (33)

hop_ed2＝min(mod(S_d-S_ed2，M)，M-mod(S_d-S_ed2，M)) (35)

则通过链路2发出数据包的预测跳数为

hop_2＝hop_e2+hop_ed2 (36)

通过链路5到达目的卫星节点包括从源卫星到与之相连的极轨道卫星的1跳，还有从此极轨道卫星到目的极轨道卫星的跳数，第二部分的跳数是通过计算卫星<P_polar，S_polar>通过极轨道内部链路到达<P_d，S_d>而得到的，即<P_polar，S_polar>到<P_d，S_d>的hop1。

hop_5＝hop1+1 (37)

比较hop_1、hop_2和hop_5的大小，最小的对应的链路优先级为5，次之为3，最大为1。

步骤4：根据链路拥塞状态和链路传播时延最终确定链路的优先级。

为了兼顾网络流量的平衡，降低通信时延，本文引入链路拥塞作为链路优先级算法的影响因素之一。正交圆轨道星座网络系统中一个卫星节点最多五条星间链路，一条链路对应着一个端口，则可以端口上缓冲区的数据包的数量为拥塞程度的指标，即缓冲区排队的数据包越多，则链路越拥塞。

cong(i)就表示端口i上的拥塞程度，q_i表示端口i缓冲区队列长度，c_i表示端口i的链路容量。该参数可以反映链路的拥塞程度，数值越大表示拥塞程度越高。待数据包到达后根据上节内容初步确定链路优先级，然后计算各链路对应端口的拥塞参数，当某链路端口的拥塞程度超过某一数值Ψ后，对该链路做降级处理，减小L_state对应数值，而数值Ψ和所降级数均应根据实际情况做出调整，需要综合考虑。

关于传播时延因素，需要考虑随卫星运行极轨道卫星轨间链路长度的变化导致时延的变化，越靠近极区其时延越小，故数据尽量从靠近极区的链路发到邻轨卫星上，但是卫星在极区关闭轨间链路，如果数据包需要传到异轨极区节点，则需要在极区外提前将数据包发送到目的卫星所在轨道，否则数据包进入极区后反而很有可能会增大时延。如附图8所示，卫星S11需要将数据发送到卫星S23，且由于S23根据地面系统或者其他信息判断自身进入了极区，其参数F_polar为001，导致S13和S23之间的链路断开，于是S13被动地处于极区状态，其F_polar也变为001。在S11处目前有两条链路可选，但是S11的链路4的长度比链路1长，所以在链路1和链路4的优先级一样的情况下，链路4发生降级，最终将选择链路1发出数据包。而在卫星S12处，经过前面若干处理步骤之后，理想情况下其链路1和链路4处于同一且是最高的优先级，但由于其参数F_polar是011，表明其前进方向上的卫星处在极区状态，没有轨间链路，而数据包需要轨间链路进行传输，故S12的链路1降级，最终将选择链路4传输数据。所以本条数据在理想情况下最终的路径是S11-S12-S22-S23。

以上用一个例子说明了链路时延因素对链路优先级的影响，那么对于其他卫星，则可以通过初始位置设定和极区切换次数，以及和赤道卫星建立连接的次数来判断自身是在远离极区还是在靠近极区，比如一颗卫星初始化是靠近极区的状态，那么经过极区前后轨间链路的一次断开重连则表明是在远离极区，经过与赤道卫星建立连接和断开后则又是在靠近极区，如此周而复始而已，很易于实现。

数据包传输路径上的各卫星在经过根据链路通断状态的链路优先级初始化，基于跳数预测的链路初步定级，再根据链路拥塞状态和链路时延情况来对部分链路做降级处理的这一系列的判断处理后，确定出各链路的优先级，从而确定下一跳卫星节点，最终到达目的卫星。

本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种面向正交圆轨道构型卫星星座的路由方法，所采用的步骤是：

步骤1：网络拓扑变化触发卫星状态信息更新，本发明提出的路由方法属于分布式路由方法，各卫星根据数据包的目的地址和卫星状态信息确定下一跳节点，触发链路信息更新的拓扑变化，主要由极轨道卫星和赤道轨道卫星之间的运动导致的相连接卫星的切换和极轨道卫星进出极区导致的链路拓扑改变，由于卫星运动的周期规律性，这两种拓扑变化信息也是各自以一定的周期进行触发的；

步骤2：根据链路通断状态预设各链路的优先级，在已知卫星状态信息的情况下，本路由方法首先根据链路的实际通断状态和由不回传策略引起的伪断开状态预先设定卫星各链路的优先级；

步骤3：根据数据包目的节点地址初步确定各链路的优先级，在卫星节点接收到数据包之后，根据其目的卫星节点地址通过基于跳数预测的链路定级方法初步确定各链路的优先级，由于在极轨道卫星内部星间链路只有4条，而与赤道轨道卫星相连的卫星有5条星间链路，所以需要根据自身节点和目的卫星节点是极轨道卫星还是赤道轨道卫星分情况讨论，不同的情况其跳数预测方法不一样；

步骤4：根据链路拥塞状态和链路传播时延最终确定链路的优先级，在跳数预测初步确定优先级后，根据各链路端口的数据包排队情况和链路两端卫星的相对位置情况对各链路的优先级做出相应调整，最后卫星即可通过优先级最高的链路发出数据包。

2.根据权利要求1所述的一种面向正交圆轨道构型卫星星座的路由方法，其特征在于卫星状态信息更新的具体方法为：

卫星链路编号定义为以卫星运行前向方向为链路1，反方向为链路2，前进方向左方链路为链路3，右方为链路4，赤道轨道卫星和极轨道卫星间为链路5，每条极轨道都有两颗赤道轨道卫星与之相连，卫星状态信息定义为H_e1：记录链路1上收到的与赤道轨道卫星的距离信息；H_e2：记录链路2上收到的与赤道轨道卫星的距离信息；P_polar：与本卫星相连接的极轨道卫星的道号；S_polar：与本卫星相连接的极轨道卫星的卫星号；F_hemi：指示卫星是处于东半球还是西半球；F_polar：指示本卫星和同轨相邻卫星是否在极区，用XXX表示，此处X取值0或1，0表示在极区，1表示不在极区，第一个X指示与链路1连接的相邻卫星位置，第二个指示本卫星位置，第三个指示与链路2相连卫星的位置；L_state：本卫星的链路优先状态信息，本卫星的链路优先状态信息，以XXXXX格式来依次表明链路1、2、3、4、5的优先级，X是数字，取值0-5，数值越大优先级越高；

赤道轨道卫星每隔一定的时间都会发起子星座间的链路更新，此时各极轨道卫星的H_e1和H_e2都置为0，链路建立后，链路两端的节点立刻交互信息，告知对方自身的卫星编号，赤道轨道卫星的参数P_polar和S_polar得以更新，与赤道轨道卫星相连的极轨道卫星参数H_e1置为1，然后该极轨道卫星通过链路1和2将更新信息发送出去，其他卫星接收到信息后更新H_e1和H_e2，然后继续前向发送信息直到信息传达一周为止；每个卫星节点会从信息源接受到两次更新，需要在两次更新值中选一个较小的非零值作为参数最终值，且对应的赤道轨道卫星号就是参数S_e1和S_e2的值，最后经过短暂的链路建立时间，所有由子星座间链路更新引起的位置参数更新也已完成，易知，H_e1和H_e2分别记录的是卫星到与本轨道相连的两颗赤道卫星的最小跳数；

极轨道星座卫星有三个参数与地理位置相关，F_hemi会在卫星过极区后更新，东西半球变换，F_hemi从1变为0或者从0到1，另两个参数与极区相关，卫星到极区会关闭链路3和4，从而极轨道卫星的L_state会变为XX00X；卫星节点从非极区到极区时，F_polar从011变成001，由于该参数的影响在同轨一跳范围内，所以该更新信息将发送到前向和后向相邻节点，从而其邻接节点的相应参数也会发生改变。

3.根据权利要求1所述的一种面向正交圆轨道构型卫星星座的路由方法，其特征在于根据数据包目的节点地址初步确定各链路的优先级的具体方法为：

(1)源卫星和目的卫星均是赤道卫星

这种情况中赤道轨道卫星需要判断源赤道卫星分别通过链路1和链路2到达目的卫星的跳数，源卫星和目的卫星的轨道号都是0，在本情况中也无须讨论，需要明确的参数有源卫星的卫星号S_o，目的卫星的卫星号为S_d，赤道轨道卫星数量为2N，则源卫星通过链路1到达目的卫星的跳数为

hop_1＝mod(S_d-S_o，2N) (1)

式中形如mod(a，b)表示a对b取模，下同，源卫星通过链路2到达目的卫星的跳数为

hop_2＝2N-mod(S_d-S_o，2N) (2)

如果hop_1≤hop_2，当P_polar不为N，有

hop_5＝hop_1+2 (3)

故

如果hop_1＞hop_2，当P_polar不为1，有

hop_5＝hop_2+2 (5)

此时

注意如果之前已确定链路优先级为0则不会更改该链路的优先级；

(2)源卫星和目的卫星均是极轨道卫星

源卫星和目的卫星都是极轨道卫星时，有两种方式将数据包传到目的地，一种是在极轨道卫星星座内部传到目的地，另一种是经过赤道轨道卫星的中转来到达目的卫星，选择哪种方式需要通过预测两种方式的跳数大小来确定；

极轨道星座内部的跳数预测需要知道的参数有源卫星和目的卫星的轨道号与卫星号P_o、S_o、P_d、S_d，以及星座轨道数N，各轨道卫星数M；数据包在极轨道星座内部传输时，可以将极轨道星座链路拓扑假想成一个规则网状图，这与实际拓扑的区别不过是网格的形状不同和在极点处有一个拓扑的翻转，不影响本文跳数预测的正确性；

从源节点到目的节点的路径分为水平跳数和垂直跳数，以跳数为参考时，可以认为数据包先通过最小的跳数到达目的节点所在卫星轨道，然后再以最小跳数到达目的卫星本身，前者为水平跳数，后者为垂直跳数；由于反向缝的存在，水平传输只有一个方向，跳数为

hop_h＝|P_d-P_o| (7)

而垂直跳数

hop_v1＝mod(S_d-S_o，M) (8)

hop_v2＝M-mod(S_d-S_o，M) (9)

故通过极轨道星座内部的路径传输预测跳数hop1为

如果通过赤道卫星的中转路径，则总跳数hop2也分为水平跳数和垂直跳数，可以不影响初步定级结果地认为水平跳数全部在赤道轨道链路上，垂直跳数包括源卫星通过同轨链路和星座间链路到达赤道卫星的部分，以及赤道卫星通过星座间链路和与目的卫星同轨的链路部分；

如果通过链路1或链路5到达赤道卫星，则与源卫星轨道相连的赤道轨道卫星的卫星号是S_e1，S_e1通过其链路1到达与目的轨道相连的赤道卫星的跳数最小为

此时与目的轨道相连的赤道卫星号S_ed11为

受卫星对齐状态和卫星数量的影响，这里计算的卫星号会存在误差，但误差在一跳范围以内；

而与目的卫星间的跳数最小为

hop_11＝min(mod(S_d-S_ed11，M)，M-mod(S_d-S_ed11，M)) (13)

式中形如min(a，b)表示取a和b的最小值，下同；

于是得到源卫星通过链路1或链路5传输数据包到达目的极轨道卫星的预测跳数

hop11＝H_e1+hop_e11+hop_11 (14)

S_e1通过其链路2到达与目的轨道相连的赤道卫星的跳数最小为

hop_e12＝N-mod(P_d-P_o，N) (15)

此时与目的轨道相连的赤道卫星号S_ed12为

S_ed12与目的卫星间的跳数最小为

hop_12＝min(mod(S_d-S_ed12，M)，M-mod(S_d-S_ed12，M)) (17)

于是最小跳数hop12为

hop12＝H_e1+hop_e12+hop_12 (18)

同理

hop_21＝min(mod(S_d-S_ed21，M)，M-mod(S_d-S_ed21，M)) (19)

得到源卫星通过链路2和S_e2的链路1到达目的卫星的最小跳数为

hop21＝H_e2+hop_e21+hop_21 (20)

S_e2通过其链路2到达与目的轨道相连的赤道卫星S_ed22的跳数hop_e22与hop_e12也相等，而且有

hop_22＝min(mod(S_d-S_ed22，M)，M-mod(S_d-S_ed22，M)) (22)

可得源卫星通过链路2和S_e2的链路2到达目的卫星的最小跳数为

hop22＝H_e2+hop_e22+hop_22 (23)

然后比较hop11、hop12、hop21和hop22的大小，选择跳数最小的一种路径类型从而确定通过赤道卫星中转的下一跳节点，并记该最小值为hop2；

当hop1大于hop2时，将选择赤道轨道卫星作为中转节点，否则只是在极轨道星座内部传输；如果选的是前一种，将从四种链路类型中选择跳数最小的一个并结合H_e1和F_hemi来确定参数L_state的状态变化，如下表所示

表1 极轨道卫星链路状态更新规则1

如果参数L_state某些链路状态在之前的步骤中已置为0，则本次将忽略该链路优先级的更新，下面的描述也遵从此设定，不再赘述；

当hop1不大于hop2时，即在极轨道星座的内部链路上传递数据包，此时的链路状态变化则如下表所示

表2 极轨道卫星链路状态更新规则2

由于基于跳数预测的链路优先级算法是假设链路完备来展开的，能确定的也只是下一跳节点，不能精确预测后续数据包的路径，只能做一个预测；上表第一行，预测数据包应该向右上方发送，即从链路1或链路4发送，其优先级最高，而剩下的三条链路的跳数无法准确确定孰多孰少，但是应该是相差无几，所以优先级设置为除0外的相同值；第二行表示目的卫星和源卫星在反向缝同侧且是对齐的，有水平链路相连，故数据包应向右方发送，在F_hemi＝0的半球面中，应是从链路4发出，从上下方向发送跳数次多，处于第二优先级，且容易知道在链路完备的情况下剩下的两条链路的跳数应是最多的，设置其为最低的优先级；

(3)网络业务从极轨道卫星到赤道轨道卫星

源卫星是极轨道卫星，目的卫星是赤道轨道卫星时，预测跳数的方法与上一节求hop11、hop12、hop21、hop22是一样的，只不过部分地方需要调整；本节只以hop11为例，hop11通过三部分求得，分别是源卫星直接到赤道卫星的最小跳数H_e1，S_e1到S_ed11的跳数hop_e11，以及S_ed11到目的卫星S_d的跳数hop_11；在本节的情境中S_ed11就是S_d，故此时hop_11＝0，而

hop_e11＝mod(S_d-S_e1，2N) (24)

故

hop11＝H_e1+mod(S_d-S_e1，2N) (25)

同理易得

hop12＝H_e1+2N-mod(S_d-S_e1，2N) (26)

hop21＝H_e2+mod(S_d-S_e2，2N) (27)

hop22＝H_e2+2N-mod(S_d-S_e2，2N) (28)

链路优先级的判断规则也和表1一致；

(4)网络业务从赤道轨道卫星到极轨道卫星

源卫星是赤道轨道卫星，目的卫星是极轨道卫星，这种情况下卫星有三条可能的发送链路，分别是链路1、链路2和链路5；从链路1和链路2到达目的卫星的跳数包括两部分，一部分是从源节点到与目的卫星轨道相连的赤道卫星S_ed1或S_ed2的最小跳数，另一部分是从S_ed1或S_ed2到目的卫星的跳数

hop_ed1＝min(mod(S_d-S_ed1，M)，M-mod(S_d-S_ed1，M)) (31)

有通过链路1发出的预测跳数为

hop_1＝hop_e1+hop_ed1 (32)

同理有

hop_e2＝N-mod(P_d-P_poalr，2N) (33)

hop_ed2＝min(mod(S_d-S_ed2，M)，M-mod(S_d-S_ed2，M)) (35)

则通过链路2发出数据包的预测跳数为

hop_2＝hop_e2+hop_ed2 (36)

通过链路5到达目的卫星节点包括从源卫星到与之相连的极轨道卫星的1跳，还有从此极轨道卫星到目的极轨道卫星的跳数，第二部分的跳数是通过计算卫星<P_polar，S_polar>通过极轨道内部链路到达<P_d，S_d>而得到的，即<P_polar，S_polar>到<P_d，S_d>的hop1

hop_5＝hop1+1 (37)

比较hop_1、hop_2和hop_5的大小，最小的对应的链路优先级为5，次之为3，最大为1。

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