CN111342885B - 基于信关站合并的卫星网络选路方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信关站合并的卫星网络选路方法，主要解决现有技术不能灵活地找到使数据尽快落地的信关站和因为信关站数量过多，星地连接关系复杂导致的计算复杂度过高的问题。其技术方案是：初始化网络节点之间的链路代价；将网络中的所有信关站合并为一个虚拟信关站；与虚拟信关站直连的卫星节点保留与虚拟信关站之间最小的链路代价并将其发送到网络的其他节点，进行链路代价的更新；卫星在包含虚拟信关站的网络中计算最短路径；节点在收到数据后，按照最短路径进行转发。本发明能简化卫星网络的路径计算，尽快让数据发往地面，且能在及时释放星上资源的同时快速找到最短路径，降低了星上资源的占用时间，可用于快速寻找最优信关站。

Description

基于信关站合并的卫星网络选路方法

技术领域

本发明属于卫星移动通信技术领域，特别涉及一种卫星网络选路方法，可用于快速寻找最优信关站，使业务尽快落地的路径选择问题。

背景技术

卫星通信具有覆盖范围广、通信容量大、通信稳定性好，便于实现全球覆盖等优点，被认为是未来6G通信时代最受瞩目的热点技术之一，拥有广阔的应用前景。地面移动通信发展迅速，技术成熟，但对地域要求较高，部署基站耗费人力物力较大，难以实现网络的无缝覆盖。因此，卫星通信主要涉及远程通信、移动宽带业务、专用业务、航空航天信息服务等典型应用。

卫星网络是指通过星间链路和星地链路将多颗卫星、地面信关站相关连接进行组网，并实现各种通信服务的网络，具有覆盖范围广、实现无缝覆盖等优点，是地面通信系统的有益补充。通过卫星网络承载的业务需要通过信关站落地，连接到地面网络。卫星网络需要解决星上路由、交换以及移动性管理等问题。由于我国不能在全球各地布设信关站，所以卫星网络业务需要通过我国境内的信关站落地。卫星网络承载的大多数业务只需要经过星上交换后落入我国信关站即可，并不需要指定某个具体的信关站，在业务落地后，再由可靠性高且资源充足的地面网络进行计算和处理。

根据卫星网络的业务需求，卫星信关站网络选路方法应该解决以下问题：

(1)适应高速动态拓扑。

卫星网络选路方法应首先具备适应卫星网络拓扑频繁切换的能力，尽可能快速得到可选路径，避免选路过程中因为网络拓扑变化，带来链路状态更新不及时或路径选择难以收敛等不良影响。

(2)高效利用星上资源。

由于星上存储能力和处理能力严重受限，星上资源宝贵，所有业务应尽快落地，释放星上资源，大量的数据计算和处理可以放在可靠且资源充足的地面网络进行。

现有主流的路由算法可分为四类：基于虚拟拓扑的路由算法、基于覆盖域划分的路由算法、基于虚拟节点的路由算法和基于数据驱动的路由算法。其中：

基于虚拟拓扑的路由算法，其基本思想是利用卫星拓扑的周期性，将卫星系统周期划分为许多小的时间间隔，在每个相对较短的时间间隔内卫星的动态拓扑结构可模型化为固定拓扑，在间隔期间认为各个星间链路代价不变，可按照固定拓扑预先计算最优路径。

基于覆盖域划分的路由算法，其基本思想是将地球表面按等间距划分为多个区域，并给每个区域赋予不同的固定的逻辑地址。在给定时刻，对于最靠近区域中心的卫星，其逻辑地址就是该区域的逻辑地址，区域内的终端用户由该卫星提供服务。由于地球的自转与卫星的运动，卫星覆盖的地面区域一直在发生变化，其逻辑地址也在动态变化，因此采用该策略的每颗卫星需要更新网络的拓扑信息，源卫星在转发数据前,需要根据目的节点的逻辑地址计算相应的目的卫星。

基于虚拟节点的路由算法，是基于覆盖域划分路由算法的改进，其基本思想是将卫星网络模型化为由虚拟节点组成的网络，分配固定的地理坐标；依据物理位置与虚拟节点地理坐标的距离关系，将最接近虚拟节点位置的卫星认为是虚拟节点的位置，以屏蔽卫星的运动，将卫星网络看作固定拓扑结构。

基于数据驱动的路由算法，其基本思想是在没有数据传送时不进行路由更新，有数据到达时触发路由更新，实际是一种按需捎带更新的路由算法。

上述路几种由算法虽说用不同的方式，解决了卫星网络拓扑频繁切换的问题。但是由于卫星和信关站是对等实体，在计算路由表时，通常做法是卫星要分别以每个信关站为目的节点进行计算，业务数据默认用指定的信关站落地，在产生大量冗余计算的同时，还不能灵活地找到能让业务数据尽快落地的路径，不能及时释放星上资源；同时由于卫星网络链路状态变化频繁，业务数据长时间在星上转发会造成丢包，降低可靠性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于信关站合并的卫星网络选路方法，以简化卫星路由的计算复杂度，找到就近的信关站，使业务数据快速落地，提高选择最优路径的效率；同时减少业务数据在星上的转发次数，降低丢包发生的概率，提高可靠性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于信关站合并的卫星网络选路方法，所述信关站是指：卫星网络在地面用于发送和接收数据的节点，其特征在于，包括如下：

(1)初始化卫星网络节点之间的链路代价；

(2)将所有信关站合并为一个虚拟信关站；

(3)更新虚拟信关站和直连卫星之间的链路代价：

(3a)对于与信关站一对一直连的卫星，保持卫星和虚拟信关站之间的链路代价不变，并记录直连信关站的具体地址；

(3b)对于与信关站一对多直连的卫星，将卫星和虚拟信关站之间的链路代价更新为卫星与所有直连信关站链路的最小链路代价，并记录具有最小链路代价直连信关站的具体地址；

(4)卫星网络中的所有节点更新包含虚拟信关站的链路代价；

(5)卫星网络中所有节点用包含虚拟信关站的链路代价计算路由表；

(6)卫星网络中的节点查找路由表转发数据：

(6a)当路由表下一跳地址不是虚拟信关站地址时，节点按照路由表下一跳地址进行数据转发；

(6b)当路由表下一跳地址是虚拟信关站地址时，节点将虚拟信关站地址改为(3a)中记录的直连信关站的具体地址进行数据转发。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明将路径中的多个信关站合并为一个虚拟信关站，降低了路由计算的复杂度，加快了路由计算的收敛时间，使得星上计算强度得到了明显的降低；

2、本发明在包含虚拟信关站的网络中使用Dijkstra算法，减少了数据在星上的转发次数，降低了丢包发生的概率，提高了可靠性；

3、本发明采用在下一跳地址为虚拟信关站地址时，节点才更改虚拟信关站地址为具体信关站地址，灵活地选择了具有最小链路代价的信关站进行业务转发，使得星上数据就近落地，尽快释放了星上资源。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明中的数据转发子流程图；

图3为本发明使用的卫星网络拓扑图；

图4为本发明中的信关站合并图；

图5为本发明实施例的选路结果图；

图6为发明实施例使用的数据包格式。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明所述方案和效果作进一步详细描述。

本发明应用于固定拓扑结构或在一段时间内可看作固定拓扑的网络结构背景下，为了更清晰的展示本方案，采用低轨卫星中基于虚拟拓扑的路由方法进行说明。

本发明将卫星网络中的多个信关站合并为一个虚拟信关站，在包含虚拟信关站的网络拓扑下进行路由计算，每个节点查找路由表转发数据，最终得到一种在卫星通信网络中的选路方法。

参照图1，本发明基于信关站合并的卫星网络选路方法的具体实现步骤如下：

步骤1：初始化卫星网络节点之间的链路代价。

在现有基于虚拟拓扑的低轨卫星路由方法中，一个卫星节点最多有四条星间链路，分别为两条轨内链路和两条轨间链路，卫星节点和信关站节点之间的链路为星地链路，在一个虚拟拓扑内，星间链路和星地链路的连接关系不变，可看作固定网络拓扑；

本步骤的具体实现如下：

在固定网络拓扑中，由每个节点向与自身有星间链路和星地链路的相邻节点发送链路代价信息，同时每个节点又将收到的链路代价信息保存到本地，并发往不包含入口节点的其他相邻节点；

其他相邻节点将收到的链路代价信息与本地保存的链路代价信息相对比：

若收到的链路代价信息与本地保存的链路代价信息相同，则本节点不再转发此次收到的链路代价信息；

若收到的链路代价信息与本地保存的链路代价信息不同，则本节点继续转发此次收到的链路代价信息。

本实例中设整个卫星网络拓扑包含了11个卫星节点和5个信关站节点，每颗卫星分别有两条轨内链路和两条轨间链路，其中卫星S2，S5，S7，S8，S11与信关站之间有星地链路，如图3所示。

卫星S2，S5，S7，S8，S11向与自身有星间链路的相邻卫星和信关站发送链路距离信息，其他卫星节点向与自身有星间链路的相邻卫星发送链路距离信息，信关站向相连的卫星节点发送链路距离信息；

每个节点将收到的链路距离信息保存到本地，并发往不包含入口节点的其他相邻节点；

其他相邻节点将收到的链路距离信息与本地保存的链路距离信息相对比，例如，第七颗卫星S7要向相邻的第六颗卫星S6、第八颗卫星S8、第五颗卫星S5、第十颗卫星S10和第四个信关站4发送链路距离信息，第九颗卫星S9要向相邻的第六颗卫星S6和第十颗卫星S10发送链路距离信息，第一个信关站1向相连的第二颗卫星S2发送链路距离信息；第六颗卫星S6收到第九颗卫星S9的链路距离信息后，将S9的链路距离信息保存到本地，并发往第七颗卫星S7与第四颗卫星S4；

第六颗卫星S6再将收到的第九颗卫星S9的链路距离信息与本地链路距离信息对比，发现本地链路距离包含S9发来的全部链路距离，则S6不再转发此次收到的链路距离信息。

初始化结果为，每个节点本地保存所有节点之间的链路代价信息；

通常卫星网络链路代价可选择链路带宽、链路距离、队列长度这些参数，本实例选择但不限于链路距离作为链路代价。

步骤2：将所有信关站合并为一个虚拟信关站。

在对节点间链路代价初始化完成后，忽略信关站之间的链路，将所有信关站在固定网络拓扑中合并为一个虚拟信关站，使得原先所有信关站与卫星之间的星地链路在合并后变成虚拟信关站和卫星之间的星地链路，其链路代价不变；同时将虚拟信关站的地址作为卫星网络中所有节点公认的唯一地址；在包含虚拟信关站的网络中，卫星节点若要将数据包发往地面，应以虚拟信关站地址为目的地址寻路。

本实例中，将5个信关站节点合并为一个虚拟信关站，虚拟信关站地址为0，且是卫星网络中公认的唯一地址。

步骤3：更新虚拟信关站和直连卫星之间的链路代价。

本步骤是在固定网络拓扑中，对合并后虚拟信关站与卫星之间的链路进行更新，其实现如下：

(3-1)对于与信关站一对一直连的卫星，保持卫星和虚拟信关站之间的链路代价不变，并记录直连信关站的具体地址；

(3-2)对于与信关站一对多直连的卫星，将卫星与虚拟信关站之间的链路代价更新为卫星与所有直连信关站链路的最小链路代价，并记录具有最小链路代价直连信关站的具体地址。

本实例中通过步骤2将5个信关站合并为一个虚拟信关站后，第二颗卫星S2与第三个信关站3之间的链路代价最小，所以S2保存直连信关站3的地址，S2与虚拟信关站之间的链路代价为8；第五颗卫星S5和第七颗卫星S7仅与第四个信关站4直连，所以保存信关站4的地址，S5与虚拟信关站之间的链路代价为7，S8与虚拟信关站之间的链路代价为15；第八颗卫星S8与第五个信关站5之间的链路代价最小，所以S8保存信关站5的地址，S8与虚拟信关站之间的链路代价为15；第十一颗卫星S11仅与第五个信关站5直连，所以保存信关站5的地址，S11与虚拟信关站之间的链路代价为10；其他卫星不具有星地直连链路，所以不做更新，如图4所示。

步骤4：卫星网络中的所有节点对包含虚拟信关站的链路代价进行更新。

(4-1)与虚拟信关站直连的卫星向与自身有星间链路的相邻卫星发送包含虚拟信关站的链路代价信息；

(4-2)每颗卫星将收到的链路代价信息保存到本地，并转发除入口卫星外与自身有星间链路的相邻卫星；

(4-3)每颗卫星将收到的链路代价信息与本地链路代价信息进行对比：

若收到的链路代价信息与本地保存的链路代价信息相同，则更新完成；

若收到的链路代价信息与本地保存的链路代价信息不同，则返回(4-2)。

本实例中，卫星S2，S5，S7，S8，S11向相邻卫星发送自身与虚拟信关站之间的链路代价信息；

相邻卫星将收到的包含虚拟信关站的链路距离信息保存到本地，并发往不包含入口节点的其他相邻卫星；

其他相邻卫星将收到的链路距离信息与本地保存的链路距离信息相对比，例如，第七颗卫星S7要向相邻的第六颗卫星S6、第八颗卫星S8、第五颗卫星S5、第十颗卫星S10发送自身与虚拟信关站的链路距离信息；第六颗卫星S6收到第七颗卫星S7发送的链路距离信息后，将S7与虚拟信关站的链路距离信息保存到本地，并发往第四颗卫星S4与第九颗卫星S9；

第九颗卫星S9再将收到的第六颗卫星S6的链路距离信息与本地链路距离信息对比，发现本地链路距离中未包含第七颗卫星S7与虚拟信关站的链路距离，则S9将S7与虚拟信关站的链路距离保存到本地，并转发给相邻的第十颗卫星S10。

更新结果为，每颗卫星保存包含虚拟信关站的链路代价信息。

步骤5：卫星网络中所有节点用包含虚拟信关站的链路代价计算路由表。

(5-1)在包含虚拟信关站的网络中，每个节点分别以除本节点外的其他各个节点为目的节点，使用Dijkstra算法计算本节点到目的节点之间的最短路径，得到每条最短路径的下一跳节点地址；

(5-2)每个节点将每条最短路径的目的节点地址和下一跳节点地址按顺序排列生成路由表，并将其保存在源节点中。

本实例中，以第九颗卫星S9为例，生成到其他节点的路由表，如表1所示:

表1S9的路由表

目的节点地址	下一跳节点地址
		1	6
2	6
		3	6
4	6
		5	6
6	6
		7	6
8	6
		10	10
11	10
		0	10

由于步骤1中选取链路距离作为链路代价，因此Dijkstra算法计算的每条最短路径是本节点到其他节点具有最短距离的路径；若选取链路带宽或队列长度作为链路代价，则Dijkstra算法计算的每条最短路径，是本节点到其他各个节点具有最大带宽或最短队长的路径。

本实例中，以第九颗卫星S9为例，通过Dijkstra算法得到的路径选择结果，如图5所示。其中，圆圈内的数字代表各个卫星到S9的最小链路距离，方块内的数字代表虚拟信关站到S9的最小链路距离。

步骤6：卫星网络中的节点查找路由表转发数据。

参照图2，本步骤的具体实现如下：

(6-1)卫星收到数据包后，解析数据包头，得到目的地址，发现目的地址在地面网络，则需要经过信关站进行转发，数据包和包头格式，如图6所示；

(6-2)卫星将虚拟信关站作为目的节点查询本地路由表，得到下一跳节点地址：

若下一跳地址为普通卫星节点地址，则按照下一跳地址转发数据包，转到(6-1)；

若下一跳地址为虚拟信关站地址，则本卫星查找本地保存的直连信关站地址，按照该直连信关站地址转发数据包；

(6-3)信关站收到数据包后，查看包头信息，根据数据类型和目的地址将数据包转发到地面网络。

本实例中设第九颗卫星S9收到数据包，解析数据包头，得到目的地址在地面网络；S9将虚拟信关站0作为目的节点查询路由表，得到下一跳节点为第十颗卫星S10，将数据包转发到S10；S10收到数据包，解析数据包头，得到目的地址在地面网络；

S10将虚拟信关站0作为目的节点查询路由表，得到下一跳节点为第十一颗卫星S11，将数据包转发到S11；S11收到数据包，解析数据包头，得到目的地址在地面网络；

S11将虚拟信关站0作为目的节点查询路由表，得到下一跳节点为虚拟信关站0，则S11查找本地保存的直连信关站地址，该地址为信关站5的地址，S11向信关站5转发数据包；信关站5收到数据包后，根据数据类型和目的地址将数据包转发到对应的地面网络。

本步骤中，第九颗卫星S9能在包含虚拟信关站的网络中，使用最短路径将数据包发往地面，减少了数据包在星上的转发次数，尽快释放了星上资源。

对比图3，在信关站合并前的网络拓扑中，第九颗卫星S9若要计算与信关站之间的最短路径，需要分别计算与5个信关站之间的最短路径，再对比5条路径后，才能得到S9到信关站的最短路径；第九颗卫星S9若要指定数据通过第四个信关站4发往地面，则信关站的选取不灵活，数据不能以最短路径落地，导致星上的资源被占用。

综上所述，使用本发明基于信关站合并的卫星网络选路方法能简单高效的决策路径，可以使大多数星载业务尽快落地，减少了业务在星上交换的时延，在提升了星上资源的利用率的同时更好地适应了卫星网络的移动性，达到了快速、高效地选择最优路径的目标。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (5)

1.一种基于信关站合并的卫星网络选路方法，所述信关站是指：卫星网络在地面用于发送和接收数据的节点，其特征在于，包括如下：

(1)初始化卫星网络节点之间的链路代价；

(2)将所有信关站合并为一个虚拟信关站；

(3)更新虚拟信关站和直连卫星之间的链路代价：

(3a)对于与信关站一对一直连的卫星，保持卫星和虚拟信关站之间的链路代价不变，并记录直连信关站的具体地址；

(3b)对于与信关站一对多直连的卫星，将卫星和虚拟信关站之间的链路代价更新为卫星与所有直连信关站链路的最小链路代价，并记录具有最小链路代价直连信关站的具体地址；

(4)卫星网络中的所有节点更新包含虚拟信关站的链路代价；

(5)卫星网络中所有节点用包含虚拟信关站的链路代价计算路由表；

(6)卫星网络中的节点查找路由表转发数据：

(6a)当路由表下一跳地址不是虚拟信关站地址时，节点按照路由表下一跳地址进行数据转发；虚拟信关站地址是卫星网络中所有节点公认的唯一标识虚拟信关站的地址；

(6b)当路由表下一跳地址是虚拟信关站地址时，节点将虚拟信关站地址改为步骤(3)中记录的直连信关站的具体地址进行数据转发。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(1)中初始化卫星网络节点之间的链路代价，是在卫星网络中，由每个节点向所有相邻节点发送链路代价信息，同时每个节点又将收到的链路代价信息保存到本地，并发往不包含入口节点的其他相邻节点，为卫星网络中的每个节点都能建立起整个网络拓扑的连接关系和链路代价信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(2)中将所有信关站合并为一个虚拟信关站，是将所有信关站在卫星网络拓扑中合并成为一个虚拟信关站，即忽略信关站之间的连接链路，保持信关站和卫星之间的链路不变，将虚拟信关站的地址作为卫星网络中所有节点公认的唯一地址。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(4)所述的卫星网络中的所有节点更新包含虚拟信关站的链路代价，实现如下：

(4a)与虚拟信关站直连的卫星向邻居卫星发送包含虚拟信关站的链路代价信息；

(4b)每颗卫星将收到的链路代价信息保存到本地，并转发到不包含入口卫星的其他相邻卫星；

(4c)每颗卫星将收到的链路代价信息与本地链路代价信息进行对比：

若收到的链路代价信息与本地保存的链路代价信息相同，则更新完成；

若收到的链路代价信息与本地保存的链路代价信息不同，则返回(4b)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(5)中卫星网络中所有节点用包含虚拟信关站的链路代价计算路由表，实现如下：

(5a)卫星网络中的每个节点通过Dijkstra算法计算出自己到其它节点的最小链路代价路径；

(5b)将最小链路代价路径中的目的节点地址和下一跳节点地址按顺序排列构成为路由表，并将其保存在源节点中。

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