CN112019260B

CN112019260B - 一种低轨异构卫星网络路由方法及系统

Info

Publication number: CN112019260B
Application number: CN202010964831.6A
Authority: CN
Inventors: 任品毅; 石晓景; 郝林春; 杜清河
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2020-09-14
Filing date: 2020-09-14
Publication date: 2021-11-19
Anticipated expiration: 2040-09-14
Also published as: CN112019260A

Abstract

本发明公开了一种低轨异构卫星网络路由方法及系统，通过对低轨异构卫星网络系统模型中传输的数据包进行初始化，得到数据包初始化状态，根据数据包初始状态循环遍历路径得到最佳路由路径，利用强化学习来降低拥塞，提高路径传输效率，达到异构卫星之间优势互补的目的，同时以均衡丢包率及端到端时延为目标，通过移动Agent解决卫星失效问题，从而进一步辅助路由计算，低轨卫星异构网络不仅可以充分利用低轨卫星的低通信延时优势，还能实现不同星座间资源整合，从而克服单层卫星通信覆盖能力不够高，以及各项性能不够佳的问题，所提方案符合未来的发展趋势，对于时延和丢包性能的均衡有显著改善，适用于日益增长的通信需求。

Description

一种低轨异构卫星网络路由方法及系统

技术领域

本发明涉及到无线通信领域，涉及低轨卫星异构路由方案，具体涉及一种低轨异构卫星网络路由方法及系统。

背景技术

目前，随着通信需求的急剧增长和多样化，仅占地球表面2％的地面网络已经远远不能满足所需。出于铺设难度和成本价值的考虑，地面通信在应急通信，军事应用，以及其它诸多情景下仍然存在通信盲区。而卫星通信在覆盖范围、通信距离、通信质量、通信效果、信号配置和业务类型等方面都能对地面通信形成充分的补充。

从上个世纪九十年代到现在，卫星通信发展极为迅猛。其中，低轨卫星通信因具备可覆盖两极地区、低功耗、低时延、链路质量好，能更好的进行频率复用等优势脱颖而出。铱星就是一个典型的例子，作为当前主流的卫星通信，被广泛应用于各大场景。然而，空间异构组网的研究却相对很少。单层卫星通信毕竟存在局限性，不仅削减了覆盖能力，也限制了各种类型卫星的综合与实时应用，导致整体资源分布不合理，也存在通信设备重复建设的问题。

随着各种卫星通信系统的蓬勃发展，加上用户希望能随时随地接入卫星网络进行通信的需求，异构成为了发展的必然趋势。目前已有的异构方案普遍集中在多类型轨道异构网络，即中低高轨联合的异构网络，但是低轨卫星异构网络的研究几乎为零；要实现异构网络还存在许多问题，其中最典型的则是异构路由，异构网络容易带来丢包率增大的问题，目前的路由方法无法满足更高效的通信要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低轨异构卫星网络路由方法及系统，以克服现有技术的不足，本发明能够在克服卫星失效时降低链路堵塞概率。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低轨异构卫星网络路由方法，包括以下步骤：

步骤1)、建立低轨异构卫星网络系统模型；

步骤2)、对低轨异构卫星网络系统模型中传输的数据包进行初始化，得到数据包初始化状态，根据数据包初始状态循环遍历路径得到最佳路由路径；

步骤3)、在最佳路由路径中，当低层卫星失效时，采用高层卫星代替该失效底层卫星，当高层卫星失效时，由移动Agent暂代该高层卫星，当下一颗同轨卫星运动到当前高层卫星位置时，移动Agent将路由表及数据包转交至当前高层卫星位置的高层卫星，从而实现低轨异构卫星网络路由。

进一步的，低轨异构卫星网络系统模型中低层卫星采用极轨道星座，高层卫星采用Walker星座。

进一步的，异构卫星网络系统模型中对于即将进入极区的卫星，关闭相邻轨间链路，提前开启横向跨轨链路；对于即将走出极区的卫星，提前关闭横向跨轨链路，开启相邻轨间链路。

进一步的，当高纬度跨轨卫星间距离比低纬度相邻轨间链路短，在高纬度地区增加横向跨轨链路ISL，低纬度地区采用斜向链路。

进一步的，在同一时刻，与同一颗高层卫星建立层间链路的低层卫星构成一个低层卫星组，该高层卫星作为组管理者，采取最长可见时间最为层间切换策略。

进一步的，当高层卫星失效之前，生成移动Agent，移动Agent迁移结束后，在下一颗高层卫星上，如果移动Agent存在链路询问信息，产生应答给询问节点；同时，所携带的路由表信息在新的环境中创建路由表；对所携带的路由更新信息包进行处理，更新本环境下的路由表项。

进一步的，移动Agent可接收相连ISL卫星节点的链路询问，也可接收来自其它卫星的路由更新信息包，并在迁移之前复制本卫星上的路由表信息，之后该移动Agent将这些信息带到下一刻假定进入该区域的同轨道卫星上。

进一步的，若剩余跳数不为0，则继续生成路由更新信息包并发送；若为0，则更新路由表后丢弃；若不可达，则修改路由表项。

进一步的，根据数据包初始状态循环遍历路径得到最佳路由路径：

1)、根据贪婪策略选择一个行为a；

2)、执行该动作a，获取相应的奖励值R，该动作结束后的状态s’；

3)、根据每个动作结束后的状态s’更新学习参数Q，根据更新后的学习参数Q判断是否到达目的状态，若到达目的状态则将状态s’更新当前状态s，得到最佳路径，若未到达目的状态，则重复1)-2)-3)直至获得到达目的状态的s’。

一种低轨异构卫星网络路由系统，包括网络系统模型模块、初始化模块和路由模块；

网络系统模型模块用于根据卫星构建参数建立低轨异构卫星网络系统模型；初始化模块对低轨异构卫星网络系统模型的数据包进行初始化，得到数据包初始化状态，根据数据包初始状态循环遍历路径得到最佳路由路径；路由模块根据选定的最佳路由路径，当低层卫星失效时，采用高层卫星代替该失效底层卫星，当高层卫星失效时，由移动Agent暂代该高层卫星，当下一颗同轨卫星运动到当前高层卫星位置时，移动Agent将路由表及数据包转交至当前高层卫星位置的高层卫星，从而实现低轨异构卫星网络路由。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种低轨异构卫星网络路由方法，通过对低轨异构卫星网络系统模型中传输的数据包进行初始化，得到数据包初始化状态，根据数据包初始状态循环遍历路径得到最佳路由路径，利用强化学习来降低拥塞，提高路径传输效率，达到异构卫星之间优势互补的目的，同时以均衡丢包率及端到端时延为目标，通过移动Agent解决卫星失效问题，从而进一步辅助路由计算，低轨卫星异构网络不仅可以充分利用低轨卫星的低通信延时优势，还能实现不同星座间资源整合，从而克服单层卫星通信覆盖能力不够高，以及各项性能不够佳的问题，所提方案符合未来的发展趋势，对于时延和丢包性能的均衡有显著改善，适用于日益增长的通信需求。

进一步的，在高纬度地区采用横向跨轨ISL，在低纬度地区采用斜向链路，提高了链路利用率。

进一步的，采用强化学习方案可计算任意起点到某个终点的路径，能够在避免拥塞的前提下尽可能保证路径最短。

一种低轨异构卫星网络路由系统，在克服卫星失效的同时降低链路堵塞概率，可稳健提升系统的时延和丢包性能，并且不受单层卫星节点失效的影响。

附图说明

图1是本发明实施例中横向链路示意图。

图2是本发明实施例中虚拟拓扑模型及组成异构的轨道模型示意图；图2中的（ a）为虚拟拓扑模型，图2中的（ b）为极轨道星座网络模型，图2中的（ c）为倾斜轨道星座网络模型。

图3是本发明实施例中数据包传输流程图。

图4是本发明实施例中低层卫星层间切换策略示意图。

图5中的（ a）是本发明实施例中无失效卫星的端到端时延对比曲线。图5中的（b）是本发明实施例中无失效卫星的丢包率对比曲线。

图6中的（ a）是本发明实施例中存在失效卫星的端到端时延对比曲线，图6中的（ b）是本发明实施例中存在失效卫星的丢包率对比曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

一种低轨异构卫星网络路由方法，包括以下步骤：

步骤1)、建立低轨异构卫星网络系统模型，在高纬度地区增加横向跨轨链路ISL，提高数据传输效率；而随着纬度的降低，横向链路逐渐被地球和大气层遮挡，因此在低纬度地区采用斜向链路；所述高纬度地区即为极区；高纬度跨轨卫星间距离小于低纬度相邻轨间链路距离。

低轨异构卫星网络系统模型中低层卫星采用极轨道星座，高层卫星采用 Walker星座，即倾斜轨道星座；

高层卫星是监控和备用卫星，作为核心路由节点，主要负责监控卫星失效和链路拥塞报告，同时也用于处理低层卫星中没有目的节点地址的数据包、低优先级业务以及寿命到期的数据包。

低轨异构卫星网络系统模型整体采用虚拟拓扑策略，即利用卫星网络运动的规律性和周期性，将动态变化的网络拓扑等间隔120s划分为720个静态拓扑，路由表的更新发生在每个片段的初始时刻；之所以采用等长时隙，是因为考虑到极轨极区链路在不等长时隙内链路不稳定，会导致拓扑数量比较大。对于即将进入极区的卫星，关闭相邻轨间链路，提前开启横向跨轨链路；对于即将走出极区的卫星，提前关闭横向跨轨链路，开启相邻轨间链路；路由表是离线计算，用大量存储需求换取在线复杂度的降低，且算法移植性好。

低轨异构卫星网络系统模型中高层卫星是低层卫星的备用卫星，在低层卫星失效时，高层卫星可替代该失效卫星传输数据包；高层卫星是低层卫星的分流卫星，对底层卫星业务进行划分，包含低时延，高吞吐，以及一般QoS三类。因此，对时延要求不高的业务，可通过高层卫星来完成。此外，采用倾斜轨道星座来帮助极地轨道星座改善反向缝丢包严重的现象；同时在高纬度地区采用横向跨轨ISL，判定条件为高纬度跨轨卫星间距离比低纬度相邻轨间链路短。

异构卫星网络系统模型的建立：

星座设计中轨道高度的选择：

地球自转周期是一个恒星日，即T_E＝86164s，为利用轨道的回归特性，令 T_E＝N*T_s，其中，T_s为卫星绕地球自传的周期，N为一个恒星日内卫星绕地球的圈数；设卫星绕地球为圆轨道。

圆轨道周期T的计算公式如下：

其中，n是卫星在轨运动的平均角速度，R_E为地球半径，h为轨道高度， G＝6.67259*10^-11N*m²/kg²为万有引力常数，M＝5.965*10²⁴kg为地球质量。μ＝3.986004×10¹⁴m³/s²为地球引力常数；

由以上公式，可得轨道高度的计算公式为：

而低轨卫星系统的高度范围是500～1500km，综合考虑以上条件，同时为保证用户接入顺畅，令甚低轨星座VLEO轨道高度尽可能低，因此取N＝15，求得h＝561km；此外，为提高异构星座之间的覆盖性能，取N＝13，求得h＝ 1255km。

卫星地心角：

由几何关系，卫星地心角，最小通信仰角和轨道高度之间满足以下关系式：

其中，e_min为低轨卫星的最小通信仰角，一般取10°。此外，卫星传感器对地面的覆盖半角为90°-θ-e_min。

单轨道面内卫星数：

为满足覆盖性，单轨道上所有卫星对地面星下点需形成完整的环状无缝覆盖，因此，每一个轨道面上，所需要的最少卫星个数为：

加一是为保证轨道内卫星的冗余，同时为了充分利用卫星网络拓扑的对称性，需保证结果为偶数，若为奇数则再加一。

轨道面数：

由于轨道间卫星在赤道上最为稀疏，因此只要保证在赤道上无缝覆盖，就可实现星座的全覆盖；在赤道面上，每个轨道面内卫星数目和地心角满足以下关系：

则相邻同向轨道面的间隔为：ψ＝α+θ。

因此，在赤道上所需要的卫星星座的轨道面最少数目为：

加一同样是为了考虑卫星覆盖冗余性。

异构卫星网络周期：

由于两层卫星星座的周期均为恒星日的整数分之一，因此异构卫星网络的整体周期为一个恒星日。

卫星网络结构设计：

由于卫星运行轨迹的周期性和可预知性，在任意时刻，各个高层卫星管理者管理范围内的低层卫星分组成员信息可以预先计算出来；即可预先进行动态分组划分，划分依据为层间链路的通断关系，共分为两步实现：

第一步：静态分组划分：在同一时刻，与同一颗高层卫星建立层间链路的低层卫星构成一个低层卫星组，该高层卫星作为组管理者。

第二步：动态分组划分：由于低层卫星与高层卫星的相对运动性，高层卫星的管理者新旧更替，导致层间链路发生切换，因此对层间切换策略提出了新的要求；本着保证层间链路稳定与减少层间链路建立数目的原则，采取最长可见时间最为层间切换策略。

步骤2)、对低轨异构卫星网络系统模型中传输的数据包进行初始化，得到数据包初始化状态s，根据数据包初始状态循环遍历路径得到最佳路由路径；

为了提高极轨卫星ISL利用率，提出链路重新分配方案，采用强化学习方案，可计算任意起点到某个终点的路径。目标是在避免拥塞的前提下尽可能保证路径最短。

根据数据包初始状态循环遍历路径得到最佳路由路径：

1)、根据贪婪策略选择一个行为a；

3)、根据每个动作结束后的状态s’更新学习参数Q得到更新后的学习参数Q'，根据更新后的学习参数Q'判断是否到达目的状态，若到达目的状态则将状态s’更新当前状态s，得到最佳路径，若未到达目的状态，则重复1)-2) -3)直至获得到达目的状态的s’。

学习参数Q值更新规则如下：

Q'(s,a)←Q(s,a)+α[R+γmaxQ(s',a')-Q(s,a)]

其中，s和s’分别表示当前卫星节点和下一卫星节点，a表示在当前卫星节点s下选择的链路，γ为折扣因子，α为学习率，R为奖励函数，其中：

其中，r_c是绝对值比较大的负数，-1用来累积经过的路径节点。

双层卫星通信系统引入了频繁的卫星失效问题，因此我们在高层卫星采用移动Agent来克服卫星失效；移动Agent具有跨地址空间持续运行机制，适合异构卫星，同时可与其他Agent或资源交互信息，为分布式方案。它主要针对卫星失效问题。通过移动Agent迁移路由信息，使其在同一个轨道平面内得到继承。故路由信息的有效期为同轨道卫星在一个区域上的覆盖时间。具体步骤如下：

Step1：当卫星失效之前，生成移动Agent。移动Agent可接收相连ISL 卫星节点的链路询问，也可接收来自其它卫星的路由更新信息包，并在迁移之前复制本卫星上的路由表信息，之后，该移动Agent将这些信息带到下一刻假定进入该区域的同轨道卫星上。

Step2：移动Agent迁移结束后，在下一颗卫星上，如果移动Agent存在链路询问信息，产生应答给询问节点；同时，所携带的路由表信息在新的环境中创建路由表；对所携带的路由更新信息包进行处理，更新本环境下的路由表项。具体设计机制为：若剩余跳数不为0，则继续生成路由更新信息包并发送；若为0，则更新路由表后丢弃；若不可达，则修改路由表项。

业务优先级1,2,3分别对应低时延业务，高吞吐业务和一般QoS业务。以下为主要应用场景。

(1)低时延：主要针对智能交通、移动健康、紧急通信等场景

(2)高吞吐：主要针对智慧水电、信息化农业、环境监视等情形。

(3)一般QoS：体现在备份通信应用场景。

通过路由传输数据包，关于下一跳的选择，有三种方案：

对比方案1——k最短路径

(1)业务优先级为1，采用最短路径；

(2)业务优先级为2或者发生卫星失效，采用异构路径(根据预存储数据查找某时刻层间链路对应关系)；

(3)业务优先级为3，采用次短路径；

对比方案2——Floyd

(1)优先级为1或3，采用最短路径

(2)优先级为2或者发生卫星失效，采用异构路径

本申请方案

(1)业务优先级为1采用最短路径

(2)优先级为2或者发生卫星失效或者强化学习路径长度大于设定阈值 14，采用异构路径；

(3)其他情况下采用强化学习路径。

由于跨轨横向链路只在高纬度地区具有比斜向链路更短的优势，因此设定其只在极区内存在，如图1所示。

对于异构整体，采用虚拟拓扑策略，如图2所示，按照高层卫星对低层卫星的覆盖情况将动态拓扑划分为多个静态拓扑，进行路由计算。而极轨道星座和倾斜轨道星座网络模型的区别在于轨间链路，前者形成折线型，而后者形成直线型。随着纬度的变化，低层的极轨道星座卫星之间的密度会不断发生变化，尤以极地地区密度最大，同时还存在反向缝问题。而高层的倾斜轨道星座则呈均匀分布，既不受纬度的影响，还能弥补低层反向缝引起的不足之处。

在链路队列中，若队列不为空，等待时间＝链路内上一个数据包离开时刻-数据包到达时刻，离开时间＝链路内上一个数据包离开时刻+数据包传输时间。链路的拥塞判定条件为：所要传输的数据分组大小超过链路带宽，如图 3所示。

此外，数据包共包含15项参数，分别是：业务数据包标识，优先级，源卫星，目的卫星，发包时刻，上一跳节点，当前节点，下一跳节点，到达链路时刻，等待时间，离开链路时刻，历史路径，生存周期TTL，到达目的节点标识，端到端时延。链路队列中信息：数据包编号，优先级，到达时刻，等待时间，离开时刻，当前节点，下一跳节点。

如图4所示，对低层异构卫星网络来说，层间切换策略的具体实现步骤如下：

1.对每颗低层卫星选择所有层间存在的视线通路中可见时间最长的高层卫星建立层间链路；

2.当不再满足层间链路建立条件，即不可见时，选择层间链路断开时刻下所有层间链路中剩余可见时间最长的卫星建立层间链路；

3.更新低层卫星所属的高层管理者，同时对应的高层管理者也及时更新其管理权限。图2为对每颗低层卫星进行层间切换的流程图，以低层卫星101 (第一个数字1表示轨道，01表示轨道内卫星编号)为例。

4.循环以上2,3步，直到到达异构卫星网络周期T。

本发明的仿真验证结果为图5和6。图5a和图5b分别是无失效卫星情况下，强化学习路由算法与Floyd和K-shortest算法的端到端时延和丢包率对比曲线。三种路由算法的时延与丢包性能均随着负载的增大而提高。其中，强化学习路由算法具有优于另外两种算法的综合性能，K-shortest路由算法的性能最差。图6a和图6b分别是有失效卫星情况下三种路由算法时延和丢包对比曲线。我们可以发现：没有移动Agent机制的另外两种路由方案，在发生卫星失效的情况下，丢包率显著增大。相比之下，引入移动Agent机制的强化学习路由方案，可以有效控制丢包率，同时还可以保证端到端时延的性能。说明移动Agent对卫星失效情况具备较好的适应性。

综上，得出以下结论：强化学习路由算法不仅可以降低端到端时延，还能有效控制丢包率，在缓解链路拥塞方面起到了有效的作用。同时，由于移动Agent机制的存在，在卫星失效时有效控制了丢包率。通过共同利用强化学习和移动Agent的功能，在丢包率和端到端时延性能之间实现了均衡。

Claims

1.一种低轨异构卫星网络路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、建立低轨异构卫星网络系统模型；低轨异构卫星网络系统模型中低层卫星采用极轨道星座，高层卫星采用Walker星座；异构卫星网络系统模型中对于即将进入极区的卫星，关闭相邻轨间链路，提前开启横向跨轨链路；对于即将走出极区的卫星，提前关闭横向跨轨链路，开启相邻轨间链路；

当高纬度跨轨卫星间距离比低纬度相邻轨间链路短，在高纬度地区增加横向跨轨链路ISL，低纬度地区采用斜向链路；在同一时刻，与同一颗高层卫星建立层间链路的低层卫星构成一个低层卫星组，该高层卫星作为组管理者，采取最长可见时间作为层间切换策略；

步骤3)、在最佳路由路径中，当低层卫星失效时，采用高层卫星代替该失效低层卫星，当高层卫星失效时，由移动Agent暂代该高层卫星，当下一颗同轨卫星运动到当前高层卫星位置时，移动Agent将路由表及数据包转交至当前高层卫星位置的高层卫星，从而实现低轨异构卫星网络路由。

2.根据权利要求1所述的一种低轨异构卫星网络路由方法，其特征在于，当高层卫星失效之前，生成移动Agent，移动Agent迁移结束后，在下一颗高层卫星上，如果移动Agent存在链路询问信息，产生应答给询问节点；同时，所携带的路由表信息在新的环境中创建路由表；对所携带的路由更新信息包进行处理，更新本环境下的路由表项。

3.根据权利要求2所述的一种低轨异构卫星网络路由方法，其特征在于，移动Agent可接收相连ISL卫星节点的链路询问，也可接收来自其它卫星的路由更新信息包，并在迁移之前复制本卫星上的路由表信息，然后该移动Agent将这些信息带到下一颗假定进入该移动Agent可接收的链路区域的同轨道卫星上。

4.根据权利要求2所述的一种低轨异构卫星网络路由方法，其特征在于，若剩余跳数不为0，则继续生成路由更新信息包并发送；若为0，则更新路由表后丢弃；若不可达，则修改路由表项。

5.根据权利要求1所述的一种低轨异构卫星网络路由方法，其特征在于，根据数据包初始状态循环遍历路径得到最佳路由路径：

1)、根据贪婪策略选择一个行为a，a表示在当前卫星节点s下选择的链路；

2)、执行该行为a，获取相应的奖励值R，该行为结束后的状态s’；

其中奖励值R根据以下公式计算：

其中，r_c是绝对值比较大的负数，-1用来累积经过的路径节点；

6.一种低轨异构卫星网络路由系统，其特征在于，包括网络系统模型模块、初始化模块和路由模块；

网络系统模型模块用于根据卫星构建参数建立低轨异构卫星网络系统模型，低轨异构卫星网络系统模型中低层卫星采用极轨道星座，高层卫星采用Walker星座；异构卫星网络系统模型中对于即将进入极区的卫星，关闭相邻轨间链路，提前开启横向跨轨链路；对于即将走出极区的卫星，提前关闭横向跨轨链路，开启相邻轨间链路；初始化模块对低轨异构卫星网络系统模型的数据包进行初始化，得到数据包初始化状态，根据数据包初始状态循环遍历路径得到最佳路由路径，当高纬度跨轨卫星间距离比低纬度相邻轨间链路短，在高纬度地区增加横向跨轨链路ISL，低纬度地区采用斜向链路；在同一时刻，与同一颗高层卫星建立层间链路的低层卫星构成一个低层卫星组，该高层卫星作为组管理者，采取最长可见时间最为层间切换策略；路由模块根据选定的最佳路由路径，当低层卫星失效时，采用高层卫星代替该失效低层卫星，当高层卫星失效时，由移动Agent暂代该高层卫星，当下一颗同轨卫星运动到当前高层卫星位置时，移动Agent将路由表及数据包转交至当前高层卫星位置的高层卫星，从而实现低轨异构卫星网络路由。