CN112217726B - 一种基于Qos保证的空天网络分布式路由方法 - Google Patents

一种基于Qos保证的空天网络分布式路由方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于Qos保证的空天网络分布式路由方法，将大椭圆轨道卫星根据周期划分为一系列的时间片，得到每个时间片各大椭圆卫星间的连通性关系与传播时延；大椭圆轨道卫星掌握全网所有空中节点到其的可见性与传播时延；大椭圆轨道卫星为每类优先级业务建立对应的网络拓扑图；空中节点获得各类优先级业务的网络拓扑图，计算出最合适的路径，当某类优先级业务达到时，大椭圆轨道卫星根据该业务的优先级，使用该类优先级业务对应的网络拓扑图，使用Dijkstra算法，为该优先级业务计算下一跳节点。本发明能够有效保障各类优先级业务Qos需求，可用于空天一体化网络技术领域。

Description

一种基于Qos保证的空天网络分布式路由方法
技术领域
本发明涉及空天信息网络技术领域，尤其涉及在具有星际链路的大椭圆轨道卫星及高轨轨道卫星星座体制下的一种能保障各类优先级业务Qos需求的路由方法，用于实现空天信息网络中较大范围的持续可靠通信。
背景技术
空天网络是由运行在不同轨道上的各种类型的卫星系统、临近空间平台、地面站等骨干节点和空中及地面用户有机组成的智能化信息体系，是空天地一体化的综合通信系统。空天网络具有拓扑结构动态变化、资源受限、链路时延大、业务动态性等特点，使得空天异构网络的服务质量保障机制更为复杂，研究空天网络Qos保证的路由技术对于空天网络多类型业务的服务质量保障至关重要。
多层卫星网络由低轨道卫星(LEO)、中轨道卫星(MEO)以及地球同步轨道卫星(GEO)等多种卫星星座融合而成，多层卫星网络具有空间频谱利用率高、组网灵活、网络路径选择灵活、抗毁性强、功能多样化等优点，可实现不同类型星座的优势互补。地球同步轨道卫星(GEO)覆盖范围大，但不能覆盖到高纬度地区，其传播时延较大，不适合传输实时数据业务。MEO卫星和LEO卫星星地传输时延小，但是由于单颗LEO/MEO卫星覆盖范围小，需要较多数量的卫星协同工作才能满足全球或者区域性通信(覆盖)的要求。采用GEO、MEO、LEO组成的分层体系结构难以提供对特定地区或高纬度地区的覆盖服务。
而HEO(High Elliptical Orbit)卫星在远地点运动速度慢，可见时间长，适合对特殊地区的覆盖，其在导弹预警、气象探测、导航定位、空间科学探索等领域都得到了应用。国内外目前还没有完全由HEO卫星组成的卫星群在轨运行，但由于椭圆轨道所固有的优势，因此很多卫星群中都含有HEO卫星。根据我国的地理位置和国情需要，利用大椭圆轨道卫星的远地点特性，将几颗HEO卫星发射到相邻的轨道上组成HEO卫星群，可以实现对指定区域如高纬度地区的长时间覆盖。尽管目前世界各国的研究重点仍然是低轨卫星和中轨卫星，但HEO卫星由于其自身独特的轨道特点，可以做为现有卫星的补充，拥有广泛的应用前景。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种分布式路由方法，在大椭圆轨道卫星及高轨轨道卫星的星座体制下，针对空天网络中业务具有多样性和低延时要求的特点，能保障各类优先级业务Qos需求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1，将大椭圆轨道卫星根据周期划分为一系列的时间片，得到每个时间片各大椭圆轨道卫星间的连通性关系与传播时延；所述的大椭圆轨道卫星掌握全网所有空中节点到其的可见性与传播时延；
步骤2，大椭圆轨道卫星为每类优先级业务建立对应的网络拓扑图；
步骤3，大椭圆轨道卫星周期广播各类优先级业务的网络拓扑，空中节点获得全网各类优先级业务的网络拓扑图，根据到达业务的类型和Qos需求，结合对应的网络拓扑图，计算出最合适的路径；
步骤4，当某类优先级业务达到时，大椭圆轨道卫星根据该业务的优先级，使用该类优先级业务对应的网络拓扑图，使用Dijkstra算法，为该优先级业务计算下一跳节点。
所述的每个时间片各大椭圆卫星间的连通性关系与传播时延通过以下步骤计算：
(1a)基于卫星运动轨迹的可预测性和周期性，计算给定轨道参数的大椭圆轨道卫星和高轨卫星星座中所有的任意两颗卫星间链路通断变化时刻，星座中M个卫星链路通断变化时刻为{t1，t2…tM}，M≥1；依次将t1到tM按顺序作为每一个时间片的起始时刻；
(1b)全网所有空中节点间隔设定时间向大椭圆轨道卫星发送hello包，hello包包括本节点的ID、地理位置信息以及包序列号；
(1c)大椭圆轨道卫星接收空中节点的hello包，获知各空中节点到其的可见性与传播时延，建立本地传播时延信息表；
(1d)大椭圆轨道卫星将本地传播时延信息表发送给其他大椭圆轨道卫星，使大椭圆轨道卫星建立以传播时延为权重的全网网络拓扑图。
所述的大椭圆轨道卫星为每类优先级业务建立对应的网络拓扑图包括以下步骤：
(2a)大椭圆轨道卫星周期交互队列信息包，内容包含本节点各端口缓存队列中的各类优先级业务的预估排队时延；
(2b)大椭圆根据源地址与序列号，判断是否接收过，若没有接收过，则根据源地址更新各类优先级业务的预估排队时延；
(2c)大椭圆卫星根据预知的传播时延、结合各优先级业务的排队时延、节点的处理时延，为每类优先级业务建立对应的网络拓扑图。
所述的空中节点计算出最合适的路径包括以下步骤：
(3a)空中节点根据序列号，判断是否接收过，若没有接收过，则更新各类优先级业务的网络拓扑；
(3b)空中节点根据到达的业务优先级，使用对应优先级业务的网络拓扑图得到下一跳节点。
所述的某类优先级业务达到时，根据得到的下一跳地址，映射为对应的输出端口，将其按照强插优先的策略，调度到同类优先级业务之后；在对应优先级业务的网络拓扑图发生改变前，同一类优先级业务都按已经计算过的路径进行传输。
本发明的有益效果是：
(1)传统的空天多层网络，主要采用地球同步轨道卫星进行星基资源调度，时延大，响应时间长，不能对多优先级业务调度。本发明基于HEO轨道卫星进行空天网络调度，能够为不同优先级业务建立网络拓扑图，进而合理调度，特别的，能实现对实时业务的Qos保障。能够满足包括飞机等空中节点在内的空天网络需求。
(2)本发明提出基于卫星运动轨迹的可预测性和周期性，计算大椭圆轨道卫星和高轨卫星星座中所有的任意两颗卫星间链路通断变化，并建立对应的网络拓扑图，按照业务优先级强插排队，避免传输浪费，有效提升星间链路使用效率。
附图说明
图1是本发明中GEO/HEO多层卫星网络建立示意图；
图2是本发明的整体流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明是一种能保障各类优先级业务Qos需求的分布式路由方法，包括如下步骤：
步骤1，构建GEO/HEO多层卫星网络，基于大椭圆卫星的轨道特点，通过合理设置大椭圆轨道星座的参数，能够实现目标区域周围较广范围的覆盖。从而实现目标区域的长时间通信和预警。将大椭圆卫星星座根据周期划分为一系列的时间片，可得到每个时间片各大椭圆卫星间的连通性关系与传播时延。大椭圆轨道卫星掌握全网所有空中节点到其的可见性与传播时延。
步骤2，大椭圆卫星为每类优先级业务建立对应的网络拓扑图。
步骤3，空中节点获得全网各类优先级业务的网络拓扑图，根据到达业务的类型和Qos需求，结合对应的网络拓扑图即计算出最合适的路径。
步骤4，当某类优先级业务达到时，大椭圆卫星根据该业务的优先级，使用该类优先级业务对应的网络拓扑图，使用Dijkstra算法，为该优先级业务计算下一跳节点。
本发明的实现还在于：步骤1所述的大椭圆轨道卫星掌握每个时间片各大椭圆卫星间的连通性关系与传播时延包括如下步骤：
(1a)基于卫星运动轨迹的可预测性和周期性，计算给定轨道参数的大椭圆轨道卫星和高轨卫星星座中所有的任意两颗卫星间链路通断变化时刻，星座中M个卫星链路通断变化时刻为{t1，t2…tM}，其中tM，M≥1；依次将t1到tM按顺序作为每一个时间片的起始时刻。
(1b)全网所有节点每隔一段时间向大椭圆轨道卫星发送hello包，包含本节点的ID、地理位置信息以及包序列号；
(1c)大椭圆轨道卫星接收空中节点的hello包，获知各节点到其的可见性与传播时延，建立本地传播时延信息表；
(1d)大椭圆轨道卫星的本地传播时延信息表完成后，通过发送给其他大椭圆轨道卫星，使大椭圆卫星建立以传播时延为权重的全网的网络拓扑图。
本发明的实现还在于：步骤2所述的大椭圆卫星为每类优先级业务建立对应的网络拓扑图包括如下步骤：
(2a)大椭圆卫星周期交互队列信息包，内容包含本节点各端口缓存队列中的各类优先级业务的预估排队时延；
(2b)大椭圆根据源地址与序列号，判断是否接收过，若没有接收过，则根据源地址更新各类优先级业务的预估排队时延。
(2c)大椭圆卫星根据预知的传播时延、结合各优先级业务的排队时延、节点的处理时延等，为每类优先级业务建立对应的网络拓扑图。
本发明的实现还在于：步骤3所述的大椭圆卫星周期广播获得的各类优先级业务的网络拓扑，空中节点获得全网的网络拓扑图，空中节点可根据到达业务的类型和Qos需求，结合网络拓扑图计算下一跳节点。
(3a)大椭圆卫星周期广播获得的各类优先级业务的网络拓扑；
(3b)空中节点根据序列号，判断是否接收过，若没有接收过，则更新各类优先级业务的网络拓扑。
(3c)空中节点根据到达的业务优先级，使用对应优先级业务的网络拓扑图得到下一跳节点。
本发明的实现还在于：步骤4所述的到达大椭圆的业务，根据得到的下一跳地址，映射为对应的输出端口，将其按照强插优先的策略，调度到同类优先级业务的后面。在对应优先级业务的网络拓扑图发生改变前，同一类优先级业务都按已经计算过的路径进行传输。

Claims (3)

1.一种基于Qos保证的空天网络分布式路由方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1，将大椭圆轨道卫星根据周期划分为一系列的时间片，得到每个时间片各大椭圆轨道卫星间的连通性关系与传播时延；所述的大椭圆轨道卫星掌握全网所有空中节点到其的可见性与传播时延；
所述的每个时间片各大椭圆卫星间的连通性关系与传播时延通过以下步骤计算：
(1a)基于卫星运动轨迹的可预测性和周期性，计算给定轨道参数的大椭圆轨道卫星和高轨卫星星座中所有的任意两颗卫星间链路通断变化时刻，星座中M个卫星链路通断变化时刻为{t1，t2…tM}，M≥1；依次将t1到tM按顺序作为每一个时间片的起始时刻；
(1b)全网所有空中节点间隔设定时间向大椭圆轨道卫星发送hello包，hello包包括本节点的ID、地理位置信息以及包序列号；
(1c)大椭圆轨道卫星接收空中节点的hello包，获知各空中节点到其的可见性与传播时延，建立本地传播时延信息表；
(1d)大椭圆轨道卫星将本地传播时延信息表发送给其他大椭圆轨道卫星，使大椭圆轨道卫星建立以传播时延为权重的全网网络拓扑图；
步骤2，大椭圆轨道卫星为每类优先级业务建立对应的网络拓扑图；
所述的大椭圆轨道卫星为每类优先级业务建立对应的网络拓扑图包括以下步骤：
(2a)大椭圆轨道卫星周期交互队列信息包，内容包含本节点各端口缓存队列中的各类优先级业务的预估排队时延；
(2b)大椭圆根据源地址与序列号，判断是否接收过，若没有接收过，则根据源地址更新各类优先级业务的预估排队时延；
(2c)大椭圆卫星根据预知的传播时延、结合各优先级业务的排队时延、节点的处理时延，为每类优先级业务建立对应的网络拓扑图；
步骤3，大椭圆轨道卫星周期广播各类优先级业务的网络拓扑，空中节点获得全网各类优先级业务的网络拓扑图，根据到达业务的类型和Qos需求，结合对应的网络拓扑图，计算出最合适的路径；
步骤4，当某类优先级业务达到时，大椭圆轨道卫星根据该业务的优先级，使用该类优先级业务对应的网络拓扑图，使用Dijkstra算法，为该优先级业务计算下一跳节点。
2.根据权利要求1所述的基于Qos保证的空天网络分布式路由方法，其特征在于所述的空中节点计算出最合适的路径包括以下步骤：
(3a)空中节点根据序列号，判断是否接收过，若没有接收过，则更新各类优先级业务的网络拓扑；
(3b)空中节点根据到达的业务优先级，使用对应优先级业务的网络拓扑图得到下一跳节点。
3.根据权利要求1所述的基于Qos保证的空天网络分布式路由方法，其特征在于：所述的某类优先级业务达到时，根据得到的下一跳地址，映射为对应的输出端口，将其按照强插优先的策略，调度到同类优先级业务之后；在对应优先级业务的网络拓扑图发生改变前，同一类优先级业务都按已经计算过的路径进行传输。
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