CN112671455B - 一种极轨道卫星网络反向缝的建链方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星网络技术领域，提出了一种极轨道卫星网络反向缝的建链方法，包括：设定在建链起始纬度lat_s和建链结束纬度lat_e之间的可建链区域；将可建链区域划分为交叉建链区，其中交叉建链区内星间链路条数为n；确定反向缝建链纬度参照集合L(lat)；以及让建链卫星参照L(lat)调整状态。至少部分解决了现有技术中存在的极轨道卫星网络反向缝附近的卫星进行数据传输时时延大、效率低，路由跳数高、易丢包的问题，显著降低了反向缝附近的卫星进行数据传输的时延，对全网路由起到了优化作用。

Description

一种极轨道卫星网络反向缝的建链方法

技术领域

本发明总的来说涉及卫星网络技术领域，更具体而言涉及一种极轨道卫星网络反向缝的建链方法。

背景技术

低轨道(LE0)卫星网络以其可全球覆盖、成本低、部署灵活等优势，已经成为一种提供全球互联网带宽接入服务的重要方式。传统的低轨卫星网络由空间网络和地面网络组成。在空间网络中，卫星按照其运行的轨道进行划分。相邻卫星之间通过星间链路(Inter-Satellite Link)ISL进行通信。图1示出了低轨极轨道卫星网络，在轨道的一部分上，所有卫星由南向北运动，而在地球另一侧，卫星由北向南运动。由于其首末两个轨道相邻，但运动方向相反的网络结构特点，将形成一个360°的反向缝。将卫星网络投影到二维平面内，缝隙出现在两个分开的集合内，彼此相距180°。因此，在反向缝附近需跨缝传输的数据将跨越整个半球到达目的星所在轨道，因此存在时延大，转发节点多易丢包的问题。

现对与反向缝跨缝数据传输有关的现有技术做介绍：

Bezalel(The impact of intersatellite communication links on LEOsperformance[C]//Telecommunication Systems.1997)研究了ISL体系结构的影响，提出将卫星网络中的非相邻轨道间的ISL连接起来，非相邻轨道通常为相邻轨道的相邻轨道，用这种方法来减少当需跨缝通信或用户卫星间距离较远时的端到端延时。

De Sanctis等人(lp-based routing algorithms for leo satellite networksin near-polar orbits[C]//Aerospace Conference.IEEE Xplore，2003)提出了一种基于“跳数最小化”的改进方法，并仿真分析得出反向缝两侧不建链在端到端时延中将产生大量峰值的结论，但文中并未给出具体的优化方法。

Ekici等人(A distributed rout ing algorithm for datagram traffic inLEO satellite networks[J].IEEE/ACM Transactions on Networking，2001，9(2)：137-147)提出了一种适用于LEO卫星网络的数据包路由方法，方法在需要经由平面间ISL传输时，将ISL的长度作为参考依据，尽量通过高纬度ISL进行传输以降低时延。在此基础上，当需要跨缝传输数据时，将反向缝两侧割裂开，选择最短的平面间ISL集合进行跨半球跨极点传输。该方法虽然降低了ISL的总体距离，但未改变需要经过的卫星节点数，依然给卫星系统造成了额外的压力。

Yeo等人(An approach to the modeling of counter-rotating seamcommunication links for LEO satellite systems[J].2004：2016-2020)提出一种基于射频(RF)类型天线的反向缝ISL切换构想，以简化跨缝链路的切换过程，并分析说明光学天线无法完成跨缝数据的传输，该构想被很多学者证明存在分析偏差。

Guo等人(A Weighted Semi-Distributed Routing Algor ithm for LEOsatellite networks.[J].Journal of Network&Computer Applications，2015∶1-11)对Yeo等人的分析错误进行了修正，并设计了一种双转盘跨缝天线系统用于反向缝处的跟踪与传输，但该方法功耗较大。

Tang等人(Multipath Cooperative Routing with Efficient Acknowledgementfor LEO Satellite Networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing，2018：1-1.)和Chen等人(Joint Topology Control and Routing in IEEE 802.11-BasedMultiradio Multichannel Mesh Networks[J].IEEE Transactions on VehicularTechnology，2007，56(5)：3123-3136.)提出通过对极轨道卫星网络反向缝的建链，以达到降低反向缝两侧卫星数据传输时延、提高卫星网络容量的目的。

上述Tang和Chen等人的研究将极轨道卫星网络反向缝的建链问题描述如下：

低轨极轨道卫星网络由N个不相交的平面组成，每个平面内包含M个卫星，平面内卫星之间的夹角为2π/M。在两个相邻卫星之间存在三种类型的ISL：平面内ISL，平面间ISL和跨越反向缝隙的ISL。平面内ISL始终保持不变，较为稳定；平面间ISL在除极地地区之外连接稳定；需要考虑在位于反向缝两侧的卫星间如何建立相对稳定的星间链路。

每颗卫星最多有3条或者4条ISLs，最多与四个相邻卫星建立链接。将LEO极轨道卫星网络建模为无向图G＝(V，E)，其中V代表卫星的集合，E代表星间链路的集合。

反向缝隙两侧，在某一时刻，并不是所有卫星都具备跨越反向缝通信的能力，具备通信能力的卫星称为“可通信邻星”，其他轨道的卫星可将需要跨缝传输的数据传送到可通信邻星，由可通信邻星代为转发。由于平面内ISL和跨缝ISL的周期性通断，LE0卫星网络拓扑会周期性变化。

图2示出了反向缝两侧的星间链路，其中横向实线表示平面间ISL，纵向实线表示平面内ISL，虚线表示数据流。反向缝两侧的反向缝两侧卫星集合分别记为M₁、M₂，轨道面c、d中的卫星可跨缝传输数据，分别将这两个轨道面的卫星集合记为N₁、N₂。在某一时刻t，n₁、n₂分别代表N₁、N₂的建链卫星集合。极轨道卫星网络反向缝的建链问题就转换为考虑在卫星运行周期内如何选择n₁、n₂以及在考虑时空拓扑最大连续的情况下如何将n₁、n₂进行高效连接，使得M₁、M₂之间进行数据传输的时延最小。

目标是优化反向缝两侧卫星网络的传输时延，用下式表示：

其中，K代表M₁、M₂之间需要交互的数据流集合，f_k表示K中的某个数据流，

表示数据流f_k的传输时延。

需要满足如下约束条件：

流量守恒约束，在t时刻进入节点i的流量要小于等于节点i流出的流量，用下式表示：

其中，l_ij(t)表示在t时刻节点i到节点j的星间链路，

表示在t时刻链路l_ij的占用带宽和；

链路建立的时序约束，节点卫星在切换链路时下一ISL开始时间需晚于上一ISL结束时间加上切换时延，用下式表示：

Nⁱ(t)＝{j|d_ij(t)≤d_max}

Δτ＝τ_sw+τ_{tr_c}+τ_{tr_f}+τ_{pre_c}＝τ_sw+τ_pre

其中，Nⁱ(t)表示在t时刻节点i的可视链路集，此时节点i到节点j满足可视条件d_max。l′_ij(t)表示在t时刻链路l_ij的状态，l′_ij(t)为1时代表l_ij可通信，为0时代表不可通信。

代表链路l_ij开始通信的时刻，

代表链路l_im结束通信的时刻。Δτ代表n₁(n₂)某颗卫星在n₂(n₁)颗卫星之间切换链路所需要的时间开销，Δτ由卫星偏转时延τ_sw、粗跟踪时延τ_{tr_c}、细跟踪时延τ_{tr_f}与通信准备时延τ_{pre_c}之和组成，其中后三项可视为固定准备时延τ_pre；

链路的可视性是双向的，用下式表示：

l′_ij(t)＝l′_ji(t)#，

但

同一时间反向缝一侧卫星只与另一侧轨道内的一颗卫星建立跨缝链路，用下式表示：

但Tang和Chen等人认为上述问题是一个近似NP的多变量混合非线性整数规划问题，求解复杂度极高，无法在卫星计算能力有限的载荷上求解。

具体而言，在极轨道卫星网络反向缝的建链过程中，由于低轨卫星围绕着地球不断做高速运动，反向缝两侧的任意一对卫星的通信可持续时间(即可用的传输窗口)都是有限的。极轨道卫星网络反向缝的建链存在以下技术问题：

图3示出了反向缝两侧可视卫星集合，在T₀时刻，a₃与a₄的可视卫星集存在交集，存在

且

在T₀与T₁时刻两个相邻时刻，a₄的可视卫星集发生变化，因为反向缝两侧轨道的相对速度为单轨道卫星运行速度的两倍，卫星之间对应关系变化更为明显。在这种多对多的情况下，难以建立连接使得各时间片内均可最大限度的利用跨缝链路降低网络传输时延，且避免冲突的发生。

跨缝链路无法像平面内ISL与平面间ISL一样保持长久的链接。如图3所示，在卫星节点a₄在由节点b₂切换至b₆的过程中，将发生星间链路的切换，受到链路建立的时序约束的限制。受反向缝两侧相对运动的影响，这种切换会更为频繁，带来很大的开销。

针对上述问题，跨缝链路建链方法(Nearest Cross Seam Link-BuildingStrategy，NCLBS)在为反向缝两侧卫星建立跨缝链路时，选择与建链星距离最近的卫星节点进行链路连接，可以部分解决建链冲突问题；最久可视时间跨缝链路建链方法(Longest-Visible-Time Cross Seam Link-Building Strategy，LCLBS)建立跨缝链路时，均选择与建链星可视时间最长的卫星节点进行链路连接，部分减少了链路切换开销。

然而，现有技术中极轨道卫星网络反向缝附近的卫星进行数据传输时仍具有时延大、效率低，路由跳数高、易丢包的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的极轨道卫星网络反向缝附近的卫星进行数据传输时仍具有时延大、效率低，路由跳数高、易丢包的问题，本发明提出一种极轨道卫星网络反向缝的建链方法，以至少部分解决上述问题。

具体而言，本发明提出一种极轨道卫星网络反向缝的建链方法，包括如下步骤：

反向缝两侧存在可跨缝传输数据的两个轨道面的卫星集合N₁、N₂，在t时刻存在N₁、N₂的建链卫星集合n₁、n₂。

设定在建链起始纬度lat_s和建链结束纬度lat_e之间的可建链区域；将可建链区域划分为交叉建链区，其中交叉建链区内星间链路条数为n；得到反向缝建链纬度参照集合L(lat)；建链卫星参照L(lat)调整状态。

交叉建链区内星间链路条数n的数值通过迭代的方法确定。

反向缝建链纬度参照集合L(lat)通过迭代的方法确定。

其中n的数值的初始取值范围包括：1到

其中a_i表示n₁中的卫星，T表示总工作时间，

表示n₂中a_i的可视卫星集；

迭代的方法包括下列步骤：

从n₁中选取第一个进入建链起始纬度lat_s的卫星a_i；

将a_i的纬度加入L(lat)中；

a_i选取

中第n个卫星b_j建立链接；

a_i的纬度与b_j的纬度之间的区域，作为交叉建链区。

从n₁中选取交叉建链区外的下一个卫星作为a_i；和

结束迭代后得到L(lat)，n的数值则表示为下式：

其中，

是t时刻的星间链路条数，B(t)是t时刻星间链路的占用带宽和；以及

输出得到的n的数值和L(lat)。

本发明提出了一种极轨道卫星网络反向缝的建链方法，至少具有如下有益效果：至少部分解决了现有技术中存在的极轨道卫星网络反向缝附近的卫星进行数据传输时时延大、效率低，路由跳数高、易丢包的问题，显著降低了反向缝附近的卫星进行数据传输的时延，对全网路由起到了优化作用。

附图说明

图1示出了本发明中低轨极轨道的卫星网络。

图2示出了本发明中反向缝两侧的星间链路。

图3示出了本发明中反向缝两侧的可视卫星集合。

图4示出了本发明一个实施例中划分交叉建链区和建链的过程。

图5示出了本发明一个实施例中虚拟卫星拓扑下飞机业务的数据分布。

图6示出了本发明一个实施例中虚拟卫星拓扑下船舶业务的数据分布。

图7示出了本发明一个实施例中虚拟卫星拓扑下复合业务的数据分布。

图8示出了本发明一个实施例中本发明方法与现有技术飞机业务数据分布时延的对比。

图9示出了本发明一个实施例中本发明方法与现有技术船舶业务数据分布时延的对比。

图10示出了本发明一个实施例中本发明方法与现有技术复合业务数据分布时延的对比。

图11示出了本发明一个实施例中本发明方法与现有技术在反向缝附近路由跳数分布的对比。

图12示出了本发明一个实施例中本发明方法与现有技术在全网卫星节点路由跳数分布的对比。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方法，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

在本发明中，术语“迭代”是指重复反馈过程的活动，其目的通常是为了接近并到达所需的目标或结果。每一次对过程的重复被称为一次“迭代”，而每一次迭代得到的结果会被用来作为下一次迭代的初始值。

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

本发明提出了一种极轨道卫星网络反向缝的建链方法。建链过程中可以注意到，同一时间单颗卫星与反向轨道内的多颗卫星可见，且相邻几颗卫星间的可视卫星集(如

)存在并集。在分配建链卫星对(a_i，b_j)时，为了避免冲突的发生，首先参考卫星的最大可视区域，将整个反向缝建链区划分为多个交叉建链区。每个交叉建链区内，n₁、n₂轨道可按照星形结构进行建链，单个区内星间链路条数为n，如图4所示。

通常因极轨道星座倾斜角的设置，反向缝两侧轨道面的交点不会与极点重合，因靠近轨道面交点区域对卫星建链终端性能要求苛刻难以满足，故设定纬度lat_s和纬度lat_e之间为可建链区域。以第一颗卫星a_i进入建链纬度lat_s的时刻为一个周期的起点t₀，此时a_i的可视卫星集为

内n₂轨道的各卫星按照与a_i开始可见的时间从小到大排列，a_i选取

中第n个建立链接，记为b_j。a_i的纬度与b_j的纬度之间的区域，作为第一个交叉建链区，区域内卫星呈交叉建链的结构，如图4所示，并将lat_s加入反向缝建链纬度参照集合L(lat)中。以t₀时刻a₁-b₃之间的第一交叉建链区为例，按照上述建链方法依次连接，

代表起始建链，

代表稳定建链，

代表即将断链且节点a₃将与b₅建立链路

在t₁时刻，第一交叉建链区内仅有

两条稳定ISL，此时的稳定建链数即为n。在下一时刻t₂，a₀与b₄进入第一交叉建链区，a₂将进入第二交叉建链区，记录a₂此时的纬度lat(a₂)，并加入集合L(lat)。其余交叉建链区均按上述建链方法进行连接。可以看到，每当有一颗新的卫星进入建链区，建链区的所有卫星都会相应顺移到下一卫星位。以a₁为例，在t0时刻，a₁为起始建链星，它的下一卫星位a₂处于稳定建链时刻，在t₂时刻，a₂即将进入下一交叉建链区代替a₃，a₁进入t₀时刻a₂的位置保持稳定建链状态。当整个建链区均按上述方式划分好交叉建链区后，之后每颗卫星只需按照纬度参照集合L(lat)调整状态即可。其中n的大小，通过迭代的方式确定。从全网来看，除卫星在切换状态所导致的卫星拓扑改变，各固定业务数据点附近的星间拓扑没有任何改变。反向缝位置处于循环交叉建链状态，为全网提供了相对稳定的星间拓扑。

本实施例中的计算机方法流程如下表所示：

下面在本实施例中使用Satellite Tool Kit(STK)进行仿真分析，以评估本发明方法的性能。Walker星座是LEO卫星网络的一种典型结构设计。在Walker星座中，网络中的所有卫星按照平面进行划分。网络中的卫星总数为N_p×M_p，其中N_p表示LEO星座中的平面数，M_p为每个平面内的卫星数。Walker星座有两种类型，分别为Walker倾斜星座与Walker极轨道星座。本发明实施例所针对的场景为Walker极轨道星座。

本实施例中在STK中所仿真的Walker极轨道星座构型为Walker200/10/5，轨道倾角为89°，轨道高度为1025km。10个轨道面的平均间隔为186/10度，每个平面内均包含20个卫星，同轨卫星间夹角为360/20度。

星间链路主要通过激光终端完成通信。对激光终端的PAT(指向、获取和跟踪)的功能研究表明，激光ISL终端能够以足够的精度达到本次实验中LEO星座中对方位角和俯仰角的旋转要求，主要仿真参数如下表所示：

在本实施例中，考虑到低轨卫星的主要应用范围，选择飞机ADS-B数据和船舶AIS数据作为全球业务数据分布的参照。其中，ADS-B数据由卫星STU-2C的星载ADB_S接收机收集全球空中交通信息得到；AIS数据由STU-2B的星载AIS接收机收集全球海上交通信息得到。

根据获得的AIS与ADS-B数据，得到飞机和船舶在一个月(2015年10月12日-11月11日)内的业务分布。船舶主要集中在港口和船舶路线附近，由于大陆、礁石等因素，远洋轮船航线固定。飞机不受大陆、海洋等限制，但飞机之间的分配路线不能相互干扰。此外，飞机的分布主要集中在发达城市附近，相对船舶的分布更为分散。

对于业务数据，本实施例按照Walker 200/10/5π的星座构型，利用虚拟拓扑法将地球表面划分为200个18°*18°的区域，每个区域所对应的分别为该区域内飞机、船舶以及复合业务的业务量数据，如图5-7所示。图中加粗虚线所处位置为反向缝位置，受地球自转、轨道漂移等因素影响，若以地面为固定参照物，反向缝会自东向西不断平移，周期约为24h，故本次仿真周期为24h，仿真步长60s。反向缝两侧的灰色部分代表有跨缝传输数据需求的轨道卫星集合。

接下来为验证本发明方法的性能，将本发明方法与最近跨缝链路建链方法(Nearest Cross Seam Link-Building Strategy，NCLBS)、最久可视时间跨缝链路建链方法(Longest-Visible-Time Cross Seam Link-Building Strategy，LCLBS)以及跨缝链路不建链方法(Cross Seam No-Link Strategy，CSNS)三种方法进行仿真对比。

图8-10示出了本发明方法与NCLBS、LCLBS以及CSNS三种反向缝建链方法基于飞机、船舶和复合业务场景下的时延性能仿真图，其中SCLBS(Star-Cross-Loop Cross SeamLink-Building Strategy)表示本发明方法。在仿真时，有跨缝数据传输需求的卫星集合主要设置在反向缝两侧的三个轨道内，可以看出，在三种业务场景下，本发明方法在时延性能方面的效果都十分显著。

CSNS因为在反向缝区域没有ISL，当有数据需要跨缝传输时，无法直接传输，需要跨越其所在半球内的大部分轨道，再经由轨内ISL传输至对面的目的卫星，因此CSNS的传输时延是其余三种建链方法的2-4倍。NCLBS的时延效果略好于LCLBS，其原因在于NCLBS的每颗建链区卫星均选取最近的可视卫星建链，这样虽导致较大的切换开销，但在建链状态时，同轨位卫星在两侧跳数间隔最少，而NCLBS在保证最长可视时间建链时，使得反向缝两侧的跳数间隔增加。本发明方法的时延效果相对于NCLBS、LCLBS大约降低了30％，相对于CSNS大约降低了60％，是因为发明方法通过交叉循环建链的方式使得反向缝两侧ISL拓扑稳定，并最大限度的保证了单条ISL的持续时间，任意时刻均有10-12条ISL可传输数据。

从三种业务场景的综合实验效果看，相对于飞机与复合业务场景，船舶场景中随着业务数的增加，整体时延走势较平滑，是因为船舶业务分布集中，在虚拟拓扑中源卫星与目的卫星相对固定，从而时延基本随业务数增加。而飞机业务虽然在发达国家和城市分布密集，但从整体来看分布较分散，在虚拟拓扑中源卫星与目的卫星不稳定，从而时延走势整体有较大波动。

下面，将从网络拓扑方面分析三种策略的影响。图11和图12示出了反向缝两侧各三轨和全网卫星节点在本方法、NCLBS、LCLBS以及CSNS三种反向缝建链方法下任意一对卫星节点均存在ISL时的路由跳数，其中SCLBS表示本方法。在本方法的影响下反向缝附近和全网的最远路由跳数由19跳降至14跳。在反向缝附近跨缝无ISL时，路由跳数低于10跳的大约占35％，而在本方法、NCLBS、LCLBS中占比分别为83％、59.6％、60％。在全网卫星节点中，本方法的影响下路由跳数低于8跳的占比为55.9％，而在NCLBS、LCLBS、CSNS中占比分别为50.5％、49.8％、42.2％。可以看出，NCLBS可使反向缝附近以及全网卫星中点到点的路由跳数明显减少，这也从侧面印证了四种方法在飞机、船舶以及复合业务场景下的仿真结果。

仿真结果表明，本发明方法能够有效降低反向缝附近卫星节点进行跨缝传输时的传输时延，优化全网的路由跳数分布。

Claims (1)

1.一种极轨道卫星网络反向缝的建链方法，其中反向缝两侧存在可跨缝传输数据的两个轨道面的卫星集合N₁、N₂，在t时刻存在N₁、N₂的建链卫星集合n₁、n₂，包括如下步骤：

设定在建链起始纬度lat_s和建链结束纬度lat_e之间的可建链区域；

将可建链区域划分为交叉建链区，其中交叉建链区内星间链路条数为n；

确定反向缝建链纬度参照集合L(lat)；以及

让建链卫星参照L(lat)调整状态；

其中交叉建链区内星间链路条数n的数值通过迭代的方法确定；

其中反向缝建链纬度参照集合L(lat)通过迭代的方法确定；

其中n的数值的初始取值范围包括：1到

其中a_i表示n₁中的卫星，T表示总工作时间，

表示n₂中a_i的可视卫星集；和

所述迭代的方法包括下列步骤：

从n₁中选取第一个进入建链起始纬度lat_s的卫星a_i；

将a_i的纬度加入L(lat)中；

a_i选取

中第n个卫星b_j建立链接；

a_i的纬度与b_j的纬度之间的区域，作为交叉建链区；

从n₁中选取交叉建链区外的下一个卫星作为a_i；和

结束迭代后得到L(lat)，n的数值则表示为下式：

其中，

是t时刻的星间链路条数，B(t)是t时刻星间链路的占用带宽和；以及

输出得到的n的数值和L(lat)。

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