CN112752286B

CN112752286B - 卫星网络集中式组网方法、装置、设备及存储介质

Info

Publication number: CN112752286B
Application number: CN202011616486.3A
Authority: CN
Inventors: 赵鹏; 刘江; 黄韬; 查玄阅; 马兴睿
Original assignee: Network Communication and Security Zijinshan Laboratory
Current assignee: Network Communication and Security Zijinshan Laboratory
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2040-12-31
Also published as: CN112752286A

Abstract

本发明实施例公开了一种卫星网络集中式组网方法、装置、设备及存储介质，其中，所述卫星网络集中式组网方法，包括：低轨卫星的路由集中生成；多路径路由下发；路由快照切换；故障恢复与重路由；解决了低轨卫星网络可视、可管、可控问题；这样的低轨卫星集中式组网方法，解决了路由集中生成、多路径路由下发、路由快照切换及故障恢复与重路由等问题。

Description

卫星网络集中式组网方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及低轨卫星组网技术领域，主要指一种卫星网络集中式组网方法、装置、设备及存储介质，尤其指一种低轨卫星网络操作系统架构及集中式组网方法。

背景技术

低轨道卫星系统一般是指多个卫星构成的可以进行实时信息处理的大型的卫星系统，其中卫星的分布称之为卫星星座。低轨道卫星主要用于军事目标探测，利用低轨道卫星容易获得目标物高分辨率图像。低轨道卫星也用于手机通讯，卫星的轨道高度低使得传输延时短，路径损耗小。多个卫星组成的通讯系统可以实现真正的全球覆盖，频率复用更有效。蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术也为低轨道卫星移动通信提供了技术保障。低轨道卫星是最新最有前途的卫星移动通信系统。近年来，美国SpaceX、Amazon等创新型企业纷纷计划打造低轨卫星星座，引起卫星互联网的发展热潮。低轨卫星星座运行在距地面500～1500km之间高度，具有覆盖地域广、受地形影响小、不受自然灾害影响等特点，非常适合偏远地区通信、特殊行业应用、边海防务、境外通信和应急灾害通信等。随着低轨卫星建造成本降低及B5G/6G技术的驱动，“新兴卫星互联网星座”成为产业界和学术界研究的热点领域。新兴卫星互联网星座指新近发展的、能提供数据服务、实现互联网传输功能的巨型通信卫星星座。新兴卫星互联网星座具有以下特点：

(1)从星座规模看，由成百上千颗卫星组成的巨型星座；

(2)从星座构成看，由运行在低地球轨道的小卫星构成；

(3)从提供的服务看，主要是宽带的互联网接入服务。我国也积极开展了“鸿雁星座”和“虹云工程”等低轨卫星星座试验建设。

而软件定义网络(Software Defined Network,SDN)是一种新型网络创新架构，核心思想是将网络设备的控制面和数据面分离开来，从而实现了网络的灵活控制和智能管理，已经广泛应用于运营商骨干网和数据中心网络。卫星互联网作为新型互联网场景，具有星地相对高速运动、拓扑动态性强、星载计算能力受限等特征，空间链路具有高延时、低带宽、高误码等特点，软件定义网络为解决低轨卫星组网及管控问题带来了新的契机。

当前，地面网络的路由协议(OSPF、RIP等)均不能直接应用于拓扑频繁变化的低轨卫星网络，产业界和学术界重点研究系统周期分割法、覆盖区域分割法及动态拓扑更新法等来解决低轨卫星网络路由。系统周期分割法的基本思想是按照星座运动周期和网络拓扑变化规律划分为多个拓扑，保证每个时间间隔内的网络拓扑静止不变，快照划分方法主要有链路通断快照划分方法和等时间间隔快照划分方法，铱星系统就采用了等时间间隔快照划分方法。覆盖区域分割法是利用卫星运动的周期性，对地球表面进行区域划分，并为区域划分逻辑地址，屏蔽了卫星拓扑的变化。动态拓扑更新法通过卫星节点间交换网络状态信息，获取实时的拓扑结构计算路由的方法，能够很好地响应卫星故障、链路拥塞等状况，增强低轨卫星网络的自适应性和鲁棒性。

由于星上计算资源受限，系统周期分割法路由算法能够消除路由计算和信令交互传输的开销，降低卫星网络收敛时间和星上处理负担。虚路径(Virtual Path,VP)路由和快照序列(Snap Shot Sequence,SSS)算法是系统周期分割的典型代表。Werner等提出的虚路径路由方法将动态网络拓扑结构分割成一系列静态拓扑结构，基于静态拓扑结构计算VP路由，在入卫星和出卫星之间建立虚路由连接，形成每个时间间隔的源-目的卫星之间的虚路径组合。Gounder等人提出的快照序列算法也是将动态的卫星网络拓扑划分为一系列拓扑结构快照循环，该循环周期就是卫星网络拓扑变化的周期，网络路由的计算在地面完成。但以上方法没有考虑卫星链路故障和拥塞造成路由不可达问题。

针对低轨卫星网络链路故障和拥塞问题，Shen等提出的切换感知快照路由算法根据星间链路持续时间标记星间链路的权重，尽可能选择持续时间更长的路径作为路由路径，进而减少拓扑变换造成的重路由和延时抖动。Uzunalioglu等提出的概率路由协议(Probabilistic Routing Protocol,PRP)和覆盖区切换重路由协议(Footprint HandoverRerouting Protocol,FHRP)是以系统周期分割法为基础，主要解决星间链路切换带来的重路由问题，降低呼叫阻塞概率及简化重路由的计算。CEMR路由算法是一种自适应的系统周期分割法路由算法，该算法利用多路径路由思想解决流量负载均衡问题，相比与传统的多路径算法具有较小的信令开销，但是由于系统周期分割法路由算法是一种静态的路由算法，利用自适应方法解决不可预测的链路故障造成的网络中断需要消耗大量的卫星计算资源。而针对系统周期切换过程中产生的流量回退和数据丢失问题，而唐竹提出的快照间回流避免算法，可以有效消除卫星网络中的回退流量，但是增加了全网平均延时、信令传输开销和卫星计算开销。

发明内容

本发明实施例提供了一种卫星网络集中式组网方法、装置、设备及存储介质，解决了低轨卫星网络可视、可管、可控问题；同时，设计了一种低轨卫星集中式组网方法，解决了路由集中生成、多路径路由下发、路由快照切换及故障恢复与重路由等问题。

本发明实施例提供了一种卫星网络集中式组网方法，包括：

低轨卫星的路由集中生成；

多路径路由下发；

路由快照切换；

故障恢复与重路由。

进一步的，所述低轨卫星的路由集中生成包括稳定拓扑构建、不交叉主备路径生成以及路由增量压缩。

进一步的，所述稳定拓扑构建的方法，包括：

将拓扑变化前后发生变化的链路从原拓扑快照中删除，规避规律性链路变化对快照切换的影响，使得快照切换前后路由路径不发生改变；

所述不交叉主备路径生成的方法，包括：

让主备路由路径不存在共用星间链路和卫星节点；

所述路由增量压缩的方法，包括：

利用地面总控制器比较快照切换前后的发生改变的路由路径，利用增加路由和删除路由表示切换后的路由快照。

进一步的，所述多路径路由下发的方法，包括：

地面总控制器将路由数据分割为多个数据段，通过多个卫星关口站将分段的数据段下发给星载控制器，星载控制器重组收到的路由数据段。

进一步的，所述路由快照切换的方法，包括路由增加和路由删除，所述路由增加是路由切换前执行，所述路由删除在路由切换后δ时间执行，设定的δ值需保证传输数据到达最远节点。

进一步的，所述故障恢复与重路由的方法，包括：低轨卫星利用星载控制器的链路检测模块定期检测链路状态，将发现的故障信息发送至地面总控制器，地面总控制器找到所有受其影响的路由路径并发送路由切换指令，完成路径快速切换；地面控制器重新计算备份路由并下发到相关星载控制器。

本发明实施例还提供一种卫星网络集中式组网装置，包括：

生成模块，用于低轨卫星的路由集中生成；

下发模块，用于多路径路由下发；

切换模块，用于路由快照切换；

故障处理模块，用于故障恢复与重路由。

进一步的，所述卫星网络集中式组网装置的组网结构包括相互连接的低轨卫星星座、地面总控制器、地面关口站及用户终端，其中低轨卫星星座的卫星节点包括相互连接的星载控制器、星载网络设备、星间链路结构和若干个地面接口；

所述卫星网络集中式组网装置的操作系统包括地面总控制器和星载控制器。

进一步的，所述地面总控制器用于生成低轨卫星网络稳定拓扑和路由路径，并下发路由数据，收集低轨卫星网络故障及流量这样的信息，发送低轨卫星网络的控制信令，部署在地面节点网内，通过关口站与低轨卫星进行通信。

进一步的，所述地面总控制器包括路由生成模块、数据传输模块、链路状态收集模块和拓扑呈现模块：

所述路由生成模块用于利用地面的资源计算每个离散拓扑路由，生成任意两卫星节点之间的路由路径；

所述数据传输模块用于与星载控制器进行数据交互，发送路由快照和控制指令，接收低轨卫星状态信息；

所述网络状态收集模块用于收集低轨卫星网络拓扑快照的链路信息和低轨卫星网络链路故障信息，存储网络实时状态信息；

所述拓扑呈现模块用于实时呈现网络状态收集模块收集的信息，为用户呈现实时低轨卫星网络拓扑。

进一步的，所述星载控制器用于接收地面总控制器的路由数据和控制指令，采集卫星故障和流量这样的信息，并发送至地面总控制器。

进一步的，所述星载控制器包括数据收发模块、路由解析模块、路由切换模块和邻居检测模块：

所述数据收发模块用于接收地面总控制器下发的路由数据和控制指令，向地面总控制器发送网络状态信息；

所述路由解析模块用于解析地面总控制器下发的作为路由数据的路由快照，将解析的路由作为生成的路由表存放在星载路由表；

所述路由切换模块用于根据地面总控制器发送的切换指令，将路由切换到备份路由路径；

所述邻居检测模块用于定期向邻居卫星发送链路检测报文，检验星间链路状态。

进一步的，所述地面总控制器与星载控制器的通信方式为带内传输，所述带内传输的路径包括星地链路和星间链路，传输内容包括控制信令、路由数据和业务数据，其中，控制信令优先级高于路由数据和业务数据传输的优先级，路由数据优先级高于业务数据传输的优先级；

当低轨卫星网络初始化或者星上路由表丢失时，仅能在卫星过顶时通过星地链路下发路由数据。在更新卫星路由表或链路故障时，地面总控制器重新计算路由，并将路由变更信息经过星间和星地链路下发到星载控制器；

所述低轨卫星网络路由变换方法抵消卫星拓扑规律性变化和卫星高速运动问题。低轨卫星网络路由包括星间路由和星地路由，利用映射表完成星地路由和星间路由映射；

所述低轨卫星网络路由变换采用等时间间隔快照划分方法，将轨道周期T等分为n个时间片，每个时间片对应一个路由快照,n为大于2的正整数。

本发明实施例还提供一种卫星网络集中式组网设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述卫星网络集中式组网方法。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行所述卫星网络集中式组网方法。

本发明实施例，其方法包括：低轨卫星的路由集中生成；多路径路由下发；路由快照切换；故障恢复与重路由；由此其低轨卫星网络操作系统包括地面总控制器和星载控制器，所述地面总控制器部署于地面节点网，由路由生成、数据传输、网络状态收集、拓扑呈现等模块组成，与关口站彼此互连，所述星载控制器部署于每颗低轨卫星，由数据收发、路由解析、路由切换和邻居检测等模块组成；所述低轨卫星集中式组网方法，提供路由集中生成、多路径路由下发、路由路径可靠切换及故障恢复与重路由等策略，实现全球低轨卫星星座组网、路由故障恢复、数据可靠传输和路由高效上注等问题，提高低轨卫星网络的可视、可管、可控能力。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是本发明实施例的所述卫星网络集中式组网装置的组网结构的结构图；

图2是本发明实施例的所述卫星网络集中式组网装置的操作系统功能结构示意图；

图3是本发明实施例的所述稳定拓扑构建的流程图；

图4是本发明实施例的所述不交叉主备路径生成的方法的流程图；

图5是本发明实施例的所述路由增量压缩的方法的流程图；

图6是本发明实施例的所述路由序列切换机制的流程图；

图7是本发明实施例的卫星网络集中式组网方法的流程图；

图8是本发明实施例的卫星网络路由初始化下发的流程图；

图9是本发明实施例的所述卫星网络路由变更下发的流程图；

图10是本发明实施例的故障恢复与重路由的流程图。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

Gounder等人提出的快照序列算法也是将动态的低轨卫星网络拓扑划分为一系列拓扑结构快照循环，该循环周期就是低轨卫星网络拓扑变化的周期，网络路由的计算在地面完成，本发明实施例的基本思想来源于这种快照序列。

如图7所示，本发明实施例提出一种卫星网络集中式组网方法，其具体包括：

步骤101，低轨卫星的路由集中生成。

其中，地面总控制器计算低轨卫星网络路由，也就是地面总控制器负责低轨卫星的路由集中生成，在一个实施例中，所述低轨卫星的路由集中生成包括稳定拓扑构建、不交叉主备路径生成以及路由增量压缩。

在一个实施例中，所述稳定拓扑构建的方法，包括：

将拓扑变化前后发生变化的链路从原拓扑快照中删除，规避规律性链路变化对快照切换的影响，使得快照切换前后路由路径不发生改变；如图3所示，具体如下：

步骤201，设定低轨卫星绕地球旋转的周期为T，时间片数量划分为n，n为正整数，拓扑变换的时间点为t_i，其中i∈{0,1,…,n}，各拓扑持续时间间隔表示为{t∈T|t_i≤t<t_i+1}；

步骤202，在时间间隔[t_i,t_i+1)内，低轨卫星网络拓扑可表示为有向图G_i＝(V_i,E_i)，其中V_i表示t_i时刻低轨卫星网络拓扑包含的卫星节点集合，E_i表示t_i时刻低轨卫星网络拓扑包含的星间链路集合；

步骤203，在t_i时刻的低轨卫星网络拓扑为S_i＝<t_i,G_i>，表示可预测的时间间隔[t_i,t_i+1)内的低轨卫星的网络连接；

步骤204，在一个轨道周期T内，拓扑序列可表示为S＝{S₀,S₁,…,S_n-1}；

步骤205，当拓扑切换过程前后，将会产生规律性的链路通断，拓扑变化前后未变化的链路集合为：

E′_i＝{e|e∈E_i∧e∈E_i+1}

其中，E_i和E_i+1分别表示[t_i,t_i+1)和[t_i+1,t_i+2)时间间隔的链路集合；

低轨卫星网络的规律性变化不会引起同轨链路断链，切换前后的卫星节点集合不变，因此调整后的卫星节点集合为：

V′_i＝V′_i

时间间隔[t_i,t_i+1)内的稳定拓扑的有向图可表示为：

G′_i＝(V′_i,E′_i)

时间间隔[t,t₊₁)内的稳定拓扑表示为：

S′_i＝<t′_i,G′_i>

综上可知：稳定拓扑序列可表示为：

S′＝{S′₀,S′₁,…,S′_n-1}。

所述不交叉主备路径生成的方法，包括：

让主备路由路径不存在共用星间链路和卫星节点；避免链路或节点故障导致主备路由路径均不可达。如图4所示，具体如下：

步骤301，利用SPF算法在稳定拓扑序列中计算任意两点之间的路由路径，生成的路由路径集合称为主路由路径集合，主路由路径集合表示为：

R_i＝{(V_m,E_n)|V_m∈V′_i,E_n∈E′_i}

其中，V_m表示路径R_i的节点序列(S,v₁,v₂,…,v_k,D)，E_n表示路径R_i的链路集合{(S,v₁),(v₁,v₂),…,(v_k,D)}，m、k和n均为正整数；

步骤302，备份路由路径生成，在稳定拓扑S′_i基础上，排除主路由路径的节点集合V_m和链路集合E_n，生成网络拓扑的有向图为：

G″_i＝(V″_i,E″_i)

其中，

因此，计算备份路由路径的拓扑为：

S″_i＝<t′_i,G″_i>

步骤303，在拓扑快照S″_i上利用SPF算法计算备份路由路径，可表示为：

R′_i＝{(V_m,E_n)|V_m∈V″_i,E_n∈E″_i}

其中，V_m表示路径R_i的节点序列(S′,v′₁,v′₂,…,v′_k,D′)，E″_n表示路径R_i的链路集合{(S′,v′₁),(v′₁,v′₂),…,(v′_k,D′)}；

步骤304，将计算得到的主备路由路径进行整合，形成轨道周期T内n个路由序列集合：

RS＝{RS₁,RS₂,…,RS_n}。

其中，RS表示路由快照集合，RS_i.表示第i个时间片的路由快照集合，0≤i<n.

路由增量压缩的方法，包括：

利用地面总控制器比较快照切换前后的发生改变的路由路径，利用增加路由和删除路由表示切换后的路由快照，提高路由快照的切换速度和链路资源高效利用。也就是针对路由数据量大且相邻路由集合之间存在相同路由路径的特征，利用卫星周期性运动规律，设计环形路由增量压缩，如图5所示，具体如下：

步骤401，以[t₀,t₁)时间间隔为基准快照，分别比对相邻路由集合中源与目的相同的路由路径；

步骤402，判断路由路径是否一致，并将属于RS₁且不属于RS₀的路由路径存标识为新增路由，将属于RS₀且不属于RS₁的路由路径标识为删除路由，将新增路由和删除路由保存在时间间隔[t₁,t₂)的路由变换内，生成了[t₁,t₂)内的路由集合；

步骤403，根据步骤,402的方法，分别形成直至时间间隔[t_n-1,t_n)的路由路径变换，以及[t_n,t₀)时间间隔的路由变换；

步骤404，最后，将形成以首个路由快照为基础，以新增路由和删除路由为后续路由变换的环状增量路由快照，降低了下发路由的数据量和路由切换时间的操作次数。

步骤102，多路径路由下发。

其中，在一个实施例中，所述多路径路由下发的方法，包括：

多路径路由下发策略可利用多条星地链路和星间链路传输路由数据，星载控制器重组收到的路由数据段，解决卫星高速运动、链路动态变化和大量快照数据高效传输等问题。

步骤103，路由快照切换。

其中，路由快照切换由星载控制器的路由切换模块完成，在一个实施例中，所述路由快照切换的方法，包括路由增加和路由删除，所述路由增加是路由切换前执行，所述路由删除在路由切换后δ时间执行；这样就提供了增加和删除的时机，使得卫星节点时钟不严格同步情况下能够避免路由切换造成的流量回退和数据丢失。也就是说，由于不能保证卫星时钟严格同步，在路由快照切换过程中极易造成回退流量和数据丢失等问题，设计可靠的路由切换机制，如图6所示，具体如下：

步骤501，在路由增量压缩中，将路由序列切换过程分解为作为路由增加的新增路由和作为路由删除的删除路由两类操作；

步骤502：在切换时刻到来前，执行新增路由操作并确保所有卫星节点均完成了新增路由操作。当到达切换时刻时，新来的数据包可以按照新路由进行转发，使得在卫星节点时钟存在偏差情况下能够避免快照切换造成的流量回退和数据丢失链等问题；

步骤503：待δ时间后到达切换时刻，执行删除路由操作，使得切换前发送的数据能仍然按照旧路由表转发到目的节点，不会造成流量回退和数据丢失问题；

步骤504：采用时间戳标记新增的路由和原路由，使新数据包按照新的路由转发，原数据包按照原路由转发；

为了避免流量回退和数据丢失等问题，需设定δ时间保证原路由快照时间间隔内发送的数据正确到达目的节点，再执行删除快照操作，因此，设定的δ值需保证传输数据到达最远节点。

作为一个示例，铱星星座是极轨LEO星座，存在反向缝，最长路径需经过5个异轨和5个同轨星间链路，因此，δ值不小于：10*(传输时延+处理时延)。

地面总控制器下发路由数据时，根据下发时机可分为初始化下发和增量下发。

当低轨卫星网络路由表初始化或星上路由表丢失时，仅能在卫星过顶时，通过星地链路下发路由数据。如图8所示卫星网络路由初始化下发流程图，其实现步骤如下：

步骤601，在地面总控制器的路由生成模块输入卫星星座参数和快照时间间隔；

步骤602，路由生成模块根据输入参数生成初始路由数据，并将路由数据发送给数据传输模块；

步骤603，通过关口站与卫星之间的星地链路，数据传输模块将路由数据下发到星载控制器；

步骤604，星载控制器收到地面总控制器下发的路由数据后，解析路由数据并存放在本地路由表。

当下发更新的路由数据时，可经过星地链路和星间链路实现多路径路由下发。如图9所示为卫星网络路由变更下发流程图，其实现步骤如下：

步骤701，地面总控制器的数据传输模块将待下发的路由数据切割m个数据段；

步骤702，地面总控制器的数据传输模块根据可用关口站数量，利用MPTCP提供的序列号映射机制，每个子流上的数据包都对应一个连接的序列号，建立地面总控制器与目标星载控制器之间的多个TCP连接；

步骤703，地面总控制器的数据传输模块将m个数据分段分别通过多个子流发送到目标星载控制器，每个TCP子流具备检测传送和重传丢包功能，可以检测链路状态并重传丢失的数据包；

步骤704，目标星载控制器根据每条TCP子流的数据分段，确认每个TCP子流数据均已收到，并按序重组各TCP子流的数据分段；

步骤705，星载控制器对重组后路由数据进行解析，生成相应的路由表。

路由下发分为两种情况，第一种情况是在初始化或数据丢失时，只能在卫星经过关口站上空时下发路由数据，第二种情况是利用星间和星地链路多路径路由数据下发，就是上文提到的多路径路由下发。

步骤104，故障恢复与重路由。

其中，在一个实施例中，所述故障恢复与重路由的方法，包括：低轨卫星利用星载控制器的链路检测模块定期检测链路状态，将发现的故障信息发送至地面总控制器，地面总控制器找到所有受其影响的路由路径并发送路由切换指令，完成路径快速切换；地面控制器重新计算备份路由并下发到相关星载控制器。如图10所示，具体如下：

步骤801，星载控制器的链路检测模块采用双向链路检测机制检测链路状态。当检测到链路故障后，星载控制器将链路故障信息发送到地面总控制器；

步骤802，地面总控制器收到链路故障信息后，在当前路由集合中查找经过该链路的路由路径，并记录该路由路径即将切换到备份路由路径；

步骤803，地面总控制器向相关的星载控制器发送路由切换指令，并由路由切换模块执行主备路由路径切换；

步骤804，地面控制器的路由生成模块根据卫星星座参数、拓扑变换时间间隔和链路故障信息重新计算备份路由路径，为故障链路生成备份路由路径；

步骤805，路由生成模块将生成的路由变更信息发送给数据传输模块，并将拓扑变化信息同步至拓扑呈现模块；

步骤806，数据传输模块通过星地链路和星间链路将路由变更信息发送给星载控制器；

步骤807，星载控制器收到地面总控制器下发的路由变化信息后，解析路由变化信息并存放在本地路由表。

本发明实施例的卫星网络集中式组网方法基于系统周期分割思想进一步研究工程实践中存在的问题，分别提供了路由集中生成、多路径路由下发、路由快照切换及故障恢复与重路由等，解决流量回退和数据丢失等问题。

本发明实施例还提供一种卫星网络集中式组网装置，包括：

如图1所示，所述卫星网络集中式组网装置的组网结构包括相互连接的低轨卫星星座、地面总控制器、地面关口站及用户终端，其中低轨卫星星座的卫星节点包括相互连接的星载控制器、星载网络设备、4个星间链路结构和若干个地面接口。

如图2所示为本发明实施例的所述卫星网络集中式组网装置的操作系统功能结构示意图，所述卫星网络集中式组网装置的操作系统包括地面总控制器和星载控制器；

所述地面总控制器用于生成低轨卫星网络稳定拓扑和路由路径，并下发路由数据，收集低轨卫星网络故障及流量这样的信息，发送低轨卫星网络的控制信令，部署在地面节点网内，通过关口站与低轨卫星进行通信；

所述地面总控制器包括路由生成模块、数据传输模块、链路状态收集模块和拓扑呈现模块：

所述路由生成模块用于利用地面强大的资源计算每个离散拓扑路由，生成任意两卫星节点之间的路由路径，即生成相应数量的路由快照；

所述拓扑呈现模块用于实时呈现网络状态收集模块收集的信息，为用户呈现实时低轨卫星网络拓扑；

所述星载控制器用于接收地面总控制器的路由数据和控制指令，采集卫星故障和流量这样的信息，并发送至地面总控制器；所述星载控制器包括数据收发模块、路由解析模块、路由切换模块和邻居检测模块：

所述路由解析模块可用于解析地面总控制器下发的作为路由数据的路由快照，将解析的路由作为生成的路由表存放在星载路由表；

所述路由切换模块可用于根据地面总控制器发送的切换指令，将路由切换到备份路由路径；

在一个实施例中，所述地面总控制器与星载控制器的通信方式为带内传输，所述带内传输的路径包括星地链路和星间链路，传输内容包括控制信令、路由数据和业务数据，其中，控制信令优先级高于路由数据和业务数据传输的优先级，路由数据优先级高于业务数据传输的优先级；

特别地，当低轨卫星网络初始化或者星上路由表丢失时，仅能在卫星过顶时通过星地链路下发路由数据。在更新卫星路由表或链路故障时，地面总控制器重新计算路由，并将路由变更信息经过星间和星地链路下发到星载控制器；

所述低轨卫星网络路由变换采用等时间间隔快照划分方法，将轨道周期T等分为n个时间片，每个时间片对应一个路由快照。该划分方法将影响低轨卫星星座极区维度值；

这样，低轨卫星网络采用路由变换方式实现卫星组网，快照划分方式采用等时间间隔快照划分法，将轨道周期均匀地划分为n个时间片，生成n个路由数据，n为大于2的正整数。

作为一个示例，在同轨道平面含有12颗卫星的极轨星座中，将卫星绕地球旋转的周期划分为12个快照序列时保证拓扑变换的数量最少、变换持续时间最长、变换次数最少。在该情况下，计算拓扑切换或异轨链路关闭的南北纬度为67.5度。

本发明实施例的装置的技术效果如下所示：

利用SDN思想实现低轨卫星网络的管理，将低轨卫星网络的控制面和数据面进行分离，地面总控制器通过星地和星间链路与星载控制器进行数据和指令的交互，实现了低轨卫星网络可视、可管、可控。

本发明实施例的卫星网络集中式组网设备充分考虑了低轨卫星组网与管控方面的需求，将软件定义网络的创新架构和动静结合的路由协议有机融合，实现方式简单高效，具有很强的工程可行性。

总之，为了实现低轨卫星星座组网、路由故障恢复、数据可靠传输和路由高效上注等问题，提供一种低轨卫星网络操作系统架构及集中式组网方法，设计了路由集中生成、路由下发、多路径路由下发、路由快照切换及故障恢复与重路由等策略，提高了低轨卫星网络的可视、可管、可控能力。

在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(ROM，ReadOnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号。

Claims

1.一种卫星网络集中式组网方法，其特征在于，包括：

低轨卫星的路由集中生成；

多路径路由下发；

路由快照切换；

故障恢复与重路由；

所述低轨卫星的路由集中生成包括稳定拓扑构建、不交叉主备路径生成以及路由增量压缩；

所述稳定拓扑构建，包括：

所述不交叉主备路径生成，包括：

让主备路由路径不存在共用星间链路和卫星节点；

所述路由增量压缩，包括：

利用地面总控制器比较快照切换前后的发生改变的路由路径，利用增加路由和删除路由表示切换后的路由快照；

所述多路径路由下发，包括：

地面总控制器将路由数据分割为多个数据段，通过多个卫星关口站将分段的数据段下发给星载控制器，星载控制器重组收到的路由数据段；

所述路由快照切换，包括路由增加和路由删除，所述路由增加是路由切换前执行，所述路由删除在路由切换后δ时间执行，设定的δ值需保证传输数据到达最远节点；

所述故障恢复与重路由，包括：低轨卫星利用星载控制器的链路检测模块定期检测链路状态，将发现的故障信息发送至地面总控制器，地面总控制器找到所有受其影响的路由路径并发送路由切换指令，完成路径快速切换；地面控制器重新计算备份路由并下发到相关星载控制器。

2.一种卫星网络集中式组网装置，其特征在于，包括：

生成模块，用于低轨卫星的路由集中生成；

下发模块，用于多路径路由下发；

切换模块，用于路由快照切换；

故障处理模块，用于故障恢复与重路由；

所述稳定拓扑构建，包括：

所述不交叉主备路径生成，包括：

让主备路由路径不存在共用星间链路和卫星节点；

所述路由增量压缩，包括：

所述多路径路由下发，包括：

3.根据权利要求2所述的卫星网络集中式组网装置，其特征在于，所述地面总控制器用于生成低轨卫星网络稳定拓扑和路由路径，并下发路由数据，收集低轨卫星网络故障及流量这样的信息，发送低轨卫星网络的控制信令，部署在地面节点网内，通过关口站与低轨卫星进行通信。

4.根据权利要求3所述的卫星网络集中式组网装置，其特征在于，所述地面总控制器包括路由生成模块、数据传输模块、链路状态收集模块和拓扑呈现模块：

所述链路状态收集模块用于收集低轨卫星网络拓扑快照的链路信息和低轨卫星网络链路故障信息，存储网络实时状态信息；

5.根据权利要求3所述的卫星网络集中式组网装置，其特征在于，所述星载控制器用于接收地面总控制器的路由数据和控制指令，采集卫星故障和流量这样的信息，并发送至地面总控制器。

6.根据权利要求3所述的卫星网络集中式组网装置，其特征在于，所述星载控制器包括数据收发模块、路由解析模块、路由切换模块和邻居检测模块：

7.根据权利要求3所述的卫星网络集中式组网装置，其特征在于，所述地面总控制器与星载控制器的通信方式为带内传输，所述带内传输的路径包括星地链路和星间链路，传输内容包括控制信令、路由数据和业务数据，其中，控制信令优先级高于路由数据和业务数据传输的优先级，路由数据优先级高于业务数据传输的优先级；

当低轨卫星网络初始化或者星上路由表丢失时，仅能在卫星过顶时通过星地链路下发路由数据；在更新卫星路由表或链路故障时，地面总控制器重新计算路由，并将路由变更信息经过星间和星地链路下发到星载控制器；

低轨卫星网络路由包括星间路由和星地路由，利用映射表完成星地路由和星间路由映射；低轨卫星网络路由变换采用等时间间隔快照划分方法，将轨道周期T等分为n个时间片，每个时间片对应一个路由快照，n为大于2的正整数。

8.一种卫星网络集中式组网设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1中所述卫星网络集中式组网方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行用于实现权利要求1所述卫星网络集中式组网方法。