CN112821937A

CN112821937A - 通过卫星网络的数据传输方法、卫星网络、装置和介质

Info

Publication number: CN112821937A
Application number: CN202011635922.1A
Authority: CN
Inventors: 邓霞; 曾首元; 王艳
Original assignee: Guangzhou University
Current assignee: Guangzhou University
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2021-05-18
Anticipated expiration: 2040-12-31
Also published as: CN112821937B

Abstract

本发明公开了一种通过卫星网络的数据传输方法、卫星网络、装置和存储介质，数据传输方法为位于限制区域内的通信卫星执行至少一跳转发从而将地面源节点向卫星网络发送的数据包传输至地面目的节点，在一次转发中，以当前发出数据包的通信卫星为上一跳，以上一跳遍历限制区域内的相邻各通信卫星的积压度量差值最大值对应的通信卫星为下一跳，其中确定积压度量差值所用的积压度量是由通信卫星所缓存的数据包个数以及通信卫星相对于最后一跳之间的距离确定的。本发明能够均衡各通信网络的负载，实现更高的流量平衡能力、数据传输率和吞吐量，能够改善高延迟问题。本发明广泛应用于卫星通信技术领域。

Description

通过卫星网络的数据传输方法、卫星网络、装置和介质

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其是一种通过卫星网络的数据传输方法、卫星网络、装置和存储介质。

背景技术

随着即将到来的6G时代，天地一体化网络将成为未来的趋势，卫星通信在其中扮演至关重要的角色。卫星网络也是6G网络的一个重要组成部分。相对于地面覆盖人群聚集区密集的基站，卫星网络通信的优点是覆盖范围广，传输距离远，能让偏远山区、天空、海洋接入互联网，缺点是卫星数目少，面对庞大的数据量，容易造成每个通信卫星的负载变化较大，通信卫星的吞吐量低，且现有的通信卫星传输技术在确定传输路径时的不足导致其延迟较高。

发明内容

针对上述至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种通过卫星网络的数据传输方法、卫星网络、装置和存储介质。

一方面，本发明实施例包括一种通过卫星网络的数据传输方法，包括：

控制或触发卫星网络中位于限制区域内的部分或全部所述通信卫星，以执行至少一跳转发，从而将地面源节点向所述卫星网络发送的数据包传输至地面目的节点；

在所述一跳转发中，以当前发出所述数据包的所述通信卫星为上一跳，以所述上一跳遍历所述限制区域内的相邻各所述通信卫星的积压度量差值最大值对应的所述通信卫星为下一跳，所述积压度量差值为相应两个所述通信卫星的积压度量之间的差值，每一所述通信卫星对应的所述积压度量由该所述通信卫星所缓存的数据包个数，以及该所述通信卫星相对于最后一跳之间的距离确定。

进一步地，所述数据传输方法还包括以下步骤：

以与所述地面源节点直接连接的所述通信卫星为第一跳，以与所述地面目的节点直接连接的所述通信卫星为所述最后一跳；

根据所述第一跳和所述最后一跳确定所述限制区域。

进一步地，所述根据所述第一跳和所述最后一跳确定所述限制区域，包括：

获取所述卫星网络对应的网络拓扑结构；

当所述网络拓扑结构为直线结构，以所述第一跳、所述最后一跳、所述第一跳和所述最后一跳之间的通信卫星组成所述限制区域；

当所述网络拓扑结构为矩形网状结构，以所述第一跳确定一个顶点，所述最后一跳确定一个对角顶点，从而确定所述矩形网状结构中的一个矩形，以位于所述矩形中的各所述通信卫星组成所述限制区域。

进一步地，每一所述通信卫星对应的所述积压度量，是该所述通信卫星所缓存的数据包个数，以及该所述通信卫星相对于最后一跳之间的距离所确定的延迟时间的加权和。

进一步地，在确定所述加权和时，所述通信卫星所缓存的数据包个数对应第一权重，该所述通信卫星相对于最后一跳之间的距离对应第二权重，所述第一权重与所述第二权重之和为定值。

进一步地，所述第一权重与所述第二权重之和为1。

进一步地，所述数据传输方法还包括：

当所述通信卫星的负载减小，根据所述负载减小的幅度相应调增该所述通信卫星对应的所述第二权重。

另一方面，本发明实施例还包括一种卫星网络，所述卫星网络包括多个通信卫星，所述卫星网络中的部分或全部所述通信卫星位于限制区域内；位于所述限制区域内的部分或全部所述通信卫星用于执行至少一跳转发，从而将地面源节点向所述卫星网络发送的数据包传输至地面目的节点；

另一方面，本发明实施例还包括一种计算机装置，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储至少一个程序，所述处理器用于加载所述至少一个程序以执行实施例中的通过卫星网络的数据传输方法。

另一方面，本发明实施例还包括一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行实施例中的通过卫星网络的数据传输方法。

本发明的有益效果是：实施例中的数据传输方法，通过设置限制区域能够降低网络开销，卫星网络在执行每一跳时，由作为上一跳的通信卫星执行搜索下一跳的程序，从而实现传输路径的分布计算，能够均衡各通信网络的负载，实现更高的流量平衡能力、数据传输率和吞吐量，而每个通信卫星在执行搜索下一跳的程序时，其使用的积压度量差值是根据通信卫星所缓存的数据包个数以及通信卫星相对于最后一跳之间的距离确定的，能够改善只考虑通信卫星所缓存的数据包个数时面临的高延迟问题。

附图说明

图1为实施例中卫星网络传输数据的方法的一个应用环境的示意图；

图2为实施例中卫星网络的网络拓扑结构示意图；

图3为实施例中卫星网络的网络拓扑结构为矩形网状结构时确定限制区域的示意图。

具体实施方式

本实施例中，通过卫星网络传输数据的方法的一个应用环境如图1所示，其中，地面源节点需要将数据流c中的一个数据包p发送至地面目的节点，地面源节点将数据包p发送至卫星网络中与地面源节点直接连接的通信卫星，即通过卫星网络传输数据过程中的第一跳。从第一跳开始，卫星网络执行一跳或多跳(hop)转发，每次转发都涉及到两个通信卫星，其中发出数据包的卫星称为该次转发中的上一跳，接收数据包的卫星称为该次转发中的下一跳。经过多次转发后，数据包p被发送至卫星网络传输数据过程中的最后一跳，由最后一跳将数据包p发送至地面目的节点。

为实现本实施例中的数据传输方法，卫星网络中的每颗通信卫星都计算自己的积压度量，每颗通信卫星计算自己的积压度量的过程的原理相同，可以针对其中一颗通信卫星计算自己的积压度量的过程进行说明。对于一颗编号为n的通信卫星(称为通信卫星n)，通信卫星n先将数据包p放入通信卫星n的缓存队列中，通信卫星n确定其与最后一跳即与地面目的节点直接连接的通信卫星之间的欧几里得距离D(p)，根据欧几里得距离D(p)与光速v，可以计算通信卫星n与最后一跳之间的欧几里得距离延迟T(p)，具体地，

通信卫星n检查其自己的缓存队列中有多少个数据包属于数据流c，这个数量为M_c，即通信卫星n的缓存队列中有M_c个数据包属于数据流c。通信卫星n设定第一权重α₁和第二权重α₂，具体地，第一权重α₁和第二权重α₂都是正数，且α₁+α₂＝1，通信卫星n通过公式

计算通信卫星n的积压度量，其中∑T(p)是指当通信卫星n的缓存队列中缓存了多个属于数据流c且需要发送至地面目的节点的数据包时，这些数据包各自对应的欧几里得距离延迟之和。

本实施例中，每颗通信卫星都可以独立调整其对应的第一权重α₁和第二权重α₂的大小，从而适应不同的网络情况，优化网络协议性能。例如，当一颗通信卫星的负载减小，该通信卫星可以根据负载减小的幅度，相应调增该通信卫星对应的第二权重α₂的大小，即该通信卫星的负载减小越多，该通信卫星调增该通信卫星对应的第二权重α₂越多，从而产生足够的压力将数据推向目的地。此外，当邻居节点数据包缓存相同或者相似时，通过调节权重，通信卫星选择离最后一跳距离近的下一跳卫星转发数据可降低网络延迟。

本实施例中，每次转发的过程原理相同，可以针对其中一次转发的过程进行说明。假设在其中一次转发中，通信卫星n作为上一跳，即通信卫星n在上一次转发中作为下一跳接收了数据包p，现在通信卫星n需要将数据包p发送至本次转发过程中的下一跳。通信卫星n遍历与自己相邻的通信卫星，计算通信卫星n的积压度量分别与其他通信卫星的积压度量之间的差值，从而获得多个积压度量差值，例如根据通信卫星n的积压度量

与通信卫星b的积压度量

所确定的积压度量差值为

通信卫星n搜索出多个积压度量差值中的最大值，将多个积压度量差值中的最大值对应的那个通信卫星确定为下一跳，即如果被确定为下一跳的通信卫星编号为b，那么b满足

在确定下一跳为通信卫星b之后，通信卫星n从缓存队列中读取出数据包p，将数据包p发送至通信卫星b。在下一次转发中，通信卫星b成为上一跳，参考通信卫星n搜索下一跳的程序，通信卫星b搜索下一跳并将数据包p发送至下一跳。

当经过至少一次转发，接收到数据包p的通信卫星可以直接覆盖到地面目的节点，可以不再触发下一次转发，由该通信卫星直接将数据包p发送至地面目的节点，完成数据包p的传输。

本实施例中，通信卫星可以是轨道高度为200km-2000km的低轨卫星，其所连成的网络拓扑结构可以如图2所示，每个通信卫星都有四条星间链路，因此每个通信卫星在确定下一跳时都有多种方式，这将形成从第一跳到最后一跳之间的多种可能路径，在通信网络中产生巨大的冗余转发。因此，本实施例中可以对通信卫星进行一定的限制，也就是所讨论的通信卫星并不是整个卫星网络中的任一卫星，而是整个卫星网络中的一部分，即限制范围内的通信卫星。

本实施例中，根据第一跳和最后一跳在通信网络的拓扑结构中的位置确定限制区域。图3所示的是卫星网络的网络拓扑结构为矩形网状结构的情况，即每个通信卫星都有四条星间链路，每个通信卫星都可以对应矩形网状结构中的一个网点。图3中，S为通过卫星网络传输数据过程中的第一跳，即与地面源节点直接连接的那个通信卫星，D为通过卫星网络传输数据过程中的最后一跳，即与地面目的节点直接连接的那个通信卫星，此时可以将图3中阴影部分的矩形确定为限制范围，即只有阴影部分的矩形中的各网点对应的通信卫星才在本实施例中的通过卫星网络的数据传输方法的考虑范围内，而非阴影部分中的各网点对应的通信卫星则不在本实施例中的通过卫星网络的数据传输方法的考虑范围内，也就是非阴影部分中的各网点对应的通信卫星不会成为传输过程中的任何一跳。当网络拓扑结构为直线结构，例如图3中的S和D在同一横线或者同一纵线上，以第一跳、最后一跳、第一跳和最后一跳之间的通信卫星组成限制区域。通过在通信网络中确定限制区域，可以减少过多的低效率的传输路径出现在计算过程中，能够减低传输路径确定过程的资源消耗量，释放通信卫星的性能。

可以通过编写执行本实施例中的通过卫星网络的数据传输方法的计算机程序，将该计算机程序写入至计算机装置或者存储介质中，将计算机装置或者存储介质作为卫星地面站或卫星的一部分。当将计算机装置或者存储介质放在卫星地面站时，卫星地面站能够控制卫星网络执行本实施例中的通过卫星网络的数据传输方法。将计算机装置或者存储介质作为卫星一部分时，卫星地面站将数据发送至卫星节点之后，卫星节点将在卫星网络中自主执行本实施例中的数据传输方法。

本实施例中，通过设置限制区域能够降低网络开销，卫星网络在执行每一跳时，由作为上一跳的通信卫星执行搜索下一跳的程序，从而实现传输路径的分布计算，能够均衡各通信网络的负载，实现更高的流量平衡能力、数据传输率和吞吐量，而每个通信卫星在执行搜索下一跳的程序时，其使用的积压度量差值是根据通信卫星所缓存的数据包个数以及通信卫星相对于最后一跳之间的距离确定的，能够改善只考虑通信卫星所缓存的数据包个数时面临的高延迟问题。进一步地，通过确定通信卫星所缓存的数据包个数以及通信卫星相对于最后一跳之间的距离各自的权重，能够降低对缓冲区容量的敏感度。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims

1.一种通过卫星网络的数据传输方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，所述数据传输方法还包括以下步骤：

根据所述第一跳和所述最后一跳确定所述限制区域。

3.根据权利要求2所述的数据传输方法，其特征在于，所述根据所述第一跳和所述最后一跳确定所述限制区域，包括：

获取所述卫星网络对应的网络拓扑结构；

4.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，每一所述通信卫星对应的所述积压度量，是该所述通信卫星所缓存的数据包个数，以及该所述通信卫星相对于最后一跳之间的距离所确定的延迟时间的加权和。

5.根据权利要求4所述的数据传输方法，其特征在于，在确定所述加权和时，所述通信卫星所缓存的数据包个数对应第一权重，该所述通信卫星相对于最后一跳之间的距离对应第二权重，所述第一权重与所述第二权重之和为定值。

6.根据权利要求5所述的数据传输方法，其特征在于，所述第一权重与所述第二权重之和为1。

7.根据权利要求5或6所述的数据传输方法，其特征在于，所述数据传输方法还包括：

当所述通信卫星的负载减小，根据所述负载减小的幅度相应调增该所述通信卫星对应的所述第二权重；

利用通信卫星相对于最后一跳之间的距离延迟，通过调节第一权重和第二权重，在负载均衡的同时降低网络延迟。

8.一种卫星网络，其特征在于，所述卫星网络包括多个通信卫星，所述卫星网络中的部分或全部所述通信卫星位于限制区域内；位于所述限制区域内的部分或全部所述通信卫星用于执行至少一跳转发，从而将地面源节点向所述卫星网络发送的数据包传输至地面目的节点；

9.一种计算机装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储至少一个程序，所述处理器用于加载所述至少一个程序以执行权利要求1-7任一项所述通过卫星网络的数据传输方法。

10.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如权利要求1-7任一项所述通过卫星网络的数据传输方法。