CN112953625A - 一种超大规模低轨卫星网络运维及资源管控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超大规模低轨卫星网络运维及资源管控方法，首先MEO卫星收集LEO卫星上报的地理位置信息；接着MEO卫星根据LEO卫星的地理位置，对超大规模LEO卫星网络进行分层管理；所述分层管理模式包括分组管理和分簇管理；每个LEO分组的所有簇头作为LEO‑MEO通信头节点，每个分组的LEO‑MEO通信头节点与对应的MEO通过层间链路IOL建立连接；LEO簇成员周期性地将自己的状态信息上报给对应的簇头LEO卫星，MEO卫星进行汇总；相比现有的卫星网络运维方法，本发明可以实现超大规模星座系统的轻量级快速控制，可以达到分钟级的运维响应速度，可以提升周期性状态信息收集效率，确保网络服务的连续性和一致性。

Description

一种超大规模低轨卫星网络运维及资源管控方法
技术领域
本发明涉及卫星网络运维管理技术领域，主要涉及一种超大规模低轨卫星网络运维及资源管控方法。
背景技术
卫星网络由于其不受限与地理限制，而且支持长距离同行、灵活联网及其他固有特点，可以在任何地方提供全球高效的广播或组播服务。低轨星座网络由于其主要业务卫星为低轨卫星，其到地面的端到端时延最小，可以满足现在大部分的时延敏感业务，所以是所有卫星网络中最有发展潜力的一种。
超大规模低轨星座网络是以大量的LEO卫星分布在多个轨道平面组成的星座，该星座网络拥有实时获取、传输和处理空间信息等功能。而超大规模低轨卫星网络有以下优点：1.从性能上讲，传播时延大幅减小，可以支持时延敏感的业务；同时，容量大，有能力进行数十万的并发连接。2.频谱利用率更高。开始使用28GHz这样接近毫米波的频段。3.可以使用的星间链路。信息可以在各卫星间传输，并通过目的地上方的卫星直接发送给地面上的目标基站。
星座网络中节点间信息交互是星座网络运维中一个关键问题，对于大规模低轨星座来说，若是只凭借低轨卫星自己进行信息交互十分困难的，在单层卫星网络中，各个卫星所处轨道高度基本相同，各卫星性能也几乎没有差异，所以相互之间想要获得相关信息只有通过分布式的方式交换信息。这种方法存在许多问题：信令开销过大；节点维护全局信息成本过高；运维信息更新需要时间过长等。为了解决上述问题，人们开始考虑改变单层卫星结构，改为构建多层星座网络。
多层卫星网络，相较于单层卫星网络，多层卫星网络结构拓扑变化更加剧烈，其原因有以下几点:(1)LEO层和其他层内的轨道间链路会周期性地切换；(2)不同层间卫星运动速度不同，LEO卫星和MEO卫星或GEO(Geosynchronous Earth Orbit)卫星层间链路切换频繁；(3)卫星星座的选择以及不同层间卫星初始位置都会对链路切换产生影响。
经过对现有文献的检索发现，周云晖等人于2006年10月在《计算机学报》上发表了题为“一种基于时隙划分的三层卫星网络QoS路由协议”的文章。该文章提出了一种由三层轨道卫星(LEO/MEO/GEO)构成的卫星网络体系结构，该结构中同层中各卫星之间以及不同层的各卫星之间都存在星间链路，提高了星间链路的使用效率。低层卫星负责向高层卫星提供链路相关信息，高层卫星根据收集到的信息进行路由的计算，并分发到各个低层卫星上。其优点是降低了信令开销，同时，将计算过程集中到高层卫星上，减少了低层卫星的资源消耗，使得卫星网络的通信质量得到了保障。
经过对现有文献的检索发现，杨力等人于2012年10月在《宇航学报》上发表了题为“一种GEO/LEO双层卫星网络路由算法及仿真研究”的文章。该文章提出了一种GEO/LEO双层卫星网络架构，将GEO卫星作为管理者，而离地较近的LEO层卫星作为业务层负责数据的传输和交换。文章提出了VLRA算法进行分簇管理，LEO簇头收集成员信息，再发送给GEO卫星进行收集、交换、汇总，最终形成一个全局的链路状态信息表，通过相反方向将路由更新给各LEO卫星。
经过对现有文献的检索发现，潘成胜等人于2017年在《系统仿真学报》上发表了题为“一种实现MEO/LEO网络快速收敛的动态路由协议”的文章。该文章提出了一种MEO/LEO双层卫星网络架构，根据MEO的覆盖范围进行分簇，MEO卫星作为簇首，限制了链路状态报告扩散的开销，提高了网络稳定性。
综上所述，现有技术存在的问题是：(1)卫星层数过多。高层轨道卫星的职能不明确，存在职能冲突的问题。(2)GEO卫星作为管理层，其与LEO卫星的端到端时延过高导致的系统响应不及时。(3)现有技术都是基于数十颗规模的星座网络，对于超大规模低轨星座来说，管理节点任务过重。解决上述技术问题的意义在于：可以实现超大规模星座系统的轻量级快速控制，可以达到分钟级的运维响应速度，可以提升周期性状态信息收集效率，确保网络服务的连续性和一致性。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种超大规模低轨卫星网络运维及资源管控方法，选取了若干颗MEO卫星对超大规模低轨星座进行管理，可以对超大规模低轨星座网络中各网络节点的信息进行精细化管理，同时，可以达到分钟级的运维响应速度。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种超大规模低轨卫星网络运维及资源管控方法，包括以下步骤：
步骤S1、MEO卫星收集LEO卫星上报的地理位置信息；
步骤S2、MEO卫星根据LEO卫星的地理位置，对超大规模LEO卫星网络进行分层管理；所述分层管理模式包括分组管理和分簇管理；所述分组管理包括：
LEO卫星选择通信范围覆盖自身的最近的MEO卫星作为自身归属的MEO卫星，此时单个MEO卫星覆盖若干个LEO卫星，将这些LEO卫星作为一组，则对应的MEO卫星即为该分组的管理者；
所述分簇管理包括如下步骤：
步骤S2.1、每个LEO卫星节点将与自己一跳连接的邻居节点上报给MEO卫星；
步骤S2.2、MEO卫星基于自己分组下LEO卫星的位置信息及连接情况，由分组分簇的递阶分层算法计算分组内LEO卫星的分簇情况和簇头选取情况，选取各个簇头LEO卫星；
步骤S2.3、MEO卫星发送分簇结果至各个簇头LEO卫星，仅与簇头LEO卫星建立层间链路连接，簇头LEO卫星再将簇内的路由情况下发至各个簇成员LEO卫星；
步骤S3、簇成员LEO卫星周期性地将自己的状态信息上报给对应的簇头LEO卫星，由MEO卫星收集并相互交换得到全局信息。
进一步地，所述步骤S1中LEO卫星上报的地理位置信息具体步骤如下：
步骤S1.1、MEO卫星广播ping信息至自己通信覆盖范围内的LEO卫星；
步骤S1.2、收到ping信息的LEO卫星返回ping信息给MEO卫星，则MEO卫星即可获取通信范围内LEO卫星的位置信息，包括经度、纬度和半径。
进一步地，所述步骤S2.2中通过分组分簇的递阶分层算法计算分组内LEO卫星的分簇情况和簇头选取情况，选取簇头LEO卫星，具体步骤如下：
步骤S2.2.1、在位置服务辅助下，将包括LEO卫星运行轨道的外层空间划分成N个分布均匀的初始簇，其中初始簇个数N与每个MEO卫星覆盖的LEO卫星个数成正比；
步骤S2.2.2、选择LEO卫星密度最大的初始簇作为中心，合并周围8个初始簇；设定一个簇内最大LEO卫星节点数最大值为NMax；建立簇时，按簇节点密度Si从大至小的顺序依次并入周围的簇，合并的同时检查簇Ci的节点数目Di，当Di>NMax时，则跳过簇Ci，继续合并下一个簇；同时检查簇的边长比例，当簇Ci与簇Cj合并后边长尺寸超过预设分簇规模限制时，则取消合并；
步骤S2.2.3、合并结束后，簇内的每个LEO卫星节点计算出簇内其他节点到本节点的跳数，采用最小跳数法选取簇首LEO卫星；LEO卫星节点将位置信息上报给管理自己的MEO卫星，成簇进程和簇首选取过程在MEO卫星管理节点中执行，结束后传输给LEO卫星节点。
进一步地，所述步骤S2.2.3中选取簇首LEO卫星的方法包括：
随机选取簇Cij中的一个节点作为初始簇头，通过A*算法计算初始簇头到其他所有节点的总跳数；再随机选取并计算另一个节点到其他所有节点的总跳数；当总跳数小于初始簇头的总跳数时，则将该节点作为新簇头，否则簇头不变；依次遍历簇内所有节点。
有益效果：
本发明基于地球低轨道卫星与火箭发射技术的发展，提出了一种快速响应的超大规模低轨卫星网络运维与资源管控方法，为保障未来的超大规模低轨卫星网络的运行提供了一个能快速响应的运维与资源管控方案。通过搭建MEO(Medium Earth Orbit)/LEO(LowEarth Orbit)双层递阶网络，以MEO卫星作为管理层，管理超大规模低轨卫星星座；MEO卫星基于LEO的地理位置对超大规模低轨星座进行分层管理：分组管理和分簇管理；每个LEO分组的所有簇头作为LEO-MEO通信头节点，每个分组的LEO-MEO通信头节点与对应的MEO通过层间链路建立连接；LEO簇成员周期性地将自己的状态信息上报给对应的簇头LEO卫星，MEO卫星进行汇总。相比现有的卫星网络运维方法，本发明可以实现超大规模星座系统的轻量级快速控制，可以达到分钟级的运维响应速度，可以提升周期性状态信息收集效率，确保网络服务的连续性和一致性。
附图说明
图1是本发明提供的MEO/LEO双层递阶网络星座场景图；
图2是本发明提供的MEO/LEO双层递阶网络运维步骤示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例采用图1所示的MEO/LEO双层递阶网络星座，提出了一种利用MEO层卫星对LEO层卫星进行管理的快速响应的超大规模低轨卫星网络运维与资源管控方法。本场景中，设定空中共有M颗MEO卫星，共同管理L颗LEO卫星(M较小，10左右；L很大，1万左右)。
为了应对拓扑变化提高运维效率，我们采用如下分层管理策略，包括分组管理策略和分簇管理策略。
假设LEO层的卫星均匀分布，且通过分组由MEO层的卫星平分管理，那么每颗MEO卫星仍然需要管理至少1000颗的LEO卫星，在分钟级别的时隙中，这样的网络系统仍然存在巨大的运维与资源管理压力，所以在分组的基础上，本实施例增加了LEO卫星的分簇管理，由簇头LEO卫星收集本簇内各节点的信息，汇总后发送给当前的分组管理者MEO卫星，进一步减少IOL层间链路，进一步的简化了网络。
在该实例场景中，该MEO/LEO双层递阶网络在准备运行时，由于卫星每时每刻都在发生着位置的变化，所以需要将连贯时间划分为一个个的时隙，在每个时隙内，卫星网络的拓扑结构视为不变的。理论上，最贴近现实情况的时隙划分方法是每当网络拓扑结构发生变化就划分一个新的时隙，然而这种方法在万颗级别的超大规模低轨星座网络中是无法实现的。由于卫星数量过多，按照理想情况划分时隙就会造成时隙长度太小，每进入一个新的时隙，分组管理和分簇管理就需要重新进行，信令开销将会是难以承受的。同样，如果为了减少计算量而一味的延长时隙的长度将会导致同一时隙内计算使用的卫星网络拓扑与实际网络拓扑差距过大，从而使得卫星网络的可靠性、运维与资源管理效果都大打折扣。本实例中选择时间切片的长度为1分钟，从而可以兼顾信令开销的控制以及运维管理的效果。
下面分三步对本发明提出的运维及资源管控方法进行描述：
步骤S1、MEO卫星收集LEO卫星上报的地理位置信息。具体地，
步骤S1.1、MEO卫星广播ping信息至自己通信覆盖范围内的LEO卫星；
步骤S1.2、收到ping信息的LEO卫星返回ping信息给MEO卫星，则MEO卫星即可获取通信范围内LEO卫星的位置信息，包括经度、纬度和半径。
步骤S2、MEO卫星根据LEO卫星的地理位置，对超大规模LEO卫星网络进行分层管理。分层管理模式包括分组管理和分簇管理。
(一)、分组管理
LEO卫星选择通信范围覆盖自身的最近的MEO卫星作为自身归属的MEO卫星，此时单个MEO卫星覆盖若干个LEO卫星，将这些LEO卫星作为一组，则对应的MEO卫星即为该分组的管理者。
具体地，一个LEO分组Li是指被同一颗MEO卫星Mi覆盖的所有LEO卫星组成的集合，Li＝{Li,j|j＝1,…,N(Li)},N(Li)代表Li分组中LEO卫星的数量，则对应的MEO卫星Mi为管理者。若存在一颗LEO由2颗MEO同时覆盖的情况，则选择离自己最近的MEO卫星作为管理者。每颗MEO卫星都管理一个LEO分组，MEO卫星通过层间链路与分组内的LEO卫星连接。管理每个组内LEO卫星的MEO卫星作为该组的管理节点。
分组管理具有以下优点：
①分组管理使每颗低层卫星只会和一个上层卫星通过IOL连接，简化了网络拓扑；②当需要收集网路中所有链路信息，管理者易收集组内信息，管理者之间交换信息，使全网信息收集更加快速、有序；
③运维管理和状态信息传输分开，加快了运维响应速度。
(二)、分簇管理
由于LEO卫星数目众多，同一个MEO卫星管理下的LEO卫星数目也很庞大(1000颗左右)，这样会导致在路由中包含过多LEO卫星，延时过高。若MEO卫星与组内的每一颗LEO卫星都建立IOL，会使得节点之间变得更加复杂，因此更进一步对同一个MEO卫星管理下的LEO卫星进行分簇，减少不必要的IOL，实现MEO/LEO双层网络层次化管理和对巨星座系统的运维和资源管控。
步骤S2.1、每个LEO卫星节点将与自己一跳连接的邻居节点上报给MEO卫星。
步骤S2.2、MEO卫星基于自己分组下LEO卫星的位置信息及连接情况，由分组分簇的递阶分层算法计算分组内LEO卫星的分簇情况和簇头选取情况，选取各个簇头LEO卫星。
具体地，步骤S2.2.1、在位置服务辅助下，将包括LEO卫星运行轨道的外层空间划分成N个分布均匀的初始簇，其中初始簇个数N与每个MEO卫星覆盖的LEO卫星个数成正比；
步骤S2.2.2、选择LEO卫星密度最大的初始簇作为中心，合并周围8个初始簇；设定一个簇内最大LEO卫星节点数最大值为NMax；建立簇时，按簇节点密度Si从大至小的顺序依次并入周围的簇，合并的同时检查簇Ci的节点数目Di，当Di>NMax时，则跳过簇Ci，继续合并下一个簇；同时检查簇的边长比例，当簇Ci与簇Cj合并后边长尺寸超过超过预设分簇规模限制时，则取消合并；
步骤S2.2.3、合并结束后，簇内的每个LEO卫星节点计算出簇内其他节点到本节点的跳数，采用最小跳数法选取簇首LEO卫星；LEO卫星节点将位置信息上报给管理自己的MEO卫星，成簇进程和簇首选取过程在MEO卫星管理节点中执行，结束后传输给LEO卫星节点。
其中，选取簇首LEO卫星的方法如下：
随机选取簇Cij中的一个节点作为初始簇头，通过A*算法计算初始簇头到其他所有节点的总跳数；再随机选取并计算另一个节点到其他所有节点的总跳数；当总跳数小于初始簇头的总跳数时，则将该节点作为新簇头，否则簇头不变；依次遍历簇内所有节点。
步骤S2.3、MEO卫星发送分簇结果至各个簇头LEO卫星，仅与簇头LEO卫星建立层间链路连接，簇头LEO卫星再将簇内的路由情况下发至各个簇成员LEO卫星。
分簇管理具有如下优点：
①分簇后只有簇头与MEO卫星建立IOL，进一步简化了网络拓扑；
②簇内信息经过簇头收集汇总再上报给MEO卫星，可以进一步加快全网信息收集速度；
③在运维过程中相关指令可以更快地传达到目标卫星群，提高了运维效率。
步骤S3、每个LEO分组的所有簇头作为LEO-MEO通信头节点，簇成员LEO周期性地将自己的状态信息上报给对应的簇头LEO，每个分组的LEO-MEO通信头节点与对应的MEO通过层间链路建立连接，由MEO卫星收集并相互交换得到全局信息。
MEO卫星基于自己分组下LEO的位置信息以及连接情况，通过上述递阶分层算法计算分组内LEO卫星的分簇情况及选取簇头。在簇头选定后，MEO可以对应得到各簇的最佳路由表。同时MEO卫星间进行信息共享，从而每个MEO卫星都存储着LEO层卫星的路由情况。MEO卫星发送分簇结果及各簇的最佳路由表至各个簇头LEO卫星，且MEO卫星仅与簇头LEO卫星建立层间链路连接，簇头LEO卫星再将簇内的最佳路由表发至各个簇成员LEO卫星。
在日常维护卫星网络时，我们对整个MEO/LEO双层网络的状态实行周期性收集。所有LEO层卫星的状态信息上传至MEO层，并且多个MEO之间实现状态信息共享，通过MEO卫星实现对LEO层卫星网络状态的运维管控。由于前面提出的分层递阶架构在分组分簇之后LEO层只通过簇头和一个MEO卫星通过IOL连接，简化了网络拓扑，且每个MEO只需为组内LEO卫星计算路由表，加快了计算速度，我们基于此架构实施周期性的状态收集。当周期性地收集卫星网络状态时，只需要LEO卫星通过发送信令传递节点信息及链路状态即可。具体路由表信令结构如下表1所示：
表1成簇过程中路由表信令结构
节点ID 分组ID 分簇ID 节点类型 经纬度 下一跳 时间戳
Node_id Group_id Cluster_id Node_type Cur-pos Next_hop Time_stamp
从成簇进程可知，每个簇成员LEO与簇头LEO存储本簇所有节点的路由表，而每一个MEO存储着整个LEO网络的路由表，其中路由表是由A*算法计算最短路径获得。由于信令信息数据量较小，在进行信令转发时，由簇头LEO收集本簇所有LEO的信息再由簇头上传至MEO卫星的时延及卫星负载在可控范围内。同时，整个LEO层卫星网络的状态经由多个簇头LEO发送给MEO，可以大大降低单个LEO在上传所有LEO层卫星的状态信息时的负荷以及单个卫星的存储量。卫星之间的通信模式为激光通信，只要存在激光链路，就可以进行传输。因此对于一颗卫星而言，多颗卫星可以同时传输数据给某一颗卫星，某一颗卫星也可以同时与多颗卫星进行传输。
具体而言，假设收集周期为T，代表在进行分组分簇时的时隙长度，即一分钟。如图2所示，在每个周期开始，MEO发起状态收集指令，即MEO广播状态信息收集的指令给自己分组下的簇头LEO卫星；簇头LEO卫星收集到信令后，通过存储在簇头LEO的最佳路由表将状态信息收集的指令发送至本簇内的所有LEO卫星；当簇成员LEO节点接收到指令后，便通过访问存储在节点的最佳路由表按照最短路径发送已经填入自己状态信息及对应的前向链路状态信息的信令发送给对应的簇头LEO卫星。各个簇头LEO完成本簇LEO节点的状态信息更新后，同时填入自己的状态信息通过层间链路将本簇的状态信息发送给管理头MEO。因此，一个MEO会接收同一个分组下多个LEO簇头的状态信息。各个簇之间的状态收集同时进行，同时各个MEO之间的状态信息收集也同时进行。通过MEO卫星间的状态信息共享，每颗MEO都能获得LEO层卫星的运行状态，从而实现对LEO层卫星的管理。其中发送的信令信息结构如下表2所示：
表2运维过程中发送的信令信息结构
Figure BDA0003040634200000081
Figure BDA0003040634200000091
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种超大规模低轨卫星网络运维及资源管控方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、MEO卫星收集LEO卫星上报的地理位置信息；
步骤S2、MEO卫星根据LEO卫星的地理位置，对超大规模LEO卫星网络进行分层管理；所述分层管理模式包括分组管理和分簇管理；所述分组管理包括：
LEO卫星选择通信范围覆盖自身的最近的MEO卫星作为自身归属的MEO卫星，此时单个MEO卫星覆盖若干个LEO卫星，将这些LEO卫星作为一组，则对应的MEO卫星即为该分组的管理者；
所述分簇管理包括如下步骤：
步骤S2.1、每个LEO卫星节点将与自己一跳连接的邻居节点上报给MEO卫星；
步骤S2.2、MEO卫星基于自己分组下LEO卫星的位置信息及连接情况，由分组分簇的递阶分层算法计算分组内LEO卫星的分簇情况和簇头选取情况，选取各个簇头LEO卫星；
步骤S2.3、MEO卫星发送分簇结果至各个簇头LEO卫星，仅与簇头LEO卫星建立层间链路IOL(Inter-Orbit-Links)连接，簇头LEO卫星再将簇内的路由情况下发至各个簇成员LEO卫星；
步骤S3、簇成员LEO卫星周期性地将自己的状态信息上报给对应的簇头LEO卫星，由MEO卫星收集并相互交换得到全局信息。
2.根据权利要求1所述的一种超大规模低轨卫星网络运维及资源管控方法，其特征在于，所述步骤S1中LEO卫星上报的地理位置信息具体步骤如下：
步骤S1.1、MEO卫星广播ping信息至自己通信覆盖范围内的LEO卫星；
步骤S1.2、收到ping信息的LEO卫星返回ping信息给MEO卫星，则MEO卫星即可获取通信范围内LEO卫星的位置信息，包括经度、纬度和半径。
3.根据权利要求1所述的一种超大规模低轨卫星网络运维及资源管控方法，其特征在于，所述步骤S2.2中通过分组分簇的递阶分层算法计算分组内LEO卫星的分簇情况和簇头选取情况，选取簇头LEO卫星，具体步骤如下：
步骤S2.2.1、在位置服务辅助下，将包括LEO卫星运行轨道的外层空间划分成N个分布均匀的初始簇，其中初始簇个数N与每个MEO卫星覆盖的LEO卫星个数成正比；
步骤S2.2.2、选择LEO卫星密度最大的初始簇作为中心，合并周围8个初始簇；设定一个簇内最大LEO卫星节点数最大值为NMax；建立簇时，按簇节点密度Si从大至小的顺序依次并入周围的簇，合并的同时检查簇Ci的节点数目Di，当Di>NMax时，则跳过簇Ci，继续合并下一个簇；同时检查簇的边长比例，当簇Ci与簇Cj合并后边长尺寸超过预设分簇规模时，则取消合并；
步骤S2.2.3、合并结束后，簇内的每个LEO卫星节点计算出簇内其他节点到本节点的跳数，采用最小跳数法选取簇首LEO卫星；LEO卫星节点将位置信息上报给管理自己的MEO卫星，成簇进程和簇首选取过程在MEO卫星管理节点中执行，结束后传输给LEO卫星节点。
4.根据权利要求3所述的一种超大规模低轨卫星网络运维及资源管控方法，其特征在于，所述步骤S2.2.3中选取簇首LEO卫星的方法包括：
随机选取簇Cij中的一个节点作为初始簇头，通过A*算法计算初始簇头到其他所有节点的总跳数；再随机选取并计算另一个节点到其他所有节点的总跳数；当总跳数小于初始簇头的总跳数时，则将该节点作为新簇头，否则簇头不变；依次遍历簇内所有节点。
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