CN113067625A - 基于区域划分的卫星网络多业务QoS选路方法 - Google Patents

基于区域划分的卫星网络多业务QoS选路方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于区域划分的卫星网络多业务QoS选路方法，主要解决现有技术因业务通过信关站就近下地产生的漏斗形流量造成部分星地、星间链路拥塞和计算复杂度过高的问题。其实现方案是：将LEO卫星网络划分为轻负载区域和重负载区域；控制中心离线计算轻负载区域卫星节点路由路径并上注静态路由表；重负载区域卫星采用基于链路状态的路由算法分业务类型按需求计算动态路由路径表；源卫星节点根据其路由路径表构造数据分组；数据分组通过源路由转发方式由卫星网络分区域转发至地面信关站。本发明有效的降低了星上计算复杂度，改善了漏斗形流量造成的拥塞问题，为不同类型业务提供了良好的QoS保障，可用于实现卫星网络流量负载均衡。

Description

基于区域划分的卫星网络多业务QoS选路方法
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，特别涉及一种卫星网络选路方法，可用于实现卫星网络流量负载均衡，提高卫星网络对不同业务的QoS保障能力。
背景技术
卫星通信具有覆盖范围广、通信容量大、通信稳定性好，便于实现全球覆盖等优点，被认为是未来6G通信时代最受瞩目的热点技术之一，其拥有广阔的应用前景。1998年，第一个真正意义上具备星上交换和星上处理能力的卫星网络Iridium铱星通信系统投入运行之后，全世界科学家对卫星网络的研究逐渐进入高潮。
卫星网络，是指通过星间链路和星地链路将多颗卫星、地面信关站相连接进行组网，并实现各种通信服务的网络，具有覆盖范围广、实现无缝覆盖等优点，是地面通信系统的延伸和扩展。通过卫星网络承载的业务需要通过信关站落地，连接到地面网络。卫星网络需要解决星间路由与交换，以及移动性管理等问题。
随着卫星通信技术的快速发展，低地球轨道LEO卫星网络具有的研制周期短、发射难度小、制造成本低、技术更新快等优点使其成为未来面向服务的应用型通信卫星的发展方向。LEO卫星网络中用户对通信的实时性、传输时延、丢包情况以及带宽资源的服务要求较高，其通过同一轨道内或不同轨道间的一系列星间链路构成了一个拓扑结构动态变化的多跳自组织网络。但相比于地面移动自组织网络中节点的随机运动，LEO卫星节点的运动具有显著的周期性规律，因而其网络拓扑结构具有一定的可预测性，利用这一特点，可以极大地提高卫星网络的运行效率和资源利用率。
由于我国不能在全球各地布设信关站，所以卫星网络业务需要通过我国境内的信关站落地。但是由于全球用户流量分布不均匀，且信关站的分布范围有限，使得星上数据向地面信关站的头顶星汇聚再通过头顶星就近下地的流量整体呈漏斗形流量模型，这种流量模型使得相关星地链路和星间链路的负担加重，增大了网络发生大规模拥塞出现的危险，难以保证卫星业务的服务质量QoS。因此，卫星网络的QoS选路问题值得深入研究。
根据卫星网络的业务需求和特点，卫星网络保证业务QoS选路方法应该解决以下问题：
1)适应卫星网络高速动态拓扑。
卫星网络选路方法应首先具备适应卫星网络拓扑频繁切换的能力，尽可能快速得到可选路径，避免选路过程中因为网络拓扑变化，带来链路状态更新不及时或路径选择难以收敛等不良影响。
2)解决负载不均衡问题。
由于地面流量分布不均匀和信关站分布范围有限，大量下地流量会分布到少数的星间链路和星地链路，导致漏斗形流量问题加重，容易造成网络拥塞，难以保证服务质量。
3)考虑不同业务的对网络的不同需求。
地面网络的发展推动了卫星通信多媒体业务的发展，用户对网络中各种业务的服务也提出了更高的要求。针对LEO卫星网络其传输业务类型多、数据量大、需求多样化的特点，为不同业务提供有效的路由策略是十分重要的，因此所设计选路方法应该考虑多业务需求。
4)减少星上计算的复杂度。
由空间环境、功耗等因素的影响，LEO卫星不能像地面设备那样具有强大的处理能力，因此所设计选路方法应该在星上具备简单宜于实施的特点，这样才能更好地应用于卫星网络环境中。
目前，LEO卫星网络路由策略并没有一个具有普遍适应性的标准化协议体系或技术框架。现有的各种解决方案适应性不强，未充分考虑网络应用场景和流量分布不均衡问题，也没有考虑卫星网络流量通过信关站头顶星就近下地造成的漏斗形流量问题。虽然现有许多技术方案通过引入启发式算法如蚁群算法、遗传算法等来求解由多QoS约束造成的NP完全问题的最优解，以得到最优路由路径，但是其均需要进行多次复杂迭代计算，这对于LEO卫星星上系统的计算能力、存储能力要求苛刻，并且路由信令开销大。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于区域划分的卫星网络多业务QoS选路方法，以在实现负载均衡的同时对各种业务提供QoS保障，并降低星上计算复杂度，减少路由信令开销。
本发明的技术方案是这样实现的：
1.一种基于区域划分的卫星网络多业务QoS选路方法，所述区域是指：卫星网络中的若干卫星节点构成的空间网络区域，其特征在于，包括如下：
(1)根据卫星网络虚拟拓扑策略，将卫星网络运行周期划分为不同时间片，计算各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑；
(2)根据各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑确定卫星与地面覆盖区域映射关系，并根据该映射关系确定该时间片各卫星业务权重TS，S为卫星全网唯一标识；
(3)根据各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑中卫星反向缝位置将卫星网络虚拟拓扑划分为重负载区域和轻负载区域，重载负载区域的节点包含卫星节点和信关站节点，轻负载区域节点只有卫星节点；
(4)根据各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑，控制中心以离线计算方式计算轻负载区域卫星节点路由路径，并上注至对应卫星静态路由路径表RS中；
(5)各时间片的重负载区域卫星节点根据重负载区域网络链路状态，依据业务类型按需计算重负载区域路由路径，并保存至卫星动态路由路径表RD中；
(6)业务源卫星节点根据其路由路径表构造源路由数据分组并发送分组；
(6a)轻负载区域的业务源卫星节点根据其静态路由路径表RS构造源路由数据分组并发送；
(6b)重负载区域的业务源卫星节点根据其动态路由路径表RD选择相应业务类型路径构造源路由数据分组并发送；
(7)转发卫星节点收到数据分组，根据源路由转发机制进行数据分组转发；
(7a)轻负载区域的卫星节点收到数据分组后，根据源路由转发机制向下一跳节点转发数据分组；
(7b)重负载区域的卫星节点收到数据分组后，根据数据分组接收端口和邻居卫星的映射关系确定上一跳卫星节点，并判断上一跳卫星节点是否为轻负载区域的卫星节点：
若是，则以当前重负载区域卫星节点为业务源卫星节点，返回(6b)；
否则，则根据源路由转发机制向下一跳节点转发数据分组。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明由于使用地面控制中心离线计算轻负载区域卫星节点路由路径并按时间片上注，无需通过轻负载区域卫星节点计算路由路径，从而降低了星上计算复杂度；
2、本发明由于在地面控制中心离线计算轻负载区卫星节点路由路径时，通过动态调整链路代价权重，实现了更好的负载均衡；
4、本发明通过重负载区域卫星节点使用基于链路状态的分布式路由算法为不同类型的业务按需计算路由路径，更好地保障了不同类型业务的QoS需求；
5、本发明由于只在重负载区域内部泛洪链路状态信息，相比较于全网泛洪链路状态信息，降低了路由的信令开销；
6、本发明采用源路由转发机制进行数据分组的转发，降低了星上转发处理复杂度。
附图说明
图1为现有LEO卫星网络拓扑场景图；
图2为本发明的实现总流程图；
图3为本发明中重负载区域和轻负载区域划分图；
图4为本发明中计算轻负载区域路由的子流程图；
图5为本发明中计算重负载区域路由的子流程图；
图6为本发明中数据分组格式图；
图7为本发明中的数据转发子流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明的实施例和效果作进一步详细描述。
参照图1，本实施例中使用的LEO卫星网络采用近极轨星座为场景。其反向缝两侧的卫星不建立连接，轨道1和轨道2的卫星之间不建立轨间连接。当轨间相邻的两颗卫星均运动到纬度大于75°的极圈内时，轨间相邻的两颗卫星断开轨间连接，如卫星A和卫星B星均在极圈内时，轨间链路断开。每个卫星最多包含4条星间链路，即轨内两条和轨间两条，最少包含2条星间链路，即轨内两条。
本实例选取星座构型为6个轨道，每个轨道12颗卫星的极轨卫星星座。卫星节点使用SXXYY方式标识，XX表示卫星轨道编号，YY表示卫星轨内编号，如S0101，表示1轨道的第1颗卫星。
参照图2，本发明基于区域划分的卫星网络多业务QoS选路方法，实现步骤如下：
步骤1：根据卫星网络虚拟拓扑策略，将卫星网络运行周期划分为不同时间片，计算各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑。
本步骤实现步骤如下：
(1.1)设n为卫星网络卫星节点数量，不同的时间片为t1,t2,...,tk,...,tm，m为时间片的数量，对于第k个时间片tk，将卫星网络连接拓扑用有向图
Figure BDA0002980060310000051
表示，其中，V＝{v1,v2,...,vn}为卫星网络卫星节点集合，
Figure BDA0002980060310000052
为可用星间链路集合；
(1.2)设eij表示从第i个卫星到第j个卫星的星间链路，当eij为可用星间链路时，取值为1，否则，取值为0，即
Figure BDA0002980060310000053
(1.3)根据eij计算有向图
Figure BDA0002980060310000054
的邻接矩阵
Figure BDA0002980060310000055
得到第k个时间片tk的卫星网络虚拟拓扑；
(1.4)重复(1.1)-(1.3)共m次，得到所有时间片的卫星网络虚拟拓扑。
步骤2：根据各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑确定卫星与地面覆盖区域映射关系，并根据该映射关系确定该时间片各卫星业务权重TS，S为卫星全网唯一标识。
在本实例中，根据6个轨道，每个轨道12颗卫星，将地面区域划分为不同的72个地面覆盖区域，每个区域经度跨度为30°，纬度跨度为30°，并统一编号，取值1～72。如表1所示。
表1地面区域划分
Figure BDA0002980060310000056
在全球范围内，由于人口分布不均造成网络流量分布不均，因此卫星网络的流量分布和卫星所处的地理位置密切相关。本实例根据真实地面网络密度分布数据，得到每个地面覆盖区域的归一化业务权重值，如表2所示：
表2地面覆盖区域归一化业务权重值
区域编号 业务权重 区域编号 业务权重 区域编号 业务权重
1 0.0379 25 0.0279 49 0.016
2 1 26 0.7166 50 0.1976
3 0.3872 27 0.497 51 0.1238
4 0.0739 28 0.0758 52 0
5 0.0279 29 0.008 53 0
6 0 30 0 54 0
7 0.0299 31 0.0279 55 0.016
8 0.2295 32 0.016 56 0.1637
9 0.1876 33 0.004 57 0.2874
10 0.1497 34 0.001 58 0.152
11 0 35 0.014 59 0.0519
12 0 36 0 60 0
13 0.0319 37 0.0519 61 0.008
14 0.3094 38 0.0419 62 0.004
15 0.8802 39 0.0399 63 0.0379
16 0 40 0.004 64 0.1617
17 0.004 41 0.002 65 0.0599
18 0 42 0 66 0
19 0.0319 43 0.0479 67 0.006
20 0.5729 44 0.0818 68 0.2675
21 0.9541 45 0.002 69 0.0878
22 0.0599 46 0.004 70 0.008
23 0.004 47 0 71 0
24 0 48 0 72 0
本实例，根据时间片对应的虚拟拓扑中卫星的位置，确定卫星网络中72颗卫星和72个地面覆盖区域的映射关系，结果如表3所示：
表3卫星和地面覆盖区域映射
区域编号 卫星编号 区域编号 卫星编号 区域编号 卫星编号
1 S0304 25 S0103 49 S0503
2 S0305 26 S0102 50 S0502
3 S0306 27 S0101 51 S0501
4 S0307 28 S0112 52 S0512
5 S0308 29 S0111 53 S0511
6 S0309 30 S0110 54 S0510
7 S0404 31 S0203 55 S0603
8 S0405 32 S0202 56 S0602
9 S0406 33 S0201 57 S0601
10 S0407 34 S0212 58 S0612
11 S0408 35 S0211 59 S0611
12 S0409 36 S0210 60 S0610
13 S0504 37 S0303 61 S0104
14 S0505 38 S0302 62 S0105
15 S0506 39 S0301 63 S0106
16 S0507 40 S0312 64 S0107
17 S0508 41 S0311 65 S0108
18 S0509 42 S0310 66 S0109
19 S0604 43 S0403 67 S0204
20 S0605 44 S0402 68 S0205
21 S0606 45 S0401 69 S0206
22 S0607 46 S0412 70 S0207
23 S0608 47 S0411 71 S0208
24 S0609 48 S0410 72 S0209
本实例中，根据卫星和地面覆盖区域映射以及地面覆盖区域归一化业务权重值，得到卫星网络中72颗卫星该时间片下各自的业务权重，如表4所示：
表4各卫星业务权重
卫星编号 业务权重 卫星编号 业务权重 卫星编号 业务权重
S0304 0.0379 S0103 0.0279 S0503 0.016
S0305 1 S0102 0.7166 S0502 0.1976
S0306 0.3872 S0101 0.497 S0501 0.1238
S0307 0.0739 S0112 0.0758 S0512 0
S0308 0.0279 S0111 0.008 S0511 0
S0309 0 S0110 0 S0510 0
S0404 0.0299 S0203 0.0279 S0603 0.016
S0405 0.2295 S0202 0.016 S0602 0.1637
S0406 0.1876 S0201 0.004 S0601 0.2874
S0407 0.1497 S0212 0.001 S0612 0.152
S0408 0 S0211 0.014 S0611 0.0519
S0409 0 S0210 0 S0610 0
S0504 0.0319 S0303 0.0519 S0104 0.008
S0505 0.3094 S0302 0.0419 S0105 0.004
S0506 0.8802 S0301 0.0399 S0106 0.0379
S0507 0 S0312 0.004 S0107 0.1617
S0508 0.004 S0311 0.002 S0108 0.0599
S0509 0 S0310 0 S0109 0
S0604 0.0319 S0403 0.0479 S0204 0.006
S0605 0.5729 S0402 0.0818 S0205 0.2675
S0606 0.9541 S0401 0.002 S0206 0.0878
S0607 0.0599 S0412 0.004 S0207 0.008
S0608 0.004 S0411 0 S0208 0
S0609 0 S0410 0 S0209 0
步骤3：根据各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑中卫星反向缝位置将卫星网络虚拟拓扑划分为重负载区域和轻负载区域。
(3.1)将信关站区域上空的卫星网络区域划为重负载区域，标记为H(X,Y)，X表示重负载区域包含的轨道数，Y为重负载区域包含的同轨道卫星数；重载负载区域的节点包含卫星节点和信关站节点，轻负载区域节点只有卫星节点；
当卫星反向缝位置处于信关站上空区域时，将重负载区域H(X,Y)以卫星反向缝为界再划分为两个独立子区域H(X1,Y)和H(X2,Y)，且满足X1+X2＝X；
当卫星反向缝位置处于信关站上空区域外部时，重负载区域H(X,Y)为卫星反向缝之间的一个完整区域；
(3.2)将重负载区域H(X,Y)以外的卫星网络区域划为轻负载区域。
本实例选取星座构型为6个轨道，每个轨道12颗卫星的极轨卫星星座。卫星节点使用SXXYY方式标识，XX表示卫星轨道编号，YY表示卫星轨内编号，如S0101，表示1轨道的第1颗卫星。选取重负载区域的大小为H(6,5)信关站个数为4，处于地面覆盖区域14、20、21、26，分别记为S1、S2、S3、S4。卫星反向缝位置为卫星1轨和6轨之间，即S01YY和S06YY之间的区域。
根据表3所示的卫星和地面覆盖区域映射可知，信关站S1、S2、S3、S4的头顶星分别为S0505、S0605、S0606、S0102，如图3所示。图3所示虚线框内部表示重负载区域，虚线框外部表示轻负载区域。其中第二个信关站S2头顶星S0605和和第四个信关站S4头顶星S0102处于反向缝两边，即反向缝处于信关站区域内部上空，所以反向缝将重载区域H(6,5)再划分为H(4,5)和H(2,5)两个子区域，该H(4,5)子区域由S0304、S0305、S0306、S0307、S0308、S0404、S0405、S0406、S0407、S0408、S0504、S0505、S0506、S0507、S0508、S0604、S0605、S0606、S0607、S0608组成，该H(2,5)子区域由S0103、S0102、S0101、S0112、S0111、S0203、S0202、S0201、S0212、S0211组成。
步骤4：根据各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑，控制中心以离线计算方式计算轻负载区域卫星节点路由路径，并上注至对应卫星静态路由路径表RD中。
参照图4，本步骤的实现步骤如下：
(4.1)设当前时间片为tk，Δt表示时间片tk长度，dij(t)表示第i个卫星到第j个卫星的星间链路eij在时刻t的长度，根据下式计算卫星星间链路平均链路长度
Figure BDA0002980060310000101
Figure BDA0002980060310000102
(4.2)根据卫星星间链路平均链路长度
Figure BDA0002980060310000103
计算链路代价矩阵：W＝(wij)n×n，其中，n为卫星网络卫星节点数量，
Figure BDA0002980060310000104
为第i个卫星到第j个卫星之间链路代价，
Figure BDA0002980060310000105
分别表示平均链路长度的最大值和最小值；
(4.3)选择轻负载区域卫星节点S为源节点，各个信关站头顶星Dm为目的节点，其中m＝1,2,3,4，使用链路代价矩阵W作为Dijkstra算法节点距离矩阵，得到S到各个信关站头顶星Dm的最短路径pm(S,Dm)和其对应的路径代价Cm，从p1(S,D1)，p2(S,D2)p3(S,D3)，p4(S,D4)中取路径代价最小的路径p(S,D)作为输出路径；
(4.4)在链路代价矩阵W中更新路径p(S,D)包含的星间链路eij的链路代价wij为：wi'j＝wij+TS,式中，TS为卫星S的业务权重，wi'j为更新后星间链路eij当前的链路代价；
(4.5)判断所有轻载区卫星节点路由路径是否计算完成：若是，则控制中心上注路由路径至各轻载区域卫星节点静态路由表RS，否则，返回(4.3)。
本实例中，信关站S1，S2，S3，S4的头顶星分别为S0505，S0605，S0606，S0102。以计算S0205卫星路由路径为例，通过Dijkstra计算出S0205到各个信关站的头顶星的最短路径，如表5所示。
表5 S0205到各个信关站的头顶星的最短路径
最短路径 路径代价
S0205→S0305→S0405→S0505 0.25
S0205→S0305→S0405→S0505→S0605 0.42
S0205→S0305→S0405→S0505→S0606→S0606 0.65
S0205→S0204→S0203→S0202→S0102 0.48
取代价最小路径为输出路径，即路径S0205→S0305→S0405→S0505。
该时间片下S0205的业务权重TS0205为0.2675，因此将代价矩阵W中链路S0205→S0305，S0305→S0405,S0405→S0505对应的链路代价根据(4.4)进行更新。
使用更新后的代价矩阵W计算其他轻负载区域卫星路由路径。计算完所有轻负载区域卫星后，将路由路径表上注至各个卫星静态路由表。
步骤5：各时间片的重负载区域卫星节点根据重负载区域网络链路状态，依据业务类型按需计算重负载区域路由路径，并保存至卫星动态路由路径表RD中。
参照图5，本步骤的实现步骤如下：
(5.1)重负载区域卫星节点收到其他节点的链路状态分组，按照分组中的链路状态信息更新链路平均剩余带宽矩阵B、链路平均传输时延矩阵D和链路平均丢包率矩阵R；
(5.2)根据更新后的链路平均传输时延矩阵D计算当前Class A类业务路由路径PA的时延：
Figure BDA0002980060310000111
其中，eij为节点i到节点j的链路，ldij∈D，为链路eij的平均时延；
(5.3)判断当前Class A类业务路由路径PA的时延
Figure BDA0002980060310000112
和最大传输时延Dmax的大小关系：
若
Figure BDA0002980060310000113
则将当前平均传输时延矩阵D作为Dijkstra算法节点距离矩阵，更新PA，再使用Dijkstra算法得到与PA不相交的路径，作为Class C类业务路由路径PC；
否则，不做处理；
(5.4)根据当前链路平均丢包率矩阵R计算当前Class B类业务路由路径PB路径丢包率：
Figure BDA0002980060310000114
其中，eij为节点i到节点j的链路，lrij∈R为链路eij的平均丢包率；
(5.5)判断当前Class B类业务路由路径PB路径丢包率
Figure BDA0002980060310000115
与最大传输丢包率Lmax的大小关系：若
Figure BDA0002980060310000116
则在当前平均传输时延矩阵D中去链路剩余带宽小于最小传输带宽Bmin的链路，重新使用Dijkstra算法更新PB路径；否则，不做处理。
本实例中，设定Dmax＝80ms，Lmax＝0.05，Bmin＝10Mbps。
设重负载区域卫星S0305的PA路径为S0305→S0405→S0505→S2；
设PB路径为S0305→S0405→S0406→S0506→S0606→S3；
设PC路径为S0305→S0405→S0406→S0506→S0606→S3；
S0305收到其他卫星的链路状态后，更新链路平均剩余带宽矩阵B、链路平均传输时延矩阵D和链路平均丢包率矩阵R。
根据
Figure BDA0002980060310000121
计算获得，
Figure BDA0002980060310000122
因此对PA、PC路径不作处理；
根据
Figure BDA0002980060310000123
计算获得，
Figure BDA0002980060310000124
因此需要从当前链路平均传输时延矩阵D剩余带宽小于最小传输带宽Bmin的路径，使用Dijkstra算法更新PB路径，得到新的PB为：S0305→S0306→S0307→S0406→S0506→S0606→S3。
步骤6：业务源卫星节点根据其路由路径表构造源路由数据分组并发送分组。
(6.1)轻负载区域的业务源卫星节点根据其静态路由路径表RS构造源路由数据分组并发送；
(6.2)重负载区域的业务源卫星节点根据其动态路由路径表RD选择相应业务类型路径构造源路由数据分组并发送。
本实例中，设轻负载区域卫星节点S0101的静态路由路径表RS路由路径为：
S0110→S0109→S0108→S0207→S0206→S0306；
本实例中，设重负载区域卫星节点S0306的动态路由路径表RD中Class A、Class B和Class C业务路由路径分别为：
PA：S0306→S0406→S0506→S0606→S3；
PB：S0306→S0406→S0506→S0606→S3；
PC：S0306→S0305→S0405→S0505→S2。
本实例中，设负载区域卫星S0101有Class A类型数据分组发往信关站，则构造源路由数据分组，该数据分组结构如图6所示。其中数据类型Type字段为Class A，源地址Src字段为S0101，目的地址Dest字段为S0306，传输路径Path字段为S0109→S0108→S0207→S0206→S0306，分组载荷Payload字段为数据真实内容。
本实例中，设重载区域卫星S0306有Class A类型数据分组发往信关站，则构造源路由数据分组，该数据分组结构如图6所示。其中数据类型Type字段为Class A，源地址Src字段为S0306，目的地址Dest字段为S3，传输路径Path字段为S0406→S0506→S0606→S3，分组载荷Payload字段为数据真实内容。
步骤7：转发卫星节点收到数据分组，根据源路由转发机制进行数据分组转发。
参照图7，本步骤实现步骤如下：
(7.1)轻负载区域的卫星节点收到数据分组后，根据源路由转发机制向下一跳节点转发数据分组；
(7.2)重负载区域的卫星节点收到数据分组后，根据数据分组接收端口和邻居卫星的映射关系确定上一跳卫星节点，并判断上一跳卫星节点是否为轻负载区域的卫星节点：
若是，则以当前重负载区域卫星节点为业务源卫星节点，返回(6.2)；
否则，则根据源路由转发机制向下一跳节点转发数据分组。
本实例中，设轻负载区域卫星节点S0110产生Class A类数据分组发往信关站，S0110静态路由表RS中路由路径为：S0110→S0109→S0108→S0207→S0206→S0306，路径中S0109、S0108、S0207、S0206为轻负载区域卫星节点，S0306为重负载区域卫星节点。
本实例中，设重负载区域卫星节点S0306的动态路由表RD中Class A业务的路由路径PA为：S0306→S0406→S0506→S0606→S3，其中S0406、S0506、S0606为重负载区域卫星节点。
本实例中，设卫星运行方向的接收端口为上端口，卫星运行反方向接收端口为下端口，卫星卫星方向左边接收端口为左端口，卫星方向右边接收端口为右端口，每个端口都有邻居卫星节点。设S0306的接收端口和邻居卫星的映射关系如表6所示：
表6 S0306接收端口和邻居卫星映射关系
Figure BDA0002980060310000131
Figure BDA0002980060310000141
轻负载区域卫星节点S0110产生Class A类数据分组的转发流程为：当轻负载区域S0109收到来自S0110的数据分组，分组中传输路径Path为：
S0109→S0108→S0207→S0206→S0306。S0109将分组传输路由路径Path更新为S0108→S0207→S0206→S0306，并向下一跳S0108转发数据分组。S0108、S0207和S0206收到该数据分组后，执行与S0109相同的操作，直到数据包转发到重负载区域卫星S0306。
重负载区域卫星S0306收到来自卫星S0110的数据分组，根据其接收端口和邻居关系的映射关系得到上一跳卫星S0206为轻载区域卫星节点；然后提取数据包业务类型，得到业务类型为Class A类业务，将数据分组Dest字段更新为S3；再将数据分组传输路径Path更新为S0406→S0506→S0606→S3，并向下一跳S0406转发。S0406、S0506执行与S0109相同的转发操作，最后由S0606将数据包通过星间链路发往信关站S3。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (9)

1.一种基于区域划分的卫星网络多业务QoS选路方法，所述区域是指：卫星网络中的若干卫星节点构成的空间网络区域，其特征在于，包括如下：
(1)根据卫星网络虚拟拓扑策略，将卫星网络运行周期划分为不同时间片，计算各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑；
(2)根据各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑确定卫星与地面覆盖区域映射关系，并根据该映射关系确定该时间片各卫星业务权重TS，S为卫星全网唯一标识；
(3)根据各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑中卫星反向缝位置将卫星网络虚拟拓扑划分为重负载区域和轻负载区域，重载负载区域的节点包含卫星节点和信关站节点，轻负载区域节点只有卫星节点；
(4)根据各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑，控制中心以离线计算方式计算轻负载区域卫星节点路由路径，并上注至对应卫星静态路由路径表RS中；
(5)各时间片的重负载区域卫星节点根据重负载区域网络链路状态，依据业务类型按需计算重负载区域路由路径，并保存至卫星动态路由路径表RD中；
(6)业务源卫星节点根据其路由路径表构造源路由数据分组并发送分组；
(6a)轻负载区域的业务源卫星节点根据其静态路由路径表RS构造源路由数据分组并发送；
(6b)重负载区域的业务源卫星节点根据其动态路由路径表RD选择相应业务类型路径构造源路由数据分组并发送；
(7)转发卫星节点收到数据分组，根据源路由转发机制进行数据分组转发；
(7a)轻负载区域的卫星节点收到数据分组后，根据源路由转发机制向下一跳节点转发数据分组；
(7b)重负载区域的卫星节点收到数据分组后，根据数据分组接收端口和邻居卫星的映射关系确定上一跳卫星节点，并判断上一跳卫星节点是否为轻负载区域的卫星节点：
若是，则以当前重负载区域卫星节点为业务源卫星节点，返回(6b)；
否则，则根据源路由转发机制向下一跳节点转发数据分组。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(1)中的卫星网络虚拟拓扑策略，是指将整个卫星网络运行周期按长度为Δt的等长时间划分为若干个等长时间片，每个时间片内卫星网络连接拓扑视为不变。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(1)中计算各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑，实现如下：
(1a)设n为卫星网络卫星节点数量，不同的时间片为t1,t2,...,tk,...,tm，m为时间片的数量，对于第k个时间片tk，将卫星网络连接拓扑用有向图
Figure FDA0002980060300000021
表示，其中，V＝{v1,v2,...,vn}为卫星网络卫星节点集合，
Figure FDA0002980060300000022
为可用星间链路集合；
(1b)设eij表示从第i个卫星到第j个卫星的星间链路，当eij为可用星间链路时，取值为1，否则，取值为0，即
Figure FDA0002980060300000023
(1c)根据eij计算有向图
Figure FDA0002980060300000024
的邻接矩阵
Figure FDA0002980060300000025
得到第k个时间片tk的卫星网络虚拟拓扑；
(1d)重复(1a)-(1c)共m次，得到所有时间片的卫星网络虚拟拓扑。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(2)中根据各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑确定卫星与地面覆盖区域映射关系，实现如下：
(2a)设n为卫星网络卫星节点数量，根据卫星网络中轨道数量和每条轨道的卫星数量，将地面依据经纬度均匀划分为不同的地面覆盖区域：R＝{r1,r2,...,rn}；
(2b)根据卫星在各时间片内运动的经纬度，确定其在各个时间片映射的地面覆盖区域，得到各时间片卫星和地面覆盖区域的映射关系。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(2)中根据卫星与地面覆盖区域映射关系确定该时间片各卫星业务权重TS，是根据卫星与地面覆盖区域映射关系，得到卫星在该时间片映射的地面覆盖区域，该映射地面覆盖区域业务的权重即为卫星的业务权重TS。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(3)中根据卫星反向缝位置将卫星网络虚拟拓扑划分为重负载区域和轻负载区域，实现如下：
(3a)将信关站区域上空的卫星网络区域划为重负载区域，标记为H(X,Y)，X表示重负载区域包含的轨道数，Y为重负载区域包含的同轨道卫星数；
当卫星反向缝位置处于信关站上空区域时，将重负载区域H(X,Y)以卫星反向缝为界划分为两个独立子区域H(X1,Y)和H(X2,Y)，且满足X1+X2＝X；
当卫星反向缝位置处于信关站上空区域外部时，重负载区域H(X,Y)为卫星反向缝之间的一个完整区域；
(3b)将重负载区域H(X,Y)以外的卫星网络区域划为轻负载区域。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(4)中所述控制中心以离线计算方式计算轻负载区域卫星节点路由路径，实现如下：
(4a)设当前时间片为tk，Δt表示时间片tk长度，dij(t)表示第i个卫星到第j个卫星的星间链路eij在时刻t的长度，根据下式计算卫星星间链路平均链路长度
Figure FDA0002980060300000031
Figure FDA0002980060300000032
(4b)根据卫星星间链路平均链路长度
Figure FDA0002980060300000033
计算链路代价矩阵：
W＝(wij)n×n，
其中，n为卫星网络卫星节点数量，
Figure FDA0002980060300000034
为第i个卫星到第j个卫星之间链路代价，
Figure FDA0002980060300000035
分别表示平均链路长度的最大值和最小值；
(4c)选择轻负载区域卫星节点S为源节点，信关站头顶星D为目的节点，使用链路代价矩阵W作为Dijkstra算法节点距离矩阵，计算S到信关站头顶星D的最短路径p(S,D)；
(4d)在链路代价矩阵W中更新路径p(S,D)包含的星间链路eij的链路代价wij：
w'ij＝wij+TS；
上式中，TS为卫星S的业务权重，w'ij为更新后星间链路eij当前的链路代价；
(4e)判断所有轻载区卫星节点路由路径是否计算完成：
若是，则控制中心上注路由路径至各轻载区域卫星节点静态路由表RS，
否则，返回(4c)。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(5)中所述根据业务类型按需计算重负载区域路由路径，实现如下：
(5a)重负载区域卫星节点收到其他节点的链路状态分组，按照分组中的链路状态信息更新链路平均剩余带宽矩阵B、链路平均传输时延矩阵D和链路平均丢包率矩阵R；
(5b)根据当前链路平均传输时延矩阵D计算当前Class A类业务路由路径PA的时延：
Figure FDA0002980060300000041
其中，eij为节点i到节点j的链路，ldij∈D，为链路eij的平均时延；
(5c)判断当前Class A类业务路由路径PA的时延
Figure FDA0002980060300000042
与最大传输时延Dmax的大小关系：
若
Figure FDA0002980060300000043
则将当前平均传输时延矩阵D作为Dijkstra算法节点距离矩阵，重新计算PA，再使用Dijkstra算法计算与PA不相交的路径，作为Class C类业务路由路径PC；
否则，不做处理；
(5d)根据当前链路平均丢包率矩阵R计算当前Class B类业务路由路径PB路径丢包率：
Figure FDA0002980060300000044
其中，eij为节点i到节点j的链路，lrij∈R为链路eij的平均丢包率；
(5e)判断当前Class B类业务路由路径PB路径丢包率
Figure FDA0002980060300000051
与最大传输丢包率Lmax的大小关系：
若
Figure FDA0002980060300000052
则在当前平均传输时延矩阵D中去链路剩余带宽小于最小传输带宽Bmin的链路，重新使用Dijkstra算法计算PB路径；
否则，不做处理。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(7b)中的根据数据分组接收端口和邻居卫星的映射关系确定上一跳卫星节点，是指根据数据分组的接收端口，通过查找接收端口和邻居卫星节点的映射表，得到上一跳卫星节点。
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