CN113347678A - 一种5g星座路由分区控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种5G星座路由分区控制方法，涉及星座通信领域。旨在解决卫星节点动态条件下业务传输路由控制问题。通过下述技术方案予以实现：该方法采用区域确定、路径计算、路径控制三个环节，集中网络控制器获取高椭圆轨道(HEO)/近地球轨道(LEO)卫星轨道、信关站(GS)部署、同步球轨道(GEO)卫星部署等信息，根据时间段确定拓扑结构，进而确定信关站管辖区域，并将区域拓扑发送给区域网络控制器，区域网络控制器计算区域路径，集中网络控制器计算地面路径，并将路径发到路径相关转发器。从而降低路径计算与控制的复杂度。本发明利用区域网络控制器、集中网络控制器协同计算路径和控制路由的方法，就可减少路径计算复杂度，减少路径控制的复杂性。

Description

一种5G星座路由分区控制方法
技术领域
本发明涉及星座通信领域，利用轨道特性、信关站部署、GEO部署等，形成全域和区域网络拓扑，通过集中网络控制器、区域网络争口气协同计算区域业务转发、全域业务转发路径，并根据星座特点，确定路径分发方法。
背景技术
随着5G网络技术、航天技术、互联网技术的快速发展，基于5G的卫星通信系统成为卫星互联网网络发展的主要趋势之一。
目前3GPP 5G卫星架构星间链路只考虑F1(DU上卫星)和Xn(gNB上卫星)接口，通过地面部署大量信关站的方式满足覆盖。
基于卫星巨星星座以及地面信关站部署等原因，星间链路通信不再只考虑一跳的情况，会涉及多跳传输问题。因此与地面移动通信网络类似，从某个卫星基站到地面核心网之间需要承载网络实现业务的承载。
基于星座特点，HEO/LEO星座、GEO星座、地面等三部分将构成卫星5G星座网络的承载网络。由于HEO/LEO星座的动态性能，导致星座承载网路由成为制约通信效能的主要问题。现有星座路由采用传统的方式，每个节点实现路由计算与数据转发。这对每个节点的能力要求太高，包括计算能力、存储能力等。引入控制与转发分离的思想，路径计算在地面完成，每个卫星节点接收路径控制、并完成数据转发。
由于星座类型、星座内卫星数量、信关站数量多等因素，导致转发面路径计算和控制复杂，引入分区计算和控制的思想。目前没有相关分区路由控制方法。
主要思想是区域与全域路径形成，再通过不同的地面节点发送给卫星节点转发器，以形成承载网的路径，支持NG接口业务、N9接口业务等转发。
发明内容
本发明的目的是针对gNB及部分UPF部署在卫星节点、核心网部署在地面的5G星座承载网路由的需求，提供一种集中、分区协同路径计算、源节点路径栈分发或逐跳路径分发的一种方式，为gNB通过多跳星间路径到地面核心网间业务承载提供支撑。
典型的5G的星座系统包括HEO/LEO星座、高轨星座、地面网络等组成，HEO/LEO表示高椭圆轨道/低轨道，网络元素主要包括gNB、SUPF(卫星UPF)、HEO/LEO卫星转发器节点(SRSE:HEO/LEO-AR+TR)、GEO卫星转发器节点(GEO-TR)、信关站转发器节点(G-TR+AR)、核心网(UPF或UPF+AMF)、区域网络控制器、集中网络控制器等组成，gNB表示基站，GEO卫星表示地球静止轨道卫星。HEO/LEO卫星转发器节点、GEO卫星转发器节点、信关站转发器节点构成星地承载网络，作为gNB和核心网间业务传输面的承载。区域网络控制器和集中网络控制器构成网络控制面，实现节点信息收集、路径计算、路径控制等。采用分层网络控制，区域网络控制器与信关站一一对应。
本发明技术方案为一种5G星座路由分区控制方法，该方法包括：
步骤1：构建卫星和信关站之间的区域网络拓扑；
步骤2：计算路径路径；
步骤2.1：集中网络控制器将区域网络拓扑信息发送给对应的区域网络控制器；
步骤2.2：区域网络控制器根据本区域网络拓扑，按照最短路径原则，结合区域内卫星节点状态信息，计算区域网络拓扑中每个卫星gNB与本区域信关站的路径，为星间路径；
步骤2.3：集中网络控制器根据固定的本星座地面网络拓扑信息，计算区域信关站之间、区域信关站到核心网的路径，为地面路径，该地面路径包括：数据面和控制面路径；
步骤2.4：集中控制器将地面路径信息及对应核心网的IP地址信息发送给区域信关站；
步骤2.5：区域信关站将星间路径与地面路径关联，形成从核心网到信关站再到每个gNB的前向路径以及gNB到信关站再到核心网的返向路径；每条gNB到信关站的路径、信关站到核心网的路径、核心网到信关站的路径和信关站到gNB的路径有唯一的路径编号；
步骤2.6：区域网络控制器将步骤2.5得到的路径信息发送给集中网络控制器；
步骤3：路径信息的转发；
步骤3.1：区域控制器将本区域信关站到gNB的星间路径信息表发送到本区域信关站转发器节点；
步骤3.2：集中控制器将其他信关站到本区域信关站的地面路径信息表发给其他区域信关站转发节点；
步骤3.3：区域网络控制器将星间路径与地面路径关联信息发送给本区域信关站转发器节点；
步骤3.4：区域控制器将gNB到信关站的星间路径信息表发送到本区每个卫星节点；
步骤3.5：集中控制器将对应的地面路径信息表发给该区域信关站转发节点；
步骤3.6：区域网络控制器将星间路径与地面路径关联信息发送给本区域信关站转发器节点。
进一步的，所述步骤1的具体方法为：
步骤1.1：集中网络控制器根据HEO/LEO轨道特性，按照时间段及节点状态信息确定HEO/LEO到HEO/LEO星间连接关系；所述节点状态信息主要为节点邻接点状态，通过节点返回的信息获取；
步骤1.2：集中网络控制器根据信关站部署位置、区域网络控制器上报的信关站连接能力(可连接卫星数、通信能力)，确定星地连接关系；首先通过仿真数据确定信关站可视卫星群，再根据信关站最大连接能力，按照距离最近、轨道面等分原则建立星地连接关系；
步骤1.3：集中网络控制器根据GEO卫星位置及其通信能力，确定HEO/LEO到GEO再到地面的连接关系；首先通过确定GEO卫星可视卫星群，再根据GEO卫星最大连接能力，按照距离最近、非星地连接、统一信关站原则建立星星地连接关系；
步骤1.4：根据当前时间段天气情况，确定信关站星地链路能力影响程度，再根据相邻信关站的影响程度，对星地连接关系进行调配；当因天气情况导致相邻信关站星地链路能力下降到额定阈值，则切换到相邻的连接能力大于当前链路的星地链路。
步骤1.5：根据星间连接关系、星地连接关系、星星地连接关系，确定全域网络拓扑。
步骤1.6：根据卫星到星地连接卫星的跳数最少原则，划分区域，形成区域网络拓扑。
进一步的，所述步骤1.4中当因天气情况导致相邻信关站星地链路能力下降50％时，则切换到相邻的连接能力大于当前链路50％的星地链路。
本发明相比于现有技术具有以下有益效果：降低路径计算与控制的复杂度。本发明利用区域网络控制器、集中网络控制器协同计算路径和控制路由的方法，就可减少路径计算复杂度，减少路径控制的复杂性。
附图说明
图1是5G星座典型场景图。
图2是5G星座路由分区控制方法拓扑形成示意图。
图3是5G星座路由分区法控制方式路径形成示意图。
图4是5G星座路由分区控制方法返向路径控制示意图。
图5是5G星座路由分区控制方法前向路径控制示意图。
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
具体实施方式
参阅图1。为典型的5G星座场景。
UNC：集中网络控制器，通常部署在控制中心，完成星座信息、拓扑信息、节点资源信息、节点全球信息等收集，完成全局路由计算、路由表配置等功能，以及完成区域信息下发功能。
ANC：区域网络控制器，部署在信关站，完成区域信息结束、区域路由计算、区域路由表配置等功能。
HEO/LEO-AR+TR：配置在HEO/LEO卫星上，具有gNB业务、UPF业务等接入、路由请求、路径栈压入等功能以及业务数据接收、路径栈弹出、业务数据转发等功能。
GEO-TR：配置在GEO卫星上，具有业务数据接收、路径栈弹出、业务数据转发等功能。
G-AR+TR：信关站转发节点，部署在信关站，具有gNB业务、UPF业务等接入、路由请求、路径栈压入等功能以及业务数据接收、路径栈弹出、业务数据转发等功能。
ACSN(区域连接卫星节点)：卫星转发器节点的一种，负责某个区域的卫星到地面信关站的连接。
SUPF：部署在卫星，实现T2T业务功能，主要是同一个SUPF内部用户间T2T。也可支撑少量卫星节点间UPF间业务传输。
CC：控制中心，星座运行管理控制中心，负责轨道信息、信关站部署信息、天气信息等获取，并送给集中网络控制器。
参阅图2。全域与区域拓扑形成流程。
步骤1：控制中心定时或轨道信息变化情况下向集中网络控制器发送HEO/LEO轨道信息，同时每个卫星转发器节点获取的邻接点关系信息(每个卫星部署邻接点发现功能实时获取相关信息，并通过相关途径发送到地面)定时或变化情况下发送给集中网络控制器。集中网络控制器对轨道仿真分析，确定时间段间隔。根据每个时间段卫星位置关系初步确定每个时间段的星间连接关系，在根据某个时间段前获取的卫星转发器节点邻接点关系，确定对应时间段的星间连接关系(HEO/LEO到HEO/LEO)。
步骤2：控制中心定时或信关站部署信息变化情况下向集中网络控制器发送信关站部署信息。信关站(通常是信关站管控设备)将信关站星地可连接数量、连接能力等信息发送给区域网络控制器，区域网络控制器再将相关信息送给集中网络控制器。集中网络控制器根据某个时间段的HEO/LEO卫星位置、地面信关站位置、每个信关站连接能力等信息，同时每个卫星转发器节点获取的邻接点关系信息(每个卫星部署邻接点发现功能实时获取相关信息，并通过相关途径发送到地面)定时或变化情况下发送给集中网络控制器。集中网络控制器对轨道仿真分析，确定时间段间隔。根据每个时间段卫星位置关系初步确定每个时间段的星间连接关系，再根据某个时间段前获取的卫星转发器节点邻接点关系，确定对应时间段的星间连接关系(HEO/LEO到HEO/LEO)。
步骤3：控制中心定时或GEO部署信息变化情况下向集中网络控制器发送GEO部署信息。GEO的信关站(通常是信关站管控设备)将GEO星间可连接数量、连接能力等信息发送给区域网络控制器，区域网络控制器再将相关信息送给集中网络控制器。集中网络控制器根据某个时间段的HEO/LEO卫星位置、GEO位置、每个GEO连接能力以及该时间段星地连接卫星等信息，选取非星地连接卫星建立连接，从而确定对应时间段的星间连接关系(HEO/LEO到GEO)。
步骤4：控制中心定时将各时间段天气信息送给集中网络控制器，集中网络控制器计算各时间段星地连接关系情况下天气对星地链路通信能力的影响程度，通常分为正常可用、能力受限可用和不可用三种状态。当某个信关站星地通信链路由正常可用变为能力受限可用或不可用，而相邻信关站对星地连接卫星可视、且星地链路通信能力比前述信关站好(正常可用或受限可用),将星地连接关系调配到后者。
步骤5：集中网络控制器根据星间连接关系、星地连接关系、星星地连接关系，确定全域网络拓扑(地面节点拓扑按照地面相关路由协议获取)，涵盖所有区域卫星转发器节点、GEO转发器节点、地面信关站转发器节点、核心网等。
步骤6：集中网络控制器根据其他HEO/LEO卫星到星地连接卫星的跳数最少原则，划分HEO/LEO卫星区域，每个卫星区域与该区域星地连接关系信关站关联，形成区域网络拓扑，涵盖某区域卫星转发器节点、有连接关系的GEO转发器节点及地面信关站转发器节点等。
参阅图3。路径形成流程。
步骤1：集中网络控制器将划分出的区域网络拓扑信息发送给区域网络控制器，包括所有不同时间段的拓扑相关信息以及下一个时间段拓扑变化相关信息。
步骤2：区域网络控制器根据本区域网络拓扑，按照最短路径(时延最小)原则，结合区域内卫星节点状态信息，如星间链路流量信息，为每个卫星gNB与本区域信关站计算路径(星间路径，从卫星转发器节点到信关站转发器节点)。在信关站支持GEO时，本区域网络控制器需要分析星地与星星地路径距离，当两者相当情况下，再根据两边传输能力及gNB流量情况，选择合适的路径，否则选择总距离最短路径。
步骤3：集中网络控制器采用地面路由信息收集方法，收集本星座地面网络拓扑信息。然后计算区域信关站之间、区域信关站到核心网的路径(地面路径)，包括地面所有UPF核心网、UPF+AMF核心网。
步骤4：控制中心将规划的相应核心网IP地址发送给集中网络控制器，集中网络控制器将地面路径信息及对应核心网的IP地址信息发送给区域信关站。
步骤5：区域信关站将星间路径与地面路径关联，即星间路径n、本地UPF核心网IP+地面路径n1、UPF+AMF核心网IP地址+地面路径n2，表示从核心网到信关站再到每个gNB的前向承载路径以及gNB到信关站再到核心网的返向承载路径。每条gNB到信关站的路径、信关站到核心网的路径、核心网到信关站的路径和信关站到gNB的路径有唯一的路径编号，地面两条路径与星间路径相关。
步骤6：区域网络控制器将相关路径信息发送给集中网络控制器，集中网络控制器对全网络路径进行统一监视管理。
参阅图4。前向路径控制过程。
步骤1:区域网络控制器将本区域信关站到gNB的星间路径信息表发送到本区域信关站转发器节点。CnOnSn代表某颗卫星，与卫星转发器IP、卫星gNB的IP对应。路径信息表包括路径号、卫星转发器IP+路径栈，路径栈包括信关站转发器节点出端口号、路径经过的每颗卫星转发器节点出端口号。
步骤2:集中网络控制器将其他信关站到该区域信关站的地面路径信息表发给其他区域信关站转发节点。路径信息包括路径号、卫星转发器IP、链路标号。
步骤3:区域网络控制器将星间路径与地面路径关联信息发送给本区域信关站转发器节点。关联信息包括卫星gNB的IP地址、星间路径号。
参考图5。返向路径控制过程。
步骤4：区域网络控制器将本区域某个gNB到信关站转发器节点的星间路径信息表发送到路径经过的每个卫星转发器节点。路径信息包括所有卫星gNB到信关站的路径，即每个路径号及出端口号，本地gNB接入卫星还包括目的核心网IP。
步骤5:集中网络控制器将对应的地面路径信息表发给该区域信关站转发节点。路径信息包括路径号、链路标号。
步骤6:区域网络控制器将星间路径与地面路径关联信息发送给本区域信关站转发器节点。关联信息包括卫星核心网的IP地址、星间路径号。
以上所述仅是实现5G星座路由控制的优选实施方案，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种5G星座路由分区控制方法，该方法包括：
步骤1：构建卫星和信关站之间的区域网络拓扑；
步骤2：计算路径路径；
步骤2.1：集中网络控制器将区域网络拓扑信息发送给对应的区域网络控制器；
步骤2.2：区域网络控制器根据本区域网络拓扑，按照最短路径原则，结合区域内卫星节点状态信息，计算区域网络拓扑中每个卫星gNB与本区域信关站的路径，为星间路径；
步骤2.3：集中网络控制器根据固定的本星座地面网络拓扑信息，计算区域信关站之间、区域信关站到核心网的路径，为地面路径，该地面路径包括：数据面和控制面路径；
步骤2.4：集中控制器将地面路径信息及对应核心网的IP地址信息发送给区域信关站；
步骤2.5：区域信关站将星间路径与地面路径关联，形成从核心网到信关站再到每个gNB的前向路径以及gNB到信关站再到核心网的返向路径；每条gNB到信关站的路径、信关站到核心网的路径、核心网到信关站的路径和信关站到gNB的路径有唯一的路径编号；
步骤2.6：区域网络控制器将步骤2.5得到的路径信息发送给集中网络控制器；
步骤3：路径信息的转发；
步骤3.1：区域控制器将本区域信关站到gNB的星间路径信息表发送到本区域信关站转发器节点；
步骤3.2：集中控制器将其他信关站到本区域信关站的地面路径信息表发给其他区域信关站转发节点；
步骤3.3：区域网络控制器将星间路径与地面路径关联信息发送给本区域信关站转发器节点；
步骤3.4：区域控制器将gNB到信关站的星间路径信息表发送到本区每个卫星节点；
步骤3.5：集中控制器将对应的地面路径信息表发给该区域信关站转发节点；
步骤3.6：区域网络控制器将星间路径与地面路径关联信息发送给本区域信关站转发器节点。
2.如权利要求1所述的一种5G星座路由分区控制方法，其特征在于，所述步骤1的具体方法为：
步骤1.1：集中网络控制器根据HEO/LEO轨道特性，按照时间段及节点状态信息确定HEO/LEO到HEO/LEO星间连接关系；所述节点状态信息主要为节点邻接点状态，通过节点返回的信息获取；
步骤1.2：集中网络控制器根据信关站部署位置、区域网络控制器上报的信关站连接能力，确定星地连接关系；首先通过仿真数据确定信关站可视卫星群，再根据信关站最大连接能力，按照距离最近、轨道面等分原则建立星地连接关系；
步骤1.3：集中网络控制器根据GEO卫星位置及其通信能力，确定HEO/LEO到GEO再到地面的连接关系；首先通过确定GEO卫星可视卫星群，再根据GEO卫星最大连接能力，按照距离最近、非星地连接、统一信关站原则建立星星地连接关系；
步骤1.4：根据当前时间段天气情况，确定信关站星地链路能力影响程度，再根据相邻信关站的影响程度，对星地连接关系进行调配；当因天气情况导致相邻信关站星地链路能力下降到额定阈值，则切换到相邻的连接能力大于当前链路的星地链路。
步骤1.5：根据星间连接关系、星地连接关系、星星地连接关系，确定全域网络拓扑。
步骤1.6：根据卫星到星地连接卫星的跳数最少原则，划分区域，形成区域网络拓扑。
3.如权利要求2所述的一种5G星座路由分区控制方法，其特征在于所述步骤1.4中当因天气情况导致相邻信关站星地链路能力下降50％时，则切换到相邻的连接能力大于当前链路50％的星地链路。
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