CN114095067A - 一种多层卫星网络动态路由方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多层卫星网络动态路由方法及系统。该方法包括：初始化低轨卫星的单层路由节点卫星数阈值、中轨卫星的接入流量阈值以及高轨卫星的暂时占用时间阈值；更新多层卫星网络各层卫星的星上缓存路由信息；获取业务请求；根据所述业务请求、所述单层路由节点卫星数阈值、所述接入流量阈值、所述暂时占用时间阈值以及各层卫星的星上缓存路由信息确定路由通信方案；所述路由通信方案包括在低轨卫星内进行单层路由通信、低轨层/中轨层双层路由通信以及低轨层/高轨层双层路由通信。本发明能够在大规模卫星网络中准确预测流量以动态调整路由。

Description

一种多层卫星网络动态路由方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，特别是涉及一种多层卫星网络动态路由方法及系统。

背景技术

卫星通信网络可分为单层卫星网络与多层卫星网络，与单层网络相比，多层卫星通信网络因为具有覆盖范围广、网络容量大、传输时延短等特性，近年来得到了人们的广泛关注和研究。多层卫星网络包含高轨、中轨、低轨卫星三部分，卫星间链路灵活多样，从而增加了通信系统的鲁棒性，使得网络在某些链路或者卫星故障的情况下，能够快速恢复正常通信。

随着5G技术的应用与6G技术的研究，世界各国都将卫星通信作为下一代通信发展的重中之重，陆续出台各项计划抓紧建设全球卫星网络，尤其是低轨卫星网络。未来低轨卫星的数量将会以数百个甚至数千个的庞大规模，实现对地面的多重覆盖以保障高速通信与高质量通信。因此单层卫星网络远远不能满足未来卫星通信网络的需求，亟需研究多层卫星网络技术来保障卫星通信系统建设。其中大规模的低轨卫星对多层卫星网络路由技术提出了巨大的挑战，有必要提出一种有效的路由方法来充分利用多层卫星资源，动态调整不同优先级业务的路由方案。

多层卫星网络以其大规模与复杂的拓扑结构，在路由策略上相对于单层卫星网络需要考虑更多因素，例如单层低轨网络路由策略主要考虑路径的选择与节点卫星的拥塞程度，综合时延与QoS质量等因素选取最佳路径；而多层卫星网络路由策略在满足单层低轨路由策略之外，还需考虑上层接入的中轨卫星节点卫星的拥塞程度与链路保持时间，甚至还需考虑第三层高轨卫星在路由策略中的作用。本发明的方法可以综合考虑各层卫星传输性能，保证系统平均传输时延性能得到有效优化。现有的多层卫星网络路由方法不能充分利用单层网络来获取低时延路径，不能在大规模卫星网络中准确预测流量以动态调整路由。

发明内容

本发明的目的是提供一种多层卫星网络动态路由方法及系统，以解决现有的多层卫星网络路由方法不能充分利用单层网络来获取低时延路径，不能在大规模卫星网络中准确预测流量以动态调整路由的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种多层卫星网络动态路由方法，包括：

初始化低轨卫星的单层路由节点卫星数阈值、中轨卫星的接入流量阈值以及高轨卫星的暂时占用时间阈值；

更新多层卫星网络各层卫星的星上缓存路由信息；

获取业务请求；

根据所述业务请求、所述单层路由节点卫星数阈值、所述接入流量阈值、所述暂时占用时间阈值以及各层卫星的星上缓存路由信息确定路由通信方案；所述路由通信方案包括在低轨卫星内进行单层路由通信、低轨层/中轨层双层路由通信以及低轨层/高轨层双层路由通信。

可选的，所述初始化低轨卫星的单层路由节点卫星数阈值、中轨卫星的接入流量阈值以及高轨卫星的暂时占用时间阈值，具体包括：

设定不同的单层路由节点卫星数阈值；

确定不同的单层路由节点卫星数阈值下所述低轨卫星的卫星平均传输时延；

选取所述卫星平均传输时延最低的单层路由节点卫星数阈值初始化所述低轨卫星的单层路由节点卫星数阈值；

获取中轨卫星参数；所述中轨卫星参数包括中轨卫星的队列长度、节点卫星业务传输量、接入的低轨卫星数量；

根据所述中轨卫星参数加权计算所述中轨卫星的接入流量阈值；

获取所述多层卫星网络的拓扑规模以及拓扑运行周期；

根据所述拓扑规模以及所述拓扑运行周期确定所述高轨卫星的暂时占用时间阈值。

可选的，所述确定不同的单层路由节点卫星数阈值下所述低轨卫星的卫星平均传输时延，具体包括：

利用公式

确定任一单层路由节点卫星数阈值下所述低轨卫星的卫星平均传输时延；其中，

为卫星平均传输时延；D(n)为卫星n的传输总时延；N为低轨层中节点卫星数量；n为不同目的节点卫星的标号；D_tr(n)为路径传播时延；K(n)为当前路径卫星节点卫星数；D_cal为计算时延；D_sd为数据发送时延。

可选的，所述根据所述中轨卫星参数加权计算所述中轨卫星的接入流量阈值，具体包括：

利用公式F(m)＝σ₁w(m)+σ₂f(m)+σ₃k(m)计算所述中轨卫星的接入流量阈值；其中，F(m)为中轨卫星的接入流量阈值，m为中轨卫星标号；w(m)为当前时刻的中轨层节点卫星等待接入的队列长度；f(m)为当前时刻的中轨层节点卫星的节点卫星业务传输量；k(m)为当前时刻的中轨层接入的低轨卫星数量，即中轨层维持的与低轨层的层间链路数量；σ₁、σ₂、σ₃分别为所述队列长度、所述节点卫星业务传输量以及所述接入低轨卫星数量的权重。

可选的，所述根据所述业务请求、所述单层路由节点卫星数阈值、所述接入流量阈值、所述暂时占用时间阈值以及各层卫星的星上缓存路由信息确定路由通信方案，具体包括：

根据业务请求判断目的节点卫星是否在当前低轨卫星相邻的所述单层路由节点卫星数阈值颗卫星内，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示为目的节点卫星在当前低轨卫星相邻的单层路由节点卫星数阈值颗卫星内，依据所述低轨卫星的星上缓存路由信息在所述低轨卫星内进行单层路由通信；

若所述第一判断结果表示为目的节点卫星未在当前低轨卫星相邻的单层路由节点卫星数阈值颗卫星内，判断所述当前低轨卫星可视范围内的中轨卫星的流量是否超出所述接入流量阈值，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示为所述当前低轨卫星可视范围内的中轨卫星的流量超出所述接入流量阈值，根据业务类型，将所传输的业务中的非实时业务请求进行低轨层/高轨层双层路由通信；

在所述低轨层/高轨层双层路由通信过程中，判断链路持续时间是否超过所述暂时占用时间阈值，得到第三判断结果；

若所述第三判断结果表示为链路持续时间超过所述暂时占用时间阈值，中断低轨层和高轨层层间链路；

所述所述第三判断结果表示为链路持续时间未超过所述暂时占用时间阈值，中断低轨层和高轨层层间链路，保持通信，等待链路切换；

若所述第二判断结果表示为所述当前低轨卫星可视范围内的中轨卫星的流量未超出所述接入流量阈值，接入链路可持续时间长于可持续时间阈值的中轨卫星，根据所述业务请求按照所述中轨卫星的星上缓存路由信息进行低轨层/中轨层双层路由通信。

可选的，所述依据所述低轨卫星的星上缓存路由信息在所述低轨卫星内进行单层路由通信，具体包括：

初始化所述低轨卫星的星上缓存路由信息，初始化标志位N_t＝M_n，轨内链路数ε₁＝0，轨间链路数ε₂＝0，源节点卫星接入的卫星L₀(i₀,j₀)，目的节点卫星接入的目的卫星L_t(i_t,j_t)；M_n为单层路由节点卫星数阈值；i₀为源节点的轨道位置；j₀为源卫星节点在i₀内的位置；i_t为目的节点的轨道位置；j_t为目的节点在i_t内的位置；

若i₀与i_t相等，L₀沿轨内链路向相邻卫星发送寻路信息，直至寻到目的卫星L_t，输出寻路路径；每前进到新节点卫星，ε₁＝ε₁+1，N_t＝N_t-1，N_t＝0时输出无法单层路由；

若i₀与i_t不相等时，L₀沿轨间链路向相邻卫星发送寻路信息，ε₂＝ε₂+1，判断相邻卫星轨道的位置是否与i_t相等，若不相等，继续向下一相邻卫星沿轨间链路寻路；若相等，执行“判断所述当前低轨卫星可视范围内的中轨卫星的流量是否超出所述接入流量阈值，得到第二判断结果”，每前进到新节点卫星N_t＝N_t-1。

可选的，所述根据所述业务请求按照所述中轨卫星的星上缓存路由信息进行低轨层/中轨层双层路由通信，具体包括：

初始化中轨卫星当前时刻等待接入的队列长度w(M_i)，当前时刻数据流量f(M_i)，当前时刻接入的低轨卫星数量k(M_i)，得到接入流量量化值F(M_i)；更新各节点卫星M_i的链路持续时间t(M_i)，层间链路数ε₃＝0，中轨层内链路数ε₄＝0；

判断F(M_i)是否小于中轨卫星的接入流量阈值M_f，若小于，执行“判断所述当前低轨卫星可视范围内的中轨卫星的流量是否超出所述接入流量阈值，得到第二判断结果”；若不小于，输出中轨卫星无法接入，选取备选路由通信方案；

在满足传输空余条件的同时，选取最大链路持续时间节点卫星M_tmax满足t(M_tmax)＝max[t(M_i)]，源节点卫星L₀接入M_tmax构建层间链路，ε₃＝ε₃+1；其中，t(M_tmax)为最大链路持续时间节点卫星M_tmax的链路持续时间；

利用最大链路持续时间节点卫星M_tmax查询所述中轨卫星的星上缓存路由信息，寻找目的节点卫星L_t所在区域，通过中轨层层内链路寻路到L_t所在区域的中轨卫星M_dest，每前进到新节点卫星，ε₄＝ε₄+1，最后构建层间链路至L_t，ε₃＝ε₃+1。

可选的，所述根据业务类型，将所传输的业务中的非实时业务请求进行低轨层/高轨层双层路由通信，具体包括：

初始化高轨卫星当前时刻的流量f(G_i)，高轨卫星接入时间T_GEO(G_i)＝0；

判断T_GEO(G_i)是否小于高轨卫星的暂时占用时间阈值M_t，若小于，执行“判断所述当前低轨卫星可视范围内的中轨卫星的流量是否超出所述接入流量阈值，得到第二判断结果”；若不小于，则输出链路超时；

在链路持续时间满足要求的前提下，取源节点卫星L₀可视范围内当前流量最小节点G_{f min}，满足f(G_{f min})＝min[f(G_i)]，L₀接入G_{f min}构建层间链路；其中，f(G_{f min})为当前流量最小节点的当前时刻的流量；

利用G_{f min}查询所述高轨卫星的星上缓存路由信息，寻找目的节点卫星L_t所在区域，寻路转发到L_t所在区域的高轨卫星G_dest，最后构建层间链路至L_t，T_GEO(G_i)随时间递增，执行“根据业务请求判断目的节点卫星是否在当前低轨卫星相邻的所述单层路由节点卫星数阈值颗卫星内，得到第一判断结果”。

一种多层卫星网络动态路由系统，包括：

初始化模块，用于初始化低轨卫星的单层路由节点卫星数阈值、中轨卫星的接入流量阈值以及高轨卫星的暂时占用时间阈值；

星上缓存路由信息更新模块，用于更新多层卫星网络各层卫星的星上缓存路由信息；

业务请求获取模块，用于获取业务请求；

路由通信方案确定模块，用于根据所述业务请求、所述单层路由节点卫星数阈值、所述接入流量阈值、所述暂时占用时间阈值以及各层卫星的星上缓存路由信息确定路由通信方案；所述路由通信方案包括在低轨卫星内进行单层路由通信、低轨层/中轨层双层路由通信以及低轨层/高轨层双层路由通信。

可选的，所述初始化模块具体包括：

不同的单层路由节点卫星数阈值设定单元，用于设定不同的单层路由节点卫星数阈值；

卫星平均传输时延确定单元，用于确定不同的单层路由节点卫星数阈值下所述低轨卫星的卫星平均传输时延；

单层路由节点卫星数阈值初始化单元，用于选取所述卫星平均传输时延最低的单层路由节点卫星数阈值初始化所述低轨卫星的单层路由节点卫星数阈值；

中轨卫星参数获取单元，用于获取中轨卫星参数；所述中轨卫星参数包括中轨卫星的队列长度、节点卫星业务传输量、接入的低轨卫星数量；

接入流量阈值计算单元，用于根据所述中轨卫星参数加权计算所述中轨卫星的接入流量阈值；

多层卫星网络的拓扑参数获取单元，用于获取所述多层卫星网络的拓扑规模以及拓扑运行周期；

暂时占用时间阈值确定单元，用于根据所述拓扑规模以及所述拓扑运行周期确定所述高轨卫星的暂时占用时间阈值。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种多层卫星网络动态路由方法及系统，通过初始化低轨卫星的单层路由节点卫星数阈值、中轨卫星的接入流量阈值以及高轨卫星的暂时占用时间阈值确定路由通信方案，在大规模卫星网络中准确预测流量，动态调整路由。

其中，低轨卫星的单层路由节点数阈值M_n作为系统路由方案在单层低轨(LowEarth Orbit，LEO)路由与双层LEO/中轨(Medium Earth Orbit，MEO)路由切换的判断依据，单层路由节点数低于M_n时，在低轨卫星单层内路由比多层路由的时延性能更好；高于M_n时，在低轨卫星单层内路由所经过的卫星节点数过多，产生的计算时延与发送时延影响了时延性能，同时超出LEO缓存路由表内容，LEO无法单独计算得出该长距离跨域通信的路由信息，需及时切换至MEO层采用双层路由方案；

中轨卫星的接入流量阈值M_f作为双层LEO/MEO路由建立LEO/MEO层间链路时对应MEO节点能否接入的判断依据；M_f指的是中轨卫星当前允许接入的业务流量最大值；若实际流量小于M_f，则允许接入新的低轨卫星，建立层间链路；若实际流量大于或等于M_f，则证明该节点流量超载，不能再接入新的业务流，应选择其他MEO节点建立层间链路；若LEO可视范围内的MEO当前实际流量均大于或等于M_f，则需切换至LEO/高轨(Tall Earth Orbit，GEO)双层路由；

高轨卫星的暂时占用时间阈值M_t，作为双层LEO/GEO路由建立时间是否超时的判断依据；M_t指的是高轨卫星允许低轨卫星暂时接入高轨的最大时间；双层LEO/GEO路由作为双层LEO/MEO路由的备选方案，目的是为MEO层通信提供缓冲；由于LEO/GEO层间链路较长，传播时延较大，需在下次切换链路或者达到暂时占用时间阈值时，重路由得到低时延路由方案，中断高时延的GEO/LEO层间链路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的多层卫星网络动态路由方法流程图；

图2为将本发明所提供的多层卫星网络动态路由方法应用于实际中的另一种多层卫星网络动态路由方法流程图；

图3为本发明所提供的多层卫星网络动态路由系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的多层卫星网络动态路由方法流程图，如图1所示，一种多层卫星网络动态路由方法，包括：

步骤101：初始化低轨卫星的单层路由节点卫星数阈值、中轨卫星的接入流量阈值以及高轨卫星的暂时占用时间阈值。

所述步骤101具体包括：设定不同的单层路由节点卫星数阈值；确定不同的单层路由节点卫星数阈值下所述低轨卫星的卫星平均传输时延；选取所述卫星平均传输时延最低的单层路由节点卫星数阈值初始化所述低轨卫星的单层路由节点卫星数阈值；获取中轨卫星参数；所述中轨卫星参数包括中轨卫星的队列长度、节点卫星业务传输量、接入的低轨卫星数量；根据所述中轨卫星参数加权计算所述中轨卫星的接入流量阈值；获取所述多层卫星网络的拓扑规模以及拓扑运行周期；根据所述拓扑规模以及所述拓扑运行周期确定所述高轨卫星的暂时占用时间阈值。

所述确定不同的单层路由节点卫星数阈值下所述低轨卫星的卫星平均传输时延，具体包括：利用公式

确定任一单层路由节点卫星数阈值下所述低轨卫星的卫星平均传输时延；其中，

为卫星平均传输时延；D(n)为为卫星n的传输总时延；N为低轨层中节点卫星数量；n为不同目的节点卫星的标号；D_tr(n)为路径传播时延；K(n)为当前路径卫星节点卫星数；D_cal为计算时延；D_sd为数据发送时延。

步骤102：更新多层卫星网络各层卫星的星上缓存路由信息。

所述根据所述中轨卫星参数加权计算所述中轨卫星的接入流量阈值，具体包括：利用公式F(m)＝σ₁w(m)+σ₂f(m)+σ₃k(m)计算所述中轨卫星的接入流量阈值；其中，F(m)为中轨卫星的接入流量阈值，m为中轨卫星标号；w(m)为当前时刻的中轨层节点卫星等待接入的队列长度；f(m)为当前时刻的中轨层节点卫星的节点卫星业务传输量；k(m)为当前时刻的中轨层接入的低轨卫星数量，即中轨层维持的与低轨层的层间链路数量；σ₁、σ₂、σ₃分别为所述队列长度、所述节点卫星业务传输量以及所述接入低轨卫星数量的权重。

步骤103：获取业务请求；所述业务请求包括所述业务的队列长度、所述节点卫星业务传输量以及所述接入低轨卫星数量。

步骤104：根据所述业务请求、所述单层路由节点卫星数阈值、所述接入流量阈值、所述暂时占用时间阈值以及各层卫星的星上缓存路由信息确定路由通信方案；所述路由通信方案包括在低轨卫星内进行单层路由通信、低轨层/中轨层双层路由通信以及低轨层/高轨层双层路由通信。

所述步骤104具体包括：根据业务请求判断目的节点卫星是否在当前低轨卫星相邻的所述单层路由节点卫星数阈值颗卫星内，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示为目的节点卫星在当前低轨卫星相邻的单层路由节点卫星数阈值颗卫星内，依据所述低轨卫星的星上缓存路由信息在所述低轨卫星内进行单层路由通信；若所述第一判断结果表示为目的节点卫星未在当前低轨卫星相邻的单层路由节点卫星数阈值颗卫星内，判断所述当前低轨卫星可视范围内的中轨卫星的流量是否超出所述接入流量阈值，得到第二判断结果；若所述第二判断结果表示为所述当前低轨卫星可视范围内的中轨卫星的流量超出所述接入流量阈值，根据业务类型，将所传输的业务中的非实时业务请求进行低轨层/高轨层双层路由通信；在所述低轨层/高轨层双层路由通信过程中，判断链路持续时间是否超过所述暂时占用时间阈值，得到第三判断结果；若所述第三判断结果表示为链路持续时间超过所述暂时占用时间阈值，中断低轨层和高轨层层间链路；所述所述第三判断结果表示为链路持续时间未超过所述暂时占用时间阈值，中断低轨层和高轨层层间链路，保持通信，等待链路切换；若所述第二判断结果表示为所述当前低轨卫星可视范围内的中轨卫星的流量未超出所述接入流量阈值，接入链路可持续时间长于可持续时间阈值的中轨卫星，根据所述业务请求按照所述中轨卫星的星上缓存路由信息进行低轨层/中轨层双层路由通信。

所述依据所述低轨卫星的星上缓存路由信息在所述低轨卫星内进行单层路由通信，具体包括：初始化所述低轨卫星的星上缓存路由信息，初始化标志位N_t＝M_n，轨内链路数ε₁＝0，轨间链路数ε₂＝0，源节点卫星接入的卫星L₀(i₀,j₀)，目的节点卫星接入的目的卫星L_t(i_t,j_t)；M_n为单层路由节点卫星数阈值；i₀为源节点的轨道位置；j₀为源卫星节点在i₀内的位置；i_t为目的节点的轨道位置；j_t为目的节点在i_t内的位置；若i₀与i_t相等，L₀沿轨内链路向相邻卫星发送寻路信息，直至寻到目的卫星L_t，输出寻路路径；每前进到新节点卫星，ε₁＝ε₁+1，N_t＝N_t-1，N_t＝0时输出无法单层路由；若i₀与i_t不相等时，L₀沿轨间链路向相邻卫星发送寻路信息，ε₂＝ε₂+1，判断相邻卫星轨道的位置是否与i_t相等，若不相等，继续向下一相邻卫星沿轨间链路寻路；若相等，执行“判断所述当前低轨卫星可视范围内的中轨卫星的流量是否超出所述接入流量阈值，得到第二判断结果”，每前进到新节点卫星N_t＝N_t-1。

所述根据所述业务请求按照所述中轨卫星的星上缓存路由信息进行低轨层/中轨层双层路由通信，具体包括：初始化中轨卫星当前时刻等待接入的队列长度w(M_i)，当前时刻数据流量f(M_i)，当前时刻接入的低轨卫星数量k(M_i)，得到接入流量量化值F(M_i)；更新各节点卫星M_i的链路持续时间t(M_i)，层间链路数ε₃＝0，中轨层内链路数ε₄＝0；判断F(M_i)是否小于中轨卫星的接入流量阈值M_f，若小于，执行“判断所述当前低轨卫星可视范围内的中轨卫星的流量是否超出所述接入流量阈值，得到第二判断结果”；若不小于，输出中轨卫星无法接入，选取备选路由通信方案；在满足传输空余条件的同时，选取最大链路持续时间节点卫星M_tmax满足t(M_tmax)＝max[t(M_i)]，源节点卫星L₀接入M_tmax构建层间链路，ε₃＝ε₃+1；其中，t(M_tmax)为最大链路持续时间节点卫星M_tmax的链路持续时间；利用最大链路持续时间节点卫星M_tmax查询所述中轨卫星的星上缓存路由信息，寻找目的节点卫星L_t所在区域，通过中轨层层内链路寻路到L_t所在区域的中轨卫星M_dest，每前进到新节点卫星，ε₄＝ε₄+1，最后构建层间链路至L_t，ε₃＝ε₃+1。

所述根据业务类型，将所传输的业务中的非实时业务请求进行低轨层/高轨层双层路由通信，具体包括：初始化高轨卫星当前时刻的流量f(G_i)，高轨卫星接入时间T_GEO(G_i)＝0；判断T_GEO(G_i)是否小于高轨卫星的暂时占用时间阈值M_t，若小于，执行“判断所述当前低轨卫星可视范围内的中轨卫星的流量是否超出所述接入流量阈值，得到第二判断结果”；若不小于，则输出链路超时；在链路持续时间满足要求的前提下，取源节点卫星L₀可视范围内当前流量最小节点G_{f min}，满足f(G_{f min})＝min[f(G_i)]，L₀接入G_{f min}构建层间链路；其中，f(G_{f min})为当前流量最小节点的当前时刻的流量；利用G_{f min}查询所述高轨卫星的星上缓存路由信息，寻找目的节点卫星L_t所在区域，寻路转发到L_t所在区域的高轨卫星G_dest，最后构建层间链路至L_t，T_GEO(G_i)随时间递增，执行“根据业务请求判断目的节点卫星是否在当前低轨卫星相邻的所述单层路由节点卫星数阈值颗卫星内，得到第一判断结果”；其中，所述业务类型包括实时业务和非实时业务。

将本发明应用于实际中，图2为将本发明所提供的多层卫星网络动态路由方法应用于实际中的另一种多层卫星网络动态路由方法流程图，如图2所示，具体步骤如下：

步骤1：初始化低轨卫星单层路由节点数阈值M_n、中轨卫星接入流量阈值M_f、高轨卫星暂时占用时间阈值M_t，转到步骤2。

步骤2：更新多层卫星网络各层卫星星上缓存信息，转到步骤3。

步骤3：根据业务请求判断目的节点是否在LEO星上缓存的相邻M_n颗卫星内，若寻路请求超出星上缓存信息，则转到步骤5；若目的节点在相邻M_n颗卫星内，则转到步骤4。

步骤4：依据LEO星上缓存路由信息在LEO层内进行单层路由，得到短距离通信路由方案，转到步骤9。

步骤5：判断当前LEO可视范围内的MEO流量情况是否超过M_f，若存在MEO的业务流量小于M_f，则转到步骤6；若流量大小均大于等于M_f，则转到步骤7。

步骤6：选择流量情况允许的，链路可持续时间较长的MEO接入，依据MEO星上缓存的路由信息进行双层LEO/MEO路由，转到步骤9。

步骤7：针对所传输业务中的非实时业务请求，选择当前LEO可视范围内流量最小的GEO接入，进行LEO/GEO双层路由，转到步骤8。

步骤8：在数据传输过程中判断链路持续时间是否超过M_t，若超过M_t，则中断LEO/GEO层间链路，转到步骤2。若未超过M_t，则保持通信等待链路切换，转到步骤9。

步骤9：经过上述步骤正常通信时，判断是否通信结束，若通信结束，则本方法结束；若未结束，等待发生链路切换，则重新返回步骤2。

步骤1中低轨卫星单层路由节点数阈值M_n的取值通常参考不同M_n值下系统的平均传输时延性能。根据各参数依次计算得到卫星平均传输时延D，比较不同阈值M_n下，卫星平均传输时延性能，平均时延最低的即为系统最合适的M_n值。

所述平均传输时延可通过同一源节点至不同目的节点传输时延的平均值近似求得。设P₀为源节点，P(N)为目的节点，N＝1,2,3,...,N_Total，N_Total为LEO层节点总数。卫星平均传输时延

计算方法如下：

其中，n∈(1,N)为正整数，代表不同目的节点的标号，D_cal和D_sd为计算时延与数据发送时延，定义所有卫星节点数值均相同，K(n)为当前路径卫星节点数，路径传播时延D_tr(n)计算方法如下：

D_tr(n)＝D_tr-LL+D_tr-LM+D_tr-MM

所述D_tr-LL为LEO层内星间链路传播时延，D_tr-LM为LEO与MEO层间链路传播时延，D_tr-MM为MEO层内星间链路传播时延。若设定单位距离内的传播时延为c，则D_tr(n)还可表示为：

D_tr(n)＝c·(ε₁S_LI+ε₂S_LB+ε₃S_LM+ε₄S_MM)

所述ε₁为LEO层轨道内链路数，ε₂为LEO层轨道间链路数，ε₃为LEO与MEO层间链路数，ε₄为MEO层内链路数，链路数计算由路由表得出。相应地，S_LI为LEO层轨道内链路长度，S_LBLEO层轨道间链路长度，S_LM为LEO与MEO层间链路长度，S_MM为MEO层内链路长度，计算方法依次如下：

所述MEO卫星坐标(X_M-ij,Y_M-ij,Z_M-ij)可由空间直角坐标中卫星在某时刻的空间位置得到。设卫星星座轨道数为L，每个轨道上的卫星数为M，星座的相位因子为F。则第i条轨道内第j颗卫星的空间直角坐标为：

其中，Ω_ij＝2πi/L，Φ_ij＝2πj/M+2πiF/LM+f，i的取值范围是[0,L-1]，j的取值范围是[0,M-1]，F的取值范围是[0,L-1]，f是卫星的真实近地点角，即近地点与卫星对地心的张角，沿着卫星运动方向从近地点量到卫星。

步骤1中所述中轨卫星接入流量阈值M_f的取值参考该节点在系统时延要求下的最大允许业务流量。

其中，业务流量由MEO队列长度、MEO节点业务传输量、MEO接入低轨卫星数量进行综合加权计算得出，不仅从当前传输数据量的角度进行估算，而且从未来时刻的队列长度进行判断，从而综合反映当前MEO节点的拥塞程度。中轨卫星接入流量情况表达式为：

F(m)＝σ₁w(m)+σ₂f(m)+σ₃k(m)

所述m为MEO卫星标号，w(m)表示当前时刻该MEO节点等待接入的队列长度，通过MEO星上缓存路由表得到；f(m)表示当前时刻该MEO节点的数据流量大小，按业务类型划分数据流量规模，由已接入的LEO传输业务类型可得到数据流量规模近似值；k(m)为当前时刻该MEO接入的LEO数量，即MEO维持的与LEO的层间链路数量，可以通过MEO星上缓存路由表得到；σ₁、σ₂、σ₃分别代表各因素的权重，结合系统时延要求进行设置。

所述最大业务流量可由系统时延要求下可接纳的最大队列长度、流量规模和接入卫星数依次加权得到。

步骤1中所述高轨卫星暂时占用时间阈值M_t数值的设置参照拓扑规模大小与拓扑运行周期，一般取链路持续时间的平均值，此时网络传输情况已进行大幅更新，有较大概率实现重路由得到合适的低时延路由方案。

步骤2中各层星上缓存信息主要内容如下：LEO层星上缓存信息包括LEO与地面站的星地链路信息、相邻M_n颗LEO卫星的拓扑信息、当前LEO/MEO层间链路信息、当前LEO/GEO层间链路信息、未来可连接的MEO信息；MEO层星上缓存信息包括LEO与地面站的星地链路信息、LEO/MEO全部层间链路信息、MEO层全部拓扑信息、MEO/GEO层间链路信息；GEO层星上缓存信息包括LEO与地面站的星地链路信息、LEO/MEO全部层间链路信息、LEO/GEO全部层间链路信息、MEO/GEO全部层间链路信息。

单层LEO路由(即在低轨卫星内进行单层路由通信)是指在域内短距离通信情景下，由单颗LEO星上缓存的路由信息得出的LEO层内路由。单颗LEO星上仅缓存相邻M_n个LEO节点的拓扑信息，依据业务请求的目的节点，在源节点星上的缓存信息中检索是否可以寻路到目的节点，若可以寻路到，则建立单层LEO路由；否则切换其他路由方式。

单层LEO路由中，LEO不同轨道间通信首先寻路到对应轨道再通过轨内链路建立剩余路径，同轨道内通信由轨内链路实现通信，节点数超出M_n无法进行单层路由。

步骤4中LEO单层路由方法的具体计算步骤如下：

初始化更新LEO节点路由缓存信息，初始化标志位N_t＝M_n，轨内链路数ε₁＝0，轨间链路数ε₂＝0，源节点s接入卫星L₀(i₀,j₀)，目的节点t接入卫星L_t(i_t,j_t)。

判断i₀与i_t是否相等，若相等转到步骤3；若不相等跳至步骤4。

i₀与i_t相等时，L₀沿轨内链路向相邻卫星发送寻路信息，直至寻到目的卫星L_t，输出寻路路径，算法结束。每前进到新节点ε₁＝ε₁+1，N_t＝N_t-1，N_t＝0时输出无法单层路由，算法结束。

i₀与i_t不相等时，L₀沿轨间链路向相邻卫星发送寻路信息，ε₂＝ε₂+1，判断相邻卫星轨道是否与i_t相等，若不相等，继续向下一相邻卫星沿轨间链路寻路；若相等，则转到步骤3，每前进到新节点N_t＝N_t-1，当N_t＝0时，算法结束。

双层LEO/MEO路由(即低轨层/中轨层双层路由通信)是指在长距离跨域通信情景下，由MEO组网缓存的路由信息得出的LEO/MEO层间路由。MEO星上缓存双层卫星网络路由信息，包括MEO层内链路、MEO/LEO层间链路、LEO与地面的星地链路等信息，当单层LEO路由无法满足通信需求时，建立层间链路通过MEO层转发，实现减少路径节点数的目的，从而降低通信过程中卫星节点转发造成的数据发送时延和计算时延。

双层LEO/MEO路由依靠完善的、实时更新的路由表内容实现长距离域间路由计算，步骤6中双层LEO/MEO路由具体计算步骤如下：

初始化MEO当前时刻等待接入的队列长度w(M_i)，当前时刻数据流量大小f(M_i)，当前时刻接入的LEO数量k(M_i)，得到接入流量量化值F(M_i)。更新各节点M_i链路持续时间t(M_i)，层间链路数ε₃＝0，MEO层内链路数ε₄＝0。

判断F(M_i)是否小于M_f，若小于则转到步骤3；若不小于则输出MEO层无法接入，选取备选方案，算法结束。

在满足传输空余条件的同时，选取最大链路持续时间节点M_tmax满足t(M_tmax)＝max[t(M_i)]，源节点L₀接入M_tmax构建层间链路，ε₃＝ε₃+1。

M_tmax查询路由表寻找目的节点卫星L_t所在区域，通过MEO层内链路寻路到L_t所在区域的中轨卫星M_dest，每前进到新节点ε₄＝ε₄+1，最后构建层间链路至L_t，ε₃＝ε₃+1，算法结束。

双层LEO/GEO路由(即低轨层/高轨层双层路由通信)是指在长距离跨域通信情景下，MEO层流量拥塞前提下的备选方案，由GEO缓存的系统路由信息得出，GEO作为多层卫星通信系统的总控制层，实时收集并更新多层卫星中各层的路由变化信息与拓扑变化信息。但由于LEO/GEO层间链路产生的传播时延较大，因此优先安排对时延性能要求不高的非实时性业务，采用该路由方式。

双层LEO/GEO路由应用于MEO网络拥塞情况下的非实时性业务传输，步骤7中双层LEO/GEO路由具体计算步骤如下：

初始化GEO当前时刻的流量大小f(G_i)，GEO接入时间T_GEO(G_i)＝0

判断T_GEO(G_i)是否小于M_t，若小于，则转到步骤三；若不小于，则输出链路超时，需进行重路由，算法结束。

在链路持续时间满足要求的前提下，取源节点L₀可视范围内当前流量最小节点G_{f min}满足f(G_{f min})＝min[f(G_i)]，L₀接入G_{f min}构建层间链路。

G_{f min}查询路由表寻找目的节点卫星L_t所在区域，寻路转发到L_t所在区域的高轨卫星G_dest，最后构建层间链路至L_t，T_GEO(G_i)随时间递增，转到步骤2。

图3为本发明所提供的多层卫星网络动态路由系统结构图，如图3所示，一种多层卫星网络动态路由系统，包括：

初始化模块301，用于初始化低轨卫星的单层路由节点卫星数阈值、中轨卫星的接入流量阈值以及高轨卫星的暂时占用时间阈值。

所述初始化模块301具体包括：不同的单层路由节点卫星数阈值设定单元，用于设定不同的单层路由节点卫星数阈值；卫星平均传输时延确定单元，用于确定不同的单层路由节点卫星数阈值下所述低轨卫星的卫星平均传输时延；单层路由节点卫星数阈值初始化单元，用于选取所述卫星平均传输时延最低的单层路由节点卫星数阈值初始化所述低轨卫星的单层路由节点卫星数阈值；中轨卫星参数获取单元，用于获取中轨卫星参数；所述中轨卫星参数包括中轨卫星的队列长度、节点卫星业务传输量、接入的低轨卫星数量；接入流量阈值计算单元，用于根据所述中轨卫星参数加权计算所述中轨卫星的接入流量阈值；多层卫星网络的拓扑参数获取单元，用于获取所述多层卫星网络的拓扑规模以及拓扑运行周期；暂时占用时间阈值确定单元，用于根据所述拓扑规模以及所述拓扑运行周期确定所述高轨卫星的暂时占用时间阈值。

星上缓存路由信息更新模块302，用于更新多层卫星网络各层卫星的星上缓存路由信息。

业务请求获取模块303，用于获取业务请求。

路由通信方案确定模块304，用于根据所述业务请求、所述单层路由节点卫星数阈值、所述接入流量阈值、所述暂时占用时间阈值以及各层卫星的星上缓存路由信息确定路由通信方案；所述路由通信方案包括在低轨卫星内进行单层路由通信、低轨层/中轨层双层路由通信以及低轨层/高轨层双层路由通信。

综上，本发明初始化低轨卫星单层路由节点数阈值M_n、中轨卫星接入流量阈值M_f、高轨卫星暂时占用时间阈值M_t；更新多层卫星网络各层卫星星上缓存信息。根据业务请求判断目的节点是否在LEO星上缓存的相邻M_n颗卫星内，若寻路请求超出星上缓存信息，则转到LEO/MEO双层路由；若目的节点在相邻M_n颗卫星内，则采用单层路由方法进行传输。判断当LEO可视范围内的MEO流量情况不超过M_f时，选择链路可持续时间较长的MEO接入，根据业务请求按照MEO星上缓存路由信息进行LEO/MEO双层路由，进行数据传输。判断当LEO可视范围内的MEO流量情况都超过M_f时，根据业务类型，将所传输业务中的非实时业务请求，进行LEO/GEO双层路由，选择当前LEO可视范围内流量最小的GEO接入，在数据传输过程中判断链路持续时间是否超过M_t，若超过M_t，则中断LEO/GEO层间链路，重路由选择低时延路由方案。若未超过M_t，则保持通信等待链路切换。经过上述步骤正常通信时，判断是否通信结束，若通信结束，则本方法结束；若未结束，等待发生链路切换。解决了多层卫星网络路由方法不能充分利用单层网络来获取低时延路径，不能在大规模卫星网络中准确预测流量以动态调整路由的问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种多层卫星网络动态路由方法，其特征在于，包括：

初始化低轨卫星的单层路由节点卫星数阈值、中轨卫星的接入流量阈值以及高轨卫星的暂时占用时间阈值；

更新多层卫星网络各层卫星的星上缓存路由信息；

获取业务请求；

根据所述业务请求、所述单层路由节点卫星数阈值、所述接入流量阈值、所述暂时占用时间阈值以及各层卫星的星上缓存路由信息确定路由通信方案；所述路由通信方案包括在低轨卫星内进行单层路由通信、低轨层/中轨层双层路由通信以及低轨层/高轨层双层路由通信。

2.根据权利要求1所述的多层卫星网络动态路由方法，其特征在于，所述初始化低轨卫星的单层路由节点卫星数阈值、中轨卫星的接入流量阈值以及高轨卫星的暂时占用时间阈值，具体包括：

设定不同的单层路由节点卫星数阈值；

确定不同的单层路由节点卫星数阈值下所述低轨卫星的卫星平均传输时延；

选取所述卫星平均传输时延最低的单层路由节点卫星数阈值初始化所述低轨卫星的单层路由节点卫星数阈值；

获取中轨卫星参数；所述中轨卫星参数包括中轨卫星的队列长度、节点卫星业务传输量、接入的低轨卫星数量；

根据所述中轨卫星参数加权计算所述中轨卫星的接入流量阈值；

获取所述多层卫星网络的拓扑规模以及拓扑运行周期；

根据所述拓扑规模以及所述拓扑运行周期确定所述高轨卫星的暂时占用时间阈值。

3.根据权利要求2所述的多层卫星网络动态路由方法，其特征在于，所述确定不同的单层路由节点卫星数阈值下所述低轨卫星的卫星平均传输时延，具体包括：

利用公式

确定任一单层路由节点卫星数阈值下所述低轨卫星的卫星平均传输时延；其中，

为卫星平均传输时延；D(n)为卫星n的传输总时延；N为低轨层中节点卫星数量；n为不同目的节点卫星的标号；D_tr(n)为路径传播时延；K(n)为当前路径卫星节点卫星数；D_cal为计算时延；D_sd为数据发送时延。

4.根据权利要求1所述的多层卫星网络动态路由方法，其特征在于，所述根据所述中轨卫星参数加权计算所述中轨卫星的接入流量阈值，具体包括：

利用公式F(m)＝σ₁w(m)+σ₂f(m)+σ₃k(m)计算所述中轨卫星的接入流量阈值；其中，F(m)为中轨卫星的接入流量阈值，m为中轨卫星标号；w(m)为当前时刻的中轨层节点卫星等待接入的队列长度；f(m)为当前时刻的中轨层节点卫星的节点卫星业务传输量；k(m)为当前时刻的中轨层接入的低轨卫星数量，即中轨层维持的与低轨层的层间链路数量；σ₁、σ₂、σ₃分别为所述队列长度、所述节点卫星业务传输量以及所述接入低轨卫星数量的权重。

5.根据权利要求1所述的多层卫星网络动态路由方法，其特征在于，所述根据所述业务请求、所述单层路由节点卫星数阈值、所述接入流量阈值、所述暂时占用时间阈值以及各层卫星的星上缓存路由信息确定路由通信方案，具体包括：

根据业务请求判断目的节点卫星是否在当前低轨卫星相邻的所述单层路由节点卫星数阈值颗卫星内，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示为目的节点卫星在当前低轨卫星相邻的单层路由节点卫星数阈值颗卫星内，依据所述低轨卫星的星上缓存路由信息在所述低轨卫星内进行单层路由通信；

若所述第一判断结果表示为目的节点卫星未在当前低轨卫星相邻的单层路由节点卫星数阈值颗卫星内，判断所述当前低轨卫星可视范围内的中轨卫星的流量是否超出所述接入流量阈值，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示为所述当前低轨卫星可视范围内的中轨卫星的流量超出所述接入流量阈值，根据业务类型，将所传输的业务中的非实时业务请求进行低轨层/高轨层双层路由通信；

在所述低轨层/高轨层双层路由通信过程中，判断链路持续时间是否超过所述暂时占用时间阈值，得到第三判断结果；

若所述第三判断结果表示为链路持续时间超过所述暂时占用时间阈值，中断低轨层和高轨层层间链路；

所述所述第三判断结果表示为链路持续时间未超过所述暂时占用时间阈值，中断低轨层和高轨层层间链路，保持通信，等待链路切换；

若所述第二判断结果表示为所述当前低轨卫星可视范围内的中轨卫星的流量未超出所述接入流量阈值，接入链路可持续时间长于可持续时间阈值的中轨卫星，根据所述业务请求按照所述中轨卫星的星上缓存路由信息进行低轨层/中轨层双层路由通信。

6.根据权利要求5所述的多层卫星网络动态路由方法，其特征在于，所述依据所述低轨卫星的星上缓存路由信息在所述低轨卫星内进行单层路由通信，具体包括：

初始化所述低轨卫星的星上缓存路由信息，初始化标志位N_t＝M_n，轨内链路数ε₁＝0，轨间链路数ε₂＝0，源节点卫星接入的卫星L₀(i₀,j₀)，目的节点卫星接入的目的卫星L_t(i_t,j_t)；M_n为单层路由节点卫星数阈值；i₀为源节点的轨道位置；j₀为源卫星节点在i₀内的位置；i_t为目的节点的轨道位置；j_t为目的节点在i_t内的位置；

若i₀与i_t相等，L₀沿轨内链路向相邻卫星发送寻路信息，直至寻到目的卫星L_t，输出寻路路径；每前进到新节点卫星，ε₁＝ε₁+1，N_t＝N_t-1，N_t＝0时输出无法单层路由；

若i₀与i_t不相等时，L₀沿轨间链路向相邻卫星发送寻路信息，ε₂＝ε₂+1，判断相邻卫星轨道的位置是否与i_t相等，若不相等，继续向下一相邻卫星沿轨间链路寻路；若相等，执行“判断所述当前低轨卫星可视范围内的中轨卫星的流量是否超出所述接入流量阈值，得到第二判断结果”，每前进到新节点卫星N_t＝N_t-1。

7.根据权利要求5所述的多层卫星网络动态路由方法，其特征在于，所述根据所述业务请求按照所述中轨卫星的星上缓存路由信息进行低轨层/中轨层双层路由通信，具体包括：

初始化中轨卫星当前时刻等待接入的队列长度w(M_i)，当前时刻数据流量f(M_i)，当前时刻接入的低轨卫星数量k(M_i)，得到接入流量量化值F(M_i)；更新各节点卫星M_i的链路持续时间t(M_i)，层间链路数ε₃＝0，中轨层内链路数ε₄＝0；

判断F(M_i)是否小于中轨卫星的接入流量阈值M_f，若小于，执行“判断所述当前低轨卫星可视范围内的中轨卫星的流量是否超出所述接入流量阈值，得到第二判断结果”；若不小于，输出中轨卫星无法接入，选取备选路由通信方案；

在满足传输空余条件的同时，选取最大链路持续时间节点卫星M_tmax满足t(M_tmax)＝max[t(M_i)]，源节点卫星L₀接入M_tmax构建层间链路，ε₃＝ε₃+1；其中，t(M_tmax)为最大链路持续时间节点卫星M_tmax的链路持续时间；

利用最大链路持续时间节点卫星M_tmax查询所述中轨卫星的星上缓存路由信息，寻找目的节点卫星L_t所在区域，通过中轨层层内链路寻路到L_t所在区域的中轨卫星M_dest，每前进到新节点卫星，ε₄＝ε₄+1，最后构建层间链路至L_t，ε₃＝ε₃+1。

8.根据权利要求5所述的多层卫星网络动态路由方法，其特征在于，所述根据业务类型，将所传输的业务中的非实时业务请求进行低轨层/高轨层双层路由通信，具体包括：

初始化高轨卫星当前时刻的流量f(G_i)，高轨卫星接入时间T_GEO(G_i)＝0；

判断T_GEO(G_i)是否小于高轨卫星的暂时占用时间阈值M_t，若小于，执行“判断所述当前低轨卫星可视范围内的中轨卫星的流量是否超出所述接入流量阈值，得到第二判断结果”；若不小于，则输出链路超时；

在链路持续时间满足要求的前提下，取源节点卫星L₀可视范围内当前流量最小节点G_fmin，满足f(G_fmin)＝min[f(G_i)]，L₀接入G_fmin构建层间链路；其中，f(G_fmin)为当前流量最小节点的当前时刻的流量；

利用G_fmin查询所述高轨卫星的星上缓存路由信息，寻找目的节点卫星L_t所在区域，寻路转发到L_t所在区域的高轨卫星G_dest，最后构建层间链路至L_t，T_GEO(G_i)随时间递增，执行“根据业务请求判断目的节点卫星是否在当前低轨卫星相邻的所述单层路由节点卫星数阈值颗卫星内，得到第一判断结果”。

9.一种多层卫星网络动态路由系统，其特征在于，包括：

初始化模块，用于初始化低轨卫星的单层路由节点卫星数阈值、中轨卫星的接入流量阈值以及高轨卫星的暂时占用时间阈值；

星上缓存路由信息更新模块，用于更新多层卫星网络各层卫星的星上缓存路由信息；

业务请求获取模块，用于获取业务请求；

路由通信方案确定模块，用于根据所述业务请求、所述单层路由节点卫星数阈值、所述接入流量阈值、所述暂时占用时间阈值以及各层卫星的星上缓存路由信息确定路由通信方案；所述路由通信方案包括在低轨卫星内进行单层路由通信、低轨层/中轨层双层路由通信以及低轨层/高轨层双层路由通信。

10.根据权利要求9所述的多层卫星网络动态路由系统，其特征在于，所述初始化模块具体包括：

不同的单层路由节点卫星数阈值设定单元，用于设定不同的单层路由节点卫星数阈值；

卫星平均传输时延确定单元，用于确定不同的单层路由节点卫星数阈值下所述低轨卫星的卫星平均传输时延；

单层路由节点卫星数阈值初始化单元，用于选取所述卫星平均传输时延最低的单层路由节点卫星数阈值初始化所述低轨卫星的单层路由节点卫星数阈值；

中轨卫星参数获取单元，用于获取中轨卫星参数；所述中轨卫星参数包括中轨卫星的队列长度、节点卫星业务传输量、接入的低轨卫星数量；

接入流量阈值计算单元，用于根据所述中轨卫星参数加权计算所述中轨卫星的接入流量阈值；

多层卫星网络的拓扑参数获取单元，用于获取所述多层卫星网络的拓扑规模以及拓扑运行周期；

暂时占用时间阈值确定单元，用于根据所述拓扑规模以及所述拓扑运行周期确定所述高轨卫星的暂时占用时间阈值。

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