CN114640619A - 基于激光通信的低轨卫星网络拓扑规划方法及相关设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于激光通信的低轨卫星网络拓扑规划方法及相关设备，本发明新的卫星网络构型设计将卫星网络热点通信区域对应的通信时延和跳数指标作为拓扑规划的判断依据，在保持每个卫星节点与同轨道的前后卫星节点相连的基础上，重新设计邻轨和跨轨道的链路连接关系，使网络拓扑构型满足真实通信业务需求，实现通信时延和跳数性能综合指标相对传统的十字架网络拓扑构型提升的同时，确保这些指标在近距离通信场景下不出现明显的下降，达成全网通信业务性能最优的目的，通过更有效的天基卫星网络拓扑设计，解决传统十字架卫星网络在远距离通信场景下时延、跳数等重要网络性能上存在的不足。

Description

基于激光通信的低轨卫星网络拓扑规划方法及相关设备
技术领域
本发明涉及卫星网络通信处理技术领域，尤其涉及一种基于平均通信距离或者平均业务性能的天基网络拓扑设计方法、终端及计算机可读存储介质。
背景技术
现在业内研究机构和卫星网络运营公司主要基于十字架构型开展天基卫星组网研究和建设，十字架链路拓扑构型虽然被广泛采用，但该网络构型在整体网络性能上比较折中。在十字架网络构型中，每个卫星节点只跟同轨道的前后两颗卫星，以及邻轨左右两颗卫星建链，在跨区域的长距离通信时跳数较多，导致其在卫星通信的时延、节点拥塞概率、端到端通信的鲁棒性上存在明显的劣势。
传统的天基卫星网络十字架拓扑构型，该构型下由于每个节点只跟相邻的卫星节点连接，所以更有利于近距离通信；对于跨区域远距离通信场景，由于跳数的增加，时延性能相对地面光纤通信的优势大大降低。实际上卫星网络的拓扑结构设计需要考虑地面实际通信热点的分布，好的拓扑结构可以使地面大部分通信热点的通信时延等性能更优，而十字架网络拓扑构型无法达成该目标。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于平均通信距离或者平均业务性能的天基网络拓扑设计方法、终端及计算机可读存储介质，旨在解决现有技术中传统十字架卫星网络在远距离通信场景下时延、跳数等重要网络性能上存在的不足的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法，所述基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法包括如下步骤：
基于卫星节点上光端机的通信距离约束，计算网络中卫星节点的最远可通信的轨道；
当所有节点的备选链路计算完成后，与同轨之间的已有链路共同形成初始卫星网络；
针对每个卫星节点，基于最短路径算法计算每个节点到平均通信距离内其他所有节点的最短路径；
统计每个节点的每条备选链路的被经历次数，选取节点上被经历次数最多的一条链路作为最佳备选链路，并标识链路类型；
统计所有节点的最佳链路的链路类型，并针对链路类型进行比例统计；
选择第一条轨道作为基准，针对所选择轨道上的所有节点，基于网络均匀化要求将各链路按照链路类型比例进行均匀化分布；
在完成第一条轨道的链路类型布放后，所有其他轨道的链路全部复制第一条轨道链路拓扑类型及分布，并基于最短路径算法对网络性能指标进行评估；
针对一个完整的卫星周期进行仿真，并基于最短路径算法统计运行周期内全网平均时延和跳数；
将新网络拓扑结构的时延和跳数的加权指标与十字架拓扑结构的时延和跳数的加权指标进行对比，判断新网络拓扑结构的加权指标值是否小于十字架拓扑结构的加权指标值；
若新网络拓扑结构的加权指标值小于十字架拓扑结构的加权指标值，则判断十字架拓扑的邻轨通信时延与新的网络拓扑结构下的邻轨通信时延的差值是否小于设定值；
若差值不小于设定值，则选取比例最高的跨轨道链路类型中的一条链路，将所有轨道的链路连接方式全部由跨轨道连接修改为邻轨道连接。
所述的基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法，其中，所述基于卫星节点上光端机的通信距离约束，计算网络中卫星节点的最远可通信的轨道，具体包括：
将每个卫星节点与同轨前后两个节点之间的链路进行保留，通过计算确定与异轨道连接的备选链路；
在异轨的备选链路选择时，针对每个节点，选择一个备选链路的挑选方向，在挑选方向可通信范围内的每个轨道上选择2条备选链路。
所述的基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法，其中，所述选择第一条轨道作为基准，针对所选择轨道上的所有节点，基于网络均匀化要求将各链路按照链路类型比例进行均匀化分布，具体包括：
选择第一条轨道作为基准，假设作为基准的轨道所有节点在所选择的方向上的链路总数为T，将T*每种链路类型比例，计算出每种链路类型对应的数量，并保证链路总数等于T；
将各种类型的链路按照链路数量从大到小排序，然后按照[T/单个类型的链路数量]间隔，依次将各种类型的链路按照数量大小排序的顺序依次进行均匀化分布。
所述的基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法，其中，所述判断新网络拓扑结构的加权指标值是否小于十字架拓扑结构的加权指标值，之后还包括：
若新网络拓扑结构的加权指标值不小于十字架拓扑结构的加权指标值，选取比例最高的跨轨道链路类型中的一条链路，将所有轨道的链路连接方式全部由跨轨道连接修改为邻轨道连接。
所述的基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法，其中，所述备选链路包括邻轨通信链路和跨轨道通信链路。
为实现上述目的，本发明还提供一种基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法，所述基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法包括如下步骤：
以每条轨道上卫星的地面覆盖范围为基本区域粒度，基于地面覆盖范围内的业务分布计算出通信业务的距离分布；
基于每条轨道的通信业务距离分布和其他轨道卫星的覆盖范围，进行通信距离到通信轨道类型映射，并只保留异轨通信类型；
基于每条轨道的卫星在异轨所有轨道上的通信业务量，计算每条轨道卫星的每个通信轨道类型的比例；
基于光端机的通信最远轨道，统计全网所有轨道的实际通信轨道类型的平均比例；
选择第一条轨道作为基准，针对所选择轨道上的所有节点，基于网络均匀化要求将各链路按照链路类型比例进行均匀化分布，并基于最短路径算法进行拓扑优化；
遍历所有轨道，判断所有轨道卫星通信的异轨第1条轨道链路类型比例与全网平均异轨第1条轨道链路类型比例的差值是否超过设定值；
若差值未超过设定值，针对一个完整的卫星周期进行仿真，并基于最短路径算法统计运行周期内全网平均时延和跳数；
判断全网平均时延和跳数的综合指标值是否小于十字架拓扑结构的综合指标值；
若全网平均时延和跳数的综合指标值不小于十字架拓扑结构的综合指标值，根据预设原则将其他异轨链路类型修改为异轨第1条轨道的链路类型。
所述的基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法，其中，所述基于每条轨道的卫星在异轨所有轨道上的通信业务量，计算每条轨道卫星的每个通信轨道类型的比例，还包括：
将超过光端机通信范围的所有轨道类型比例全部映射到光端机通信范围内最远的轨道类型上。
所述的基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法，其中，所述判断所有轨道卫星通信的异轨第1条轨道链路类型比例与全网平均异轨第1条轨道链路类型比例的差值是否超过设定值，之后还包括：
若所有轨道卫星通信的异轨第1条轨道链路类型比例与全网平均异轨第1条轨道链路类型比例的差值超过设定值，则将异轨第1条轨道的链路类型与其他异轨的链路类型比例进行转换，完成所有异轨第1条轨道-异轨第1条轨道平均值大于设定值的轨道的链路拓扑优化。
所述的基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法，其中，所述根据预设原则将其他异轨链路类型修改为异轨第1条轨道的链路类型，具体包括：
选择链路数为3的节点增加一条邻轨链路，并将其他轨道对应节点的链路类型全部修改为邻轨链路；
当链路数为3的节点为0后，根据均匀化的原则挑选比例最多的一条异轨链路修改为邻轨链路，并将其他轨道的对应节点进行同样的修改。
所述的基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法，其中，所述基于最短路径算法进行拓扑优化，具体包括：
基于最短路径算法，在不改变各种链路类型比例的情况下对网络进行布放微调，使全网基于业务分布和业务量的平均通信时延和跳数综合指标更优。
所述的基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法，其中，在设置所述设定值时满足每条轨道的卫星数*比例差不小于1。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种终端，其中，所述终端包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法程序或者基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法程序，所述基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法程序被所述处理器执行时实现如上所述的基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法的步骤；或者所述基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法程序被所述处理器执行时实现如上所述的基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法的步骤。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法程序或者基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法程序，所述基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法程序被处理器执行时实现如上所述的基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法的步骤或者所述基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法程序被处理器执行时实现如上所述的基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法的步骤。
本发明针对天基单星座卫星网络，使用一种更加有效的网络拓扑规划机制，使天基网络的通信时延、跳数等性能指标相对传统的十字架网络更优，新的卫星网络构型设计方案将卫星网络热点通信区域对应的通信时延和跳数指标作为拓扑规划的判断依据，在保持每个卫星节点与同轨道的前后卫星节点相连的基础上，重新设计邻轨和跨轨道的链路连接关系，使网络拓扑构型满足真实通信业务需求，实现通信时延和跳数性能综合指标相对传统的十字架网络拓扑构型提升的同时，确保这些指标在近距离通信场景下不出现明显的下降，达成全网通信业务性能最优的目的。
附图说明
图1是本发明基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法的较佳实施例的流程图；
图2是本发明基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法的较佳实施例的流程图；
图3为本发明终端的较佳实施例的运行环境示意图。
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、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
网络拓扑设计需要考虑卫星网络的具体业务诉求，但是建网初期业务通常不够明确，这种情况下可以基于模糊的平均通信距离进行网络拓扑设计。如果建网初期卫星网络服务的业务和业务分布比较明确，那么网络拓扑设计需基于业务设计，所以以下将从基于“平均通信距离”和“平均业务性能”两种情况，分别介绍天基网络拓扑设计的方案。
由于卫星间通信需要基于一定的通信技术和设备，不同的通信技术和设备在通信的广度和深度上存在较大的差异，所以有必要对相关信息进行提前设定。方案中的卫星间通信链路的前提条件或者约束如下：
（1）卫星间基于点对点激光通信光端机，每个光端机的最大通信距离为d；
（2）当前光端机通信范围：方位角±α°，俯仰角±β°；
（3）每个卫星节点的光端机数量≤4，与十字架拓扑结构保持一致。
一、基于平均通信距离的天基星座内网络拓扑设计
基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方案中，针对平均通信距离下的时延和跳数性能指标进行有针对性设计，在此基础上针对近距离（邻轨通信）和远距离通信（跨多条轨道通信）通信性能进行有针对性的优化，使全网平均通信性能或者特定通信区域的通信性能较优。主要步骤如下：
第一步：首先给每个节点足够的备选链路，形成一个初始网络；
第二步：基于最短路径算法计算每个节点和其平均通信范围内的节点的最短路径，以此得到各链路使用率数据，优先将使用率高的链路保留，然后进行均匀化分布；
第三步：与传统十字架网络性能进行对比，经过进一步的优化流程，使网络的整体性能比十字架网络性能更优。
本发明较佳实施例所述的基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法，如图1所示，所述基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法包括以下步骤：
步骤S1、基于卫星节点上光端机的通信距离约束，计算网络中卫星节点的最远可通信的轨道。
具体地，由于同一轨道上卫星间的相对运动速度小，所以同轨卫星间的链路稳定性高，所以保留每个卫星节点与同轨前后两个节点之间的链路，在此基础上，通过计算确定与异轨道连接的备选链路（所述备选链路包括邻轨通信链路和跨轨道通信链路）。异轨备选链路选择时，首先针对每个节点，选择一个备选链路的挑选方向（向左或者向右），在该方向可通信范围内的每个轨道上选择2条备选链路。
例如，以某个节点A为例，选择节点A的右侧作为寻找备选链路的范围，假设其可通信的轨道编号依次为1，2，...，N，那么计算节点A到轨道1上所有节点的距离，选择距离最短的两条路径作为备选链路，然后计算节点A到轨道2上所有节点的距离，选择距离最短的两条链路作为节点A到轨道2的备选链路，依次计算，直到选出节点A到第N条轨道的备选链路（其中，每个节点的备选链路数是2*N，所有节点的备选链路总数为：节点总数*2*N）。需要注意的是，由于卫星网络具有一定的对称性，所以在计算节点的备选链路时，只在特定方向上进行，然后形成闭环。
步骤S2、当所有节点的备选链路计算完成后，与同轨之间的已有链路共同形成初始卫星网络。
具体地，所有节点的备选链路计算完成后，与同轨之间的已有链路共同形成一个初始卫星网络，节点与节点之间需要有链路连接才能形成网络，备选链路也是两个节点之间的链路，传统的十字架网络中每个节点只跟左右两个邻居相连（每个方向上1个），这里备选链路是给每个节点在单个方向上增加2条链路，以便在后续的优化的过程中保留最优化的一条，该初始卫星网络中每个卫星节点的链路数可能不止4条，但只有在备选路径充足的情况下，才能更好地进行网络拓扑规划。
步骤S3、针对每个卫星节点，基于最短路径算法计算每个节点到平均通信距离内其他所有节点的最短路径。
具体地，针对每个卫星节点，基于Dijkstra算法（最短路径算法，Dijkstra算法是一种计算两点间最短路径的算法，是一个迭代算法），计算每个节点到平均通信距离内其他所有节点的最短路径。例如，从A点到E点的最短路径需要经过AB、BC、CD和DE 四段路，那么这4条链路被经历的次数分别为1，如果从B点到F点的最短路径需要经过BC和CF两段路，那么BC这条链路被经历的次数就变成了1+1=2；注意，这里的“平均通信距离”需要用户根据地球上使用卫星通信的用户的业务分布、业务量、通信距离等因素进行综合计算得出后，作为该步骤的输入指标。
步骤S4、统计每个节点的每条备选链路的被经历次数，选取节点上被经历次数最多的一条链路作为最佳备选链路，并标识链路类型。
具体地，基于每个节点与其他节点的最短路径的链路组成，统计每条链路被经历（即被经过）的次数，选取该节点上被经历次数最多的一条链路作为最佳备选链路，并标识该链路的类型，链路类型为相邻第一个（1st）轨道、相邻第二个（2nd）轨道、......相邻第N个（Nth轨）轨道轨道。由于每个节点的链路数只有4条，每个节点已经与同轨前后节点建立了2条链路，所以每个节点只需要在一个方向上选择一条异轨最佳链路即可，其在另一个方向上的链路由其他节点选出的最佳备选链路确定。
步骤S5、统计所有节点的最佳链路的链路类型，并针对链路类型进行比例统计。
步骤S6、选择第一条轨道作为基准，针对所选择轨道上的所有节点，基于网络均匀化要求将各链路按照链路类型比例进行均匀化分布。
具体地，选择第一条轨道（也可以选择其他轨道）作为基准，假设该条轨道所有节点在所选择的方向上的链路总数为T，将T*每种链路类型比例，计算出每种链路类型对应的数量，然后四舍五入取整，并保证链路总数等于T。将各种类型的链路按照链路数量从大到小排序，然后按照[T/单个类型的链路数量]间隔（向下取整或向上取整），依次将各种类型的链路按照数量大小排序的顺序依次进行布放（均匀化分布）。
例如，假设两个轨道间的链路总数T为20，总共有4种链路类型，相邻1st链路类型数量为8，相邻2nd链路类型数量为6，相邻3rd链路类型的数量为4，相邻4th链路类型的数量为2，那么选择任意一条链路为起始布放链路，按照[20/8]=3（向上取整）的间隔，将相邻1st链路类型的8条链路均匀布放在整个20条链路中，其中7条可以按照3为间隔布放，最后一条可随机布放；将相邻2nd链路类型以第二条链路作为起始部署链路，以[20/6]=4（向上取整）的间隔布放，基于一定的间隔布放时，若与已经布放的链路重合，那么向下或者向上寻找最近的未布放的节点，以此类推，直到将所有链路类型全部布放完。
在布放链路类型的过程中，当按照不同间隔布放不同类型的链路时，有可能同一节点上重合，那么向下或者向上寻找未建链路的节点。布放完成后，基于Dijkstra算法，在不改变各种链路类型比例的情况下对网络进行布放微调，使全网所有节点到其他节点的平均通信时延和跳数综合指标较优。
步骤S7、在完成第一条轨道的链路类型布放后，所有其他轨道的链路全部复制第一条轨道链路拓扑类型及分布，并基于最短路径算法对网络性能指标（网络的平均通信时延和跳数等）进行评估。
步骤S8、针对一个完整的卫星周期进行仿真，并基于最短路径算法统计运行周期内全网平均时延和跳数。
具体地，在一个网络运行周期内，在周期内网络动态变化的过程中，基于Dijkstra算法进行评估，计算运行周期内的每个节点到全网其他所有节点最短路径、时延和跳数，然后对全网所有节点间（通信的发源节点和目的节点）的时延和跳数进行平均。
步骤S9、将新网络拓扑结构的时延和跳数的加权指标与十字架拓扑结构的时延和跳数的加权指标进行对比，判断新网络拓扑结构的加权指标值是否小于十字架拓扑结构的加权指标值。
其中，加权方法可以自定义，当网络有不止1个性能指标时，可以用加权的方式对网络性能进行评估，比如如果网络用时延和跳数指标共同来衡量网络的性能，例如时延指标为a、跳数指标为b，那么加权指标公示可以定义为 0.8*a+0.2*b，系数可以自定义。
如果新网络拓扑结构的加权指标值不小于十字架拓扑结构的加权指标值，则执行步骤S9（a）；如果新网络拓扑结构的加权指标值小于十字架拓扑结构的加权指标值，则执行步骤S10。
步骤S9（a）、若新网络拓扑结构的加权指标值不小于十字架拓扑结构的加权指标值（即新网络拓扑的加权指标比十字架拓扑的加权指标差），那么每次选择一条比例最高的跨轨道链路类型，基于均匀性的原则选择在第一条轨道上选择一个节点，将该节点的链路连接方式由“跨轨道连接”修改为“邻轨道连接”，其他所有轨道的对应节点的链路方式全部复制该修改，修改完后将流程继续回到步骤S8。
步骤S10、若新网络拓扑结构的加权指标值小于十字架拓扑结构的加权指标值，则判断十字架拓扑的邻轨通信时延与新的网络拓扑结构下的邻轨通信时延的差值是否小于设定值。
由于新的网络拓扑结构更偏向于用户定义的平均通信距离下的时延和跳数指标，当用户设定的通信距离偏大时，近距离通信如邻轨通信的时延比传统的十字架网络对应的时延明显增加，所以针对邻轨等近距离通信场景的时延进行有针对性地优化，将新网络拓扑结构下的时延增加量优化至可接受的“设定值”（设定值由用户自定义，比如说1ms、2ms等）。
如果十字架拓扑的邻轨通信时延与新的网络拓扑结构下的邻轨通信时延的差值小于设定值，则结束流程；如果十字架拓扑的邻轨通信时延与新的网络拓扑结构下的邻轨通信时延的差值不小于设定值，则执行步骤S11。
步骤S11、若差值不小于设定值，则选取比例最高的跨轨道链路类型中的一条链路，将所有轨道的链路连接方式全部由跨轨道连接修改为邻轨道连接。
具体地，选择一条比例最高的跨轨道链路类型，基于均匀性的原则选择在第一条轨道上选择一个节点，将该节点的链路连接方式由“跨轨道连接”修改为“邻轨道连接”，其他所有轨道的对应节点的链路方式全部复制该修改，然后流程回退到步骤S10。
基于卫星网络平均通信距离的网络拓扑设计方案的优点：
（1）在网络初始化过程中，给每个卫星节点足够多的备选链路，备选链路中不仅包括邻轨通信链路，还包括跨轨道通信链路，给网络拓扑设计提供了更大的空间和潜力，具体体现在图1的步骤S1和步骤S2。
（2）方案中有从备选链路中选择最优链路的过程，最优链路的确定基于链路被经历的次数进行，被经历次数最多的链路为最优链路；方案中链路被经历次数的统计方法，是基于Dijkstra算法（最短路径算法）计算每个节点到其他所有节点的最短距离时，每条链路被经历次数的累加；具体步骤体现在图1的步骤S3和S4。
（3）方案中拓扑设计过程中，在统计链路类型的基础上，基于均匀化原则对各种类型的链路拓扑设计；同时，为了保证网络的规则性和性能，其他轨道复制第一条轨道的链路拓扑结构；设计完成后基于最短路径Dijkstra算法进行性能评估和优化，具体体现在图1的步骤5、步骤6和步骤7。
二、基于平均业务性能的天基星座内网络拓扑设计
当卫星网络的业务模型和业务分布比较明确时，天基网络拓扑需要围绕地面业务需求开展设计。在满足“卫星间通信链路的前提条件或者约束”的基础上，保证基于业务的平均通信时延和跳数指标性能较优。网络拓扑设计过程中，保持同轨卫星的前后2条链路不变，只对2条异轨链路进行优化。
本发明较佳实施例所述的基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法，如图2所示，所述基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法包括以下步骤：
步骤S1、以每条轨道上卫星的地面覆盖范围为基本区域粒度，基于地面覆盖范围内的业务分布（业务分布是由业务用户的地理位置决定，是网络设计时的输入条件）计算出通信业务的距离分布。
步骤S2、基于每条轨道的通信业务距离分布和其他轨道卫星的覆盖范围，进行通信距离到通信轨道类型映射，并只保留异轨通信类型。
具体地，基于每条轨道的通信业务距离分布和其他轨道卫星的覆盖范围，进行通信距离到通信轨道类型映射，并只保留异轨通信类型，例如某条轨道卫星下的一部分通信业务的目的地分布在邻轨卫星的覆盖范围内，那么将该部分通信业务对应的距离映射到“异轨第1条轨道”类型，同样，部分距离较远的通信距离映射到“异轨第X条轨道”类型。
步骤S3、基于每条轨道的卫星在异轨所有轨道上的通信业务量，计算每条轨道卫星的每个通信轨道类型的比例。
具体地，基于每条轨道的卫星在异轨所有轨道上的通信业务量，进行“轨道类型”的比例计算，并将超过光端机通信范围的所有轨道类型比例全部映射到光端机通信范围内最远的那个轨道类型上。
例如某条轨道L上卫星的通信业务分布为：
异轨第1条轨道：XL1%；
异轨第2条轨道：XL2%；
...
异轨第N条轨道：XLN%。
假设光端机通信的最远异轨轨道为第D条轨道，那么每个轨道类型对应的比例如下：
异轨第1条轨道：XL1%；
异轨第2条轨道：XL2%；
...
异轨第D条轨道：X’LD% =(XLD% + XLD+1% + ... + XLN%)
注意：当天基卫星网络规模比较小，光端机的通信范围内只有1条轨道时，那么D和1重合，将所有的轨道类型都映射到1条轨道上，这种情况下建议使用十字架网络构型。
步骤S4、基于光端机的通信最远轨道，统计全网所有轨道的实际通信轨道类型的平均比例。
具体地，统计全网所有轨道的通信轨道类型，通信轨道类型从异轨第1条轨道到光端机通信范围内的最远通信轨道，假设全网所有轨道数为N，光端机通信范围内的最远通信轨道为第D条轨道。
异轨第1条轨道：X1.avg = (X11%+X21%+...+XN1%) / N；
异轨第2条轨道：X2.avg = (X12%+X22%+...+XN2%) / N；
...
异轨第D条轨道：XD.avg = (X’1D%+X’2D%+...+X’ND%) / N。
步骤S5、选择第一条轨道作为基准，针对所选择轨道上的所有节点，基于网络均匀化要求将各链路按照链路类型比例进行均匀化分布，并基于最短路径算法进行拓扑优化。
具体地，选择第一条轨道（也可以选择其他轨道）作为基准，假设该条轨道所有节点在所选择的方向上的链路总数为T，将T*每种轨道类型比例，计算出每种链路类型对应的数量，然后按照第一种情况中步骤S6的方法进行均匀化排布，布放完成后，基于Dijkstra算法，在不改变各种链路类型比例的情况下对网络进行布放微调，使全网基于业务分布和业务量的平均通信时延和跳数综合指标较优。
步骤S6、遍历所有轨道，判断所有轨道卫星通信的异轨第1条轨道链路类型比例与全网平均异轨第1条轨道链路类型比例的差值是否超过设定值。
其中，用户在设置“设定值”时，需要保证“每条轨道的卫星数*比例差”不小于1，最好不小于2。
如果所有轨道卫星通信的异轨第1条轨道链路类型比例与全网平均异轨第1条轨道链路类型比例的差值超过（大于）设定值，则执行步骤S6（a）；如果所有轨道卫星通信的异轨第1条轨道链路类型比例与全网平均异轨第1条轨道链路类型比例的差值不超过（小于）设定值，则执行步骤S7。
步骤S6（a）、若所有轨道卫星通信的异轨第1条轨道链路类型比例与全网平均异轨第1条轨道链路类型比例的差值超过设定值，则将异轨第1条轨道的链路类型与其他异轨的链路类型比例进行转换，完成所有异轨第1条轨道-异轨第1条轨道平均值大于设定值的轨道的链路拓扑优化。
具体地，差值>设定值（差值为正）的轨道：选择一条轨道，假设该条轨道上“异轨第1条轨道-异轨第1条轨道平均值”的数目为T，将该条轨道上比平均值小的异轨轨道类型选出，并将差值四舍五入取整后从大到小排序，假设为：
异轨第L条轨道：比平均值少A条轨道；
异轨第M条轨道：比平均值少B条轨道；
...
异轨第N条轨道：比平均值少C条轨道；
并将该轨道上的“异轨第1条轨道”比“设定值”多出T条链路数，按照均匀化变成异轨链路。
如果T<A，那么把所有T条“异轨第1条轨道”链路类型都变成“异轨第L条轨道”链路类型；如果T<A+B+...+C，那么把A条“异轨第1条轨道”链路类型变成“异轨第L条轨道”链路类型后，再将剩余的“异轨第1条轨道”链路类型变成“异轨第M条轨道”链路类型，依次进行，直到全部将T条轨道变换完成为止；如果T>A+B+...+C，那么将全部A+B+...+C条“异轨第1条轨道”链路类型依次变成“异轨第L条轨道”、“异轨第M条轨道”、...、“异轨第L条轨道”链路类型。轨道链接类型改变后，会导致链路变换的节点上的链路超过5，此时在保留新修改链路的基础上，将超过4的异轨链路删除。然后基于Dijkstra算法，针对该轨道与涉及链路变换的其他异轨轨道，计算基于业务分布和业务量的平均通信时延和跳数，如果时延指标相对修改之前提升，那么保留该修改；如果时延指标下降，那个对修改进行回退。按照这种方法，完成所有“异轨第1条轨道-异轨第1条轨道平均值”大于“设定值”的轨道的链路拓扑优化。
对于差值<设定值（差值为负）的轨道：选择一条轨道，假设该条轨道上“异轨第1条轨道平均值-异轨第1条轨道”的数目为T，将该条轨道上比平均值大的异轨轨道类型选出，并将差值四舍五入取整后从大到小排序，假设为：
异轨第U条轨道：比平均值多E条轨道；
异轨第V条轨道：比平均值多F条轨道；
...
异轨第W条轨道：比平均值多G条轨道；
并从中按照从大到小的顺序挑选出T条异轨链路，并按照均匀化的原则变成“异轨第一条轨道”链路类型。如果T<E，那么把所有T条“异轨第U条轨道”链路类型变成“异轨第1条轨道”链路类型；如果T<E+F+...+G，那么将E条“异轨第U条轨道”链路类型变成“异轨第1条轨道”链路类型；然后再将剩余的“异轨第V条轨道”链路类型变成“异轨第1条轨道”链路类型，直到所有T条链路全部变换完为止；如果T>E+F+...+G，那么将全部E+F+...+G条“异轨第U条轨道”、“异轨第V条轨道”、...、“异轨第W条轨道”异轨链路类型变换为“异轨第1条轨道”链路类型。同样，轨道链接类型改变后，会导致链路变换的节点上的链路超过5，此时在保留新修改链路的基础上，将超过4的异轨链路删除。在每条链路变换和节点多余链路删除后，基于Dijkstra算法，针对该轨道与涉及链路变换的其他异轨轨道，计算基于业务分布和业务量的平均通信时延和跳数，如果时延指标相对修改之前提升，那么保留该修改；如果时延指标下降，那个对修改进行回退。按照这种方法，完成所有“异轨第1条轨道平均值-异轨第1条轨道”大于“设定值”的轨道的链路拓扑优化。
步骤S7、若差值未超过设定值，针对一个完整的卫星周期进行仿真，并基于最短路径算法统计运行周期内全网平均时延和跳数（综合指标）。
步骤S8、判断全网平均时延和跳数的综合指标值是否小于十字架拓扑结构的综合指标值。
如果全网平均时延和跳数的综合指标值小于十字架拓扑结构的综合指标值（即时延和跳数综合指标比十字架网络指标好），则结束流程；如果全网平均时延和跳数的综合指标值不小于十字架拓扑结构的综合指标值（即时延和跳数综合指标比十字架网络指标差），则执行步骤S8（a）。
S8（a）、若全网平均时延和跳数的综合指标值不小于十字架拓扑结构的综合指标值，根据预设原则将其他异轨链路类型修改为异轨第1条轨道的链路类型。
具体地，首先选择链路数为3的节点（优化的目标是尽可能使每个节点的链路数为4，但是在优化的过程中，部分节点可能会出现链路数为3的情况，这种情况下优先对这类节点进行优化，避免在对其他链路数为4的节点优化的过程中，形成更多链路数为3的节点），增加一条邻轨链路，并将其他轨道对应节点的链路类型全部修改为邻轨链路，然后流程跳转到步骤S7；当链路数为3的节点为0后，那么根据均匀化的原则挑选比例最多的一条异轨链路修改为邻轨链路，并将该修改复制到其他轨道的对应节点，然后流程跳转到步骤S8。
基于卫星网络业务性能的网络拓扑设计方案的优点：
（1）方案中将地面通信业务的通信距离分布向天基网络中的通信轨道距离映射，以这种方法完成地面业务需求对天基网络拓扑设计需求的转化，具体体现在图2的步骤S1和步骤S2。
（2）基于业务量进行天基卫星网络链路类型的计算，是链路的类型与与地面的业务量较好的匹配，具体体现在图2的步骤S3和S4。
进一步地，如图3所示，本发明还相应提供了一种终端，所述终端包括处理器10、存储器20及显示器30。图3仅示出了终端的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。
所述存储器20在一些实施例中可以是所述终端的内部存储单元，例如终端的硬盘或内存。所述存储器20在另一些实施例中也可以是所述终端的外部存储设备，例如所述终端上配备的插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card，SMC），安全数字（SecureDigital，SD）卡，闪存卡（Flash Card）等。进一步地，所述存储器20还可以既包括所述终端的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器20用于存储安装于所述终端的应用软件及各类数据，例如所述安装终端的程序代码等。所述存储器20还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。在一实施例中，存储器20上存储有基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法程序或者基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法程序40，该基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法程序或者基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法程序40可被处理器10所执行，从而实现本申请中基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法或者基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法。
所述处理器10在一些实施例中可以是一中央处理器（Central Processing Unit，CPU），微处理器或其他数据处理芯片，用于运行所述存储器20中存储的程序代码或处理数据，例如执行所述基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法或者基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法等。
所述显示器30在一些实施例中可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管）触摸器等。所述显示器30用于显示在所述终端的信息以及用于显示可视化的用户界面。所述终端的部件10-30通过系统总线相互通信。
在一实施例中，当处理器10执行所述存储器20中基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法程序或者基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法程序40时实现所述基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法或者基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法程序或者基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法程序，所述基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法程序被处理器执行时实现如上所述的基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法的步骤；或者所述基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法程序被处理器执行时实现如上所述的基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法的步骤。
综上所述，本发明通过构建分布式倒排表的方式实现了一种分布式的Simhash方案，解决了传统Simhash应对单个大规模数据集的重复检测的瓶颈问题，能够更充分的利用计算资源，应对更大的计算规模；通过对文本进行Simhash预计算，解决了倒排表分区方式中文档内容被多次冗余复制传输带来的通讯和读写代价过高的问题；通过前缀剪枝的方式显著减少了分布式数据分发的数据量，进一步为读写磁盘代价和通讯代价带来数量级的下降；传统的倒排索引技术、前缀剪枝技术和Simhash技术在分布式计算框架下的实现和深度结合，构成了分布式重复检测方法，解决了各自的缺陷，在读写、通讯、计算量、并行性等方面相较已有方法有较大改进。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (13)

1.一种基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法，其特征在于，所述基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法包括：
基于卫星节点上光端机的通信距离约束，计算网络中卫星节点的最远可通信的轨道；
当所有节点的备选链路计算完成后，与同轨之间的已有链路共同形成初始卫星网络；
针对每个卫星节点，基于最短路径算法计算每个节点到平均通信距离内其他所有节点的最短路径；
统计每个节点的每条备选链路的被经历次数，选取节点上被经历次数最多的一条链路作为最佳备选链路，并标识链路类型；
统计所有节点的最佳链路的链路类型，并针对链路类型进行比例统计；
选择第一条轨道作为基准，针对所选择轨道上的所有节点，基于网络均匀化要求将各链路按照链路类型比例进行均匀化分布；
在完成第一条轨道的链路类型布放后，所有其他轨道的链路全部复制第一条轨道链路拓扑类型及分布，并基于最短路径算法对网络性能指标进行评估；
针对一个完整的卫星周期进行仿真，并基于最短路径算法统计运行周期内全网平均时延和跳数；
将新网络拓扑结构的时延和跳数的加权指标与十字架拓扑结构的时延和跳数的加权指标进行对比，判断新网络拓扑结构的加权指标值是否小于十字架拓扑结构的加权指标值；
若新网络拓扑结构的加权指标值小于十字架拓扑结构的加权指标值，则判断十字架拓扑的邻轨通信时延与新的网络拓扑结构下的邻轨通信时延的差值是否小于设定值；
若差值不小于设定值，则选取比例最高的跨轨道链路类型中的一条链路，将所有轨道的链路连接方式全部由跨轨道连接修改为邻轨道连接。
2.根据权利要求1所述的基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法，其特征在于，所述基于卫星节点上光端机的通信距离约束，计算网络中卫星节点的最远可通信的轨道，具体包括：
将每个卫星节点与同轨前后两个节点之间的链路进行保留，通过计算确定与异轨道连接的备选链路；
在异轨的备选链路选择时，针对每个节点，选择一个备选链路的挑选方向，在挑选方向可通信范围内的每个轨道上选择2条备选链路。
3.根据权利要求2所述的基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法，其特征在于，所述选择第一条轨道作为基准，针对所选择轨道上的所有节点，基于网络均匀化要求将各链路按照链路类型比例进行均匀化分布，具体包括：
选择第一条轨道作为基准，假设作为基准的轨道所有节点在所选择的方向上的链路总数为T，将T*每种链路类型比例，计算出每种链路类型对应的数量，并保证链路总数等于T；
将各种类型的链路按照链路数量从大到小排序，然后按照[T/单个类型的链路数量]间隔，依次将各种类型的链路按照数量大小排序的顺序依次进行均匀化分布。
4.根据权利要求1所述的基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法，其特征在于，所述判断新网络拓扑结构的加权指标值是否小于十字架拓扑结构的加权指标值，之后还包括：
若新网络拓扑结构的加权指标值不小于十字架拓扑结构的加权指标值，选取比例最高的跨轨道链路类型中的一条链路，将所有轨道的链路连接方式全部由跨轨道连接修改为邻轨道连接。
5.根据权利要求1所述的基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法，其特征在于，所述备选链路包括邻轨通信链路和跨轨道通信链路。
6.一种基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法，其特征在于，所述基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法包括：
以每条轨道上卫星的地面覆盖范围为基本区域粒度，基于地面覆盖范围内的业务分布计算出通信业务的距离分布；
基于每条轨道的通信业务距离分布和其他轨道卫星的覆盖范围，进行通信距离到通信轨道类型映射，并只保留异轨通信类型；
基于每条轨道的卫星在异轨所有轨道上的通信业务量，计算每条轨道卫星的每个通信轨道类型的比例；
基于光端机的通信最远轨道，统计全网所有轨道的实际通信轨道类型的平均比例；
选择第一条轨道作为基准，针对所选择轨道上的所有节点，基于网络均匀化要求将各链路按照链路类型比例进行均匀化分布，并基于最短路径算法进行拓扑优化；
遍历所有轨道，判断所有轨道卫星通信的异轨第1条轨道链路类型比例与全网平均异轨第1条轨道链路类型比例的差值是否超过设定值；
若差值未超过设定值，针对一个完整的卫星周期进行仿真，并基于最短路径算法统计运行周期内全网平均时延和跳数；
判断全网平均时延和跳数的综合指标值是否小于十字架拓扑结构的综合指标值；
若全网平均时延和跳数的综合指标值不小于十字架拓扑结构的综合指标值，根据预设原则将其他异轨链路类型修改为异轨第1条轨道的链路类型。
7.根据权利要求6所述的基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法，其特征在于，所述基于每条轨道的卫星在异轨所有轨道上的通信业务量，计算每条轨道卫星的每个通信轨道类型的比例，还包括：
将超过光端机通信范围的所有轨道类型比例全部映射到光端机通信范围内最远的轨道类型上。
8.根据权利要求6所述的基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法，其特征在于，所述判断所有轨道卫星通信的异轨第1条轨道链路类型比例与全网平均异轨第1条轨道链路类型比例的差值是否超过设定值，之后还包括：
若所有轨道卫星通信的异轨第1条轨道链路类型比例与全网平均异轨第1条轨道链路类型比例的差值超过设定值，则将异轨第1条轨道的链路类型与其他异轨的链路类型比例进行转换，完成所有异轨第1条轨道-异轨第1条轨道平均值大于设定值的轨道的链路拓扑优化。
9.根据权利要求6所述的基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法，其特征在于，所述根据预设原则将其他异轨链路类型修改为异轨第1条轨道的链路类型，具体包括：
选择链路数为3的节点增加一条邻轨链路，并将其他轨道对应节点的链路类型全部修改为邻轨链路；
当链路数为3的节点为0后，根据均匀化的原则挑选比例最多的一条异轨链路修改为邻轨链路，并将其他轨道的对应节点进行同样的修改。
10.根据权利要求6所述的基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法，其特征在于，所述基于最短路径算法进行拓扑优化，具体包括：
基于最短路径算法，在不改变各种链路类型比例的情况下对网络进行布放微调，使全网基于业务分布和业务量的平均通信时延和跳数综合指标更优。
11.根据权利要求6所述的基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法，其特征在于，在设置所述设定值时满足每条轨道的卫星数*比例差不小于1。
12.一种终端，其特征在于，所述终端包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于平均通信距离的天基网络拓扑设计程序或者基于平均业务性能的天基网络拓扑设计程序，所述基于平均通信距离的天基网络拓扑设计程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述的基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法的步骤或者所述基于平均业务性能的天基网络拓扑设计程序被所述处理器执行时实现如权利要求6-11任一项所述的基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法的步骤。
13.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法程序或者基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法程序，所述基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述的基于平均通信距离的天基网络拓扑设计方法的步骤或者所述基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法程序被处理器执行时实现如权利要求6-11任一项所述的基于平均业务性能的天基网络拓扑设计方法的步骤。
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