CN114900853B - 一种卫星网络组播重传方法及系统 - Google Patents

一种卫星网络组播重传方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种卫星网络组播重传方法及系统，该方法包括：将LEO卫星的星间组网建模为类曼哈顿网络拓扑结构；将组播源卫星和组播成员作为网络拓扑节点，生成连接源节点和组员节点的直角斯坦纳树，并将所述直角斯坦纳树作为组播树；丢包待重传组员沿组播树路径发送重传请求至源节点，若中继节点只有一个子节点，则沿组播树路径进行转发，若中继节点不少于一个子节点，则定期扫描中继节点的请求缓存，将请求缓存合并后的综合重传信息发送至源节点；基于组播树和待重传节点点集，通过重传子树构建算法生成重传子树，根据所述重传子树进行局部组播重传。通过该方案可以减少卫星资源占用和源卫星的响应负担，有效提高了丢包重传效率。

Description

一种卫星网络组播重传方法及系统
技术领域
本发明属于卫星通信领域，尤其涉及一种卫星网络组播重传方法及系统。
背景技术
低地球轨道（Low Earth Orbit, LEO）卫星网络是一种运行轨道离地面500km~2000km的低轨道卫星通信系统。与传统地面网络相比，LEO卫星网络不受地理位置、环境因素的限制，可在全球范围内提供“无缝”接入的通信服务。与中高轨道卫星相比，LEO卫星星间组网与地面传输时延低，路径损耗小、带宽大、频谱利用率高，完全可以承担视频传输的业务。同时，LEO卫星网络支持中央管理，可部署全网组播，最大化组播技术的优势，能提供高效视频分发等业务。
目前，国内外均已开始探索全球近地卫星网络的建设，如OneWeb、Starlink、“鸿雁”计划等。尽管人们关于LEO卫星星间网络的组播技术已有初步探索，但鲜少考虑LEO卫星星座中卫星本身特性，以及星间网络中的丢包重传方案。若直接参考现有地面网络丢包重传方案，由于丢包重传会涉及本地缓存，而卫星的存储资源有限，同时，全网庞大的重传请求数量也会给源卫星带来巨大的响应负担，降低组播重传效率。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种卫星网络组播重传方法及系统，用于解决丢包重传占用内容资源以及组播重传效率低的问题。
在本发明实施例的第一方面，提供了一种卫星网络组播重传方法，包括：
将LEO卫星的星间组网建模为类曼哈顿网络拓扑结构；
将组播源卫星和组播成员作为网络拓扑节点，生成连接源节点和组员节点的直角斯坦纳树，并将所述直角斯坦纳树作为组播树；
丢包待重传组员沿组播树路径发送重传请求至源节点，若中继节点只有一个子节点，则沿组播树路径进行转发，若中继节点大于一个子节点，则定期扫描中继节点的请求缓存，将请求缓存合并后的综合重传信息发送至源节点；
基于组播树和待重传节点点集，通过重传子树构建算法生成重传子树，根据所述重传子树进行局部组播重传。
在本发明实施例的第二方面，提供了一种卫星网络组播重传系统，包括：
拓扑构建模块，用于将LEO卫星的星间组网建模为类曼哈顿网络拓扑结构；
组播树构建模块，用于将组播源卫星和组播成员作为网络拓扑节点，生成连接源节点和组员节点的直角斯坦纳树，并将所述直角斯坦纳树作为组播树；
重传请求模块，用于丢包待重传组员沿组播树路径发送重传请求至源节点，若中继节点只有一个子节点，则沿组播树路径进行转发，若中继节点大于一个子节点，则定期扫描中继节点的请求缓存，将请求缓存合并后的综合重传信息发送至源节点；
组播重传模块，用于基于组播树和待重传节点点集，通过重传子树构建算法生成重传子树，根据所述重传子树进行局部组播重传。
在本发明实施例的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本发明实施例第一方面所述方法的步骤。
在本发明实施例的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例第一方面提供的所述方法的步骤。
本发明实施例中，基于星间组网网络拓扑特性，建立直角斯坦纳组播树，通过分级反馈机制结合重传子树构建算法，实现高效丢包重传，减少对卫星资源的占用，有效提高了组播重传效率。相比于传统单播重传、全网组播重传等方式，大大减少了重传请求给源节点带来的响应压力，节约了丢包重传的资源消耗，可动态适应不同程度的全网丢包状况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对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取其他附图。
图1为本发明一个实施例提供的一种卫星网络组播重传方法的流程示意图；
图2为本发明一个实施例提供的LEO卫星类曼哈顿网络拓扑模型示意图；
图3为本发明一个实施例提供的重传请求分级反馈机制的示意图；
图4为本发明一个实施例提供的一种卫星网络组播重传系统的结构示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，本发明的说明书或权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他相近意思表述，意指覆盖不排他的包含，如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、设备没有限定于已列出的步骤或单元。此外，“第一”“第二”用于区分不同对象，并非用于描述特定顺序。
请参阅图1，本发明实施例提供的一种卫星网络组播重传方法的流程示意图，包括：
S101、将LEO卫星的星间组网建模为类曼哈顿网络拓扑结构；
所述LEO卫星即低轨道卫星，卫星间可以建立通信链路实现数据通信。所述类曼哈顿网络拓扑结构是将LEO卫星作为节点，基于最短路径实现任意两节点路径相连的拓扑结构。
其中，设定每个卫星只能与上下左右四个邻近节点通信；
在网络拓扑中建立平面直角坐标系，将卫星节点的逻辑地址以平面坐标表示，则 卫星节点间的最短距离表示为
Figure 927714DEST_PATH_IMAGE001
，式中，
Figure 395078DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 96318DEST_PATH_IMAGE003
均为卫 星节点，
Figure 523757DEST_PATH_IMAGE004
为卫星节点间的距离,
Figure 677658DEST_PATH_IMAGE002
的平面坐标为
Figure 747114DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 302860DEST_PATH_IMAGE003
的平面坐标为
Figure 638551DEST_PATH_IMAGE006
。
在一个实施例中，如图2所示，给定一个
Figure 14169DEST_PATH_IMAGE007
条轨道的极轨道卫星星座，每个轨道上 有M颗卫星，轨道倾角为90°，相位因子为0。将其建模成
Figure 746370DEST_PATH_IMAGE008
大小的类曼哈顿网络的LEO 卫星网络拓扑。拓扑中每个节点代表一颗卫星，每个卫星仅能与上、下、左、右四个邻居卫星 建立通信链路。
S102、将组播源卫星和组播成员作为网络拓扑节点，生成连接源节点和组员节点的直角斯坦纳树，并将所述直角斯坦纳树作为组播树；
所述源节点对应于组播源卫星，所述组员即组播成员，对应于接收卫星。所述直角斯坦纳树（Rectilinear Steiner Tree, RST）是一种连接所有网络节点，实现代价最小的连接算法。通过挑选网络中的其它中继卫星节点作为斯坦纳节点，分别连接源节点与组播成员节点，最小化全网组播树总长。本实施例中，通过生成直角斯坦纳树，可以实现星间组播代价最小。
S103、丢包待重传组员沿组播树路径发送重传请求至源节点，若中继节点只有一个子节点，则沿组播树路径进行转发，若中继节点不少于一个子节点，则定期扫描中继节点的请求缓存，将请求缓存合并后的综合重传信息发送至源节点；
所述中继节点为组员节点与源节点之间进行数据转发的中间节点，其能将源节点的组播数据发送至组员节点，也能将组员节点的重传请求转发至源节点。
当中继节点存在多个子节点（两个或以上），则需要将中继节点的所有重传请求合并，一起发送至源节点，减少中继节点的内存占用，提高重传请求效率。
在一个实施例中，如图3所示，对于网络中每个丢包待重传的组员节点，沿现有直 角斯坦纳组播树向源节点发送重传请求信息。重传请求信息NACK内容格式为
Figure 77994DEST_PATH_IMAGE009
，其 中，
Figure 863548DEST_PATH_IMAGE010
表示待重传组员节点，
Figure 713080DEST_PATH_IMAGE011
表示丢失数据包编号。
若传输过程中的中继节点存在多个子节点，则需要该卫星节点存储其子节点的重 传请求队列。此类节点周期性扫描请求队列，若队列非空，则汇总队列中信息成ANACK消息
Figure 858759DEST_PATH_IMAGE012
，沿组播树向上传输，直至传输至源节点。
S104、基于组播树和待重传节点点集，通过重传子树构建算法生成重传子树，根据所述重传子树进行局部组播重传。
所述待重传节点点集为待重传节点形成的点集，待重传节点可以从综合重传信息中得到，中继节点将待重传信息发送至源节点后，源节点会根据接收到的待重传节点位置以及组播树，将重传数据通过局部组播发送至对应待重传节点。
所述重传子树构建算法是一种根据待重传节点位置和组播树路径定义的重传算法，可用于对待重传节点进行局部组播重传。其主要根据待重传节点位置以及网络拓扑中节点位置关系，计算重传代价最小的重传子树进行重传。
在一个实施例中，所述步骤104还包括：
在拓扑图中沿组播树路径，遍历待重传节点至源节点路径中的节点，若节点被遍历超过一次，则将节点标记为重传交叉节点；
计算待重传节点合并至最近重传交叉节点的重传增益；
根据重传增益值将合并信息元组集合降序排列；
若重传子树个数超过重传成本或合并信息元组集合中第一个数据元组的重传增益值大于0，则将重传子树合并至上一级重传交叉节点为根的子树；
重新计算合并信息元组，直至不满足上一步的条件；
若合并信息元组集合不为空，则将集合中每个合并信息元组第一个值作为重传子树的根节点，形成重传子树集。
所述合并信息元组集合即将中继节点的请求缓存合并后的综合重传信息集合，其包含有待重传节点和丢失数据包信息。
进一步的，根据公式计算待重传节点合并至最近重传交叉节点的重传增益：
Figure 123518DEST_PATH_IMAGE013
；
式中，
Figure 594820DEST_PATH_IMAGE014
表示重传增益，Ed(U)表示子树U的边集合，
Figure 679450DEST_PATH_IMAGE015
表示子树U的 根节点到重传节点T的源节点的距离，
Figure 894400DEST_PATH_IMAGE016
表示节点
Figure 482507DEST_PATH_IMAGE017
下游的重传交叉点与丢包待重 传的点集，
Figure 783432DEST_PATH_IMAGE018
表示以节点
Figure 73468DEST_PATH_IMAGE019
为根节点的子树，
Figure 46103DEST_PATH_IMAGE020
表示以节点n为根节点的子树。
本实施例中，充分考虑星间组网网络拓扑特性，在构建直角斯坦纳组播树的基础上，通过分级反馈机制与弹性组播子树构建算法，实现高效丢包重传，大大减少了重传请求给源节点带来的响应压力，减少对卫星内存空间的占用，节约了丢包重传的资源消耗，能动态适应不同程度的全网丢包状况。
应理解，上述实施例中各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
图4为本发明实施例提供的一种卫星网络组播重传系统的结构示意图，该系统包括：
拓扑构建模块410，用于将LEO卫星的星间组网建模为类曼哈顿网络拓扑结构；
其中，设定每个卫星只能与上下左右四个邻近节点通信；
在网络拓扑中建立平面直角坐标系，将卫星节点的逻辑地址以平面坐标表示，则 卫星节点间的最短距离表示为
Figure 3564DEST_PATH_IMAGE021
，式中，
Figure 542299DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 601522DEST_PATH_IMAGE023
均为卫 星节点，
Figure 158274DEST_PATH_IMAGE022
的平面坐标为
Figure 252132DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 236138DEST_PATH_IMAGE023
的平面坐标为
Figure 48236DEST_PATH_IMAGE025
。
组播树构建模块420，用于将组播源卫星和组播成员作为网络拓扑节点，生成连接源节点和组员节点的直角斯坦纳树，并将所述直角斯坦纳树作为组播树；
重传请求模块430，用于丢包待重传组员沿组播树路径发送重传请求至源节点，若中继节点只有一个子节点，则沿组播树路径进行转发，若中继节点大于一个子节点，则定期扫描中继节点的请求缓存，将请求缓存合并后的综合重传信息发送至源节点；
组播重传模块440，用于基于组播树和待重传节点点集，通过重传子树构建算法生成重传子树，根据所述重传子树进行局部组播重传。
其中，所述基于组播树和待重传节点点集，通过重传子树构建算法生成重传子树包括：
在拓扑图中沿组播树路径，遍历待重传节点至源节点路径中的节点，若节点被遍历超过一次，则将节点标记为重传交叉节点；
计算待重传节点合并至最近重传交叉节点的重传增益；
根据重传增益的值将合并信息元组集合降序排列；
若重传子树个数超过重传成本或合并信息元组集合中第一个数据元组的重传增益值大于0，则将重传子树合并至上一级重传交叉节点为根的子树；
重新计算合并信息元组；
若合并信息元组集合不为空，则将集合中每个合并信息元组第一个值作为重传子树的根节点，形成重传子树集。
具体的，根据公式计算待重传节点合并至最近重传交叉节点的重传增益：
Figure 877521DEST_PATH_IMAGE013
；
式中，
Figure 825885DEST_PATH_IMAGE026
表示重传增益，Ed(U)表示子树U的边集合，
Figure 718142DEST_PATH_IMAGE027
表示子树U的 根节点到重传节点T的源节点的距离，
Figure 486378DEST_PATH_IMAGE028
表示以节点
Figure 650512DEST_PATH_IMAGE029
为根节点的子树，
Figure 718962DEST_PATH_IMAGE030
表示以节点n 为根节点的子树。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，实现步骤S101至S104中部分或全部过程，所述的存储介质包括如ROM/RAM等。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种卫星网络组播重传方法，其特征在于，包括：
将LEO卫星的星间组网建模为类曼哈顿网络拓扑结构；
将组播源卫星和组播成员作为网络拓扑节点，生成连接源节点和组员节点的直角斯坦纳树，并将所述直角斯坦纳树作为组播树；
丢包待重传组员沿组播树路径发送重传请求至源节点，若中继节点只有一个子节点，则沿组播树路径进行转发，若中继节点大于一个子节点，则定期扫描中继节点的请求缓存，将请求缓存合并后的综合重传信息发送至源节点；
基于组播树和待重传节点点集，通过重传子树构建算法生成重传子树，根据所述重传子树进行局部组播重传。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将LEO卫星的星间组网建模为类曼哈顿网络拓扑结构包括：
设定每个卫星只能与上下左右四个邻近节点通信；
在网络拓扑中建立平面直角坐标系，将卫星节点的逻辑地址以平面坐标表示，则卫星 节点间的最短距离表示为
Figure 106501DEST_PATH_IMAGE001
，式中，
Figure 432309DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 953420DEST_PATH_IMAGE003
均为卫星节 点，
Figure 406398DEST_PATH_IMAGE002
的平面坐标为
Figure 578623DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 91643DEST_PATH_IMAGE003
的平面坐标为
Figure 614898DEST_PATH_IMAGE005
。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于组播树和待重传节点点集，通过重传子树构建算法生成重传子树包括：
在拓扑图中沿组播树路径，遍历待重传节点至源节点路径中的节点，若节点被遍历超过一次，则将节点标记为重传交叉节点；
计算待重传节点合并至最近重传交叉节点的重传增益；
根据重传增益的值将合并信息元组集合降序排列；
若重传子树个数超过重传成本或合并信息元组集合中第一个数据元组的重传增益值大于0，则将重传子树合并至上一级重传交叉节点为根的子树；
重新计算合并信息元组；
若合并信息元组集合不为空，则将集合中每个合并信息元组第一个值作为重传子树的根节点，形成重传子树集。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算待重传节点合并至最近重传交叉节点的重传增益包括：
根据公式计算待重传节点合并至最近重传交叉节点的重传增益：
Figure 340408DEST_PATH_IMAGE006
；
式中，
Figure 370068DEST_PATH_IMAGE007
表示重传增益，Ed(U)表示子树U的边集合，
Figure 788411DEST_PATH_IMAGE008
表示子树U的根节 点到重传节点T的源节点的距离，
Figure 533382DEST_PATH_IMAGE009
表示节点
Figure 328163DEST_PATH_IMAGE010
下游的重传交叉点与丢包待重传的 点集，
Figure 209400DEST_PATH_IMAGE011
表示以节点
Figure 798645DEST_PATH_IMAGE012
为根节点的子树，
Figure 30912DEST_PATH_IMAGE013
表示以节点n为根节点的子树。
5.一种卫星网络组播重传系统，其特征在于，包括：
拓扑构建模块，用于将LEO卫星的星间组网建模为类曼哈顿网络拓扑结构；
组播树构建模块，用于将组播源卫星和组播成员作为网络拓扑节点，生成连接源节点和组员节点的直角斯坦纳树，并将所述直角斯坦纳树作为组播树；
重传请求模块，用于丢包待重传组员沿组播树路径发送重传请求至源节点，若中继节点只有一个子节点，则沿组播树路径进行转发，若中继节点大于一个子节点，则定期扫描中继节点的请求缓存，将请求缓存合并后的综合重传信息发送至源节点；
组播重传模块，用于基于组播树和待重传节点点集，通过重传子树构建算法生成重传子树，根据所述重传子树进行局部组播重传。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述将LEO卫星的星间组网建模为类曼哈顿网络拓扑结构包括：
设定每个卫星只能与上下左右四个邻近节点通信；
在网络拓扑中建立平面直角坐标系，将卫星节点的逻辑地址以平面坐标表示，则卫星 节点间的最短距离表示为
Figure 629383DEST_PATH_IMAGE014
，式中，
Figure 368057DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 393782DEST_PATH_IMAGE003
均为卫星节 点，
Figure 864077DEST_PATH_IMAGE002
的平面坐标为
Figure 984349DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 590911DEST_PATH_IMAGE003
的平面坐标为
Figure 36804DEST_PATH_IMAGE016
。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述基于组播树和待重传节点点集，通过重传子树构建算法生成重传子树包括：
在拓扑图中沿组播树路径，遍历待重传节点至源节点路径中的节点，若节点被遍历超过一次，则将节点标记为重传交叉节点；
计算待重传节点合并至最近重传交叉节点的重传增益；
根据重传增益的值将合并信息元组集合降序排列；
若重传子树个数超过重传成本或合并信息元组集合中第一个数据元组的重传增益值大于0，则将重传子树合并至上一级重传交叉节点为根的子树；
重新计算合并信息元组；
若合并信息元组集合不为空，则将集合中每个合并信息元组第一个值作为重传子树的根节点，形成重传子树集。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述计算待重传节点合并至最近重传交叉节点的重传增益包括：
根据公式计算待重传节点合并至最近重传交叉节点的重传增益：
Figure 463238DEST_PATH_IMAGE006
；
式中，
Figure 918359DEST_PATH_IMAGE017
表示重传增益，Ed(U)表示子树U的边集合，
Figure 645006DEST_PATH_IMAGE018
表示子树U的根节 点到重传节点T的源节点的距离，
Figure 999152DEST_PATH_IMAGE019
表示节点
Figure 178460DEST_PATH_IMAGE020
下游的重传交叉点与丢包待重传的点 集，
Figure 906114DEST_PATH_IMAGE021
表示以节点
Figure 221688DEST_PATH_IMAGE022
为根节点的子树，
Figure 274964DEST_PATH_IMAGE023
表示以节点n为根节点的子树。
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