CN114915331B - 一种星地协作的广域实时通信系统及其通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星地协作的广域实时通信系统及其通信方法，广域实时通信系统，融合了天地一体网络中的地面云平台和巨型卫星星座，利用卫星节点与地面云节点在覆盖范围和服务能力上的天然互补优势，协作式的构建星地融合的覆盖网络，支持低时延广域实时通信。广域实时通信系统的通信方法，为通信会话选择合适的通信路径以实现广域实时通信用户之间低时延、端到端、多对多的交互。

Description

一种星地协作的广域实时通信系统及其通信方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种星地协作的广域实时通信系统及其通信方法。

背景技术

近年来，随着音视频技术的不断发展，广域实时通信(Wide-Area Real-TimeCommunication，RTC)成为人们日常生活中不可或缺的重要应用。对于RTC应用而言，交互时延是影响用户体验的关键性能指标之一。一般来说，要实现理想的用户交互体验，语音与视频通话类业务的单向通信时延要求控制在150毫秒以内，新兴的沉浸式交互应用(如虚拟现实Virtual Reality，VR)用户感知的交互延迟通常要控制在20毫秒以内。

为了降低RTC应用的端到端时延，现有的RTC架构通常建立在全球分布的云计算平台上，利用云中继节点(Cloud Relay Server)构建基于云的覆盖网络(Cloud-basedOverlay Network)，以实现更好的扩展性，更低的传播时延、丢包率，以及更高的带宽。此外，云中继节点还可以利用云计算平台的计算与存储能力，部署网内缓存与网络编码等技术，提升实时通信流对弱网环境的抗性。然而，在全球广域范围内现有基于云的实时通信架构仍然具有局限性，低时延广域实时通信的实现仍然面临巨大挑战。一方面，在基于云服务平台的覆盖网络下，端到端实时通信路径主要包括端到云，云到云，云再到端三个组成部分。端和云之间的传输路径仍然可能跨越多个自治系统(AS)，由于底层路由绕路而导致端到云时延增加。另一方面，由于地面云服务平台分布不均，即使是云到云的内部专网，也可能由于云节点的部署受限遭受路由绕路导致的额外时延。

发明内容

本发明的目的是提供一种星地协作的广域实时通信系统及其通信方法，以减少基于云的实时通信架构中路由绕路而导致的时延的产生，实现低时延广域实时通信。

第一方面，本发明提供一种星地协作的广域实时通信系统，所述系统包括：巨型卫星星座、地面云平台、会话控制服务器和通信终端；

所述巨型卫星星座部署有众多通信卫星，所述地面云平台部署有众多云服务器；

所述通信卫星和所述云服务器，作为中继服务器来转发实时通信流量；

所述会话控制服务器，用于为所述通信终端的每一个通信会话制定通信路径，并按照所述通信路径建立通信链接；还用于将所述通信终端的每一个通信会话的通信流量分配至其对应的通信路径上；

其中，所述通信路径途径若干个中继服务器。

第二方面，本发明还提供一种星地协作的广域实时通信系统的通信方法，所述广域实时通信系统包括众多通信卫星、众多云服务器和众多通信终端，所述通信卫星、所述云服务器和所述通信终端分别被视为通信卫星节点、云节点和通信终端节点；所述通信卫星节点和所述云节点被统称为中继节点；所述中继节点和所述通信终端节点被统称为通信节点；所述方法包括：

针对当前时隙的每一个通信会话，构建所述通信会话对应的通信节点可见关系图；

基于所述通信节点可见关系图，确定所述通信会话对应的转发控制节点；

利用所述转发控制节点制定所述通信会话中每一对通信终端节点的通信路径，并按照所述通信路径建立通信链接；

将所述通信会话中每一对通信终端节点的通信流量分配至相应的通信路径上；

其中，所述转发控制节点，是在可用中继节点中选择的并对所述通信会话中的通信流量进行拥塞控制和码率控制的节点。

根据本发明提供的星地协作的广域实时通信系统的通信方法，所述构建所述通信会话对应的通信节点可见关系图，包括：

令所述通信节点可见关系图中的节点包括所述通信会话包含的通信终端节点以及当前时隙的可用中继节点，并令所述通信节点可见关系图中互相可见的两个节点之间连接且互相不可见的两个节点之间不连接，生成所述通信节点可见关系图；

其中，所述通信节点可见关系图中节点之间的可见关系，记载在当前时隙广域实时通信系统的通信节点可见关系函数中。

根据本发明提供的星地协作的广域实时通信系统的通信方法，所述基于所述通信节点可见关系图，确定所述通信会话对应的转发控制节点，包括：

计算所述通信节点可见关系图中每一个中继节点的参考距离；其中，所述参考距离为相应中继节点与所述通信节点可见关系图中各通信终端节点之间的距离的加和；

将所述通信节点可见关系图的所有中继节点中参考距离最小的K个节点作为备选中继节点；

计算每一个备选中继节点的参考时延；其中，所述参考时延为相应备选中继节点与所述通信节点可见关系图中各通信终端节点之间的上行时延和下行时延总和的平均值；

将所有备选中继节点中参考时延最小的中继节点作为备选转发控制节点；

从所述通信会话上一时隙的转发控制节点与所述备选转发控制节点中选定所述转发控制节点；

其中，K为第一预设值。

根据本发明提供的星地协作的广域实时通信系统的通信方法，所述从所述通信会话上一时隙的转发控制节点与所述备选转发控制节点中选定所述转发控制节点，包括：

在所述通信会话上一时隙的转发控制节点与所述备选转发控制节点之间的物理距离超过预设距离阈值的情况下，选择所述备选转发控制节点作为所述转发控制节点；

否则，选择所述通信会话上一时隙的转发控制节点作为所述转发控制节点。

根据本发明提供的星地协作的广域实时通信系统的通信方法，在所述转发控制节点为所述通信会话上一时隙的转发控制节点的情况下，所述利用所述转发控制节点制定所述通信会话中每一对通信终端节点的通信路径，包括：

令所述通信会话中每一对通信终端节点的通信路径与上一时隙一致。

根据本发明提供的星地协作的广域实时通信系统的通信方法，在所述转发控制节点为所述备选转发控制节点的情况下，所述利用所述转发控制节点制定所述通信会话中每一对通信终端节点的通信路径，包括：

对于所述通信会话中每一对通信终端节点，基于所述通信节点可见关系图挑选可行的且经过源通信终端节点、所述转发控制节点和目的通信终端节点的通信路径；

确定挑选的所有通信路径中通信节点跳转数最少的通信路径，并填入最短路径集合；

剔除最短路径集合中无法满足源通信终端节点上行通信带宽需求和目的通信终端节点下行通信带宽需求的通信路径；

从最短路径集合剩余的通信路径中寻找已搭建通信链路数量最多的通信路径，并将寻找到的通信路径作为最终制定的通信路径。

第三方面，本发明又提供一种星地协作的广域实时通信系统的通信方法，所述广域实时通信系统包括众多通信卫星、众多云服务器和众多通信终端，所述通信卫星、所述云服务器和所述通信终端分别被视为通信卫星节点、云节点和通信终端节点；所述通信卫星节点和所述云节点被统称为中继节点；所述中继节点和所述通信终端节点被统称为通信节点；所述方法包括：

获取当前时隙广域实时通信系统的通信先决信息；

基于所述通信先决信息和预先构建的最优通信路径选择模型，确定当前时隙的每一个通信会话中的每一对通信终端节点的最优通信路径，并按照所述最优通信路径建立通信链接；

将当前时隙的每一个通信会话中的每一对通信终端节点的通信流量分配至其对应的最优通信路径上；

其中，所述通信先决信息，包括：当前时隙的可用中继节点、当前时隙的通信会话、当前时隙的各个通信会话包含的通信终端节点、当前时隙广域实时通信系统的通信节点可见关系函数、当前时隙各个可用通信卫星节点载荷数量和所有可能的通信链路的容量；

所述当前时隙的每一个通信会话中的各对通信终端节点的最优通信路径都经过所述当前时隙的每一个通信会话对应的转发控制节点；

所述当前时隙的每一个通信会话对应的转发控制节点，是在可用中继节点中选择的并对所述当前时隙的每一个通信会话中的通信流量进行拥塞控制和码率控制的节点。

根据本发明提供的星地协作的广域实时通信系统的通信方法，所述最优通信路径选择模型的构建过程，包括：以当前时隙广域实时通信系统最小通信时延为目标构建目标函数；

为所述目标函数构建通信卫星节点载荷约束和通信链路容量约束，以生成所述最优通信路径选择模型。

根据本发明提供的星地协作的广域实时通信系统的通信方法，所述目标函数，具体用下述公式表示：

上式中，U表示当前时隙下所有通信会话中通信终端节点的集合，U^e表示当前时隙下第e个通信会话中通信终端节点的集合，S表示当前时隙可用通信卫星节点的集合，R^(e)表示当前时隙的第e个通信会话对应的转发控制节点，C表示当前时隙可用云节点的集合，δ表示当前时隙会话的通信终端节点的对数，

表示U^e中通信终端节点i到R^(e)的通信路径经过通信链路(x,y)，

表示R^(e)到U^e中通信终端节点j的通信路径经过通信链路(x,y),α_xy表示可用通信节点x和可用通信节点y之间的通信链路搭建状态，α_xy＝1时可用通信节点x和可用通信节点y之间搭建有通信链路，α_xy＝0时可用通信节点x和可用通信节点y之间未搭建通信链路；

所述通信卫星节点载荷约束具体用下述公式表示：

上式中，λ_y表示可用通信节点y载荷数量；

所述通信链路容量约束具体用下述公式表示：

上式中，Cap(x,y)表示通信链路(x,y)的容量，ξ，

为当前时隙会话的通信终端节点，

表示流入通信链路(x,y)的流量总和，

表示从通信链路(x,y)流出的流量总和。

本发明提供的星地协作的广域实时通信系统，融合了天地一体网络中的地面云平台和巨型卫星星座，利用卫星节点与地面云节点在覆盖范围和服务能力上的天然互补优势，协作式的构建星地融合的覆盖网络，支持低时延广域实时通信。

本发明提供的星地协作的广域实时通信系统的通信方法，设计转发控制节点选择算法和低延迟流调度算法，克服了通信卫星节点拓扑高动态特征对通信路径的稳定性带来的挑战，随着时间变化，动态的在可用云节点和可用通信卫星节点之间选择通信中继节点，构建覆盖网络，并在满足流量约束的前提下对各个通信会话中的用户交互流量进行合理分配，提供低延迟的用户体验。

本发明提供的星地协作的广域实时通信系统的通信方法，以可用云节点集合、可用通信卫星节点集合、实时通信会话集合、通信节点可见关系等先决信息为输入，以每个通信会话中用户的带宽要求、每个通信会话中通信卫星节点载荷数量和通信链路容量为约束，并以最低时延为目标构建通信路径选择模型；利用通信路径选择模型，在动静结合的星地融合网络中动态地确定通信会话的转发控制节点，通信会话中各对通信终端节点通信所用到的中继节点以及节点连接关系，以得到流调度决策，实现广域实时通信用户之间低时延、端到端、多对多的交互。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的星地协作的广域实时通信系统结构图；

图2是本发明提供的星地协作的广域实时通信系统的第一种通信方法的流程图；

图3是本发明提供的与星地协作的广域实时通信系统的第一种通信方法对应的装置结构图；

图4是本发明提供的星地协作的广域实时通信系统的第二种通信方法的流程图；

图5是本发明提供的与星地协作的广域实时通信系统的第二种通信方法对应的装置结构图；

图6是本发明提供的实现星地协作的广域实时通信系统的第一种通信方法或第二种通信方法的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

下面结合图1-图6描述本发明提供的星地协作的广域实时通信系统及其通信方法。

第一方面，新兴的近地轨道(Low Earth Orbit，LEO)卫星星座(Mega-constellations)的提出为实现低时延广域实时通信带来了新的机遇。首先，新兴通信卫星将部署激光通信链路。由于光在真空中的传播速度高于光在地面光纤中的传播速度，星载激光链路将能够实现更低时延的星间激光通信。其次，由于通信卫星节点可能由单个自治系统维护，不受地理环境约束，海量通信卫星将能够通过星间激光链路构建近似最优的长距离传输路径，避免路由绕路。最后，通信卫星的广覆盖特征能够拓展现有云计算平台的服务范围与服务能力。综上，为充分利用新兴巨型卫星星座的计算、传输能力，实现广域低延时实时通信，本发明提供一种星地协作的广域实时通信系统，如图1所示，所述系统包括：巨型卫星星座、地面云平台、会话控制服务器和通信终端；

所述巨型卫星星座部署有众多通信卫星，所述地面云平台部署有众多云服务器；

所述通信卫星和所述云服务器，作为中继服务器来转发实时通信流量；

所述会话控制服务器，用于为所述通信终端的每一个通信会话制定通信路径，并按照所述通信路径建立通信链接；还用于将所述通信终端的每一个通信会话的通信流量分配至其对应的通信路径上；

其中，所述通信路径途径若干个中继服务器。

需要注意的是，本发明所提广域意指全球。

本发明每颗通信卫星都具备搭建星间通信链路和星地通信链路的能力，可作为为卫星中继节点转发实时通信流量；会话控制服务器由实时通信服务的服务提供商部署与维护，承担为通信会话选择转发控制服务器以及为通信会话中每对通信终端制定通信路径的责任；广域实时通信系统服务对象为全球分布的实时通信用户，这些用户通过地面网络连接到地面云服务器，通过卫星的星地通信链路接入卫星星座，可以根据指定的通信路径进行多对多实时通信。

本发明提供的星地协作的广域实时通信系统，融合了天地一体网络中的地面云平台和巨型卫星星座，利用卫星节点与地面云节点在覆盖范围和服务能力上的天然互补优势，协作式的构建星地融合的覆盖网络，支持低时延广域实时通信。

第二方面，如图2所示，本发明提供一种星地协作的广域实时通信系统的通信方法，所述广域实时通信系统包括众多通信卫星、众多云服务器和众多通信终端，所述通信卫星、所述云服务器和所述通信终端分别被视为通信卫星节点、云节点和通信终端节点；所述通信卫星节点和所述云节点被统称为中继节点；所述中继节点和所述通信终端节点被统称为通信节点；所述方法包括：

S21、针对当前时隙的每一个通信会话，构建所述通信会话对应的通信节点可见关系图；

由于卫星高速运动，通信卫星节点之间，通信卫星节点和地面云节点之间、地面通信终端节点之间的可见关系将决定两个节点间是否能够建立连接。因此构建每一个通信会话对应的通信节点可见关系图是尤为必要的；

另外，由于卫星高速运动，星地协作的广域实时通信系统具备拓扑高动态的特征，即星地网络拓扑不稳定，随时间动态变化；本发明将连续的时间离散化为时隙，在时隙足够小的情况下认为每个时隙内星地网络拓扑稳定，以此简化后续的运算。

S22、基于所述通信节点可见关系图，确定所述通信会话对应的转发控制节点；

本发明为每一个通信会话选择一个转发控制节点，以利用转发控制节点调整通信会话的流量在转发过程中的发送速率和原始码率。

S23、利用所述转发控制节点制定所述通信会话中每一对通信终端节点的通信路径，并按照所述通信路径建立通信链接；

可以理解的是，假设通信终端A向通信终端B发送消息，即产生通信终端A指向通信终端B的通信会话，因为该通信会话消息需要中继节点中转，那么会有相应的通信路径；例如通过中继节点1、中继节点2和中继节点3中转，那么对应的通信路径为：通信终端A→中继节点1→中继节点2→中继节点3→通信终端B；

对应的，搭建“通信终端A→中继节点1→中继节点2→中继节点3→通信终端B”的通信链接，即为建立通信终端A与中继节点1之间的通信链路、中继节点1与中继节点2之间的通信链路、中继节点2与中继节点3之间的通信链路和中继节点3与通信终端B之间的通信链路；

S24、将所述通信会话中每一对通信终端节点的通信流量分配至相应的通信路径上；

可以理解，将所述通信会话中每一对通信终端节点的通信流量分配至相应的通信路径上，即代表令所述通信会话中每一对通信终端节点在其对应的通信路径上通信；

其中，所述转发控制节点，是在可用中继节点中选择的并对所述通信会话中的通信流量进行拥塞控制和码率控制的节点。

可以理解，在应用该通信方法时，会话控制服务器一方面运行星地协作的转发控制节点选择算法，针对每个通信会话，从卫星星座和地面云平台中选择合适的转发控制服务器。另一方面，运行星地协作的低时延流调度算法，为通信会话中的每对通信终端选择合适的卫星中继与地面云中继，构建覆盖网络；其后在覆盖网络中，为通信会话中的每对通信终端进行合理的调度与分配，达到低时延通信这一目标。

需要注意的是，本发明的流调度，指的是流走向的调度。

本发明提供的星地协作的广域实时通信系统的通信方法，设计转发控制节点选择算法和低延迟流调度算法，克服了通信卫星节点拓扑高动态特征对通信路径的稳定性带来的挑战，随着时间变化，动态的在可用云节点和可用通信卫星节点之间选择通信中继节点，构建覆盖网络，并在满足流量约束的前提下对各个通信会话中的用户交互流量进行合理分配，提供低延迟的用户体验。

在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述构建所述通信会话对应的通信节点可见关系图，包括：

令所述通信节点可见关系图中的节点包括所述通信会话包含的通信终端节点以及当前时隙的可用中继节点，并令所述通信节点可见关系图中互相可见的两个节点之间连接且互相不可见的两个节点之间不连接，生成所述通信节点可见关系图；

其中，所述通信节点可见关系图中节点之间的可见关系，记载在当前时隙广域实时通信系统的通信节点可见关系函数中。

需要理解的是，当前时隙广域实时通信系统的通信节点可见关系函数，能够通过通信卫星运行轨迹推导得到，所采用的方法是现有技术，在此不做赘述。

本发明通过构建每一个通信会话对应的通信节点可见关系图，明确可以搭建通信链路的节点对与不可以搭建通信链路的节点对，为所述通信会话中每一对通信终端节点的通信路径的制定提供理论依据。

在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述基于所述通信节点可见关系图，确定所述通信会话对应的转发控制节点，包括：

计算所述通信节点可见关系图中每一个中继节点的参考距离；其中，所述参考距离为相应中继节点与所述通信节点可见关系图中各通信终端节点之间的距离的加和；

将所述通信节点可见关系图的所有中继节点中参考距离最小的K个节点作为备选中继节点；

计算每一个备选中继节点的参考时延；其中，所述参考时延为相应备选中继节点与所述通信节点可见关系图中各通信终端节点之间的上行时延和下行时延总和的平均值；

将所有备选中继节点中参考时延最小的中继节点作为备选转发控制节点；

从所述通信会话上一时隙的转发控制节点与所述备选转发控制节点中选定所述转发控制节点；

其中，K为第一预设值。

本实施例提供了转发控制节点选择算法，该算法综合考虑距离以及时延以得到备选转发控制节点，此后比较备选转发控制节点和上一时隙的转发控制节点并抉择出最佳转发控制节点。该算法为通信会话中最佳转发控制节点的动态更新奠定基础，进而有利于实现通信会话中通信路径的动态更新，克服了通信卫星节点拓扑高动态特征对通信路径的稳定性带来的影响。

在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述从所述通信会话上一时隙的转发控制节点与所述备选转发控制节点中选定所述转发控制节点，包括：

在所述通信会话上一时隙的转发控制节点与所述备选转发控制节点之间的物理距离超过预设距离阈值的情况下，选择所述备选转发控制节点作为所述转发控制节点；

否则，选择所述通信会话上一时隙的转发控制节点作为所述转发控制节点。

因为频繁的切换转发控制节点会导致通信时延抖动，影响用户体验。因此，在本选择算法中，当且仅当当前时隙选出的转发控制节点与上一时隙的转发控制节点之间的物理距离超过某一既定阈值Δ时，才会触发控制单元的切换。

例如：如果

则

否则

其中，

表示当前时隙t第e个通信会话的转发节点，

表示时隙t-1第e个通信会话的转发节点，

表示当前时隙t第e个通信会话的备选转发控制节点。

本发明通过比较当前时隙选出的转发控制节点与上一时隙的转发控制节点之间的物理距离选择最终的转发控制节点，减少通信时延抖动的情况出现，提高用户使用体验。

在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，在所述转发控制节点为所述通信会话上一时隙的转发控制节点的情况下，所述利用所述转发控制节点制定所述通信会话中每一对通信终端节点的通信路径，包括：

令所述通信会话中每一对通信终端节点的通信路径与上一时隙一致。

可以理解的是，在所述转发控制节点为所述通信会话上一时隙的转发控制节点的情况下，代表转发控制节点没有更新，此时当前时隙的中继服务器选择和通信流的分配维持为上一时隙的状态，通信流所处的通信路径对应的通信链接同样维持不变。

本发明指明了未更新转发控制节点时，所述通信会话中每一对通信终端节点的通信路径维持上一时隙的状态。

在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，在所述转发控制节点为所述备选转发控制节点的情况下，所述利用所述转发控制节点制定所述通信会话中每一对通信终端节点的通信路径，包括：

对于所述通信会话中每一对通信终端节点，基于所述通信节点可见关系图挑选可行的且经过源通信终端节点、所述转发控制节点和目的通信终端节点的通信路径；

确定挑选的所有通信路径中通信节点跳转数最少的通信路径，并填入最短路径集合；

考虑到卫星网络中存在大量等价路径，源通信终端节点和目的通信终端节点之间可能存在多条节点跳转数相同，但经过节点不同的路径。因此，算法首先计算出源通信终端节点到目的通信终端节点的最短路径集合，即从源通信终端节点到目的通信终端节点的所有具备最少节点跳转数的可达路径组成的集合。

剔除最短路径集合中无法满足源通信终端节点上行通信带宽需求和目的通信终端节点下行通信带宽需求的通信路径；

从最短路径集合剩余的通信路径中寻找已搭建通信链路数量最多的通信路径，并将寻找到的通信路径作为最终制定的通信路径。

这里的已搭建通信链路代表可以进行正常通信的通信链路，需要注意的是，搭建最终制定的通信路径的通信链接，即为将该通信路径上未搭建的通信链路进行链接。

本实施例提供了低时延流分配算法，该算法在当前时隙转发控制节点发生更新的情况下，基于给定的所述通信节点可见关系图G，以及通信会话中每对通信终端节点中的源通信终端节点i和目的通信终端节点j，在满足i到j的流的带宽需求B的前提下，从G中找出一条从i到j的低时延路径，并将流量调度到这条路径上。

本发明在已知通信会话中转发控制单元的情况下，采用低时延流分配算法为通信会话中每对通信终端分配能使通信时延最低的最优通信路径，以提高通信效率。

相应的，对本发明星地协作的广域实时通信系统的第一种通信方法(第二方面提供的通信方法)对应的装置进行描述，图3示例了星地协作的广域实时通信系统的第一种通信方法对应的装置结构图，如图3所示，该装置包括：

通信节点可见关系图构建模块，用于针对当前时隙的每一个通信会话，构建所述通信会话对应的通信节点可见关系图；

转发控制节点选择模块，用于基于所述通信节点可见关系图，确定所述通信会话对应的转发控制节点；

通信路径制定模块，用于利用所述转发控制节点制定所述通信会话中每一对通信终端节点的通信路径，并按照所述通信路径建立通信链接；

第一通信流量分配模块，用于将所述通信会话中每一对通信终端节点的通信流量分配至相应的通信路径上；

其中，所述转发控制节点，是在可用中继节点中选择的并对所述通信会话中的通信流量进行拥塞控制和码率控制的节点。

本发明实施例提供的星地协作的广域实时通信系统的第一种通信方法对应的装置，具体执行星地协作的广域实时通信系统的第一种通信方法各实施例流程，具体请详见上述星地协作的广域实时通信系统的第一种通信方法各实施例的内容，在此不再赘述。

本发明提供的星地协作的广域实时通信系统的第一种通信方法对应的装置，设计转发控制节点选择算法和低延迟流调度算法，克服了通信卫星节点拓扑高动态特征对通信路径的稳定性带来的挑战，随着时间变化，动态的在可用云节点和可用通信卫星节点之间选择通信中继节点，构建覆盖网络，并在满足流量约束的前提下对各个通信会话中的用户交互流量进行合理分配，提供低延迟的用户体验。

第三方面，如图4所示，本发明还提供一种星地协作的广域实时通信系统的通信方法，所述广域实时通信系统包括众多通信卫星、众多云服务器和众多通信终端，所述通信卫星、所述云服务器和所述通信终端分别被视为通信卫星节点、云节点和通信终端节点；所述通信卫星节点和所述云节点被统称为中继节点；所述中继节点和所述通信终端节点被统称为通信节点；所述方法包括：

S31、获取当前时隙广域实时通信系统的通信先决信息；

S32、基于所述通信先决信息和预先构建的最优通信路径选择模型，确定当前时隙的每一个通信会话中的每一对通信终端节点的最优通信路径，并按照所述最优通信路径建立通信链接；

S33、将当前时隙的每一个通信会话中的每一对通信终端节点的通信流量分配至其对应的最优通信路径上；

其中，所述通信先决信息，包括：当前时隙的可用中继节点、当前时隙的通信会话、当前时隙的各个通信会话包含的通信终端节点、当前时隙广域实时通信系统的通信节点可见关系函数、当前时隙各个可用通信卫星节点载荷数量和所有可能的通信链路的容量；

所述当前时隙的每一个通信会话中的各对通信终端节点的最优通信路径都经过所述当前时隙的每一个通信会话对应的转发控制节点；

所述当前时隙的每一个通信会话对应的转发控制节点，是在可用中继节点中选择的并对所述当前时隙的每一个通信会话中的通信流量进行拥塞控制和码率控制的节点。

本发明提供的星地协作的广域实时通信系统的通信方法，以可用云节点集合、可用通信卫星节点集合、实时通信会话集合、通信节点可见关系等先决信息为输入，以每个通信会话中用户的带宽要求、每个通信会话中通信卫星节点载荷数量和通信链路容量为约束，并以最低时延为目标构建通信路径选择模型；利用通信路径选择模型，在动静结合的星地融合网络中动态地确定通信会话的转发控制节点，通信会话中各对通信终端节点通信所用到的中继节点以及节点连接关系，以得到流调度决策，实现广域实时通信用户之间低时延、端到端、多对多的交互。

在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述最优通信路径选择模型的构建过程，包括：以当前时隙广域实时通信系统最小通信时延为目标构建目标函数；

为所述目标函数构建通信卫星节点载荷约束和通信链路容量约束，以生成所述最优通信路径选择模型。

需要注意的是，本发明是以当前时隙广域实时通信系统最小通信时延为目标，以通信卫星节点载荷约束条件和通信链路容量为约束建立的，但是技术人员可以在本发明星地协作的广域实时通信系统的基础上合乎情理的构建其它类型的目标函数，并为其搭配约束，以达到相应的路径选择目的，这应当属于本申请的保护范围。

本发明以广域实时通信系统最小通信时延为目标建立最优通信路径选择模型，从总体上减小通信终端之间的通信时延，进而提升广域实时通信系统的通信性能。

在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述目标函数，具体用下述公式表示：

上式中，U表示当前时隙下所有通信会话中通信终端节点的集合，U^e表示当前时隙下第e个通信会话中通信终端节点的集合，S表示当前时隙可用通信卫星节点的集合，R^(e)表示当前时隙的第e个通信会话对应的转发控制节点，C表示当前时隙可用云节点的集合，δ表示当前时隙会话的通信终端节点的对数，

表示U^e中通信终端节点i到R^(e)的通信路径经过通信链路(x,y)，

表示R^(e)到U^e中通信终端节点j的通信路径经过通信链路(x,y),α_xy表示可用通信节点x和可用通信节点y之间的通信链路搭建状态，α_xy＝1时可用通信节点x和可用通信节点y之间的搭建有通信链路，α_xy＝0时可用通信节点x和可用通信节点y之间未搭建通信链路；

所述通信卫星节点载荷约束具体用下述公式表示：

上式中，λ_y表示可用通信节点y载荷数量；

所述通信链路容量约束具体用下述公式表示：

上式中，Cap(x,y)表示通信链路(x,y)的容量，ξ，

为当前时隙会话的通信终端节点，

表示流入通信链路(x,y)的流量总和，

表示经过通信链路(x,y)流出的流量总和。

需要注意的是，当前时隙广域实时通信系统的通信节点可见关系函数中记载可用通信节点x和可用通信节点y之间相互可见时，可用通信节点x和可用通信节点y之间才可能建立通信链接，即α_xy＝1才可能被置为1。

最优通信路径选择模型具体的构建流程如下：

第一步：对星地网络环境下的巨型卫星星座中的可用通信卫星节点，可用云节点，实时通信会话及其包含的通信终端节点进行建模。

假设当前时隙下共有M个可用云节点，记为C＝{C₁,C₂,C₃,…,C_M}，C为当前时隙的可用云节点集合；

共有N个可用通信卫星节点，记为S＝{S₁,S₂,S₃,…,S_N}，S为当前时隙的可用通信卫星节点集合；

共有P个实时通信会话，记为U＝{U¹,U²,…,U^e,…,U^p}，U^e为当前时隙下第e个通信会话中通信终端节点的集合，U为当前时隙下所有通信会话中通信终端节点的集合；

U^e中共包含P^e个通信终端节点，记为

为当前时隙下第e个通信会话中第P^e个通信终端节点。

第二步：对星地网络环境下的通信链路进行建模。

在星地协作的实时通信系统中，包含有五种类型的通信链路：(1)星间链路(x,y),x,y∈S；每一个通信卫星可建立的最大星间链路数量(记为λ)，受限于该通信卫星所携带的星间通信器件数数量；(2)星云链路(x,y),x∈C,y∈S；(3)通信终端与卫星间链路(x,y),x∈U,y∈S；(4)云间链路(x,y),x,y∈C；(5)通信终端与云间链路(x,y),x∈U,y∈C。

由于卫星高速运动，通信卫星节点间，通信卫星节点和地面云节点、地面通信终端节点之间的可见关系将决定两个节点间是否能够建立连接。记Vis(x,y)为可见关系函数，其数值为0-1变量，Vis(x,y)＝1表示两个节点x,y相互之间可见，反之两节点间不可见。

因为每条链路可以承载双向数据流(上行、下行流量)，且在每个方向上链路容量有限。记Cap(x,y)为链路(x,y)在(x→y)这个方向上的链路容量。记

和

分别为通信终端节点u在上行和下行方向上的实时通信带宽需求。

第三步：对转发控制节点进行建模。

在星地协作的广域实时通信系统中，对于每个通信会话，会话控制服务器会选出一组包含通信卫星节点和云节点的中继服务器，用于转发实时通信流量。而在这一组中继服务器中，有一台服务器会作为转发控制节点Control Unit)。在通信终端进行交互时，每个通信终端的上行流量会首先被转发到这个转发控制节点，然后再作为下行流量转发给当前会话中其他的通信终端。记R^(e)为当前时隙第e个通信会话对应的转发控制单元。

第四步：对通信会话中的通信终端的交互时延进行建模。

为描述节点之间建立链路的情况，记α_xy为0-1变量，且α_xy＝1表示x,y被选择为中继节点，且x,y之间建立了一条可用链路，可用于用户流量转发。记

为0-1变量，且

表示从通信终端i到通信终端j的流量经过了链路(x,y)。假设链路(x,y)的链路时延是对称的，记为L_xy，则当前时隙第e个通信会话中从通信终端i到通信终端j的单向时延可以计算为：

第五步：明确优化目标以及约束条件；

(a)以当前时隙的可用云节点集合C，可用通信卫星集合S，实时通信会话集合U，节点可见关系Vis(x,y)，节点链路容量Cap(x,y)、每一个通信卫星可建立的最大星间链路数量作为输入条件；

(b)计算通信会话的转发控制节点R^(e)，中转选择与链路建立决策α_xy，以及流调度决策

(c)使得所有通信会话中各对通信终端的通信时延的平均值最低；

(d)同时满足每颗通信卫星的星间链路约束和各通信链路的容量约束。

之后，即可得到相应的最优通信路径选择模型。

本发明预先构建最优通信路径选择模型，为动态高拓扑特征的星地融合网络每一个通信会话中的每对通信终端的最优通信路径选择奠定基础，以最大化的减少通信时延，提升用户的通信体验。

相应地，对本发明星地协作的广域实时通信系统的第二种通信方法(第三方面提供的通信方法)对应的装置进行描述，图5示例了星地协作的广域实时通信系统的第二种通信方法对应的装置结构图，如图5所示，该装置包括：

获取模块，用于获取当前时隙广域实时通信系统的通信先决信息；

最优通信路径确定模块，用于基于所述通信先决信息和预先构建的最优通信路径选择模型，确定当前时隙的每一个通信会话中的每一对通信终端节点的最优通信路径，并按照所述最优通信路径建立通信链接；

第二通信流量分配模块，用于将当前时隙的每一个通信会话中的每一对通信终端节点的通信流量分配至其对应的最优通信路径上；

其中，所述通信先决信息，包括：当前时隙的可用中继节点、当前时隙的通信会话、当前时隙的各个通信会话包含的通信终端节点、当前时隙广域实时通信系统的通信节点可见关系函数、当前时隙各个可用通信卫星节点载荷数量和所有可能的通信链路的容量；

所述当前时隙的每一个通信会话中的各对通信终端节点的最优通信路径都经过所述当前时隙的每一个通信会话对应的转发控制节点；

所述当前时隙的每一个通信会话对应的转发控制节点，是在可用中继节点中选择的并对所述当前时隙的每一个通信会话中的通信流量进行拥塞控制和码率控制的节点。

本发明实施例提供的星地协作的广域实时通信系统的第二种通信方法对应的装置，具体执行星地协作的广域实时通信系统的第二种通信方法各实施例流程，具体请详见上述星地协作的广域实时通信系统的第二种通信方法各实施例的内容，在此不再赘述。

本发明提供的星地协作的广域实时通信系统的第二种通信方法对应的装置，以可用云节点集合、可用通信卫星节点集合、实时通信会话集合、通信节点可见关系等先决信息为输入，以每个通信会话中用户的带宽要求、以每个通信会话中以通信卫星节点载荷数量和通信链路容量为约束，并以最低时延为目标构建通信路径选择模型；利用通信路径选择模型，在动静结合的星地融合网络中动态地确定通信会话的转发控制节点，通信会话中各对通信终端节点通信所用到的中继节点以及节点连接关系，以得到流调度决策，实现广域实时通信用户之间低时延、端到端、多对多的交互。

第四方面，图6示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)610、通信接口(Communications Interface)620、存储器(memory)630和通信总线640，其中，处理器610，通信接口620，存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器630中的逻辑指令，以执行星地协作的广域实时通信系统的第一种通信方法或第二种通信方法；星地协作的广域实时通信系统的第一种通信方法包括：针对当前时隙的每一个通信会话，构建所述通信会话对应的通信节点可见关系图；基于所述通信节点可见关系图，确定所述通信会话对应的转发控制节点；利用所述转发控制节点制定所述通信会话中每一对通信终端节点的通信路径，并按照所述通信路径建立通信链接；将所述通信会话中每一对通信终端节点的通信流量分配至相应的通信路径上；其中，所述转发控制节点，是在可用中继节点中选择的并对所述通信会话中的通信流量进行拥塞控制和码率控制的节点。星地协作的广域实时通信系统的第二种通信方法包括：获取当前时隙广域实时通信系统的通信先决信息；基于所述通信先决信息和预先构建的最优通信路径选择模型，确定当前时隙的每一个通信会话中的每一对通信终端节点的最优通信路径，并按照所述最优通信路径建立通信链接；将当前时隙的每一个通信会话中的每一对通信终端节点的通信流量分配至其对应的最优通信路径上；其中，所述通信先决信息，包括：当前时隙的可用中继节点、当前时隙的通信会话、当前时隙的各个通信会话包含的通信终端节点、当前时隙广域实时通信系统的通信节点可见关系函数、当前时隙各个可用通信卫星节点载荷数量和所有可能的通信链路的容量；所述当前时隙的每一个通信会话中的各对通信终端节点的最优通信路径都经过所述当前时隙的每一个通信会话对应的转发控制节点；所述当前时隙的每一个通信会话对应的转发控制节点，是在可用中继节点中选择的并对所述当前时隙的每一个通信会话中的通信流量进行拥塞控制和码率控制的节点。

此外，上述的存储器630中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

第五方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的星地协作的广域实时通信系统的第一种通信方法或第二种通信方法；星地协作的广域实时通信系统的第一种通信方法包括：针对当前时隙的每一个通信会话，构建所述通信会话对应的通信节点可见关系图；基于所述通信节点可见关系图，确定所述通信会话对应的转发控制节点；利用所述转发控制节点制定所述通信会话中每一对通信终端节点的通信路径，并按照所述通信路径建立通信链接；将所述通信会话中每一对通信终端节点的通信流量分配至相应的通信路径上；其中，所述转发控制节点，是在可用中继节点中选择的并对所述通信会话中的通信流量进行拥塞控制和码率控制的节点。星地协作的广域实时通信系统的第二种通信方法包括：获取当前时隙广域实时通信系统的通信先决信息；基于所述通信先决信息和预先构建的最优通信路径选择模型，确定当前时隙的每一个通信会话中的每一对通信终端节点的最优通信路径，并按照所述最优通信路径建立通信链接；将当前时隙的每一个通信会话中的每一对通信终端节点的通信流量分配至其对应的最优通信路径上；其中，所述通信先决信息，包括：当前时隙的可用中继节点、当前时隙的通信会话、当前时隙的各个通信会话包含的通信终端节点、当前时隙广域实时通信系统的通信节点可见关系函数、当前时隙各个可用通信卫星节点载荷数量和所有可能的通信链路的容量；所述当前时隙的每一个通信会话中的各对通信终端节点的最优通信路径都经过所述当前时隙的每一个通信会话对应的转发控制节点；所述当前时隙的每一个通信会话对应的转发控制节点，是在可用中继节点中选择的并对所述当前时隙的每一个通信会话中的通信流量进行拥塞控制和码率控制的节点。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：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 (6)

1.一种星地协作的广域实时通信系统的通信方法，其特征在于，所述系统包括：巨型卫星星座、地面云平台、会话控制服务器和通信终端；

所述巨型卫星星座部署有众多通信卫星，所述地面云平台部署有众多云服务器；

所述通信卫星和所述云服务器，作为中继服务器来转发实时通信流量；

所述会话控制服务器，用于为所述通信终端的每一个通信会话制定通信路径，并按照所述通信路径建立通信链接；还用于将所述通信终端的每一个通信会话的通信流量分配至其对应的通信路径上；

其中，所述通信路径途径若干个中继服务器；

所述通信卫星、所述云服务器和所述通信终端分别被视为通信卫星节点、云节点和通信终端节点；所述通信卫星节点和所述云节点被统称为中继节点；所述中继节点和所述通信终端节点被统称为通信节点；所述方法包括：

针对当前时隙的每一个通信会话，构建所述通信会话对应的通信节点可见关系图；

基于所述通信节点可见关系图，确定所述通信会话对应的转发控制节点；

利用所述转发控制节点制定所述通信会话中每一对通信终端节点的通信路径，并按照所述通信路径建立通信链接；

将所述通信会话中每一对通信终端节点的通信流量分配至相应的通信路径上；

其中，所述转发控制节点，是在可用中继节点中选择的并对所述通信会话中的通信流量进行拥塞控制和码率控制的节点。

2.根据权利要求1所述的星地协作的广域实时通信系统的通信方法，其特征在于，所述构建所述通信会话对应的通信节点可见关系图，包括：

令所述通信节点可见关系图中的节点包括所述通信会话包含的通信终端节点以及当前时隙的可用中继节点，并令所述通信节点可见关系图中互相可见的两个节点之间连接且互相不可见的两个节点之间不连接，生成所述通信节点可见关系图；

其中，所述通信节点可见关系图中节点之间的可见关系，记载在当前时隙广域实时通信系统的通信节点可见关系函数中。

3.根据权利要求1所述的星地协作的广域实时通信系统的通信方法，其特征在于，所述基于所述通信节点可见关系图，确定所述通信会话对应的转发控制节点，包括：

计算所述通信节点可见关系图中每一个中继节点的参考距离；其中，所述参考距离为相应中继节点与所述通信节点可见关系图中各通信终端节点之间的距离的加和；

将所述通信节点可见关系图的所有中继节点中参考距离最小的K个节点作为备选中继节点；

计算每一个备选中继节点的参考时延；其中，所述参考时延为相应备选中继节点与所述通信节点可见关系图中各通信终端节点之间的上行时延和下行时延总和的平均值；

将所有备选中继节点中参考时延最小的中继节点作为备选转发控制节点；

从所述通信会话上一时隙的转发控制节点与所述备选转发控制节点中选定所述转发控制节点；

其中，K为第一预设值。

4.根据权利要求3所述的星地协作的广域实时通信系统的通信方法，其特征在于，所述从所述通信会话上一时隙的转发控制节点与所述备选转发控制节点中选定所述转发控制节点，包括：

在所述通信会话上一时隙的转发控制节点与所述备选转发控制节点之间的物理距离超过预设距离阈值的情况下，选择所述备选转发控制节点作为所述转发控制节点；

否则，选择所述通信会话上一时隙的转发控制节点作为所述转发控制节点。

5.根据权利要求4所述的星地协作的广域实时通信系统的通信方法，其特征在于，在所述转发控制节点为所述通信会话上一时隙的转发控制节点的情况下，所述利用所述转发控制节点制定所述通信会话中每一对通信终端节点的通信路径，包括：

令所述通信会话中每一对通信终端节点的通信路径与上一时隙一致。

6.根据权利要求4所述的星地协作的广域实时通信系统的通信方法，其特征在于，在所述转发控制节点为所述备选转发控制节点的情况下，所述利用所述转发控制节点制定所述通信会话中每一对通信终端节点的通信路径，包括：

对于所述通信会话中每一对通信终端节点，基于所述通信节点可见关系图挑选可行的且经过源通信终端节点、所述转发控制节点和目的通信终端节点的通信路径；

确定挑选的所有通信路径中通信节点跳转数最少的通信路径，并填入最短路径集合；

剔除最短路径集合中无法满足源通信终端节点上行通信带宽需求和目的通信终端节点下行通信带宽需求的通信路径；

从最短路径集合剩余的通信路径中寻找已搭建通信链路数量最多的通信路径，并将寻找到的通信路径作为最终制定的通信路径。

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