CN115208456B - 基于编码缓存的卫星网络通信方法、装置、设备及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于编码缓存的卫星网络通信方法、装置、设备及介质，本发明采用编码缓存机制服务移动低轨卫星系统，实现内容的高效分发；在相同的时间段，各卫星服务不同的区域，在各区域内与所连接的基站形成若干独立的子系统，缓解传输干扰；利用卫星的移动特性，在不同的时间段，各卫星协同配合，完成同一区域内面向基站的可靠传输。综上，本发明在考虑卫星网络移动性的前提下，充分利用编码缓存的多播机会，为多个卫星所服务的区域形成的天然子系统分别设计合适的缓存‑发送方案，在减少区域间通信干扰的同时，通过组播传输技术进一步降低网络对传输速率的要求，从而减轻网络负载，可广泛应用于卫星通信技术领域。

Description

基于编码缓存的卫星网络通信方法、装置、设备及介质
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其是基于编码缓存的卫星网络通信方法、装置、设备及介质。
背景技术
缓存，是一种在各种通信系统中被广泛采取，能够降低网络高峰期网络流量负载的技术。缓存通常分为放置阶段和发送阶段。在网络空闲期，具有缓存空间的终端用户可能请求文件集的一部分。在网络高峰期，终端只用从网络接收请求文件的剩余部分，从而能够有效地降低网络负载。传统的缓存技术在放置阶段和发送阶段不涉及编码，因而无法很好地利用巨量用户同时与单个服务器相连接的多播特性。近年来，一种名为编码缓存的技术得到了众多关注。编码缓存，通过在发送阶段在广播信道广播经过编码的信号，从而使得单个广播信号可以同时满足多个用户的请求，进而极大地降低广播速率。
另一方面，卫星通信系统是由通信卫星和经该卫星连通的地面设备两部分组成。目前，卫星网络通信正进入卫星地面一体化的信息传输网络时代。此外，5G等技术的普及与发展也对卫星通信的质量提出了更高的要求。可以预见，卫星通信，将作为一个有益补充，集成到整个5G生态系统中。卫星通信和5G的融合，将会是一个双赢的结果。
卫星通信具有覆盖面积大，传输频带宽，容量大，通信稳定性及可靠性高等特点。但另一方面，卫星网络仍存在传输时延较大，星上资源紧张，各卫星系统间存在相互干扰等问题。一直以来，将卫星和地面端基站等设备组合以集成卫星通信网络，被认为是具有潜力能够显著提高通信服务质量的方法。尽管卫星通信技术在近年来取得了持续地发展，但由于卫星通信所需成本较高，相关技术发展的瓶颈亟待突破，卫星通信系统的发展水平与地面通信系统相比仍有差距。因此，需要提出一种高效且可靠的卫星网络架构。
卫星网络是编码缓存的一个有前途的应用场景。因为编码缓存需要多播机会，这与卫星通信的性质相匹配。在一个卫星网络中，至少会有两层的设备，即轨道卫星和地面基站。多个卫星可以看作是实时移动，且具有一定存储空间的服务器。地面基站则可以看成是静态的用户，每个基站同样拥有一定的缓存空间。卫星网络的移动模式是周期性且可预测的，因此可以为其设置中心化的编码缓存方案。具体来说，卫星在给定的轨道中周期性地移动，从而在卫星和用户之间产生动态但可预测的连接，并为用户(基站)提供服务。对于同一颗卫星，由于它的移动性，它在不同时间段所服务的用户集可能有重叠(但不完全相同)。对于同一个用户，它可能被多个服务器所服务，因为它连接的卫星在不同的时间段可能不同。如何在该场景下设置合适的缓存方案，利用多播机会，将极大地影响到卫星通信系统的性能。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种实用性高且可靠性高的，基于编码缓存的卫星网络通信方法、装置、设备及介质。
本发明的一方面提供了基于编码缓存的卫星网络通信方法，包括通信建立阶段和数据传输阶段；
所述通信建立阶段，包括：
卫星向自己所服务区域的地面设备发出广播信号，探测需要与卫星进行连接的基站；
需要连入卫星网络的地面设备收到广播信号后向卫星回复连接请求；
当完成卫星与地面设备之间的认证后，卫星将根据自己的卫星覆盖状况和实时负载情况，为接入的地面基站分配相应的通信资源，所述通信资源包括但不限于接入信道、IP地址；
各个基站通过与目标区域内的预设的默认基站进行通信，获得预分配的按中心化编码缓存方案设计的缓存文件；
当通信建立时间到达预设的最大时间阈值，或者各个卫星的接入设备数量均达到上限之后，完成通信建立阶段；
所述数据传输阶段，包括：
通过多个卫星将地球区域划分为不重叠的多个服务区域，每个卫星分别服务其中的一个区域，在服务的同时，多颗卫星沿着卫星轨道以同一顺时针方向或逆时针方向行进；
根据卫星在轨道中所处的状态，将卫星应处理的通信任务划分如下：
当卫星在初始区域中时：接收初始区域内所有基站的请求信息，对区域内的基站采用组播传输技术发送同一份数据包文件；
当卫星即将离开当前区域时：利用星间链路，向即将进入当前区域的下一颗卫星发送该区域内所有基站的请求信息；
当卫星处于当前区域且不处在即将离开该区域的状态时：根据上一颗卫星所发送的该区域内所有基站的请求信息，对区域内的基站采用组播传输技术发送同一份数据包文件；
当各卫星回到各自的起始位置时，完成数据传输阶段。
可选地，所述方法还包括：
在通信建立阶段之前，得到潜在的卫星与基站间通信的所有文件的数据库；
将数据库中的每个文件进行P等分，其中，P为卫星数量；
预先在各卫星的缓存中存储P等分后的文件中的其中一份，将P等分后的每个文件称为子文件；
任意选取每个区域中Q个基站作为默认基站，按照中心化编码缓存的方案，在每个默认基站的缓存空间中预缓存一个或多个子文件，其中，Q小于或等于P。
可选地，所述方法还包括：
通过目标区域内的基站获取所述目标区域内和该基站相连接的常驻用户信息。
可选地，所述方法还包括：
在通信建立阶段：
若基站向卫星回复建立连接请求，各卫星接收需要连入卫星网络的地面基站设备所回复的连接请求；
判断各个卫星的当前连接基站数量是否超出当前区域的阈值；
当各卫星所服务的区域所连接的基站数量均达到上限或达到建立连接阶段的时间达到最大时间阈值时，卫星停止发送广播信号。
可选地，所述方法还包括：
在通信建立阶段，当基站成功与卫星建立通信后：
在各区域内部，如果已经与卫星建立通信的基站不是默认基站，则控制该基站与对应区域内的某个默认基站通信，获取一份预缓存的缓存文件；其中，该份预缓存的缓存文件与其他与卫星建立通信的基站中存储或获取的预缓存文件不同；
当所有建立通信的非“默认基站”都成功获取一份预缓存文件后，完成通信建立阶段。
本发明实施例的另一方面还提供了一种基于编码缓存的卫星网络通信装置，包括：应用在各卫星上的通信模块以及应用在地面基站的通信模块；
其中，应用在各卫星上的通信模块，在数据传输阶段具体用于：
向自己所服务区域的地面设备发出广播信号，探测需要与卫星进行连接的基站；
当完成卫星与地面设备之间的认证后，卫星将根据自己的卫星覆盖状况和实时负载情况，为接入的地面基站分配相应的通信资源，所述通信资源包括但不限于接入信道、IP地址；
当通信建立时间到达预设的最大时间阈值，或者各个卫星的接入设备数量均达到上限之后，完成通信建立阶段；
应用在地面基站的通信模块，在数据传输阶段具体用于：
需要连入卫星网络的地面设备收到广播信号后向卫星回复连接请求；
各个基站通过与目标区域内的预设的默认基站进行通信，获得预分配的按中心化编码缓存方案设计的缓存文件；
所述应用在各卫星上的通信模块以及应用在地面基站的通信模块在数据传输阶段，具体用于：
通过多个卫星将地球区域划分为不重叠的多个服务区域，每个卫星分别服务其中的一个区域，在服务的同时，多颗卫星沿着卫星轨道以同一顺时针方向或逆时针方向行进；
根据卫星在轨道中所处的状态，将卫星应处理的通信任务划分如下：
当卫星在初始区域中时：接收初始区域内所有基站的请求信息，对区域内的基站采用组播传输技术发送同一份数据包文件；
当卫星即将离开当前区域时：利用星间链路，向即将进入当前区域的下一颗卫星发送该区域内所有基站的请求信息；
当卫星处于当前区域且不处在即将离开该区域的状态时：根据上一颗卫星所发送的该区域内所有基站的请求信息，对区域内的基站采用组播传输技术发送同一份数据包文件；
当各卫星回到各自的起始位置时，完成数据传输阶段。
可选地，应用在默认基站上的通信装置，具体用于：
在通信建立阶段，则与当前区域内的非默认基站通信，向非默认基站发送一份预缓存文件；
应用在非默认基站上的通信装置，具体用于：
在通信建立阶段，则与当前区域内的默认基站通信，获取一份预缓存文件；其中，该份预缓存文件需与其他与卫星建立通信的基站的预缓存文件不同。
本发明实施例的另一方面还提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序；
所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。
本发明实施例的另一方面还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。
本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前面的方法。
本发明的实施例在考虑卫星网络移动性的前提下，充分利用编码缓存的多播机会，为多个卫星所服务的区域形成的天然子系统分别设计合适的缓存-发送方案，在减少区域间通信干扰的同时，通过组播传输技术进一步降低网络对传输速率的要求，从而减轻网络负载。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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申请的一些实施例，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为本发明实施例提供的整体步骤流程图；
图2为本发明实施例提供的系统架构示意图；
图3为本发明实施例提供的通信建立阶段的步骤流程图；
图4为本发明实施例提供的数据传输阶段的步骤流程图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
针对现有技术存在的问题，本发明的一方面提供了基于编码缓存的卫星网络通信方法，包括通信建立阶段和数据传输阶段；
所述通信建立阶段，包括：
卫星向自己所服务区域的地面设备发出广播信号，探测需要与卫星进行连接的基站；
需要连入卫星网络的地面设备收到广播信号后向卫星回复连接请求；
当完成卫星与地面设备之间的认证后，卫星将根据自己的卫星覆盖状况和实时负载情况，为接入的地面基站分配相应的通信资源，所述通信资源包括但不限于接入信道、IP地址；
各个基站通过与目标区域内的预设的默认基站进行通信，获得预分配的按中心化编码缓存方案设计的缓存文件；
当通信建立时间到达预设的最大时间阈值，或者各个卫星的接入设备数量均达到上限之后，完成通信建立阶段；
所述数据传输阶段，包括：
通过多个卫星将地球区域划分为不重叠的多个服务区域，每个卫星分别服务其中的一个区域，在服务的同时，多颗卫星沿着卫星轨道以同一顺时针方向或逆时针方向行进；
根据卫星在轨道中所处的状态，将卫星应处理的通信任务划分如下：
当卫星在初始区域中时：接收初始区域内所有基站的请求信息，对区域内的基站采用组播传输技术发送同一份数据包文件；
当卫星即将离开当前区域时：利用星间链路，向即将进入当前区域的下一颗卫星发送该区域内所有基站的请求信息；
当卫星处于当前区域且不处在即将离开该区域的状态时：根据上一颗卫星所发送的该区域内所有基站的请求信息，对区域内的基站采用组播传输技术发送同一份数据包文件；
当各卫星回到各自的起始位置时，完成数据传输阶段。
可选地，所述方法还包括：
在通信建立阶段之前，得到潜在的卫星与基站间通信的所有文件的数据库；
将数据库中的每个文件进行P等分，其中，P为卫星数量；
预先在各卫星的缓存中存储P等分后的文件中的其中一份，将P等分后的每个文件称为子文件；
任意选取每个区域中Q个基站作为默认基站，按照中心化编码缓存的方案，在每个默认基站的缓存空间中预缓存一个或多个子文件，其中，Q小于或等于P。
可选地，所述方法还包括：
通过目标区域内的基站获取所述目标区域内和该基站相连接的常驻用户信息。
可选地，所述方法还包括：
在通信建立阶段：
若基站向卫星回复建立连接请求，各卫星接收需要连入卫星网络的地面基站设备所回复的连接请求；
判断各个卫星的当前连接基站数量是否超出当前区域的阈值；
当各卫星所服务的区域所连接的基站数量均达到上限或达到建立连接阶段的时间达到最大时间阈值时，卫星停止发送广播信号。
可选地，所述方法还包括：
在通信建立阶段，当基站成功与卫星建立通信后：
在各区域内部，如果已经与卫星建立通信的基站不是默认基站，则控制该基站与对应区域内的某个默认基站通信，获取一份预缓存的缓存文件；其中，该份预缓存的缓存文件与其他与卫星建立通信的基站中存储或获取的预缓存文件不同；
当所有建立通信的非“默认基站”都成功获取一份预缓存文件后，完成通信建立阶段。本发明实施例的另一方面还提供了一种基于编码缓存的卫星网络通信装置，包括：应用在各卫星上的通信模块以及应用在地面基站的通信模块；
其中，应用在各卫星上的通信模块，在数据传输阶段具体用于：
向自己所服务区域的地面设备发出广播信号，探测需要与卫星进行连接的基站；
当完成卫星与地面设备之间的认证后，卫星将根据自己的卫星覆盖状况和实时负载情况，为接入的地面基站分配相应的通信资源，所述通信资源包括但不限于接入信道、IP地址；
当通信建立时间到达预设的最大时间阈值，或者各个卫星的接入设备数量均达到上限之后，完成通信建立阶段；
应用在地面基站的通信模块，在数据传输阶段具体用于：
需要连入卫星网络的地面设备收到广播信号后向卫星回复连接请求；
各个基站通过与目标区域内的预设的默认基站进行通信，获得预分配的按中心化编码缓存方案设计的缓存文件；
所述应用在各卫星上的通信模块以及应用在地面基站的通信模块在数据传输阶段，具体用于：
通过多个卫星将地球区域划分为不重叠的多个服务区域，每个卫星分别服务其中的一个区域，在服务的同时，多颗卫星沿着卫星轨道以同一顺时针方向或逆时针方向行进；
根据卫星在轨道中所处的状态，将卫星应处理的通信任务划分如下：
当卫星在初始区域中时：接收初始区域内所有基站的请求信息，对区域内的基站采用组播传输技术发送同一份数据包文件；
当卫星即将离开当前区域时：利用星间链路，向即将进入当前区域的下一颗卫星发送该区域内所有基站的请求信息；
当卫星处于当前区域且不处在即将离开该区域的状态时：根据上一颗卫星所发送的该区域内所有基站的请求信息，对区域内的基站采用组播传输技术发送同一份数据包文件；
当各卫星回到各自的起始位置时，完成数据传输阶段。
可选地，应用在默认基站上的通信装置，具体用于：
在通信建立阶段，则与当前区域内的非默认基站通信，向非默认基站发送一份预缓存文件；
应用在非默认基站上的通信装置，具体用于：
在通信建立阶段，则与当前区域内的默认基站通信，获取一份预缓存文件；其中，该份预缓存文件需与其他与卫星建立通信的基站的预缓存文件不同。
本发明实施例的另一方面还提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序；
所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。
本发明实施例的另一方面还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。
本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前面的方法。
下面结合说明书附图，对本发明的具体实现过程进行详细描述：
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种卫星与基站之间实现通信的系统，基于中心化编码缓存方案，采用适用于服务器(卫星)移动场景的组播传输技术，实现在数据传输时段(一个卫星轨道周期)同时满足各地面基站的通信需求，有效减轻了网络传输负荷。
如图1所示，该系统按照下列步骤工作：
S1、在通信建立阶段之前，得到潜在的卫星与基站间通信的所有文件的数据库。将数据库中的每个文件P等分，P为卫星数量。预先在各卫星的缓存中存储等分后的文件中的一份，将P等分后的每个文件称为子文件；同时，任意选取每个区域中Q个基站作为默认基站，以P值、基站的缓存空间大小以及数据库中的文件数量作为系统参数，按照中心化编码缓存的方案，在每个默认基站的缓存空间中预缓存一些上述子文件的子文件(简称子子文件)，以降低数据传输阶段的交付速率。
S2、各卫星在起始位置向其所服务区域的地面基站设备发出广播信号，探测可能需要与卫星建立连接的基站。
S3、各卫星接收需要连入卫星网络的地面基站设备回复的连接请求。判断当前连接基站数量是否超出该区域的阈值。当各卫星所服务的区域连接基站数量均达到上限或达到建立连接阶段的时间上限时，卫星停止发送广播信号。当认证完成后，卫星网络侧将根据当前卫星覆盖状况和实时负载情况，为接入卫星网络的地面基站分配相应的通信资源，通信资源包括接入信道、I P地址等等。
S4、在各区域内部，已与卫星建立通信的基站若不是“默认基站”，则与该区域内的“默认基站”通信，获取一份预缓存文件。该份预缓存文件需与其他与卫星建立通信的基站的预缓存文件不同。当所有建立通信的非“默认基站”都成功获取一份预缓存文件后，通信建立阶段完成，准备进入数据传输阶段。
S5、数据传输阶段开始，各卫星处于初始位置。各卫星接收并记录该区域内所有基站的请求信息；
接下来，根据卫星所处的状态，控制卫星具体执行对应的S6或者S7中的步骤。
S6、当卫星处于某一区域，且不处在即将离开该区域的状态时：
根据上一颗卫星所发送的该区域内所有基站的请求信息，对区域内的基站采用组播传输技术发送同一份数据包文件；
具体来说，实际应用时，应根据卫星实际行进速度，星间链路传输时延等实际情况灵活设置何为即将离开该区域的状态。例如设定当在该区域内的剩余轨道路程不足十分之一时，为即将离开该区域的状态，只要确保在剩余时间内能完成卫星间通信，以将该区域的文件请求告知下一颗即将进入该区域的卫星即可。
S7、当卫星即将离开某一区域时：
利用星间链路，向即将进入该区域的下一颗卫星，发送该区域内所有基站的请求信息；
S8、该系统将循环执行步骤S6和S7,直到当各卫星回到步骤S2中所述的初始位置时，跳出循环，数据传输阶段结束。一次卫星与基站通信的周期完成。
其中，本发明的整体系统的架构如图2所示，主要包括卫星、基站等设备。需要说明的是，本实施例的图2中以三颗卫星为例，故将地面空间分为三个区域。每个区域内允许接入的最大基站数量为2，故图中每个区域内仅画出两个接入基站作为示意，实际可能有更多其他基站在该区域中。同时注意该图仅是静态示意图，实际卫星将在轨道上实时运动，故在一个轨道周期中每个卫星都会先后进入不同的区域中。
接下来举一个例子方便阐述：
本实施例假设有三颗处于同一轨道的低轨卫星，因此地面区域也被分成不重叠的三部分。在某一时刻，一个卫星只与其中一个区域内的基站进行通信。在每个区域内，假设有四个基站属于该卫星系统。但在一次通信周期中，每个区域内最多只能有两个基站接入卫星网络，即每颗卫星在同一时刻最多只能与两个基站建立通信。
下面详细描述本发明的方案的具体实施步骤：
常用文件数据库中有大小为F的共六个个文件A，B，C,D,E,F。将每个文件等分成不重叠的三(卫星数量)份。例如，A被分成(A1,A2,A3)三份。根据子文件的下标存进对应的卫星缓存中，即1卫星缓存A1，2卫星缓存A2……对于其他的五个文件B，C,D,E,F，也执行相应的操作并将各子文件存入对应的卫星缓存中。
在地面基站中，也需要选取一部分基站作为“默认基站”，并为其预先分配好缓存内容。具体地，在每个区域内分别选取2(卫星连接基站的数量上限)个基站作为默认基站。例如在区域1中，共四个基站，标号为基站U1,U2,U3,U4。不妨选取其中的前两个基站U1,U2作为默认基站，假设每个默认基站的缓存空间大小M为3F。则根据传统编码缓存方案中的参数t的计算公式，有
Figure BDA0003688585200000101
(K是每个区域内的默认基站数量)得到t＝1。(传统编码缓存方案中也给出了对于基站的缓存大小M的其他情况的缓存策略，此处略。)参数t的含义是每个文件各自被t个默认基站缓存。本发明可以把每个子文件(例如A1叫做一个子文件)划分为大小相等的两个“子子文件”，并把这些子子文件分别存储在两个默认基站缓存中。具体地，对于子文件A1,进一步将其划分为A1,1,A1,2。根据下标中的第二个数字与基站标号的对应关系，将A1,1存入U1的缓存中，将A1,2存入U2的缓存中。对于数据库中的其余子文件，也执行类似的操作并将其存入对应的默认基站的缓存中。对于其他区域内的默认基站，执行与上述区域1内默认基站缓存策略完全相同的预缓存策略。对于任何区域内的非默认基站，不需要对其进行预缓存。
接下来进入通信建立阶段，参考图3，卫星在轨道中运动，当刚刚进入一个新的区域时，开始向该区域中的基站发送广播信号，以探测该区域内需要与卫星建立通信的地面基站。基站收到广播信号后，若需要连接，则向卫星回复连接请求。若卫星收到回复请求后，判断该连接请求合法(未超出卫星连接基站数量上限)，则再向相应的基站回复并为其分配相应的通信资源，以使其成功接入卫星网络。一旦接入每个卫星的基站数量均达到预设的上限(该例子中为2)，或者卫星发送广播信号持续时长达到预设时间的上限，每个卫星停止发送广播信号，不再允许其余基站进入此次通信过程中。注意卫星发送广播信号持续时长预设时间的上限设置不应超过卫星在某个区域内停留的最小时长，否则会存在卫星向不同区域的基站发送广播信号的问题。此外，为了降低对后续卫星给同一区域内的基站传输数据的最小速率的要求，发送广播信号预设时间的上限应留有较为充足的余量(例如设置为卫星在某个区域内停留的最小时长的1/3,那么将给数据传输留下约2/3的时间)。
基站接入卫星网络后，区域内基站可能还需要进行数据互传。以区域1为例，不妨假设有两个基站在此次通信中接入卫星网络，情况大致分为以下几种。第一种情况是接入的恰好是两个默认基站U1，U2，那么就不需要进行基站间数据互传。第二种情况是接入的基站是U1，U3，由于U3不是默认基站，没有为其分配预缓存内容。为了保证后续传输方案的顺利实施，U3需要与基站U2进行通信，以获得U2的预缓存内容。注意由于U1已经接入网络，U3不能与U1通信获得U1的预缓存内容，否则重复的缓存内容将导致后续的传输方案无法成功。第三种情况是接入的基站是两个非默认基站U3，U4。则两个基站分别需要从两个默认基站中获取不同的预缓存内容。例如一种可行的方案是令U3获得U1的预缓存内容，U4获得U2的预缓存内容。最终只需保证接入此次通信的每个基站内的预缓存内容都来自不同的默认基站即可。对于上述三种不同的情况，基站间的数据互传方法也有区别。对于更一般的模型设定，实施者也可以简单地从该例子中推导出基站间数据互传的方法。
完成基站间的数据互传后，进入卫星与基站间的数据传输阶段，数据传输阶段的步骤参考图4所示。不妨假设3个区域内都各自有2个基站接入系统(对于接入基站数量没有达到上限的情况，卫星发送数据的方案不会发生改变，只是某些数据可能是多余的)。考虑最坏的情况，每个基站请求不同的文件。具体地，区域1内两基站U1,U2分别请求文件A,B,区域2内的两基站请求文件C，D，区域3内的两基站请求文件E,F。数据传输阶段开始时，卫星S1处在区域1中，并收到了文件请求A,B。卫星S2处在区域2中，并收到了文件请求C,D。卫星S3处在区域3中，并收到了文件请求E,F。同时每个卫星知道请求每个文件的基站对应的是来自哪一个默认基站的预缓存文件。接下来，每个卫星根据各自已有的卫星缓存内容和收到的请求，向该区域内的基站发送数据。以S1为例，发送的数据(异或文件)为
Figure BDA0003688585200000111
子文件具体属于哪两个原文件(A,B)由用户的请求所决定，文件下标中的第一个数字由该卫星的编号(S1)所决定，下标中的第二个数字由具体的基站请求与预缓存内容的对应关系所决定。具体地，由于是基站U1请求A文件，而U1的缓存空间中已经拥有A1,,故卫星应该在数据中发送U1未拥有的内容A1,，以此类推。其他区域内的卫星发送数据的方法与S1发送的方法完全相同，只是根据实际请求情况和卫星编号的不同而稍作改变。
当各卫星都即将离开当前区域时，需要通过星间链路，向后续即将进入该区域内的卫星发送该区域内的基站请求信息。例如，当S1即将离开区域1，S2即将进入区域1时，S1通过星间链路与S2进行通信，目的是告知S2在区域1中的具体请求情况，即U1,U2分别请求了文件A,B。(S2,S3)以及(S3,S1)之间的通信情况也可以此类推。接下来，每个卫星都进入到一片新的区域，与之前区域内的基站断开连接。以S2为例，进入区域1中，与U1,U2建立连接，则其发送的数据(异或文件)为
Figure BDA0003688585200000112
注意，由于卫星编号的改变，下标中的第一个数字也相应发生了变化。其他卫星在当前区域的发送情况也可以此类推，换言之，在当前时刻，卫星1服务区域3，卫星2服务区域1，卫星3服务区域2。而在第一个时刻，卫星1服务区域1，卫星2服务区域2，卫星3服务区域3。按照上述方法，由于卫星的运动，可以预测，在最后一个时刻，卫星1服务区域2，卫星2服务区域3，卫星3服务区域1。当每个卫星各自回到其开始传输数据的初始位置时，换言之，当每个区域内的基站都被所有3颗卫星所服务过时，一个通信周期(通信建立阶段和数据传输阶段)完成。每个基站都能够还原其所请求的文件。以区域1内的基站U1为例，其请求的文件是A。在整个通信周期中，U1将分别从卫星S1中收到文件/>
Figure BDA0003688585200000121
从卫星S2中收到文件/>
Figure BDA0003688585200000122
从卫星S3中收到文件/>
Figure BDA0003688585200000123
由于在U1的预缓存空间中，已经预先存储了子子文件B1,1,B2,1,B3,1，因此，U1可以从三个异或文件中分别解码出A1,2,A2,2,A3,2。此外，在U1的预缓存空间中，也已经提前存储了子子文件A1,1,A2,1,A3,1。结合U1原先存储的文件和与卫星通信后解码出的文件，此时，U1共拥有六个子子文件(A1,1,A2,1,A3,1,A1,2,A2,2,A3,2)。根据文件拆分的定义，这六个子子文件正好组成了原先的文件A,即U1最终还原出了其所请求的文件A。根据上述分析，不难得到，其他接入基站也可以分别还原其所请求的文件。
综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、采用编码缓存机制服务移动低轨卫星系统，实现内容的高效分发。比起传统的非编码缓存技术，编码缓存可以通过获取额外的多播增益以降低对通信传输速率的要求。同时，该发明还考虑到实际卫星网络中卫星的移动性及实时服务范围的变化，采用文件分组及区域分组策略，形成多个编码缓存子系统完成内容分发。
2、在相同的时间段，各卫星服务不同的区域，在各区域内与所连接的基站形成若干独立的子系统，缓解传输干扰。通过区域划分，减小系统规模，使卫星服务近距离小区域范围内的基站，不同区域内的传输相互独立，在减轻干扰的同时还可以降低传输时延，提高传输质量。
3、利用卫星的移动特性，在不同的时间段，各卫星协同配合，完成同一区域内面向基站的可靠传输。同时，区域内的基站切换服务卫星时，各卫星间仅需通过星间链路互通基站请求信息，开销很小，适用于星上资源受限的实际环境。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
所述功能如果以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-On ly 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。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)、便携式计算机盘盒(磁装置)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)、光纤装置以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.基于编码缓存的卫星网络通信方法，其特征在于，包括通信建立阶段和数据传输阶段；
所述通信建立阶段，包括：
卫星向自己所服务区域的地面设备发出广播信号，探测需要与卫星进行连接的基站；
需要连入卫星网络的地面设备收到广播信号后向卫星回复连接请求；
当完成卫星与地面设备之间的认证后，卫星将根据自己的卫星覆盖状况和实时负载情况，为接入的地面基站分配相应的通信资源，所述通信资源包括但不限于接入信道、IP地址；
各个基站通过与目标区域内的预设的默认基站进行通信，获得预分配的按中心化编码缓存方案设计的缓存文件；
当通信建立时间到达预设的最大时间阈值，或者各个卫星的接入设备数量均达到上限之后，完成通信建立阶段；
所述数据传输阶段，包括：
通过多个卫星将地球区域划分为不重叠的多个服务区域，每个卫星分别服务其中的一个区域，在服务的同时，多颗卫星沿着卫星轨道以同一顺时针方向或逆时针方向行进；
根据卫星在轨道中所处的状态，将卫星应处理的通信任务划分如下：
当卫星在初始区域中时：接收初始区域内所有基站的请求信息，对区域内的基站采用组播传输技术发送同一份数据包文件；
当卫星即将离开当前区域时：利用星间链路，向即将进入当前区域的下一颗卫星发送该区域内所有基站的请求信息；
当卫星处于当前区域且不处在即将离开该区域的状态时：根据上一颗卫星所发送的该区域内所有基站的请求信息，对区域内的基站采用组播传输技术发送同一份数据包文件；
当各卫星回到各自的起始位置时，完成数据传输阶段；
所述方法还包括：
在通信建立阶段之前，得到潜在的卫星与基站间通信的所有文件的数据库；
将数据库中的每个文件进行P等分，其中，P为卫星数量；
预先在各卫星的缓存中存储P等分后的文件中的其中一份，将P等分后的每个文件称为子文件；
任意选取每个区域中Q个基站作为默认基站，按照中心化编码缓存的方案，在每个默认基站的缓存空间中预缓存一个或多个子文件，其中，Q小于或等于P。
2.根据权利要求1所述的基于编码缓存的卫星网络通信方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过目标区域内的基站获取所述目标区域内和该基站相连接的常驻用户信息。
3.根据权利要求1所述的基于编码缓存的卫星网络通信方法，其特征在于，所述方法还包括：
在通信建立阶段：
若基站向卫星回复建立连接请求，各卫星接收需要连入卫星网络的地面基站设备所回复的连接请求；
判断各个卫星的当前连接基站数量是否超出当前区域的阈值；
当各卫星所服务的区域所连接的基站数量均达到上限或达到建立连接阶段的时间达到最大时间阈值时，卫星停止发送广播信号。
4.根据权利要求1所述的基于编码缓存的卫星网络通信方法，其特征在于，所述方法还包括：
在通信建立阶段，当基站成功与卫星建立通信后：
在各区域内部，如果已经与卫星建立通信的基站不是默认基站，则控制该基站与对应区域内的某个默认基站通信，获取一份预缓存的缓存文件；其中，该份预缓存的缓存文件与其他与卫星建立通信的基站中存储或获取的预缓存文件不同；
当所有建立通信的非“默认基站”都成功获取一份预缓存文件后，完成通信建立阶段。
5.基于编码缓存的卫星网络通信装置，其特征在于，包括：应用在各卫星上的通信模块以及应用在地面基站的通信模块；
其中，应用在各卫星上的通信模块，在数据传输阶段具体用于：
向自己所服务区域的地面设备发出广播信号，探测需要与卫星进行连接的基站；
当完成卫星与地面设备之间的认证后，卫星将根据自己的卫星覆盖状况和实时负载情况，为接入的地面基站分配相应的通信资源，所述通信资源包括但不限于接入信道、IP地址；
当通信建立时间到达预设的最大时间阈值，或者各个卫星的接入设备数量均达到上限之后，完成通信建立阶段；
应用在地面基站的通信模块，在数据传输阶段具体用于：
需要连入卫星网络的地面设备收到广播信号后向卫星回复连接请求；
各个基站通过与目标区域内的预设的默认基站进行通信，获得预分配的按中心化编码缓存方案设计的缓存文件；
所述应用在各卫星上的通信模块以及应用在地面基站的通信模块在数据传输阶段，具体用于：
通过多个卫星将地球区域划分为不重叠的多个服务区域，每个卫星分别服务其中的一个区域，在服务的同时，多颗卫星沿着卫星轨道以同一顺时针方向或逆时针方向行进；
根据卫星在轨道中所处的状态，将卫星应处理的通信任务划分如下：
当卫星在初始区域中时：接收初始区域内所有基站的请求信息，对区域内的基站采用组播传输技术发送同一份数据包文件；
当卫星即将离开当前区域时：利用星间链路，向即将进入当前区域的下一颗卫星发送该区域内所有基站的请求信息；
当卫星处于当前区域且不处在即将离开该区域的状态时：根据上一颗卫星所发送的该区域内所有基站的请求信息，对区域内的基站采用组播传输技术发送同一份数据包文件；
当各卫星回到各自的起始位置时，完成数据传输阶段；
另外，还包括：
在通信建立阶段之前，得到潜在的卫星与基站间通信的所有文件的数据库；
将数据库中的每个文件进行P等分，其中，P为卫星数量；
预先在各卫星的缓存中存储P等分后的文件中的其中一份，将P等分后的每个文件称为子文件；
任意选取每个区域中Q个基站作为默认基站，按照中心化编码缓存的方案，在每个默认基站的缓存空间中预缓存一个或多个子文件，其中，Q小于或等于P。
6.根据权利要求5所述的基于编码缓存的卫星网络通信装置，其特征在于：
应用在默认基站上的通信装置，具体用于：
在通信建立阶段，则与当前区域内的非默认基站通信，向非默认基站发送一份预缓存文件；
应用在非默认基站上的通信装置，具体用于：
在通信建立阶段，则与当前区域内的默认基站通信，获取一份预缓存文件；其中，该份预缓存文件需与其他与卫星建立通信的基站的预缓存文件不同。
7.一种电子设备，其特征在于，包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序；
所述处理器执行所述程序实现如权利要求1至4中任一项所述的方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如权利要求1至4中任一项所述的方法。
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