CN116633426B - 卫星路由方法、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种卫星路由方法、设备及存储介质，涉及卫星通信技术领域。该卫星路由方法包括以下步骤：获取卫星星座的网络拓扑结构，并确定所述网络拓扑结构中的起始卫星节点和目标卫星节点；根据所述网络拓扑结构，确定指向所述目标卫星节点的路由主跳方向；基于所述路由主跳方向，生成所述起始卫星节点至所述目标卫星节点的预选路径；获取所述预选路径上的卫星能量信息；根据所述卫星能量信息，从所述预选路径中筛选出目标路由路径，并基于所述目标路由路径进行路由。本申请解决了现有技术中路由算法的运算资源开销过大的技术问题。

Description

卫星路由方法、设备及存储介质

技术领域

本申请涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种卫星路由方法、设备及存储介质。

背景技术

卫星互联网因其覆盖范围广、传输速率高等优势，在应急救灾、航空航海监视、遥感测量等领域得到了应用。

对于倾斜型的Walker类星座网络拓扑，通过选择适当的星间链路可以保持永久性。现有的分布式路由算法常见的是链路状态算法，如OSPF（Open Shortest Path First，开放式最短路径优先），它需要全局链路状态来计算最短路径。然而，对于大规模网络，这样的算法将导致巨大的计算和通信开销。即现有技术中路由算法的运算资源开销过大。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种卫星路由方法，旨在解决现有技术中路由算法的运算资源开销过大的技术问题。

为实现上述目的，本申请提供一种卫星路由方法，所述卫星路由方法包括以下步骤：

获取卫星星座的网络拓扑结构，并确定所述网络拓扑结构中的起始卫星节点和目标卫星节点；

根据所述网络拓扑结构，确定指向所述目标卫星节点的路由主跳方向；

基于所述路由主跳方向，生成所述起始卫星节点至所述目标卫星节点的预选路径；

获取所述预选路径上的卫星能量信息；

根据所述卫星能量信息，从所述预选路径中筛选出目标路由路径，并基于所述目标路由路径进行路由。

可选地，所述基于所述路由主跳方向，生成所述起始卫星节点至所述目标卫星节点的预选路径的步骤，包括：

根据所述路由主跳方向和所述网络拓扑结构，获得所述起始卫星节点的下一跳卫星节点；

根据所述网络拓扑结构，确定所述下一跳卫星节点指向所述目标卫星节点的中间主跳方向；

根据所述中间主跳方向和所述网络拓扑结构，获得新的下一跳卫星节点，并执行步骤：根据所述网络拓扑结构，确定所述下一跳卫星节点指向所述目标卫星节点的中间主跳方向，直至跳转至所述目标卫星节点，获得所述起始卫星节点至所述目标卫星节点的预选路径。

可选地，所述根据所述网络拓扑结构，确定所述下一跳卫星节点指向所述目标卫星节点的中间主跳方向的步骤，包括：

在所述下一跳卫星节点的中间主跳方向为两个时，获取各所述中间主跳方向对应的星间链路时延；

将所述星间链路时延最小的中间主跳方向作为所述下一跳卫星节点指向所述目标卫星节点的中间主跳方向。

可选地，所述根据所述中间主跳方向和所述网络拓扑结构，获得新的下一跳卫星节点的步骤，包括：

在两个下一跳卫星节点的中间主跳方向指向同一收敛卫星节点后，获取所述收敛卫星节点前的两条当前路径的路径卫星能量；

根据所述路径卫星能量，确定所述当前路径中的高剩余能量路径和低剩余能量路径；

将所述收敛卫星节点作为所述高剩余能量路径的新的下一跳卫星节点。

可选地，在所述将所述收敛卫星节点作为所述高剩余能量路径的新的下一跳卫星节点的步骤之后，包括：

获取所述收敛卫星节点指向所述目标卫星节点的两个收敛主跳方向对应的第一中间卫星节点和第二中间卫星节点；

将所述第一中间卫星节点作为所述低剩余能量路径的新的下一跳卫星节点，其中所述第一中间卫星节点为在所述低剩余能量路径两跳内的卫星节点；

将所述第二中间卫星节点作为所述收敛卫星节点的新的下一跳卫星节点。

可选地，在所述根据所述中间主跳方向和所述网络拓扑结构，获得新的下一跳卫星节点的步骤之后，包括：

获取当前路径的历史途径卫星节点；

若所述新的下一跳卫星节点为历史途径卫星节点，则将所述当前路径转回至上一卫星节点，获得新的当前路径；

根据所述网络拓扑结构，确定所述上一卫星节点的相邻卫星节点；

若所述相邻卫星节点为未途径卫星节点，则将所述未途径卫星节点作为新的当前路径的下一跳卫星节点；

若所述相邻卫星节点中不存在未途径卫星节点，则执行步骤：将所述当前路径转回至上一卫星节点，获得新的当前路径。

可选地，所述根据所述网络拓扑结构，确定指向所述目标卫星节点的路由主跳方向的步骤，包括：

若所述起始卫星节点和所述目标卫星节点处于同一轨道面上，则将所述起始卫星节点指向所述目标卫星节点的横向方向作为路由主跳方向；

若所述起始卫星节点和所述目标卫星节点不处于同一轨道面上，且处于同一纵向上，则将所述起始卫星节点指向所述目标卫星节点的纵向方向作为路由主跳方向；

若所述起始卫星节点和所述目标卫星节点不处于同一轨道面上，且不处于同一纵向上，则将所述起始卫星节点指向所述目标卫星节点的横向方向和纵向方向作为路由主跳方向。

可选地，所述根据所述卫星能量信息，从所述预选路径中筛选出目标路由路径的步骤，包括：

获取各所述预选路径中各星间链路的排队时延；

根据所述排队时延和所述卫星能量信息中各预选路径的卫星剩余能量，基于预设传播矢量函数计算得到各所述预选路径的传播函数值，其中所述传播函数值与所述排队时延呈正相关，所述传播函数值与所述卫星剩余能量呈负相关；

将所述传播函数值最小的预选路径作为目标路由路径。

此外，为实现上述目的，本申请还提供一种卫星路由设备，所述卫星路由设备包括：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计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上任一项所述的卫星路由方法的步骤。

此外，为实现上述目的，本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有卫星路由程序，所述卫星路由程序被处理器执行时实现如上任一项所述的卫星路由方法的步骤。

本申请提出的一种卫星路由方法、设备及计算机可读存储介质，通过获取卫星星座的网络拓扑结构，并确定所述网络拓扑结构中的起始卫星节点和目标卫星节点；根据所述网络拓扑结构，确定指向所述目标卫星节点的路由主跳方向；基于所述路由主跳方向，生成所述起始卫星节点至所述目标卫星节点的预选路径。由此本申请无需像OSPF算法那样采集全局链路状态。而是通过所述路由主跳方向上的星间链路状态即可得到跳数较小，链路状态较佳的预选路径。进而获取所述预选路径上的卫星能量信息；根据所述卫星能量信息，从所述预选路径中筛选出目标路由路径，并基于所述目标路由路径进行路由。由此本申请在考虑星间链路状态的基础上还考虑到了预选路径上卫星能量，由此也保障了卫星星座通信网络的负载均衡。

附图说明

图1为本申请卫星路由方法的第一实施例的流程示意图；

图2为本申请实施例涉及的卫星星座的螺旋形拓扑示意图；

图3为本申请实施例涉及的卫星星座的星座网络仿真图；

图4为本申请卫星路由方法的第二实施例的流程示意图；

图5为本申请实施例涉及的预选路径的第一示意图；

图6为本申请实施例涉及的预选路径的第二示意图；

图7为本申请卫星路由方法的第三实施例的流程示意图；

图8为本申请实施例涉及的收敛卫星节点的场景示意图；

图9为本申请卫星路由方法的第四实施例的流程示意图；

图10为本申请实施例涉及的路由环路的场景示意图；

图11为本申请实施例涉及的第一对比实验的结果示意图；

图12为本申请实施例涉及的第二对比实验的结果示意图；

图13为本申请实施例涉及的第三对比实验的结果示意图；

图14为本申请实施例方案涉及的卫星路由设备的示意图。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

本申请实施例的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述对象的特定顺序。例如，第一目标对象和第二目标对象等是用于区别不同的目标对象，而不是用于描述目标对象的特定顺序。

在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

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。

为了更好地描述本申请的技术方案，下面结合部分现有技术对本申请的卫星路由方法进行说明：

近年来，多种路由算法被提出以应用到低轨卫星的卫星通信网络中，有学者提出了可以利用卫星的信息获取和处理能力来获取卫星和星间链路 (Inter-Satellite Link，ISL)的状态信息，进而利用低轨卫星网络拓扑的可预测性，引入按需路由的思想，设计了位置辅助按需路由(LAOR，Location-Assisted On-demand Routing)协议，通过最短时延确定路由路径。当网络发生故障时，路径会在链路切换周期内更新。虽然上述方式能够根据链路状态实时改变路由，适应性强，对网络拥塞等问题有较好的处理方式，但是这类方法的链路信息交互会产生较大开销，并且随着网络规模的增大，路由计算带来的运算资源开销越来越大。

作为本申请的一种实施例，通过获取卫星星座的网络拓扑结构，并确定所述网络拓扑结构中的起始卫星节点和目标卫星节点；根据所述网络拓扑结构，确定指向所述目标卫星节点的路由主跳方向；基于所述路由主跳方向，生成所述起始卫星节点至所述目标卫星节点的预选路径。由此本申请无需像OSPF算法那样采集全局链路状态。而是通过所述路由主跳方向上的星间链路状态即可得到跳数较小，链路状态较佳的预选路径。进而获取所述预选路径上的卫星能量信息；根据所述卫星能量信息，从所述预选路径中筛选出目标路由路径，并基于所述目标路由路径进行路由。由此本申请在考虑星间链路状态的基础上还考虑到了预选路径上卫星能量，由此也保障了卫星星座通信网络的负载均衡。

参照图1，图1为本申请卫星路由方法的第一实施例的流程示意图。

如图1所示，本申请实施例提供了一种卫星路由方法，所述卫星路由方法包括以下步骤：

步骤S100，获取卫星星座的网络拓扑结构，并确定所述网络拓扑结构中的起始卫星节点和目标卫星节点；

本实施例中，需要说明的是，所述卫星星座为倾斜型的Walker类星座。卫星星座的网络拓扑结构实质上反映了所述卫星星座中各卫星节点之间星间链路的通断情况。同轨道面内的卫星的星间链路通常是稳定的，而对于不同轨道面间相邻卫星的星间链路状况，可通过仿真建模的方式确定其是否稳定。将所述卫星星座中第n个轨道面上的第m个卫星节点表示为（n，m），其中，n表示卫星节点所处轨道面的轨道编号，m表示卫星节点的卫星编号。其中n=0、1、2、3……N-1，N为所述卫星星座的轨道面数量；m=0,1,2,3……M-1，N为所述卫星星座中该轨道面上的卫星节点数量。由此，卫星编号m相同，轨道编号n相差1的两个卫星节点为相邻轨道面上两颗相邻卫星，即卫星节点（n，m）和卫星节点（n+1，m），它们之间的相位差可以表示为, 轨道编号n相同，卫星编号m相差1 的两个卫星节点为同轨道面上的两颗相邻卫星，即卫星节点（n，m）和卫星节点（n，m+1）之间的相位差可以表示为。对于相邻轨道面内的相邻卫星，假设卫星节点（n，m）和卫星节点（n+1，m）之间通过星间链路建立连接，那么随着相位偏移的积累，卫星节点/>不一定能与卫星节点/>建立星间链路。参见图2，图2为本申请实施例涉及的卫星星座的螺旋形拓扑示意图。图2中，每个方块为卫星节点，卫星节点之间的连线为星间链路，同一横向上的各卫星节点为同一轨道面上的卫星节点。由此可以看出，相邻轨道面间的星间链路在穿越了N个轨道面后，卫星编号偏移了F。由此在进行仿真建模时需要考虑到这一卫星编号的偏移。进而本申请选取倾斜轨道巨型星座，所述倾斜轨道巨型星座的具体参数如下表1。

表1 星座仿真参数表

参照图3，图3为本申请实施例涉及的卫星星座的星座网络仿真图。图3为基于表1星座仿真参数表中的各星座参数经仿真得到的卫星星座模型图。图3中各圆点表示不同的卫星节点，圆点旁的编号为对应卫星节点的编号，实线则表示对应卫星节点的运行轨道。本申请通过对轨道内和轨道间卫星节点的星间链路进行仿真，由仿真结果可以认为在大规模的倾斜型卫星星座中，同轨道面和不同轨道面间的星间链路是相对稳定的。因此，对于大规模的单壳层倾斜型星座，通过适当地选择星间链路，拓扑可以保持永久性。因此，倾斜型星座中的路由由于其永久拓扑会显得简单一点。

本实施例中，在卫星星座收到路由请求后，则可以通过获取卫星星座的网络拓扑结构，进而确定所述网络拓扑结构中的起始卫星节点和目标卫星节点。示例性地，可以通过所述起始卫星节点和目标卫星节点的识别编号，确定所述起始卫星节点和所述目标卫星节点在所述网络拓扑结构中的位置。其中，所述网络拓扑结构可以是实时生成的所述卫星星座的网络拓扑图，也可以是提前生成并保存所述的卫星星座的网络拓扑图。

步骤S200，根据所述网络拓扑结构，确定指向所述目标卫星节点的路由主跳方向；

本实施例中，需要说明的是，所述路由主跳方向为指向所述目标卫星节点的方向，即更为接近所述目标卫星节点的方向。

本实施例中，在所述起始卫星节点和所述目标卫星节点处于同一轨道面上，或者是所述起始卫星节点和所述目标卫星节点不处于同一轨道面上且处于同一纵向上的情况下，则所述路由主跳方向仅有一个。在所述起始卫星节点和所述目标卫星节点不处于同一轨道面上且不处于同一纵向上的情况下，所述路由主跳方向则有两个。若所述起始卫星节点和所述目标卫星节点处于同一轨道面上，则将所述起始卫星节点指向所述目标卫星节点的横向方向作为路由主跳方向。若所述起始卫星节点和所述目标卫星节点不处于同一轨道面上，且处于同一纵向上，则将所述起始卫星节点指向所述目标卫星节点的纵向方向作为路由主跳方向；若所述起始卫星节点和所述目标卫星节点不处于同一轨道面上，且不处于同一纵向上，则将所述起始卫星节点指向所述目标卫星节点的横向方向和纵向方向作为路由主跳方向。

其中，步骤S200中所述根据所述网络拓扑结构，确定指向所述目标卫星节点的路由主跳方向的步骤，包括：

步骤S210，若所述起始卫星节点和所述目标卫星节点处于同一轨道面上，则将所述起始卫星节点指向所述目标卫星节点的横向方向作为路由主跳方向；

步骤S220，若所述起始卫星节点和所述目标卫星节点不处于同一轨道面上，且处于同一纵向上，则将所述起始卫星节点指向所述目标卫星节点的纵向方向作为路由主跳方向；

步骤S230，若所述起始卫星节点和所述目标卫星节点不处于同一轨道面上，且不处于同一纵向上，则将所述起始卫星节点指向所述目标卫星节点的横向方向和纵向方向作为路由主跳方向。

对于卫星节点之间的数据发送共有的上下左右四个方向，横向方向包括左方向和右方向，纵向方向包括上方向和下方向。在所述起始卫星节点和所述目标卫星节点处于同一轨道面上的情况下，若所述目标卫星节点位于所述起始卫星节点的同一轨道面的左侧，则左方向是路由主跳方向。若所述目标卫星节点位于所述起始卫星节点的同一轨道面的右侧，则右方向是路由主跳方向。在所述起始卫星节点和所述目标卫星节点不处于同一轨道面上且处于同一纵向上的情况下，若所述目标卫星节点位于所述起始卫星节点的同一纵向的上侧，则上方向是路由主跳方向。若所述目标卫星节点位于所述起始卫星节点的同一纵向的下侧，则下方向是路由主跳方向。在所述起始卫星节点和所述目标卫星节点不处于同一轨道面上，且不处于同一纵向上的情况下，若所述目标卫星节点位于所述起始卫星节点的同一纵向的左上侧，则左方向和上方向是路由主跳方向。若所述目标卫星节点位于所述起始卫星节点的同一纵向的左下侧，则左方向和下方向是路由主跳方向。若所述目标卫星节点位于所述起始卫星节点的同一纵向的右上侧，则右方向和上方向是路由主跳方向。若所述目标卫星节点位于所述起始卫星节点的同一纵向的右下侧，则右方向和下方向是路由主跳方向。由此，本实施例中对路由方向进行了收敛，降低了路由的运算资源消耗。

步骤S300，基于所述路由主跳方向，生成所述起始卫星节点至所述目标卫星节点的预选路径；

本实施例中，需要说明的是，若所述路由主跳方向仅有一个，则所述预选路径仅有一条。若所述路由主跳方向有两个，则所述预选路径也对应有两条。

本实施例中可以根据所述路由主跳方向和所述网络拓扑结构，获得所述起始卫星节点的下一跳卫星节点。根据所述网络拓扑结构，确定所述下一跳卫星节点指向所述目标卫星节点的中间主跳方向。进而根据所述中间主跳方向和所述网络拓扑结构，获得新的下一跳卫星节点，并执行步骤：根据所述网络拓扑结构，确定所述下一跳卫星节点指向所述目标卫星节点的中间主跳方向，直至跳转至所述目标卫星节点，获得所述起始卫星节点至所述目标卫星节点的预选路径。

步骤S400，获取所述预选路径上的卫星能量信息；

本实施例中，所述卫星能量信息可以包括所述预选路径上各预选卫星节点的剩余能量。由此本实施例可以通过获取所述预选路径上的卫星能量信息，确定各所述预选路径上的负载能力。

步骤S500，根据所述卫星能量信息，从所述预选路径中筛选出目标路由路径，并基于所述目标路由路径进行路由。

作为一种示例，本实施例中可以根据所述卫星能量信息，计算得到所述预选路径的卫星剩余能量总和，由此可表征所述预选路径的负载能力。进而可以根据所述卫星剩余能量总和，将所述预选路径中卫星剩余能量总和最大的预选路径作为目标路由路径，并基于所述目标路由路径进行路由。

作为另一种示例，本实施例中还可以根据所述卫星能量信息，计算得到所述预选路径的卫星剩余能量标准差和卫星剩余能量总和。由此可以根据所述卫星剩余能量标准差和所述卫星剩余能量总和，从所述预选路径中筛选出目标路由路径，并基于所述目标路由路径进行路由，并基于所述目标路由路径进行路由。示例性地，可以为卫星剩余能量标准差和卫星剩余能量总和赋予不同的预设权重，计算得到对应的卫星能量均衡值。将所述卫星能量均衡值最大的预选路径作为目标路由路径。由此获得了负载能力更好且各卫星节点负载能力更加稳定的目标路由路径。有效提高了保障了卫星星座通信网络的负载均衡与路由效率。

作为另一种实施例，由于路由路径的选择不但要考虑承载能力还要考虑时延。因此可以通过获取各所述预选路径中各星间链路的排队时延；根据所述排队时延和所述卫星能量信息中各预选路径的卫星剩余能量，计算得到各所述预选路径的传播函数值。进而根据所述传播函数值确定对应的预选路径作为目标路由路径。

其中，步骤S500所述根据所述卫星能量信息，从所述预选路径中筛选出目标路由路径的步骤，包括：

步骤S510，获取各所述预选路径中各星间链路的排队时延；

步骤S520，根据所述排队时延和所述卫星能量信息中各预选路径的卫星剩余能量，基于预设传播矢量函数计算得到各所述预选路径的传播函数值，其中所述传播函数值与所述排队时延呈正相关，所述传播函数值与所述卫星剩余能量呈负相关；

步骤S530，将所述传播函数值最小的预选路径作为目标路由路径。

本实施例中，需要说明的是，所述预设传播矢量函数表示为公式如下：

其中，、/>、/>、/>表示卫星节点（n, m）在L, R, U, D四个端口（即左右上下四个方向相邻的卫星节点之间星间链路）的排队时延，/>、/>、/>、/>、/>表示相互正交的基底向量。/>表示卫星剩余能量。

由此，本实施例通过获取各所述预选路径中各星间链路的排队时延。进而根据所述排队时延和所述卫星能量信息中各预选路径的卫星剩余能量，基于预设传播矢量函数计算得到各所述预选路径的传播函数值，其中所述传播函数值与所述排队时延呈正相关，所述传播函数值与所述卫星剩余能量呈负相关。此时，时延越小，所述传播函数值越小；所述卫星剩余能量越多，所述传播函数值越小。由此可以将所述传播函数值最小的预选路径作为目标路由路径。本实施例中，同时考虑了排队时延和卫星剩余能量从而进一步实现了卫星星座的网络负载均衡。

在本申请一实施例中提供了一种卫星路由方法，通过获取卫星星座的网络拓扑结构，并确定所述网络拓扑结构中的起始卫星节点和目标卫星节点；根据所述网络拓扑结构，确定指向所述目标卫星节点的路由主跳方向；基于所述路由主跳方向，生成所述起始卫星节点至所述目标卫星节点的预选路径。由此本申请无需像OSPF算法那样采集全局链路状态。而是通过所述路由主跳方向上的星间链路状态即可得到跳数较小，链路状态较佳的预选路径。进而获取所述预选路径上的卫星能量信息；根据所述卫星能量信息，从所述预选路径中筛选出目标路由路径，并基于所述目标路由路径进行路由。由此本申请在考虑星间链路状态的基础上还考虑到了预选路径上卫星能量，由此也保障了卫星星座通信网络的负载均衡。

参照图4，图4为本申请卫星路由方法的第二实施例的流程示意图。

如图4所示，本申请第二实施例提供了一种卫星路由方法，步骤S300中所述基于所述路由主跳方向，生成所述起始卫星节点至所述目标卫星节点的预选路径的步骤，包括：

步骤S310，根据所述路由主跳方向和所述网络拓扑结构，获得所述起始卫星节点的下一跳卫星节点；

步骤S320，根据所述网络拓扑结构，确定所述下一跳卫星节点指向所述目标卫星节点的中间主跳方向；

步骤S330，根据所述中间主跳方向和所述网络拓扑结构，获得新的下一跳卫星节点，并执行步骤：根据所述网络拓扑结构，确定所述下一跳卫星节点指向所述目标卫星节点的中间主跳方向，直至跳转至所述目标卫星节点，获得所述起始卫星节点至所述目标卫星节点的预选路径。

本实施例根据所述路由主跳方向和所述网络拓扑结构，确定在所述网络拓扑结构中所述起始卫星节点的路由主跳方向上的下一跳卫星节点。可以理解的是，在所述起始卫星节点和所述目标卫星节点处于同一轨道面上，或者是所述起始卫星节点和所述目标卫星节点不处于同一轨道面上且处于同一纵向上的情况下，所述路由主跳方向仅有一个，因此所述起始卫星节点的下一跳卫星节点也仅有一个。而在所述起始卫星节点和所述目标卫星节点不处于同一轨道面上且不处于同一纵向上的情况下，所述起始卫星节点的下一跳卫星节点有两个。进而可以根据所述网络拓扑结构，确定各所述下一跳卫星节点指向所述目标卫星节点的中间主跳方向。其中所述中间主跳方向为所述下一跳卫星节点指向所述目标卫星节点的方向，即所述下一跳卫星节点更为接近所述目标卫星节点的方向。进而根据所述中间主跳方向和所述网络拓扑结构，确定在所述网络拓扑结构中所述下一跳卫星节点的中间主跳方向上新的下一跳卫星节点，并执行步骤：根据所述网络拓扑结构，确定所述下一跳卫星节点指向所述目标卫星节点的中间主跳方向，由此逐跳进行迭代，直至跳转至所述目标卫星节点，获得所述起始卫星节点至所述目标卫星节点的预选路径。参见图5，图5为本申请实施例涉及的预选路径的第一示意图。图5中，起始卫星节点S有上方向、下方向、左方向和右方向可以进行数据传输。而目标卫星节点D位于起始卫星节点S的右下侧，与起始卫星节点S不在同一轨道面上，且不处于同一纵向上。因此路由主跳方向为下方向和右方向，则对应的下一跳卫星节点有两个，卫星节点1和卫星节点3。目标卫星节点D位于卫星节点1的右下侧，因此卫星节点1对应的指向所述目标卫星节点的中间主跳方向有两个下方向和右方向。可以选取其中一个方向作为卫星节点1对应的指向所述目标卫星节点的中间主跳方向。而目标卫星节点D位于卫星节点2的右侧，因此卫星节点2对应的指向所述目标卫星节点的中间主跳方向为右方向。进而根据所述中间主跳方向和所述网络拓扑结构，获得新的下一跳卫星节点，并分别持续迭代，直至跳转至所述目标卫星节点，获得所述起始卫星节点至所述目标卫星节点的两条预选路径。参见图6，图6为本申请实施例涉及的预选路径的第二示意图。图6中，起始卫星节点S有上方向、下方向、左方向和右方向可以进行数据传输，目标卫星节点D位于起始卫星节点S的右侧，与起始卫星节点S不在同一轨道面上。因此路由主跳方向为右方向，则对应的下一跳卫星节点有一个，卫星节点1。目标卫星节点D位于卫星节点1的右侧，因此卫星节点1对应的指向所述目标卫星节点的中间主跳方向为右方向。进而根据所述中间主跳方向和所述网络拓扑结构，获得新的下一跳卫星节点，并持续迭代，直至跳转至所述目标卫星节点，获得所述起始卫星节点至所述目标卫星节点的一条预选路径。设所述卫星星座的拓扑网络结构中左右为X分量，上下为Y分量，左右由轨道面的轨道编号确定跳数，上下由卫星在轨道面上的卫星编号确定跳数。则本实施例中基于所述路由主跳方向，生成所述起始卫星节点至所述目标卫星节点的预选路径的跳数为，即为最小跳数。

其中，步骤S320中所述根据所述网络拓扑结构，确定所述下一跳卫星节点指向所述目标卫星节点的中间主跳方向的步骤，包括：

步骤A10，在所述下一跳卫星节点的中间主跳方向为两个时，获取各所述中间主跳方向对应的星间链路时延；

步骤A20，将所述星间链路时延最小的中间主跳方向作为所述下一跳卫星节点指向所述目标卫星节点的中间主跳方向。

本实施例中，需要说明的是，所述星间链路时延为卫星节点之间通信链路的排队时延。在卫星星座的网络模型中，每个卫星节点可建立四条双向通信的通信链路。卫星的数据包转发模型一般为先进先出模型，排队时延的计算表达式为：

其中，pkg表示传输的数据包的大小，v表示数据传输的速率，k表示队列中的数据包数目。

由于起始卫星节点与目标卫星节点不处于同一轨道面的情况下，起始卫星节点S的路由主跳方向会有两个，下一跳卫星节点的中间主跳方向也会有两个，那么每一跳都会向两个方向进行广播，随着跳数增加，路由开销会呈指数增长，并且占据网络中的带宽。为此本实施例中，在所述下一跳卫星节点的中间主跳方向为两个时，获取各所述中间主跳方向对应的星间链路时延。进而将所述星间链路时延最小的中间主跳方向作为所述下一跳卫星节点指向所述目标卫星节点的中间主跳方向。由此本实施例即实现了对路由路径的收敛，同时也保障了收敛得到的路由路径的时延较低，提高了路由效率。当然更进一步地，根据所述星间链路时延和卫星剩余能量，从各中间主跳方向筛选所述下一跳卫星节点指向所述目标卫星节点的中间主跳方向。

本发明第二实施例中，通过根据所述路由主跳方向和所述网络拓扑结构，获得所述起始卫星节点的下一跳卫星节点，并根据所述网络拓扑结构，确定所述下一跳卫星节点指向所述目标卫星节点的中间主跳方向。进而根据所述中间主跳方向和所述网络拓扑结构，获得新的下一跳卫星节点，并执行步骤：根据所述网络拓扑结构，确定所述下一跳卫星节点指向所述目标卫星节点的中间主跳方向，直至跳转至所述目标卫星节点，获得所述起始卫星节点至所述目标卫星节点的预选路径。由此通过指向所述目标卫星节点的方向进行路径收敛，筛选出了跳数较少的预选路径以供选择，有效降低了对于路由路径的运算资源消耗。

参照图7，图7为本申请卫星路由方法的第三实施例的流程示意图。

如图7所示，本申请第三实施例提供了一种卫星路由方法，步骤S330中所述根据所述中间主跳方向和所述网络拓扑结构，获得新的下一跳卫星节点的步骤，包括：

步骤S331，在两个下一跳卫星节点的中间主跳方向指向同一收敛卫星节点后，获取所述收敛卫星节点前的两条当前路径的路径卫星能量；

步骤S332，根据所述路径卫星能量，确定所述当前路径中的高剩余能量路径和低剩余能量路径；

步骤S333，将所述收敛卫星节点作为所述高剩余能量路径的新的下一跳卫星节点。

本实施例中，需要说明的是，根据几何拓扑可知，在所述起始卫星节点和所述目标卫星节点不处于同一轨道面上且不处于同一纵向上的情况下，一定能找到从起始卫星节点S到目标卫星节点D的两条不相干路径（即不存在共同卫星节点的路径）。但是各个卫星节点均为分布式计算下一跳的中间主跳方向，因此可能会出现在到达目标卫星节点D之前，两条路径已经收敛到同一个卫星节点上的情况。如图8所示，图8为本申请实施例涉及的收敛卫星节点的场景示意图。图8中，卫星节点与卫星节点/>均收敛在收敛卫星节点/>。因此，在两个下一跳卫星节点的中间主跳方向指向同一收敛卫星节点后，说明路径在收敛过程中发生了碰撞。因此可以通过获取所述收敛卫星节点前的两条当前路径的路径卫星能量。根据所述路径卫星能量，确定所述当前路径中的高剩余能量路径和低剩余能量路径。其中高剩余能量路径为两条当前路径中卫星剩余能量更高的路径，低剩余能量路径为两条当前路径中卫星剩余能量更低的路径。示例性地，图8中起始卫星节点/>-卫星节点/>为高剩余能量路径，因此可以将所述收敛卫星节点作为所述高剩余能量路径的新的下一跳卫星节点，生成新的当前路径起始卫星节点/>-卫星节点/>-收敛卫星/>。

其中，在步骤S333所述将所述收敛卫星节点作为所述高剩余能量路径的新的下一跳卫星节点的步骤之后，包括：

步骤S334，获取所述收敛卫星节点指向所述目标卫星节点的两个收敛主跳方向对应的第一中间卫星节点和第二中间卫星节点；

步骤S335，将所述第一中间卫星节点作为所述低剩余能量路径的新的下一跳卫星节点，其中所述第一中间卫星节点为在所述低剩余能量路径两跳内的卫星节点；

步骤S336，将所述第二中间卫星节点作为所述收敛卫星节点的新的下一跳卫星节点。

进而本实施例中还需要考虑对于低剩余能量路径的后续路径生成。通过获取所述收敛卫星节点指向所述目标卫星节点的两个收敛主跳方向对应的第一中间卫星节点和第二中间卫星节点。将所述第一中间卫星节点作为所述低剩余能量路径的新的下一跳卫星节点，其中所述第一中间卫星节点为在所述低剩余能量路径两跳内的卫星节点，且所述第一中间卫星节点不为所述收敛卫星节点；将所述第二中间卫星节点作为所述收敛卫星节点的新的下一跳卫星节点。由此可以将所述高剩余能量路径和低剩余能量路径在此处分开，避免出现在下一跳卫星节点继续碰撞的情况。同样参照图9，进而收敛卫星节点的接下来两个收敛主跳方向上的两个卫星节点分别为/>和/>。第一中间卫星节点/>是低剩余能量路径上卫星节点/>不经过收敛卫星节点/>可两跳可到达的卫星节点，因此将所述第一中间卫星节点作为所述低剩余能量路径的新的下一跳卫星节点，从而可以将来自低剩余能量路径上卫星节点/>的路由请求包发送给第一中间卫星节点/>，并修改低剩余能量路径中的卫星节点/>为卫星节点/>。从而对出现收敛碰撞的两条路径处理完毕。最后获得两条不相干的路径，/>-/>-/>-/>-/>；/>-/>-/>-/>-/>。

本发明第三实施例中，通过在两个下一跳卫星节点的中间主跳方向指向同一收敛卫星节点后，获取所述收敛卫星节点前的两条当前路径的路径卫星能量；根据所述路径卫星能量，确定所述当前路径中的高剩余能量路径和低剩余能量路径；将所述收敛卫星节点作为所述高剩余能量路径的新的下一跳卫星节点。进而获取所述收敛卫星节点指向所述目标卫星节点的两个收敛主跳方向对应的第一中间卫星节点和第二中间卫星节点；将所述第一中间卫星节点作为所述低剩余能量路径的新的下一跳卫星节点，其中所述第一中间卫星节点为在所述低剩余能量路径两跳内的卫星节点；将所述第二中间卫星节点作为所述收敛卫星节点的新的下一跳卫星节点。由此规避了两条预选路径在收敛过程中收敛至同一卫星节点发生碰撞的情况。

参照图9，图9为本申请卫星路由方法的第四实施例的流程示意图。

如图9所示，本申请第四实施例提供了一种卫星路由方法，步骤S330中在所述根据所述中间主跳方向和所述网络拓扑结构，获得新的下一跳卫星节点的步骤之后，包括：

步骤B10，获取当前路径的历史途径卫星节点；

步骤B20，若所述新的下一跳卫星节点为历史途径卫星节点，则将所述当前路径转回至上一卫星节点，获得新的当前路径；

步骤B30，根据所述网络拓扑结构，确定所述上一卫星节点的相邻卫星节点；

步骤B40，若所述相邻卫星节点为未途径卫星节点，则将所述未途径卫星节点作为新的当前路径的下一跳卫星节点；

步骤B50，若所述相邻卫星节点中不存在未途径卫星节点，则执行步骤：将所述当前路径转回至上一卫星节点，获得新的当前路径。

在大规模的卫星通信网络下，需要考虑到卫星节点维修难度大，卫星节点之间的星间链路容易受到干扰而中断的情况。本实施例通过路由请求包记录当前路径途径的卫星节点编号，由此获得当前路径的历史途径卫星节点，并判断所述新的下一跳卫星节点是否为历史途径卫星节点。若所述新的下一跳卫星节点为历史途径卫星节点，说明可能由于星间链路出现中断导致了出现路由环路的情况，则将所述当前路径转回至上一卫星节点，获得新的当前路径。并根据所述网络拓扑结构，确定所述上一卫星节点的相邻卫星节点。所述相邻卫星节点为所述上一卫星节点上侧、下侧、左侧或右侧相邻的可连通的卫星节点。进而判断所述上一卫星节点是否为未途径卫星节点。若所述相邻卫星节点为未途径卫星节点，则可以将所述未途径卫星节点作为新的当前路径的下一跳卫星节点。进一步地，若所述相邻卫星节点为多个，可以将排队延迟最低的相邻卫星节点作为新的当前路径的下一跳卫星节点。若所述相邻卫星节点中不存在未途径卫星节点，则执行步骤：将所述当前路径转回至上一卫星节点，获得新的当前路径。直至回转至存在相邻卫星节点不存在未途径卫星节点的上一卫星节点。由此本实施例跳出了卫星星座网络的循环回路，避免了路由路径的收敛失败。

参见图10，图10为本申请实施例涉及的路由环路的场景示意图。图10中圆形为卫星节点，圆形之间的实线为连通的星间链路，虚线为断开的星间链路。在按照路径预选的原则进行路径选择，出现了当前路径为1-2-3-4-1的情况。卫星节点4的下一跳卫星节点为卫星节点1，而当前路径的历史途径卫星节点中包括了卫星节点1，因此将路由请求包转发回上一跳的卫星节点3（即上一卫星节点）。对于卫星节点4的上一跳的卫星节点3，由于周边有星间链路断开，因此其相邻卫星节点仅有卫星节点4和卫星节点2，而卫星节点均为当前路径的历史途径卫星节点，因此继续转发回上一卫星节点，直至转发回下一跳不在路径记录的节点，重新进行路径选择。

本申请第四实施例中，通过获取当前路径的历史途径卫星节点，若所述新的下一跳卫星节点为历史途径卫星节点，则将所述当前路径转回至上一卫星节点，获得新的当前路径。根据所述网络拓扑结构，确定所述上一卫星节点的相邻卫星节点；若所述相邻卫星节点为未途径卫星节点，则将所述未途径卫星节点作为新的当前路径的下一跳卫星节点；若所述相邻卫星节点中不存在未途径卫星节点，则执行步骤：将所述当前路径转回至上一卫星节点，获得新的当前路径。由此本实施例跳出了由于星间链路断开或不稳定导致卫星星座网络的循环回路，避免了路由路径的收敛失败。有效提高了卫星星座内路由的抗毁性。

此外，为了说明本申请实施例的效果，本申请中还设计了相应的仿真实验。本实验中的仿真对象为倾斜轨道巨型星座，所述倾斜轨道巨型星座的星座参数如表2所示。

表2仿真星座及链路的参数表

参见图11，图11为本申请实施例涉及的第一对比实验的结果示意图。本实验中采用了DSPA（Dijkstra'sShortestPathAlgorithm，最短路径路由算法）和DAR（DynamicAlternate Routing，动态迂回路由）作为对比例。Propasol为本申请的路由算法。图11中，横轴为从源卫星跳到目标卫星的跳数；纵轴为路由开销，单位为%。由图11可以看出，在卫星星座不存在链路故障的情况下，随着跳数的增加，DSPA、DAR以及本申请的路由算法的路由开销均随之呈线性增长，但是本申请的路由算法增长速度较慢。

参见图12，图12为本申请实施例涉及的第二对比实验的结果示意图。图12中，横轴为链路故障百分比；纵轴为平均端到端延迟，单位为毫秒（ms）。由图12可以看出，随着链路故障百分比的增加，本申请的路由算法端到端的延迟的增长速度远低于DSPA，仅稍高于DAR。

参见图13，图13为本申请实施例涉及的第三对比实验的结果示意图。图13中，横轴为单独发送速率；纵轴为吐出量，单位为Mbps（Megabits per second，每秒传输的位数量）。由图13可以看出，随着数据输入速率（即单独发送速率）的增加，本申请的路由算法的数据吐出量远高于DSPA和DAR。

由上述内容可知，本申请良好地平衡了路由路径的排队时延与网络负载之间的关系。

如图14所示，图14为本申请实施例方案涉及的卫星路由设备的结构示意图。

示例性地，所述卫星路由设备可以是低轨卫星、PC（Personal Computer，个人计算机）、平板电脑、便携式计算机或者服务器等设备。

如图14所示，所述卫星路由设备可以包括：处理器1001，例如CPU，通信总线1002，用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏（Display）、输入单元比如触摸屏或键盘（Keyboard），可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口（如Wi-Fi接口）。存储器1005可以是高速RAM存储器，也可以是非易失性存储器（Non-Volatile Memory），例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。

本领域技术人员可以理解，图14中示出的设备结构并不构成对所述卫星路由设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

如图14所示，作为一种计算机存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及卫星路由应用程序。

在图14所示的设备中，处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的卫星路由应用程序，并执行如上各实施例中卫星路由方法的操作。

此外，本申请实施例还提出一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述实施例提供的卫星路由方法中的操作，具体步骤此处不再过多赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体/操作/对象与另一个实体/操作/对象区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体/操作/对象之间存在任何这种实际的关系或者顺序；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、物品或者系统不仅包括那些要素，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、物品或者系统所固有的要素。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、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中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。可以根据实际的需要选择中的部分或者全部模块来实现本申请方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

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上述实施例方法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，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的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，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，车辆，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的卫星路由方法。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种卫星路由方法，其特征在于，所述卫星路由方法包括以下步骤：

获取卫星星座的网络拓扑结构，并确定所述网络拓扑结构中的起始卫星节点和目标卫星节点；

根据所述网络拓扑结构，确定指向所述目标卫星节点的路由主跳方向，所述路由主跳方向为所述起始卫星节点指向所述目标卫星节点的横向方向和/或纵向方向；

基于所述路由主跳方向，生成所述起始卫星节点至所述目标卫星节点的预选路径；

获取所述预选路径上的卫星能量信息；

根据所述卫星能量信息，从所述预选路径中筛选出目标路由路径，并基于所述目标路由路径进行路由；

所述基于所述路由主跳方向，生成所述起始卫星节点至所述目标卫星节点的预选路径的步骤，包括：

根据所述路由主跳方向和所述网络拓扑结构，获得所述起始卫星节点的下一跳卫星节点；

根据所述网络拓扑结构，确定所述下一跳卫星节点指向所述目标卫星节点的中间主跳方向；

根据所述中间主跳方向和所述网络拓扑结构，获得新的下一跳卫星节点，并执行步骤：根据所述网络拓扑结构，确定所述下一跳卫星节点指向所述目标卫星节点的中间主跳方向，直至跳转至所述目标卫星节点，获得所述起始卫星节点至所述目标卫星节点的预选路径；

在所述下一跳卫星节点的中间主跳方向为两个时，获取各所述中间主跳方向对应的星间链路时延；

将所述星间链路时延最小的中间主跳方向作为所述下一跳卫星节点指向所述目标卫星节点的中间主跳方向。

2.如权利要求1所述的卫星路由方法，其特征在于，所述根据所述中间主跳方向和所述网络拓扑结构，获得新的下一跳卫星节点的步骤，包括：

在两个下一跳卫星节点的中间主跳方向指向同一收敛卫星节点后，获取所述收敛卫星节点前的两条当前路径的路径卫星能量；

根据所述路径卫星能量，确定所述当前路径中的高剩余能量路径和低剩余能量路径；

将所述收敛卫星节点作为所述高剩余能量路径的新的下一跳卫星节点。

3.如权利要求2所述的卫星路由方法，其特征在于，在所述将所述收敛卫星节点作为所述高剩余能量路径的新的下一跳卫星节点的步骤之后，包括：

获取所述收敛卫星节点指向所述目标卫星节点的两个收敛主跳方向对应的第一中间卫星节点和第二中间卫星节点；

将所述第一中间卫星节点作为所述低剩余能量路径的新的下一跳卫星节点，其中所述第一中间卫星节点为在所述低剩余能量路径两跳内的卫星节点；

将所述第二中间卫星节点作为所述收敛卫星节点的新的下一跳卫星节点。

4.如权利要求1所述的卫星路由方法，其特征在于，在所述根据所述中间主跳方向和所述网络拓扑结构，获得新的下一跳卫星节点的步骤之后，包括：

获取当前路径的历史途径卫星节点；

若所述新的下一跳卫星节点为历史途径卫星节点，则将所述当前路径转回至上一卫星节点，获得新的当前路径；

根据所述网络拓扑结构，确定所述上一卫星节点的相邻卫星节点；

若所述相邻卫星节点为未途径卫星节点，则将所述未途径卫星节点作为新的当前路径的下一跳卫星节点；

若所述相邻卫星节点中不存在未途径卫星节点，则执行步骤：将所述当前路径转回至上一卫星节点，获得新的当前路径。

5.如权利要求1所述的卫星路由方法，其特征在于，所述根据所述网络拓扑结构，确定指向所述目标卫星节点的路由主跳方向的步骤，包括：

若所述起始卫星节点和所述目标卫星节点处于同一轨道面上，则将所述起始卫星节点指向所述目标卫星节点的横向方向作为路由主跳方向；

若所述起始卫星节点和所述目标卫星节点不处于同一轨道面上，且处于同一纵向上，则将所述起始卫星节点指向所述目标卫星节点的纵向方向作为路由主跳方向；

若所述起始卫星节点和所述目标卫星节点不处于同一轨道面上，且不处于同一纵向上，则将所述起始卫星节点指向所述目标卫星节点的横向方向和纵向方向作为路由主跳方向。

6.如权利要求1至5中任一项所述的卫星路由方法，其特征在于，所述根据所述卫星能量信息，从所述预选路径中筛选出目标路由路径的步骤，包括：

获取各所述预选路径中各星间链路的排队时延；

根据所述排队时延和所述卫星能量信息中各预选路径的卫星剩余能量，基于预设传播矢量函数计算得到各所述预选路径的传播函数值，其中所述传播函数值与所述排队时延呈正相关，所述传播函数值与所述卫星剩余能量呈负相关；

将所述传播函数值最小的预选路径作为目标路由路径。

7.一种卫星路由设备，其特征在于，所述卫星路由设备包括：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计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的卫星路由方法的步骤。

8.一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上存储有卫星路由程序，所述卫星路由程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的卫星路由方法的步骤。