一种基于分簇的卫星网络故障诊断方法
【专利摘要】本发明是一种基于分簇的卫星网络故障诊断方法，首先对卫星网络进行分簇，根据综合通信负载、时延和节点度信息的加权公式求得每个簇内节点的权值，根据权值选择簇首和备份簇首，使簇有较高的传输效率和稳定性；然后，髙轨卫星GEO用系统级故障诊断算法对每个簇首和备份簇首进行故障诊断，簇首出现故障时，启用备份簇首或使簇内成员加入其它相邻的簇；对于簇内诊断，簇内每个成员向相邻卫星节点发送测试信息，接收到返回信息后，根据系统级故障诊断的测试模型得到测试结果，并发送测试结果给簇首进行故障诊断，对于簇首无法诊断的故障，簇首通过髙轨卫星和其它簇首基于信息交换的结果进行诊断，从而提高卫星网络节点的故障诊断率。
【专利说明】一种基于分簇的卫星网络故障诊断方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种卫星网络节点故障诊断的方法，属于卫星通信网络领域。特别是 涉及一种基于分簇的低轨卫星网络故障诊断的问题。
【背景技术】
[0002] 卫星网络是由高、中、低轨卫星所构成的，空间运行环境恶劣，对电子元器件有较 大影响，卫星会因此出现故障。对于低轨卫星，轨道位置离地球很近，很容易被敌人窃听、干 扰与注入假报文，甚至摧毁，再加上各种反卫星武器和空间对抗技术的发展，使得低轨卫星 更容易遭受攻击。卫星网络中卫星节点的损坏将会导致网络性能的急剧下降。因此，卫星 网络故障诊断技术有着十分重要的意义。
[0003] 目前对于卫星网络故障诊断的研宄中，主要是对卫星节点端口的软故障（其特征 是端口通信正常，数据可能出现计算错误）和硬故障（其特征是端口无法与其它节点通信） 的诊断。故障类型根据故障诊断过程是否集中进行分类，可将故障诊断方式分为集中式和 分布式两种，集中式故障诊断策略首先假设一个正常的诊断中心，通过掌握整个网络的全 局信息，实现对网络的实时检测。集中式故障诊断要求诊断中心的计算处理能力非常强，另 夕卜，每个节点的测试结果都需要汇集到一个统一的诊断中心，测试结果的路由转发会造成 诊断时延过长。分布式故障诊断的原理是节点与相邻节点多次通信，根据相邻节点的信息 决定自身状态，再根据自身状态对相邻节点进行诊断，这样会对同一节点多次诊断，会产生 较高的通信负载。因此，本文提出基于分簇的卫星网络故障诊断方法，对卫星网络进行分 簇，选择合理的簇首，通过簇首对簇内节点进行故障检测和诊断，可以减少故障信息在网络 中的传递次数和诊断时延，无故障的簇首可以提高簇内成员的故障诊断率。
【发明内容】
[0004] 技术问题：本发明的目的是提供一种基于分簇的卫星网络故障诊断方法，用来诊 断和发现卫星网络中节点的软、硬故障，以便降低卫星网络故障所带来的损失，可以提高卫 星网络的稳定性和容错性。低轨卫星的移动会造成网络拓扑的变化，但是在一个时间片内， 卫星网络的拓扑结构会保持不变。如何在拓扑结构稳定的时间片内，用较少的通信时延和 较短的诊断时延诊断出卫星网络的故障是个关键问题。因此，有必要引入分簇的技术到卫 星网络节点的软、硬故障诊断中，可以有效的降低故障检测和诊断过程中的通信负载、计算 负载和诊断时延。
[0005] 技术方案：本发明的方法是对于卫星网络进行分簇，每个簇内通过系统级故障诊 断技术进行故障诊断。首先对卫星网络进行分簇，根据综合通信负载、通信时延和节点度等 信息的加权公式求得每个簇内节点的权值，再根据权值的大小选择簇首和备份簇首，使簇 有较高的传输效率和稳定性；然后，通过髙轨卫星（GEO)用系统级故障诊断算法对每个簇 首和备份簇首进行故障诊断，当簇首出现故障时，启用备份簇首或使簇内成员加入其它簇； 对于簇内诊断，簇内每个成员向相邻卫星节点发送测试信息，接收返回信息后，根据系统级 故障诊断的测试模型得到测试结果，并把测试结果发送给簇首进行故障诊断，对于簇首无 法诊断的卫星节点，簇首通过髙轨卫星和其它簇首基于信息交换的结果进行诊断，可以提 供较高的故障诊断率。
[0006] 一、体系结构
[0007] 基于分簇的卫星网络故障诊断方法是由高轨卫星（GEO)和低轨卫星（LEO)双层卫 星星座结构组成的，如图1所示。高轨卫星层由3个同步的高轨卫星构成，可为多颗低轨卫 星提供近连续覆盖。低轨卫星层以单个卫星星座构成，星座采用极轨道星座。在具有星间 链路的低轨卫星网络中，卫星节点一般只与邻居节点直接建立星间链路，卫星采用星际链 路（ISL)或轨间链路（I0L)直接连接。
[0008] 本方法主要分为两个部分，一是卫星网络的分簇：在某个低轨卫星网络拓扑稳定 的时间片内，对卫星网络进行分簇和簇首选择；二是卫星网络的故障诊断：分簇结束后开 始对整个卫星网络进行故障的检测和诊断。
[0009] 本方法假设卫星网络具有以下特征：
[0010] (1)卫星节点的端口都有接收和发送的功能，卫星节点有计算和处理测试结果的 功能。
[0011] (2)不考虑链路故障，链路故障表现的症状可以由节点故障表示出来。
[0012] (3)故障检测和诊断阶段，网络拓扑不变。卫星网络的拓扑并非时刻都在变化，而 是在一个时间间隔内可以保持稳定，因此故障检测可在此拓扑稳定期间进行。
[0013] (4)在每次检测和诊断期间，端口的故障状态不发生变化。
[0014] (5)端口的通信状态分为三种：正常、软故障或硬故障。
[0015] (6)高轨卫星的状态是正常的。
[0016] (7)在某拓扑稳定的时间内，每个卫星节点已知到其它卫星的最短路径。
[0017] 卫星网络的分簇：本发明的分簇主要对低轨卫星网络进行分簇，髙轨卫星主要起 到对低轨卫星簇首进行故障诊断和各簇首间信息传递作用；以髙轨卫星对低轨卫星的覆盖 范围把卫星分为3个区域，再根据赤道所在的平面对每个区域划分为2个簇，如图2所示。
[0018] 通过下面的权值公式对每个簇进行簇首选择。假设簇内有n个低轨卫星节点，每 个低轨卫星节点从1到n进行编号，h(i，j)表示低轨卫星节点i到低轨卫星节点j的跳 数。簇内节点到簇首的平均通信开销可以由簇首到簇内成员的平均跳数表示；簇内通信时 延可以由簇首到簇内节点的最大跳数表示；Aj表示卫星节点j的度数（该卫星节点相邻卫 星的个数），a，0，y为相应的权值系数，a+0+y = 1。权值最低的选为簇首，次低选为 备份簇首；若权值相同，则炜度低的选为簇首，炜度高的选为备份簇首；若权值和炜度都相 同，则随机选择簇首。
【权利要求】
1. 一种基于分簇的卫星网络故障诊断方法，其特征是根据髙轨和低轨卫星网络的特点 对网络进行分簇，根据权值选择簇首，簇首根据系统级故障诊断算法对簇内卫星网络的软、 硬进行诊断，减少故障信息在网络中的传递次数和诊断时延，并提高卫星网络节点故障诊 断率，其具体执行步骤如下： 步骤1:初始化，在某个卫星网络拓扑稳定的时间片内，每个卫星节点根据最短路径算 法求得到其它卫星节点的路径，从而得到该节点到其它卫星节点的跳数； 步骤2 :在拓扑稳定的时间片内，根据m个髙轨卫星GEO对低轨卫星LEO的覆盖范围把 低轨卫星网络分为m个区域，通过赤道所在的平面对每个区域划分为2个簇，把卫星分为2m 个簇； 步骤3 :通过步骤1得到每个节点到其它卫星节点的跳数，然后根据下面公式
从1到n进行编号，h(i，j)表示节点i到节点j的跳数，簇内卫星节点到簇首的平均通信开 销可以由簇首到其它节点的平均跳数表示，簇内卫星节点到簇首的最大通信时延可以由簇 首到其它节点的最大跳数表示，Aj表示该卫星节点的度数即卫星节点相邻卫星的个数，a， 0，y为相应的权值系数，a+ 0 +y= 1 ; 步骤4 :根据权值对簇首进行选择，簇内权值最低的选为簇首，次低选为备份簇首；若 权值相同，则根据炜度的高低选择簇首和备份簇首，炜度低的选为簇首，炜度高的选为备份 簇首；若权值和炜度都相同，则随机选择簇首和备份簇首； 步骤5 :髙轨卫星对通信范围内的簇首和备份簇首同时发送测试信息，簇首和备份簇 首接收测试信息并计算，然后把计算结果发送给髙轨卫星，髙轨卫星把簇首和备份簇首的 计算结果分别与自身的计算结果进行比较，与高轨卫星计算结果相同的卫星被诊断为正 常；与高轨卫星计算结果不同的卫星被诊断为软故障； A) 如果簇首的状态为正常，转步骤7 ; B) 如簇首的状态为软故障，备份簇首的状态为正常，则备份簇首选为簇首并把信息广 播给簇内成员，转步骤7 ; C) 如簇首和备份簇首的状态都为软故障，转步骤6 ; 步骤6 :簇内卫星节点i计算到其它相邻几个无故障簇首的最小跳数Min(h(i,j))，j是相邻簇首的编号，卫星节点选择跳数最小的那个簇首所在的簇加入； 步骤7 :每个簇内成员发送测试信息到相邻节点，相邻节点接收测试信息，并计算结果 返回给测试节点；如果测试节点在Trat时间内没有接收到被测试端口的返回信息，则判断 该端口为硬故障；如果接收到返回信息，测试节点把返回计算结果与自身计算结果进行比 较，得到测试结果。即当测试卫星的状态为正常时，如果两者的计算结果相同，则测试结果 记为0 ;如果两者的计算结果不相同，则测试结果记为1 ;当测试卫星的状态为软故障时，该 卫星会出现计算错误，所以测试结果为0和1中的任意一个； 步骤8 :每个簇内成员把测试结果发给簇首，簇首会得到簇内节点相互测试结果的集 合，再根据集团概念和测试结果把簇内节点划分为不同集团； 步骤9 :对于簇首所在集团，判断其为正常集团，并把其邻集团判断为故障集团。被判 断的正常的节点根据诊断规则对相邻没有诊断的节点进行诊断； 步骤10 :簇首把簇内节点的测试结果和诊断结果发送给高轨卫星GEO,若有簇首无法 诊断的节点，高轨卫星GEO通过对簇首之间信息传递，可得到该无法诊断卫星节点的相邻 节点的诊断状态和测试结果；如果其相邻节点有已诊断为正常的节点，根据诊断规则对该 节点进行诊断，转步骤12 ;否则转步骤11 ; 步骤11 :高轨卫星GEO根据相邻卫星的测试信息来判断无法诊断的卫星的状态，诊断
正常的个数大于门限值9，则判定为该卫星正常⑶，否则该卫星为故障FT;N(Si)表示卫星 节点i的相邻卫星节点编号的集合，0取值一般为该卫星相邻卫星节点个数的一半，CTu
【文档编号】H04B7/185GK104506229SQ201410795715
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月19日 优先权日:2014年12月19日
【发明者】叶晓国, 徐忠国, 王明伟, 吴昊, 朱安顺, 马连杰, 钟鹏, 沈辉 申请人:南京邮电大学