一种基于上下文的分布式星群网络路由方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卫星通信领域，尤其涉及一种基于上下文的分布式星群网络路由方 法。
【背景技术】
[0002] 路由机制的优劣直接影响到分布式星群网络的性能，是实现分布式星群网络组网 的核心技术。目前针对分布式星群网络的机制设计主要可以分为两类：虚拟节点策略和虚 拟拓扑策略。在分布式星群网络中，非静止轨道卫星的高速移动特性导致多层卫星系统拓 扑的不断改变，同时不同卫星间的星间链路连接状态也随着两颗终端卫星距离和方位角的 变化而发生变化，因此为这种拓扑动态变化的情况开发路由方法极具挑战性。路由方法首 先需要解决的就是卫星网络拓扑的动态变化问题。两个直观的思路就是屏蔽拓扑的动态性 和将动态的拓扑离散化为静态的拓扑。由屏蔽拓扑动态性衍生出来的就是虚拟节点策略； 由动态拓扑离散化思想衍生出来的就是虚拟拓扑策略。现有的这些基于虚拟拓扑或虚拟节 点策略屏蔽了分布式星群网络的移动性，使得路由机制的设计变得简单。然而，这也在一定 程度上限制了路由机制性能的进一步提高。
[0003] 在虚拟拓扑策略中，整个网络周期被划分为若干个快照，并认为在一个快照内的 网络拓扑不变。但是由于分布式星群网络中的节点是在一直高速运动的，拓扑也在不断地 变化，所以目前的路由机制存在下面两个问题：
[0004] 1.若所划分出的快照时间较长，快照内的拓扑变化将较大，采用统一的路由表会 影响路由机制的性能。
[0005] 2.若划分出的快照时间过短会给系统带来大量的计算负载，特别是依赖LEO和 ME0层卫星计算路由表时，会使系统的实际性能大幅降低。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有技术中的问题，本发明提出一种基于上下文的分布式星群网络路由 方法，其特征在于，路由机制是分周期进行的，在两层LEO(低轨层）/ME0(中轨层）层卫星 网络系统中，执行以下步骤：（1)链路状态报告收集；在每个更新周期的开始阶段，每颗LEO 层卫星根据自身在上一个更新周期的历史传输记录生成链路状态信息报告，当一颗LEO层 卫星节点1^在上一个更新周期共有k条直接通信链路时，L ,将生成k个综合链路报告；在 LEO层卫星生成综合链路信息报告后，任选一颗当前覆盖自己的ME0层卫星，并将自己生成 的k个综合链路信息报告发送给该ME0层卫星；ME0层卫星在收集完LEO层卫星的信息报 告后，在ME0层将这些信息进行广播，当ME0层卫星已经收集到所有的LEO层卫星的链路状 态信息时，选择一个能为自身服务时间最长的地面网关，将链路状态信息报告全部转发给 地面网关；（2)链路期望总时延曲线拟合；将排队等待时延和处理时延定义为随机时延，将 数据传输时延定义为确定时延，在一个更新的周期内，根据节点间的相对距离除以光速直 接得出确定时延信号曲线；地面网关在每个更新周期开始时，根据之前计算的平均随机时 延改变量和上一个更新周期的平均随机时延值，预测出本次更新周期的平均随机时延，在 新的变化周期更新开始时，地面网关在之前的更新周期内已经收到了多个链路的期望随机 延迟时间，根据这些点，采用偏差平方和最小的原则，依据最小二乘法将这些离散的点拟合 成出的随机时延曲线；由确定时延曲线和随机时延曲线相加得到期望传输时延曲线；（3) 最优传输路由表生成；地面网关计算在本更新周期内节点间链路的状态，将所有链路在该 更新周期内的发生切换的时刻记录下来，并据此将时间轴划分为多片；划分完时间片之后， 地面网关从头遍历所有的这些时间片，对于每一个时间片，计算其起点时的网络拓扑，并读 取拟合得到的期望延迟曲线在该时间片起点处的值，用来计算该时间片内节点间的最优传 输路径；每个时间片的路由表均生成以后，进行时间片及路由表的合并；(4)数据包传输过 程；在LEO/MEO层卫星网络中，地面网关向所有当前覆盖自己的MEO层卫星发送确认消息数 据包，若MEO层卫星收到多个地面网关发送的确认消息数据包，则任选其中的一个发送应 答数据包；地面网关针对每个收到其应答数据包的MEO层卫星计算在本更新周期内该MEO 所能覆盖的LEO层卫星，并将以这些被覆盖的LEO层卫星为起点的最优传输路径路由表发 送给该ME0层卫星。
[0007] 进一步地，所述的一种基于上下文的分布式星群网络路由方法，其特征在于，链路 状态报告收集时，每个综合链路信息报告中包含了该链路在上个更新周期的平均链路时 延、剩余带宽和丢包率信息。
[0008] 进一步地，所述的一种基于上下文的分布式星群网络路由方法，其特征在于，链路 状态报告收集时，在广播数据包中加入了在当前传输路径上所有ME0层卫星对该数据包的 接收状态，初始化时，将除了源节点以外的其他ME0层卫星对该数据包的状态均设置为未 接收，并在第一次收到该数据包时就将自身的状态改为已接收。
[0009] 进一步地，所述的一种基于上下文的分布式星群网络路由方法，其特征在于，链路 状态报告收集时，在两层LE0/ME0层卫星网络中ME0层卫星的LEO链路信息报告转发方法 为：对于选定的一个ME0层卫星节点，遍历整个ME0层卫星，找到与选定的节点有直接链路 关系的ME0层卫星M j;将自身收到的LEO层卫星链路状态信息报告转发给M j;对于ME0层卫 星％，判断％是否收到节点发送的LEO层卫星链路状态信息报告；如果^收到其他节点发 送的LEO层卫星链路状态信息报告，判断％收到的链路状态信息是否是其已经收到过的数 据包；如果％收到的链路状态信息是已经收到过的数据包，将这个数据包抛弃；如果M# 前没有收到这个数据包，将该数据包中的LEO层卫星链路状态信息报告进行保存，并且将％ 的ID在该数据包中标记为已接收；遍历与选定节点有直接链路的MEO层卫星M j;判断M」在 数据包中的状态是否为未接收；如果％在该数据包中的状态为未接受的话，把这个数据包 发送给M j;判断是否已经收集到所有的LEO层卫星的链路状态信息；如果已经收集到所有 的LEO层卫星的链路状态信息，选择一个能为自身服务时间最长的地面网关，将链路状态 信息报告全部转发给地面网关；如果没有收集完全，就继续等待。
[0010] 进一步地，所述的一种基于上下文的分布式星群网络路由方法，其特征在于，最优 传输路由表生成时，地面网关计算单个时间片内的最优传输路径的方法为：计算该时间片 起点时的网络拓扑；遍历每颗LEO层卫星节点L i;遍历每颗LEO层除了 L 外的卫星节点 Lj;设置从L jlj L」的最优传输路径期望延迟时间t min= ;遍历每条L jlj L」的潜在路径； 读取拟合的期望延迟曲线，计算在时间片开始时的取值，计算该潜在路径的总期望延迟时 间；判断该潜在路径的总期望延迟时间是否小于tmin;如果潜在路径的总期望延迟时间小 于tmin，那么tmin=该潜在路径的期望延迟时间，设置该潜在路径为最优传输路径；如果潜 在路径的总期望延迟时间不是小于t min，那么继续遍历；生成该时间片节点的路由表，并将 该时间片的起始时间保存在路由表中。
[0011] 进一步地，所述的一种基于上下文的分布式星群网络路由方法，其特征在于，最优 传输路由表生成时，路由表的合并方法为：遍历每颗LEO层卫星节点L i;遍历每颗LEO层除 了 1^之