一种基于链路剩余时间的LEO卫星网络链路切换管理方法与流程

本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种基于链路剩余时间的LEO卫星网络链路切换管理方法。

背景技术：

在空天地一体化网络中，多颗不同轨道上、不同种类、不同性能的卫星形成星座覆盖全球，星间、星地链路将地面、海上、天上和空中的用户、飞行器以及各种通信平台密集联合。卫星网络系统作为获取、融合、分发、处理空间信息或资源的主要手段和途径，在气象预测、环境与灾害监测、资源探测、导航定位、通信广播、数字化城市和数字地球等方面，具有特殊的功能及作用。

同步轨道卫星相对于地面是静止不动的，移动管理非常方便，而且覆盖范围也很大，但是从提供通信服务的角度看，近地轨道卫星相比于同步轨道卫星有很多重要的优点，比如，较低的传播时延，较低的功率消耗，更有效的频谱分配，所以卫星通信中主要使用的是近地轨道(Low Earth Orbit，LEO)卫星。近地轨道卫星运行速度很快，所以其移动管理是一个问题。低轨卫星星座中，单颗卫星覆盖面积较小，星地链路持续通信时间较短，如Iridium系统，单颗卫星对地面某个用户的最大持续服务时间仅为10min，从端到端来看，卫星网络链路两端的两颗接入卫星大约每隔4到5分钟要切换一次。当近地轨道卫星经过地表上空的时候，卫星和地面站之间的链路会经常的切换；在近地轨道卫星通过极地附近时，由于卫星位置的相对变化，星间链路也会面临切换；另外两条运行方向不同的轨道之间，卫星之间的链路切换会更加频繁。链路的切换可以导致正在传递的数据包的丢失，这些丢失的数据包会导致很多重路由的问题，这加重了卫星网络中的额外开销，降低了卫星网络的吞吐量，提高了丢包率。卫星网络跟地面网络相比有两个特点：链路传播时延长以及周期性移动。针对卫星网络周期移动的特点，国内外学者提出了一些有限自动机模拟卫星移动规律的模型。

链路切换方案的基本功能为，在卫星链路需要切换时，重新选择连接卫星，重新计算卫星通信网络拓扑，重新计算路由，实现卫星链路和星间路由的重构，迅速恢复暂时中断的通信。切换方案的关键问题是，减少切换过程的影响，保证新建切换链路满足一定的带宽和时延等服务质量(QoS)要求，提高卫星通信网络资源利用率。

卫星与卫星间通过星间链路(ISL)互相连接，随着卫星的移动，会发生链路切换。另外，卫星接近极地时，关闭与邻居轨道卫星间的ISL，经过这些ISL的通信连接需要切换到其它链路。典型的协议是概率路由协议(Probabilistic Routing Protocol，PRP)，PRP利用卫星网络拓扑结构的可预知性，在新连接路径建立阶段，去掉在其通信生存期内或卫星切换前可能经历链路切换的ISL，在这个新形成的卫星网络拓扑结构的基础上计算路由。协议中采用的QoS约束条件是时延约束。PRP优点是可以减少因链路切换引起的路径重选次数，缺点是通信生存期存在不可预测性，导致对于链路切换屏蔽的时机并不精确，无法达到对于链路切换管理最理想的效果。其他的链路切换解决方法包括：Nguyen等人提出的基于IP的多跳LEO星座中，满足QoS需求的同时，减少每个连接需要的链接切换次数的路由方法。Chen提出的减少时延和链路切换的概率的路由方法。这两种方法中的QoS约束条件也是时延约束。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于链路剩余时间的LEO卫星网络链路切换管理方法，解决了近地轨道卫星网络中链路切换时，因为链路中断而造成的数据包丢失的问题，提高了卫星网络通信的吞吐量，减少了丢包率，保证了较高的服务质量。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

该切换管理方法包括以下步骤：

利用卫星的周期移动特点计算每个链路的剩余时间，结合路径的时延信息，提前更改卫星节点中的路由表项，阻止数据包传送到即将切换的链路上，从而避免了链路切换中数据包的丢失，所述链路的剩余时间是指某条即将切换的链路从当前计时开始还能存在的时间。

所述剩余时间按照以下公式计算：

T_r＝t_ho-t_n

其中，T_r表示链路的剩余时间，t_ho表示卫星之间链路断开的时间，t_n表示当前时间距离系统周期开始时候的间隔时间。

所述路径的时延信息是指路径中路由节点的处理时延、卫星节点队列中数据分组的排队时延、卫星节点队列中数据分组的发送时延以及数据分组在星间链路中的传播时延的总和。

所述切换管理方法具体包括以下步骤：

S1)准备阶段

系统将网络中所有卫星的移动模式表分发给每个卫星，每个卫星根据所述移动模式表获取每个时刻的网络拓扑信息，并根据所述网络拓扑信息计算每个链路的剩余时间；同时，系统通过预测得到数据分组在各个路径上端到端传输时的路径时延，并按照路径的起点将路径时延的预测结果分发到对应的卫星；

S2)卫星路由表更改阶段

按照以下隐藏标准对路由表项进行更改：对于路由表中由单跳链路组成的路径，如果该链路的剩余时间小于等于该路径的时延，那么应该隐藏这条路径，并且需要隐藏路由表中所有包含这条链路的路径；对于路由表中由多跳链路组成的路径，如果路径最后一跳链路的剩余时间小于等于该路径的时延，那么应该隐藏这条路径，并且需要隐藏路由表中所有包含这条路径的路径。

所述移动模式表的创建和维持包括以下步骤：在系统的第一个周期，每个卫星在各个时刻将包括自身空间位置和相邻的卫星身份的信息记录在表格中，形成移动模式表，为了防止周期误差对卫星移动模式表的影响，每过一段时间，都要在某一个周期内重新记录各个时刻的对应信息，从而更新移动模式表。

所述步骤S2)还包括以下步骤：根据隐藏标准判断哪些路径需要隐藏之后，对于路由表中已经隐藏了的表项，如果其对应路径存在并且不再符合上述标准，那么该表项回复到保留状态。

路由表更改之后，每个数据分组从保留的那些路径中选择最优的路径进行传输。

所述路由表包括达到目的卫星节点之前的整个路径，以及对当前路由表项做出的动作，所述动作分为保留和隐藏。

本发明的有益效果体现在：

本发明根据卫星规律运行的特点得到LEO卫星网络中各个链路存在的剩余时间，结合路径的时延信息，提前更改卫星节点中的路由表项，从而阻止数据包传送到即将切换的链路上，避免了链路切换过程中数据包的丢失。该方法减少了链路切换中数据的丢包率，提高了卫星网络的吞吐量。

附图说明

图1为近地轨道卫星通信中星间链路的切换类型；(A)经过极地附近，(B)两个方向相反的轨道之间；(A)为俯视图，(B)为侧视图；图中：1为轨道，2为星间链路，3为重建的链路，4为极地，5为相反的两个轨道，6为将要切换的链路ab；字母a、b、c表示系统中的卫星在某一时刻的位置，a`、b`、c`分别是一段时间后对应卫星的位置；

图2为本发明实施例中链路切换导致丢包的场景；

图3为本发明所述链路切换管理方法的整体流程图；

图4为本发明实施例中需要执行路由变更的业务传输场景；

图5为系统丢包率的仿真对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种基于链路剩余时间的近地轨道卫星链路切换管理机制，具体介绍如下：

本发明涉及的卫星链路参见图1，研究的星座是跟铱星系统相近的极地轨道卫星星座。每个卫星至多和四个其他同星座的卫星相连，其中两个在同轨道上，两个在相邻轨道上。链路切换中的链路指的是属于同一星座的近地轨道卫星之间的链路。链路的切换主要发生在两种情况下，一种是相邻轨道的两个卫星经过极地附近时，因为天线方向的改变而不得不暂时中断两者之间的链路，另一种情况是在两个方向相反的轨道之间的缝隙中，因为卫星相对移动速度很高，所以会发生频繁的链路切换。

LEO星间链路是指近地轨道卫星之间的卫星通信链路，LEO星间链路切换会导致经过该链路的数据分组因为物理链路的中断、找不到目的节点而丢失。也就是说，在一个业务数据流经过某条链路时，如果该链路发生切换，那么这条链路上所有正在传输的数据包将在到达目的地之前丢失。数据分组一旦在特定的时间段(切换即将发生)进入到待切换的链路中，它们的丢包是不可避免的。这些丢包相当于系统做出的无用功，为了完成业务的传输，这些丢弃的数据包会在其他链路上重传。为了提高网络的稳定性，减少不必要的额外消耗，早在这些数据分组将要进入这条链路之前系统就应该阻止它们，更新包含即将切换链路(link going down)的传输路径上卫星节点的路由表，将它们引入一条暂时不会切换的链路上。

参阅图2，为了方便描述，场景简化为两个卫星节点之间通过另外两个卫星节点传输业务。卫星节点n₂到卫星节点n₃的星间链路即将切换，而卫星节点n₄到卫星节点n₃的链路在足够长的时间内保留。假设经过动态路由算法的计算，路径n₁-n₂-n₃的时延要小于另一条路径n₁-n₄-n₃的时延。对于没有链路切换管理机制的系统来说，数据包不断的被发送到路径n₁-n₂-n₃上，而此时该路径有可能正在经历着链路切换，等到系统检测到路径n₁-n₂-n₃已经不存在时，一些数据分组已经丢失了，变成了该系统做出的无用功。而有链路切换管理机制的路由算法就会提前知晓链路n₂-n₃的中断，在路径n₁-n₂-n₃发生切换之前就将数据分组引导向路径n₁-n₄-n₃，这样就减小了链路切换对于这个业务的影响，选择了一条在链路中断后仍能保持数据包传输的最好的链路。

参阅图3，本说明书中LEO星间链路切换管理机制包括以下步骤：

S1)准备阶段。系统创建和维持卫星移动模式表，计算链路剩余时间并且预测近地轨道卫星网络中的路径时延。

在卫星-地面系统的第一个周期，每个近地轨道卫星都要在每个时间点上记录当前的空间位置以及其相邻卫星的ID，这样一个周期过后，在理想情况下，每个周期的网络的拓扑结构是周期变化的，所以是可以周期预测的。整个系统得到了所有卫星的移动模式表格，之后系统将这些表格分发给每个卫星，这样在以后的运行周期里，每个卫星都可以根据当前的周期时间来得知整个卫星网络的拓扑情况。为了防止周期误差对卫星移动模式表的影响，每过一段时间，都要在某一个周期内重新记录各个时间点的信息，更新卫星移动模式表，并重新分发。

根据每个时刻的网络拓扑信息，可以得到每个链路的剩余时间。链路的剩余时间是判断路径是否会发生切换丢包的重要参数。要得到链路剩余时间，首先要确定整个LEO卫星星座的移动模式表。因为LEO卫星的运行是规律可测的，链路切换时机的预测是可以通过建立移动模式周期表格来实现的。一个卫星在某个时间位于某地的上空，那么一个周期之后，该卫星还会回到该地点上空。这是卫星网络相比地面无线网络好管理的一个地方。本文根据文中讨论场景的需要，给出一种卫星移动模式表的实现形式，并解释如何从中获得链路切换管理所需要的信息。将一个LEO的卫星星座和地面考虑到一个系统中，那么这个系统运行周期就应该是卫星运行周期和地面自转周期的最小公倍数。LEO围绕地球旋转的周期为T_LEO(ms)，地球自转的周期为T_earth(ms)，那么整个地面-LEO系统的周期就是[T_LEO,T_earth]。根据讨论问题的需要，给出卫星移动模式的表格形式。卫星移动模式表格包含的信息有：本条目距离周期开始的时间间隔(1ms)、卫星正对地面点的经纬度(位置)、卫星高度、与卫星相连的(至多)四个卫星的ID。这样链路剩余时间就可以通过卫星移动模式的表项提供的信息精确的计算出来。假设当前系统时间为t_n，也就是说，当前时间距离系统周期开始时候的间隔时间为t_n，对于卫星a的某相邻卫星b，它们之间有条链路ab，这条链路的剩余时间就是可以确定的。如果t_n不是链路ab存在的最后一个时刻，那么一段时间内表格中还会有链路ab，假设直到时间t_ho时，与卫星a相邻的卫星b的移动模式表表项换成了另外的卫星ID或者被清空，那么t_ho就是卫星a和b之间链路ab断开的时间，所以链路ab的剩余时间T_r＝t_ho-t_n。链路剩余时间的变化性质可以通过简单的推理得到，因为链路断开时间t_ho是不变的，而系统时间t_n是不断接近t_ho的，所以切换剩余时间是随着时间变化而匀速变小的。

路径时延也是链路切换管理机制中重要的一个参数。计算路径时延的目的是为切换前的数据分组预留出能够提前改变路由的时间，避免所有可能经过切换链路的数据包在切换之后试图往这边发送。因此这里的路径时延是数据分组在某个路径上端到端传输的时延，而不是路径某段部分链路的时延。在路由算法中某一跳的改变就能引起整个路径的QoS变化，考虑到在特殊拓扑下有可能从第一跳就决定了为了到达目的节点只能走切换的链路，那么为了避免丢包现象，必须预留整条路径上数据包的传输时间。

路径时延是一个数据分组从路径的一端经过路径上所有节点和链路到达另一端的时间总和。对于每个路径，时延包含四部分：处理时延、排队时延、发送时延、传播时延。对于某个特定长度的数据包，其处理时延和发送时延都是固定的，而排队时延和传播时延是动态的，分别和节点的队列长度以及节点之间的距离有关。

排队时延是最不好确定的，因为网络中流量往往是突发性的，外界数据分组的到达是不能准确预测的，一个节点的队列长度随着到来的数据分组而动态的变化。卫星节点的外来数据分组到达率和其对应的地面位置有关，一般来说使用网络比较多的地区，上空卫星的队列长度会比较长。根据这一点，建立卫星节点的队列长度和排队时延的预测模型，通过一种扩展的卡尔曼滤波来做排队时延的预测。

传播时延和卫星节点之间的距离有关。两个卫星之间距离根据卫星移动模式表提供的信息就可以得到，传播时延＝距离/c。设链路两端的卫星A、B的经纬度分别为(LonA,LatA)和(LonB,LatB)。按照0度经线的基准，东经取经度的正值(Longitude)，西经取经度负值(-Longitude)，北纬取90-纬度值(90-Latitude)，南纬取90+纬度值(90+Latitude)，则经过上述处理过后的两点经纬度被计为(MLonA,MLatA)和(MLonB,MLatB)。

那么根据三角推导，两卫星之间的直线距离D可以表示成：

C＝sin(MLatA)sin(MLatB)cos(MLonA-MLonB)+cos(MLatA)cos(MLatB)

D＝2Rsin(arccos(C)/2)

所以某一链路的传播时延就是链路长度D除以光速c。

计算出链路时延和传播时延，再加上本来就可确定的处理时延和发送时延，就可以确定出整个路径的时延。

S2)路由表更改阶段。总体来说，路由表更改的目的在于阻止数据分组传递到切换的链路上，从而导致数据包丢失。路由表更改需要的信息大致有两个参数，每个链路的剩余时间和路由表中路径的时延。路由表项更改的规则是，先按照以下隐藏标准对路径是否应该被隐藏进行判断：如果一个链路的剩余时间小于等于链路的时延，那么这条链路应该隐藏，并且路由表中所有包含这条链路的路径都应该被隐藏。如果一个路径在它的末尾包含了一条链路(即最后一跳)，这条链路的剩余时间小于等于该路径的时延，那么这条路径应该被隐藏，并且路由表中所有包含这样的路径的路径都应该被隐藏。判断哪些路径需要隐藏之后，对于已经隐藏了的表项，如果其对应路径存在并且不再符合上述的隐藏标准，那么该表项回复到保留状态。按照以上规则对路由表项进行变动，经过这样的一系列路由表项变动，被保留的路由表项中的路径都不会出现链路切换导致的数据丢包。

路由表更改之后，每个数据分组在起点路由器中从保留的那些路径中选择最优的路径。在本发明中用时延作为判断优先级的标准，所以选择的路径是保留的路径中时延最短的那一条。

步骤S1)中，路径时延的维持需要实时监测并更新路径上各个卫星的拥塞情况(队列长度)，以及在每个时刻的链路长度对应的传播时延。

步骤S2)中，路由表的形式不同于普通的路由表。在这个路由表中，数据分组寻路使用的不是下一跳的节点ID，而是在路由表中包含的达到目的节点之前的整个路径。这样的好处在于，能够避免数据分组在一个频繁变动的卫星网络中从一开始就进入不该进入的路径中。在一些特殊情况下，数据分组在路径开始选择的最优经过节点可能因为卫星网络的拓扑变化而变得跟目的节点不可达，想要解决这样的问题就需要在路由表中记录到达目的节点之前所经过的完整路径。路由表除了记录完整的路径外，还记录了该路径的时延，这是判断路径优先级的重要依据，同时也是本发明链路切换管理方法中的重要参数。另外该路由表还需要一个表项来记录根据系统的链路切换管理机制对当前路由表项做出的动作，动作分两种，保留和隐藏。

首先解释一下本实施例中的路由表格式，如下面的表2、表3所示，包含了5列内容：目的节点、到达目的节点的路径、路径跳数、路径时延和当前对该路由表项采取的动作。对于一个链路切换管理机制的实施例场景，参见图4，假设一个业务从卫星节点n₁到卫星节点n₄传输数据分组，路径的时延简化为链路时延的加和，并且每一跳的链路时延简化为15ms。在某个时刻系统的检测到卫星节点n₃和n₄之间的星间链路将要在30ms之后发生切换。那么该时刻的路由表内容就如下表所示。在卫星节点n₃的路由表中，链路n₃-n₄的链路剩余时间是30ms，而这个路径的时延是15ms，这意味着数据包现在经过链路n₃-n₄到达目的节点n₄的过程中并不会发生切换。所以这条路由表项采取的动作是保留。而另一个路径，绕过了即将切换的链路n₃-n₄，所以在路径n₃-n₆-n₇-n₄中的数据包也不会受到链路切换带来的影响，其对应的路由表项的动作也是保留。在卫星节点n₂的路由表中，路径n₂-n₃-n₄包含即将切换的链路n₃-n₄，所以其链路剩余时间是30ms，而经过两跳到达目的节点的路径时延也是30ms，这意味着数据分组如果现在从节点n₂出发，经过路径n₂-n₃-n₄到达目的节点n₄，那么在即将到达的时候恰好会受到链路n₃-n₄切换中断的影响，所以这条路径是不可取的，其对应的路由表项应该被系统隐藏。对于路径n₂-n₅-n₆-n₃-n₄，因为包含着链路n₃-n₄，所以其链路剩余时间也是30ms，而其路径时延是60ms，已经大于链路剩余时间，这意味着数据分组如果在当前要走这条链路，那么在没有到达目的地之前链路n₃-n₄就会切换，这样的路由就是所谓系统的无用功，有着链路切换管理机制的系统对这种路由表项会提前进行隐藏。而对于路径n₂-n₃-n₆-n₇-n₄的路径n₂-n₅-n₆-n₇-n₄，因为没有包含即将切换的链路n₃-n₄，所以也无所谓链路剩余时间，数据分组在当前时刻走这样的路径是没有问题的，所以对其采取的动作就是保留。

表2.节点n₃的路由表

表3.节点n₂的路由表

仿真模拟结果

本发明在NS2中对有链路切换管理机制的路由算法进行模拟仿真，主要在系统丢包率方面与传统的无链路切换管理机制的路由算法做对比，对比结果如图5所示。

参见图5，可以看出，在业务传输速率较小的时候，传统路由算法(即不带有链路切换管理机制的路由算法)有少量的丢包发生，而带有链路切换管理机制的路由算法能够承受更大的传输速度而基本不丢包。随着业务的数据传输速率提升，本发明中的算法也开始丢包，但是比起传统的算法丢包率提升的慢一些。这是因为本发明提出的算法极大的避免了频繁的链路切换过程中的丢包，但是业务传输速率上升之后，卫星网络中节点的队列并不能很快的处理完毕，所以在队列中溢出了，而这种丢包是没法通过一种机制来避免的。在业务传输速率较高时，传统路由算法的切换丢包也会随着链路上堆积数据分组的增多而变多，所以其丢包率的增长速度要高于本发明提出的含有链路切换管理机制的路由算法。总之链路切换管理机制的加入极大的避免了切换中产生的数据丢包，所以使频繁链路切换情景下的卫星网络传输性能有了显著提高。

与PRP比较的优势，现有概率路由协议PRP的算法判断需要隐藏的路径时要用到业务时间的预测，可是业务时间并不能很好的预测，预测的偏差会导致一些本来不会发生链路切换的路径被隐藏掉，这样会使得可用的链路进一步减少。而本发明中的链路管理从数据分组的传输角度考虑该不该隐藏路径，不需要用到业务时间的预测，相比之下对于路径是否需要隐藏的判断要更精确，系统性能也相应的高过PRP算法下的系统性能。