低轨卫星网络结构、组网方法以及控制器和介质与流程

本发明涉及低轨卫星通信技术领域，尤其涉及一种低轨卫星网络结构、组网方法以及控制器和介质。

背景技术：

低轨卫星网络是指由若干低地球轨道(lowearthorbit，简称leo)低轨卫星构成的空间网络，低轨卫星轨道高度在距地500km-1000km。随着卫星小型化的成功，低轨卫星的制造和发射成本持续降低，这使得利用低轨卫星组建空间内的交换网络成为可能。现有的低轨卫星网络的网络运作方式卫星按照某一特定的轨道排列，一颗卫星通常配置一个地面站，用户所持地面终端设备发送无线电并通过当前过顶的卫星进行一跳转发，从而实现用户和用户间的通信或用户对互联网的访问，例如铱星系统，如图1所示。

由此可知，现有的低轨网络系统中，卫星的管理控制由地面站完成，其管控需要卫星经过地面站上空才可进行，其余时间卫星需要有自治能力，自主完成网络转发任务，卫星间不具有或少量具有星间链路(如铱星系统上有2个实验用的星间链路)，尚不具有组网能力，地面站之间如需交互，必须租用既有的地面网络，但是，无论是全球部署地面站还是租用昂贵的带宽，都会造成巨大的成本消耗，增加维护难度，因此传统卫星网络设计不能有效实现成本控制，且网络灵活性差，进而影响网络运营收入。

技术实现要素：

本发明目的在于，提供一种低轨卫星网络结构、组网方法以及控制器和介质，简化了低轨卫星网络结构，大幅降低了系统部署成本，且提高了网络的灵活性。

为了解决上述技术问题，根据本发明的一方面，提供了一种低轨卫星网络结构，包括一个安装在地面的第一控制器和若干分布在地球低轨经线轨道的低轨卫星，其中，

所述低轨卫星之间采用物理链路连接，所述第一控制器与所述若干低轨卫星中的过顶卫星进行通信，相互连接的低轨卫星之间能够进行通信。

进一步的，所述物理链路包括激光链路和无线电链路。

进一步的，所述低轨卫星网络结构的物理拓扑为晶格拓扑结构，首尾连接，包括多个环。

进一步的，还包括一个或多个安装在地面的第二控制器，用于在第一控制器故障时代替所述第一控制器与过顶的低轨卫星进行通信。

进一步的，每一所述低轨卫星上安装有网络交换模块和空间通信模块，其中，

所述网络交换模块用于接收所述第一控制器发送的控制平面的控制信息并转换为对应的控制指令发送给所述空间通信模块，以及接收所述第一控制器发送的数据转发控制信息并转换为对应的数据转发指令发送给所述空间通信模块；

所述空间通信模块用于根据所接收的控制指令向对应的卫星转发控制平面的控制信息，以及根据所接收的数据转发指令向对应的卫星或地面终端进行数据转发。

进一步的，所述网络交换模块包括控制平面管理接口、数据平面管理接口、管理进程单元和控制代理单元，其中，

所述控制平面管理接口分别与所述第一控制器和管理进程单元相连接，用于接收所述第一控制器发送的控制平面的控制信息并发送给所述管理进程单元；

所述数据平面管理接口分别与所述第一控制器和管理进程单元相连接，用于接收所述第一控制器发送的数据转发控制信息并发送给所述管理进程单元；

所述管理进程单元用于根据所接收的控制平面的控制信息生成或改写控制信息流表，根据所述接收的数据转发控制信息生成或改写数据转发流表，并将所述控制平面的控制信息和数据转发控制信息转发给所述所述控制代理单元；

所述控制代理单元分别与所述管理进程单元和软交换通路单元相连接，用于解析所述控制平面的控制信息，转换为控制指令，并根据控制信息流表和所述控制指令向对应的卫星转发所述控制平面的控制信息，以及解析数据转发控制信息，转换为数据转发指令，并根据所述数据转发流表通过所述软件交换通路发送给所述空间通信模块对应的硬件单元；

所述软交换通路单元分别与所述网卡设备和控制代理单元相连接，用于对从所述网卡设备接收的数据报文进行解析，并匹配所述数据转发流表。

进一步的，所述空间通信模块包括依次连接的天线、转换单元、基带和网卡设备，其中，

所述网卡设备用于转换待转发数据的数据格式以及支持所需接入功能，所述接入功能包括tdma功能；

所述基带用于对待发送的数据进行数字域的编码调制并发送给数/模转换子单元，还用于对从模/数转换子单元接收的数字信号进行解调和解码并发送给网卡设备；

所述转换单元包括数/模转换子单元和模/数转换子单元，所述数/模转换子单元用于将数字信号转换为模拟信号，所述模/数转换子单元用于将模拟信号转换为数字信号；

所述天线用于接收和发送调制的无线电波。

进一步的，所述网络交换模块还包括：

故障恢复单元，用于在网络出现故障时，改写所述控制信息流表，进行恢复决策。

进一步的，所述网络交换模块还包括：

系统管理接口，用于进行操作系统健康状况的监测、管理恢复；

核心网管理接口，用于与核心网模块交互用户管理信息；

用户管理单元，用于在网络运营时进行用户的鉴权和计费，并向所述管理进程单元发送qos控制信息；

所述管理进程单元还用于根据所述qos控制信息生成或改写qos策略。

根据本发明的另一方面，提供了一种低轨卫星网络组网方法，包括：

将低轨卫星之间采用物理链路连接，建立低轨卫星网络的物理拓扑结构，所述物理拓扑结构中的所有低轨卫星能够与同一个位于地面的第一控制器通信；

基于所述物理拓扑结构建立控制信道的逻辑拓扑结构，所述逻辑拓扑结构能够遍历所有低轨卫星，且不存在逻辑上的环路；

过顶卫星接收所述第一控制器发送的控制平面的控制信息，并基于所述逻辑拓扑结构向对应的卫星转发所述控制平面的控制信息；

过顶卫星接收所述第一控制器发送的数据转发控制信息，并基于所述物理拓扑结构相对应的卫星或地面终端进行数据转发。

进一步的，所述过顶卫星接收所述第一控制器发送的控制平面的控制信息，并基于所述逻辑拓扑结构向对应的卫星转发所述控制平面的控制信息，包括：

接收所述第一控制器发送的控制平面的控制信息；

根据所接收的控制平面的控制信息生成或改写控制信息流表；

解析所述控制平面的控制信息，转换为控制指令；

根据控制信息流表和所述控制指令向所述逻辑拓扑结构中对应的卫星转发所述控制平面的控制信息。

进一步的，过顶卫星接收所述第一控制器发送的数据转发控制信息，并基于所述物理拓扑结构相对应的卫星或地面终端进行数据转发，包括：

接收所述第一控制器发送的数据转发控制信息；

根据所述接收的数据转发控制信息生成或改写数据转发流表；

解析数据转发控制信息，转换为数据转发指令；

根据所述数据转发流表和数据转发指令基于所述物理拓扑结构相对应的卫星或地面终端进行数据转发。

根据本发明又一方面，提供一种控制器，其包括存储器与处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述程序在被所述处理器执行时能够实现所述方法的步骤。

根据本发明又一方面，提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，所述程序在由一计算机或处理器执行时实现所述方法的步骤。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明一种低轨卫星网络结构、组网方法以及控制器和介质可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

本发明无需全球范围的地面站部署，也无需租用地面网络，通过在低轨卫星之间建立链路并实现与同一地面站通信，即可组建低轨卫星网络，简化了低轨卫星网络结构，大幅降低了系统部署成本，提高了网络的灵活性；此外，本发明的控制平面和数据平面分离，实现了控制平面可控的带内控制，并增强了低轨卫星网络的容错能力和协同能力。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1为传统的低轨卫星网络结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的低轨卫星网络结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的低轨卫星网络结构服务过程示意图；

图4(a)为本发明一实施例提供的低轨卫星网络的物理拓扑结构图；

图4(b)为本发明一实施例提供的低轨卫星网络的逻辑拓扑结构图；

图4(c)为本发明一实施例提供的低轨卫星网络的数据流路径示意图；

图5为本发明一实施例提供的低轨卫星网络的结构及地面网关4结构示意图。

【符号说明】

1：第一控制器2：低轨卫星

3：移动终端4：地面网关

21：网络交换模块22：空间通信模块

211：控制平面管理接口212：数据平面管理接口

213：管理进程单元214：控制代理单元

215：故障恢复单元216：系统管理接口

217：核心网管理接口218：用户管理单元

221：天线222：转换单元

223：基带224：网卡设备

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种低轨卫星网络结构、组网方法以及控制器和介质的具体实施方式及其功效，详细说明如后。

本发明实施例提供了一种低轨卫星网络结构，如图2所示，包括一个安装在地面的第一控制器1和若干分布在地球低轨经线轨道的低轨卫星2，其中，所述低轨卫星2之间采用物理链路连接，所述第一控制器1与所述若干低轨卫星2中的过顶卫星进行通信，相互连接的低轨卫星2之间能够进行通信。其中，所述物理链路可为激光链路和无线电链路。

本发明实施例的低轨卫星网络结构中的卫星可以与邻近的卫星形成星间链路，整个网络上任意两颗卫星都能够依靠一跳或多跳星间链路实现通信。在此基础上，地面设立全局逻辑上唯一第一控制器1，第一控制器1位于地面站，该控制器与某一时刻过顶的卫星进行连接，并通过星间链路与全网各个卫星进行连接，并交互控制信息，当第一控制器1处于当前卫星覆盖范围外之前，第一控制器1将完成与一下个过顶卫星的连接，即完成切换，并利用新的过顶卫星实现控制信息交互，从而可实现全时全网的管控。作为一种示例，所述低轨卫星网络结构还包括一个或多个安装在地面的第二控制器，用于在第一控制器1故障时代替所述第一控制器1与过顶的低轨卫星2进行通信，从而可以提高低轨卫星网络结构的稳定性和可靠性。

本发明实施例所述低轨卫星网络结构具有全网逻辑上唯一的网络控制器，即第一控制器1，无需全球范围的地面站部署，也无需租用地面网络，通过在低轨卫星2之间建立链路并实现与同一地面站通信，即可组建低轨卫星网络简化了低轨卫星网络结构，大幅降低了系统部署成本，且提高了网络的灵活性。

图3示出了本发明实施例低轨卫星网络结构的服务方式，与移动网络类似，移动终端3(可以部署在交通工具、移动设备上等)可以通过无线电与过顶卫星进行通信，当信息接入过顶卫星后，可以通过一跳或多跳星间链路到达地面网关4，地面网关4将信息转发至因特网或将信息汇聚后经卫星网络转发给用户终端，由此可知，本发明实施例的低轨卫星网络结构可以兼容现有的网络体系。

如图4(a)-图4(c)示出了本发明实施例的低轨卫星网络的组网方式，图4(a)为低轨卫星网络的物理拓扑结构，物理拓扑是一种类似晶格网络，首尾连接，有多个环。这一物理拓扑的特征是同一对节点间路由极其丰富，业务流在网络中的传输可以选择不同的路径因为具有灵活的调整能力。本发明实施例的低轨卫星网络结构的卫星上网络控制和网络转发相分离，即卫星节点上仅有接收转发指令并依照指令完成转发，转发指令的生成(转发策略)由第一控制器1完成。这样做的好处除了第一控制器1能实现全网信息收集从而形成更优的决策外，还能够尽可能避免传统“自学习”过程造成的频繁广播。这也使得所有卫星都工作在二层交换状态，无需设置网段和路由域，从而进一步提高了转发速度，降低了控制复杂度。

现有的地面商用网络中也存在着控制和转发相分离的技术，其特点是控制信息需要通过独立的控制网络来交互控制信息。但在低轨卫星网络这类空间网络中，由于资源的限制，很难在物理上另立管理网络或增加管理信道，这是因为需要增加新的收发装置，一方面在空间中可能有严重的干扰，另一方面增加系统负荷和管理成本等，因此可利用现有星间链路，将控制信息和数据信息复用在一起，为控制信息预留逻辑上的通道，形成控制信息流动的平面，这种实现方法也叫做带内(in-band)控制。传统的带内控制中，控制平面的信息流动是不受控的，控制信息的转发依赖于传统的自学习，需要全网广播。由于低轨卫星网络中物理拓扑存在大量环路，若通过全网广播的自学习必然会形成网络风暴，并进一步造成端口阻塞，影响数据通信，这是不能容忍的。因此，需要重新设计带内控制，这一设计的核心原则是让控制平面(即控制信道的整体)受第一控制器1控制，且第一控制器1对控制平面的控制结果完全不影响数据转发功能。在如图4(a)所示的低轨卫星网络物理拓扑的基础之上，通过对每个节点设计针对控制信息的转发流表使得控制信道形成一种树形控制平面，如图4(b)所示，在正常运行时控制平面拓扑基本不变，但当网络规模发生变化或网络有故障发生时，控制平面将受到调整。图4(c)则是利用统一的控制器实现对任意两点间路由的控制，可以完成最优路径配置，不形成环路，不会出现网络风暴。

为实现上述控制平面和数据平面分离，控制平面可控的带内控制，并在此基础上实现灵活性高、容错能力强和协同能力强的低轨卫星网络，其卫星上要设置要有相应的模块支持。图5描述了低轨卫星网络中卫星节点和地面网关4节点的详细结构，下面先对卫星节点各部分进行详细说明：

作为一种示例，每一所述低轨卫星2上安装有网络交换模块21和空间通信模块22，需要说明的是，为了说明低轨卫星网络结构中包含的多个卫星，图5中示出了多个空间通信模块22，每一空间通信模块22对应一个卫星，但由于网络交换模块21中组成单元较多，因此并未逐一示出每一网络交换模块21中的所有组成单元，但可以理解的是，每一低轨卫星结构中均包含一个网络交换模块21和一个空间通信模块22。其中，所述网络交换模块21用于接收所述第一控制器1发送的控制平面的控制信息并转换为对应的控制指令发送给所述空间通信模块22，以及接收所述第一控制器1发送的数据转发控制信息并转换为对应的数据转发指令发送给所述空间通信模块22；所述空间通信模块22用于根据所接收的控制指令向对应的卫星转发控制平面的控制信息，以及根据所接收的数据转发指令向对应的卫星或地面终端进行数据转发。

所述网络交换模块21包括控制平面管理接口211、数据平面管理接口212、管理进程单元213和控制代理单元214，其中，所述控制平面管理接口211分别与所述第一控制器1和管理进程单元213相连接，用于接收所述第一控制器1发送的控制平面的控制信息并发送给所述管理进程单元213；所述数据平面管理接口212分别与所述第一控制器1和管理进程单元213相连接，用于接收所述第一控制器1发送的数据转发控制信息并发送给所述管理进程单元213；所述管理进程单元213具有全局唯一且固定的ip地址，用于根据所接收的控制平面的控制信息生成或改写控制信息流表，根据所述接收的数据转发控制信息生成或改写数据转发流表，并将所述控制平面的控制信息和数据转发控制信息转发给所述所述控制代理单元214等；所述控制代理单元214分别与所述管理进程单元213和软交换通路单元相连接，用于解析所述控制平面的控制信息，转换为控制指令，并根据控制信息流表和所述控制指令向对应的卫星转发所述控制平面的控制信息，以及解析数据转发控制信息，转换为数据转发指令，并根据所述数据转发流表通过所述软件交换通路发送给所述空间通信模块22对应的硬件单元，其中控制指令和数据转发指令为硬件指令，可对空间通信模块22中的硬件设备进行协同控制；所述软交换通路单元分别与所述网卡设备224和控制代理单元214相连接，用于对从所述网卡设备224接收的数据报文进行解析，并匹配所述数据转发流表。其中，流表：指一个业务流的转发表，通常包括识别流的字段和相应的动作发往哪个端口等。

作为一种示例，所述网络交换模块21还包括故障恢复单元215，用于在网络出现故障时，改写所述控制信息流表，进行恢复决策，不受第一控制器1控制。所述网络交换模块21还可包括系统管理接口216、核心网管理接口217和用户管理单元218，其中，系统管理接口216用于进行操作系统健康状况的监测、管理恢复；核心网管理接口217用于与核心网模块交互用户管理信息；用户管理单元218用于在网络运营时进行用户的鉴权和计费，并向所述管理进程单元213发送服务质量(qos)控制信息；所述管理进程单元213还用于根据所述qos控制信息生成或改写qos策略。

作为一种示例，所述空间通信模块22包括依次连接的天线221、转换单元222、基带223和网卡设备224，其中，所述网卡设备224用于转换待转发数据的数据格式以及支持所需接入功能，所述接入功能包括时分多址接入(tdma)技术；所述基带223用于对待发送的数据进行数字域的编码调制并发送给数/模转换子单元，还用于对从模/数转换子单元接收的数字信号进行解调和解码并发送给网卡设备224；所述转换单元222包括数/模转换子单元和模/数转换子单元，所述数/模转换子单元用于将数字信号转换为模拟信号，所述模/数转换子单元用于将模拟信号转换为数字信号；所述天线221用于接收和发送调制的无线电波。

地面网关4节点有对空天线221，用于过顶卫星交互数据；和卫星节点的主要区别是，为了与地面网络兼容，地面网关4节点内的交换设备可直接采用商用交换机，体现了本发明实施例所述低轨卫星网络机构与现有网络的兼容性。

基于图5所示的卫星节点结构，以视频服务为例，分步阐述网络运行过程的一个实施例：

(1)用户请求一个视频服务，视频服务器将内容发送到相应网关，网关完成用户鉴权，根据用户的付费标准进行速率限制；

(2)网关将视频流转发意图发送给第一控制器1，第一控制器1设计好视频传输路径和qos策略，并对相关的卫星发送控制信息(通过控制平面转发)，配置成功后，网关通过对空天线发送到过顶卫星；

(3)过顶卫星中，承载视频流的无线电波被天线221接收后，依次通过模/数转换单元222、基带223和网卡设备224到达软交换通路；

(3)操作系统中，在视频流到达前，数据转发控制信息已经由数据转发管理接口接收，并增加或改写了数据转发流表；并且，通过控制代理单元214，对天线角度、模/数和数/模转换速率、基带编解码方法和调制格式以及网卡的qos策略进行了协同控制，以保证数据高可靠收发；这样视频流到达后，只要依据数据转发流表，就能被转发到指定的网卡设备224上；

(4)网卡设备224根据qos策略，将根据视频流的优先级进行排队转发，将视频流发送给基带223、数/模转换单元222，并经由天线221发往邻近卫星或地面终端。

本发明的实施例还提供了一种低轨卫星网络组网方法，包括：

步骤s1、将低轨卫星之间采用物理链路连接，建立低轨卫星网络的物理拓扑结构，所述物理拓扑结构中的所有低轨卫星能够与同一个位于地面的第一控制器通信；

步骤s2、基于所述物理拓扑结构建立控制信道的逻辑拓扑结构，所述逻辑拓扑结构能够遍历所有低轨卫星，且不存在逻辑上的环路；

步骤s3、过顶卫星接收所述第一控制器发送的控制平面的控制信息，并基于所述逻辑拓扑结构向对应的卫星转发所述控制平面的控制信息；

步骤s4、过顶卫星接收所述第一控制器发送的数据转发控制信息，并基于所述物理拓扑结构相对应的卫星或地面终端进行数据转发。

作为一种示例，所述步骤s3包括：

步骤s31、接收所述第一控制器发送的控制平面的控制信息；

步骤s32、根据所接收的控制平面的控制信息生成或改写控制信息流表；

步骤s33、解析所述控制平面的控制信息，转换为控制指令；

步骤s34、根据控制信息流表和所述控制指令向所述逻辑拓扑结构中对应的卫星转发所述控制平面的控制信息。

作为一种示例，所述步骤s4包括：

步骤s41、接收所述第一控制器发送的数据转发控制信息；

步骤s42、根据所述接收的数据转发控制信息生成或改写数据转发流表；

步骤s43、解析数据转发控制信息，转换为数据转发指令；

步骤s44、根据所述数据转发流表和数据转发指令基于所述物理拓扑结构相对应的卫星或地面终端进行数据转发。

本发明实施例还提供一种控制器，其包括存储器与处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述程序在被所述处理器执行时能够实现所述低轨卫星网络组网方法的步骤。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，所述程序在由一计算机或处理器执行时实现所述低轨卫星网络组网方法的步骤。

本发明实施例所述低轨卫星网络结构、组网方法无需全球范围的地面站部署，也无需租用地面网络，通过在低轨卫星之间建立链路并实现与同一地面站通信，即可组建低轨卫星网络，简化了低轨卫星网络结构，大幅降低了系统部署成本，提高了网络的灵活性；此外，本发明的低轨卫星网络结构、组网方法中的控制平面和数据平面分离，实现了控制平面可控的带内控制，并增强了低轨卫星网络的容错能力和协同能力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。