一种星上路由优化方法

1.本发明涉及卫星通信技术领域，特别是涉及一种星上路由优化方法。
技术背景
2.随着科技的进步与发展，人们对网络的需求越来越高，卫星通信网络越来越重要，已经成为通信中必不可少的重要手段与形式。而随着天地一体化信息网络建设的推进，对卫星通信的信息传输速率、卫星节点存储容量、卫星覆盖范围和安全性要求将日益提高，传统采用的微波通信方式受带宽、速率等方面的限制，将难以满足宽带多媒体业务等对天地一体化信息网络超宽带宽、超高速率、超大容量的通信需求。因此，研究基于激光/微波的宽带卫星通信系统具有重要的现实意义。
3.路由算法是决定卫星通信网络性能的关键技术，路由算法就是在网络中找到符合网络要求的路径。相对于地面通信网络，卫星通信具有计算与储存空间、高动态拓扑的特性，而卫星通信网络中会因为局部热点造成网络阻塞的问题，因为卫星的故障极难修复与卫星网络的拓扑性，这就使得现有地面通信网络路由算法不适用于卫星通信，需要在地面通信网络路由算法的基础上进行卫星通信网络路由算法的研究，所以随着卫星网络的发展卫星路由算法也渐渐成为国内外学者的研究方向。
4.现阶段，多层卫星网络结构逐渐取代单层卫星网络结构，经过近几十年的快速发展，卫星移动通信系统已经在个人移动通信、全球覆盖通信以及国家安全等诸多方面都扮演着越来越重要的角色随着业务的多样性和复杂性，组合不同轨道高度卫星形成多层通信网络逐渐成为未来卫星网络发展的主流趋势。多层卫星网络(mlsn)往往是促进全球无处不在的宽带通信的有前途的架构。立体化双层卫星星座通信网络可以兼顾不同轨道卫星优点，可以灵活组网，而且双层卫星星座通信网络抗毁能力相对较强。
5.在高度动态的低地轨道卫星网络中处理网络移动性是实现卫星和地面网络无缝和高效集成的关键问题。虚拟节点(vn)方法被广泛应用于处理卫星网络的拓扑动态问题。在静止地球卫星系统中，可以通过使用静态的虚拟拓扑表示网络来简化这项任务。
6.多路径路由是提高端到端可靠性的一种有效方法，但由于当前多径路由请求泛滥频繁，当前多路径路由策略存在卫星间链路丢失和较高的端到端时延等问题。而蚁群算法在解决网络路由问题方面的研究越来越多，其中大部分研究的目的是降低阻塞率、降低时延、提高收敛速度以改善网络性能。


技术实现要素：

7.本发明实施例的目的在于提供一种星上路由优化方法，以实现网络对地球的持续性全覆盖、降低网络的阻塞率。具体技术方案如下：
8.本发明实施的一方面，提供了一种geo/leo双层卫星网络模型，所述网络模型包括：基于geo/leo双层卫星星座网络模型，基于geo/leo双层星座网络的虚拟节点策略，基于星座网络虚拟节点的分层分组管理策略其中，
9.所述基于geo/leo双层卫星星座网络模型由4颗geo卫星和100颗leo卫星构成，geo卫星用于组成骨干网，对地球上低维和中纬度地区进行覆盖，路由的计算，leo卫星与卫星链路状态信息的收集，卫星节点状态的监控，管理leo卫星组，必要时也可以分担leo卫星业务；leo卫星，用于地面站和地面用户终端的接入，数据的传输与转发，采集卫星链路状态信息。
10.本文之所以采用geo/leo双层星座，是因为geo卫星具有较大的覆盖区域、较远的通信距离、较强的星上处理能力、简单的网络拓扑结构并且相对于地球表面静止等优点，而leo卫星具有传播时延小、误码率低、能够覆盖极地区域等优点，有利于避免geo卫星无法覆盖极地区域和leo卫星星上处理能力弱等缺点，而且该模型也采用了冗余设计，这是因为卫星节点需要有冗余，以防通信过程中节点故障从而影响整个网络的性能。
11.所述基于geo/leo双层星座网络的虚拟节点策略，在geo/leo双层网络模型的基础上，提出了基于双层星座网络的虚拟节点策略，并在此之上设计了基于虚拟节点的分组管理策略，该系统利用虚拟节点与分层分组管理的方法来屏蔽卫星网络中卫星节点的快速运动，从而减低星上路由算法的复杂度。
12.本文利用虚拟节点与分层分组管理的方法来屏蔽卫星网络中卫星节点的快速运动，从而减低星上路由算法的复杂度，设计了基于虚拟节点的geo/leo双层星座网络架构。
13.该系统利用虚拟节点与分层分组管理的方法来屏蔽卫星网络中卫星节点的快速运动，从而减低星上路由算法的复杂度。
14.在高度动态的低地轨道卫星网络中处理网络移动性是实现卫星和地面网络无缝和高效集成的关键问题。虚拟节点(vn)方法被广泛应用于处理卫星网络的拓扑动态问题。在静止地球卫星系统中，可以通过使用静态的虚拟拓扑表示网络来简化这项任务。
15.虚拟节点策略主要将地球表面划分为几个区域。每个区域按照一定的规则分配一个逻辑地址。对于结构简单、规则的卫星网络，该策略可以屏蔽卫星的移动性，考虑的只是固定的逻辑区域，而不是移动的卫星节点。当卫星到达该区域时，它就占据了逻辑地址。但是，这种方法需要非常规则的网络拓扑结构，更适合leo单层卫星网络。
16.由于卫星网络拓扑变化复杂，传统的路由方案不能直接应用在卫星通信网络上。星上路由算法已成为卫星网络中一个需要解决的难题，关键在于如何处理时变拓扑，卫星分组和分组管理策略在多层卫星网络中也得到了广泛的研究。
17.面向geo/leo的双层星座网络模型采用的是虚拟节点策略和分组管理策略，将每颗低轨卫星的覆盖区域对应成为卫星网络中的一个虚拟节点，将虚拟节点策略应用于geo/leo双层星座卫星通信网络的leo层。
18.将一个低轨道卫星的覆盖区域定义为在给定时刻可以直接与leo卫星通信的一个虚拟节点。一个覆盖区域的集合是由给定时刻所有卫星的覆盖范围组成的。在geo/leo双层星座网络起始时刻将地球表面根据卫星的覆盖区域抽象成一系列逻辑编号，每个逻辑编号对应着一个卫星覆盖的区域，也对应着一颗卫星；卫星是时刻运动着的，但抽象出来的每个逻辑编号对应的区域不会发生变化，也就意味着每个抽象编号对应的卫星是在变化的；每个抽象出来的编号就是一个虚拟节点，即本文所指的基于geo/leo双层星座网络的虚拟节点。节点的编号就是地球表面卫星覆盖区域的编号，逻辑编号所表示的虚拟节点在任何时刻都对应一颗卫星节点。
19.当卫星节点在通信过程中因运动而引起卫星链路的切换时，就将虚拟节点的路由表、卫星编号、链路状态以及信道分配表等信息移交至该虚拟节点当前对应的卫星节点，此时就相当于将卫星网络抽象成一个具有相对固定拓扑结构的虚拟通信网络，避免了卫星网络中卫星节点的快速运动对卫星网络的影响，也可以屏蔽卫星链路的切换对卫星网络的影响，极大降低了卫星网络的复杂度。
20.以上阐述了如何利用这种方式避免在卫星网络中发生的实际物理卫星节点之间的位置和移动。
21.所述基于星座网络虚拟节点的分层分组管理策略，在本文提出的geo/leo卫星网络架构中，geo层和leo层的卫星具有不同的具体功能和任务。
22.geo/leo卫星网络中的卫星是通过将它们分成若干个小组来管理的，双层卫星网络管理是通过在双层卫星星座内设置分组并选取相应的小组组长和组管理者实现。
23.geo卫星对应一个虚拟节点。组成员的本质是虚拟节点，地球同步轨道卫星对于地面是静止的。所以，任何geo卫星和其组内所有leo卫星成员所对应的虚拟节点在任何时间点保持相对不变，即任何虚拟节点和组管理者geo卫星在任何时间点都保持相对静止。组管理者geo卫星和组内成员leo卫星在任何时间点都是唯一确定的
24.geo卫星与所有低轨道卫星都建立星间链路会导致网络连接关系过于复杂，通过将小组组长与geo卫星进行通信能有效降低星间链路的复杂性。
25.分层管理策略有关细节的说明:因为处在极地区域上空leo卫星无法被网络中的geo卫星覆盖，其所在分组的管理者geo卫星也就无法对其进行直接管理，必须通过其他leo卫星进行间接管理，具体思路就是：首先确定极地上空leo卫星所在轨道平面，然后在同平面内找到纬度较低而且也在geo卫星覆盖范围内的leo卫星，最后通过将其作为桥梁在极地上空的leo卫星与组管理者建立连接。
26.本发明实施的又一方面，还提供了一种星上路由优化算法，所述算法包括：
27.利用发言机制收集低轨卫星的链路信息，根据链路负载将链路分为无负荷状态、轻微负荷状态、中度负荷状态、重度负荷状态，网络中存在着各种各样的业务，不同业务对时延的要求也有所不同，根据网络中业务对时延要求的不同划分为高优先级和低优先级。
28.根据不同业务优先级设置基于负载的自适应低轨卫星链路分配机制，低优先级传输时只考虑无负荷、轻微负荷和中度负荷状态的链路参与路由计算，而高优先级业务传输时可以将所有负载状态的链路参与路由计算；高轨卫星和低轨卫星之间的链路可以分配给两种不同的优先级业务，然后利用dijkstra算法在分配好链路中计算出k条最短路径；将传输时延、排队时延和卫星节点链路负载作为权值因子加入到计算出的路由中，对计算出的k条路由进行综合评价，排除无连续可用波长的路由，再根据评价的权值按从低到高将k条路由重新排序，选取排序最靠前的路由作为最佳路径，最后利用firstfit法分配一条可用资源。
29.接着对蚁群算法进行优化，将传输时延、排队时延和卫星节点链路负载加入到链路状态中，对链路状态进行综合评价，并将其引入到蚁群算法的目标函数中，而不再是只考虑单一的距离或者跳数，根据节点概率函数选择合适的节点作为下一个节点，完成网络路由的计算。利用上述的蚁群算法计算出一条备用路径，在dijkstra算法计算出的k条路径都无可用波长时使用。
30.蚁群优化算法过程：本算法需要维护全局链路状态lcost表和网络路由path表。初始状态下lcost表中所存储的每一个cost
ij
代表从虚拟节点i到虚拟节点j的链路状态大小，即初始状态下的cost
ij
其数值等于链路状态评价函数的cost
l
。path表中的path
ij
代表从虚拟节点i到虚拟节点j需要经过的路径。具体计算时，将lcost表中所有不存在真实链路的位置设置为断路状态，即cost
l
值无穷大，然后依次选取全局链路状态lcost表中的每一个虚拟节点k，去中转任意的虚拟节点i：若不进行中转的cost
ij
大于进行中转的cost
ik
+cost
kj
，则将原有的cost
ij
更新为cost
ik
+cost
kj
的值，并同时将k添加进path
ij
所存储的数组中，使得原先从虚拟节点i到虚拟节点j需要经过的路径，变为先从虚拟节点i到虚拟节点k需要经过的路径，再从虚拟节点k到虚拟节点j需要经过的路径。在算法执行结束后，path表中所存储的path
ij
数组就是从虚拟节点i到虚拟节点j的最佳路径，并且此最优路径path
ii
所对应的路径上cost
l
总和就是此时lcost表中经过优化更新之后的cost
ii
。
31.在选取路径时如果关键链路和关键节点频繁重复出现会造成链路或者节点的阻塞，从而降低网络的性能，因此为了避免多条路径中关键链路和关键节点的重复出现，在进行路由计算时需要采取一定措施：
32.第一步：根据v(t)和e(t)利用优化之后的蚁群算法计算出网络t的最佳路径
33.第二步：在链路不相交的原则下，即在e(t)中排除第一步中已经使用的链路，利用优化之后的蚁群算法计算路径作为次优路径
34.第三步：在排除最佳路径和次优路径中的链路之后，利用dijkstra算法计算出到geo卫星节点最短(最小跳数)路径。
35.所述基于多路径的阻塞回避算法，路由的设计只能规划路径，卫星通信用户业务在时间、空间上分布不均，导致由地面上传至卫星的流量波动较大，如果没有拥塞控制，局部网络易产生拥塞，将导致网络无法对业务进行实时响应，使用阻塞回避策略可以保证网络的稳定性、降低网络的误码率以及减小网络时延。
36.所以在多路径路由策略的基础上，提出了一种基于多路径的阻塞回避路由算法，在本算法中，提出了一种链路阻塞回避策略，采用卫星节点的缓存利用率和卫星链路的利用率联合判断卫星及其出口链路是否处在超负荷状态。
37.geo卫星节点统计所有阻塞节点和链路，将阻塞节点和链路排除之后再计算路径。计算第二条路径路径，当没有节点或者链路阻塞时，可以采取链路不相交原则，即在计算第二条路径之前需要将之前的链路排除；如果有节点或者链路阻塞时，可以采取节点不相交原则，即在计算第二条路径之前需要将阻塞的节点或者阻塞链路相关的节点排除。
38.采用卫星节点的缓存利用率和卫星链路的利用率联合判断卫星及其出口链路是否处在超负荷状态。其中，缓存利用率判断卫星节点工作是否超负荷，链路利用率判断卫星链路是否阻塞。本算法在通信过程中，采用多路径的策略、geo卫星及时为高负载链路分流。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1为本发明实施例提供的一种用stk进行卫星星座网络建模的星座场景图；
41.图2为本发明实施例提供的一种卫星星座星座网络结构示意图；
42.图3为本发明实施例提供的一种基于geo/leo双层星座网络的虚拟节点策略的具体流程图；
43.图4为本发明实施例提供的一种基于geo/leo的双层星座卫星网络的分层分组管理策略流程图；
44.图5为本发明实施例提供的一种基于geo/leo星座网络的多径路由阻塞回避算法流程图，同时也为摘要附图；
具体实施方式
45.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.参见图1，示出了本发明实施例提供的一种基于geo/leo双层卫星网络模型stk建模场景图，该基于geo/leo双层卫星网络包括：基于geo/leo双层卫星星座网络模型，基于geo/leo双层星座网络的虚拟节点策略，基于geo/leo的双层星座卫星网络的分层分组管理策略，其中，
47.所述基于geo/leo双层卫星星座网络模型由4颗geo卫星和100颗leo卫星构成，geo卫星用于组成骨干网，对地球上低维和中纬度地区进行覆盖，路由的计算，leo卫星与卫星链路状态信息的收集，卫星节点状态的监控，管理leo卫星组，必要时也可以分担leo卫星业务；leo卫星，用于地面站和地面用户终端的接入，数据的传输与转发，采集卫星链路状态信息。
48.geo/leo双层卫星星座的任务要求是为卫星通信网络提供良好的通信环境，为了达到网络任务的通信需求，卫星星座网络需要考虑星座的覆盖范围和覆盖时长等指标。针对全球的实时的卫星通信的任务需求，本章将设计基于geo/leo双层卫星星座网络，网络要求如下：
49.1)geo/leo双层卫星网络能够对全球不同经纬度区域的进行实时、持续覆盖；
50.2)geo/leo双层卫星网络能够对北京地面站进行实时、持续覆盖；
51.3)geo/leo双层卫星网络中无论任何时候均有geo卫星与leo卫星相连
52.分析了卫星星座设计的目标，提出了一种基于geo/leo双层卫星星座，对覆盖全球的geo/leo卫星星座模型设计的目标和卫星星座的参数设计进行分析，
53.参见图2，示出了本发明实施例提供的一种leo层星座网络结构示意图，卫星星座网络是由一定数目的卫星节点和星间链路组成的。
54.微波与激光一体化的链路通过同一天线就能同时实现微波和激光两种通信方式，在卫星间以及卫星与地面站间都可以通过激光微波一体化链路进行通信。然而，由于该通信链路功率受限，因此在某一段工作时间内需要对实际链路的信道状况进行评估，从而判断建立激光通信链路还是微波链路。通过采用射频激光混合链路评估与自动切换技术，可以提升geo/leo双层卫星星座网络通信链路的可用度。
55.一般情况下，卫星和地球站之间使用微波进行通信，这是因为微波通信具有比较大通信容量，而且微波可以穿透电离层。而且微波通信链路具有高可靠性，可以将微波通信作为卫星和地面站之间进行通信的主要方式。但当地面用户业务量大时，卫星和地面站之间可以使用激光进行通信，这样可以通过超高速微波通信满足地面用户对网络的需求。
56.一般情况下，激光通信可以实现卫星之间数据的超高速传输，但在卫星激光链路阻塞、天气恶劣以及因大气效应引起激光链路失效等通信环境下，激光通信就无法保证通信，就必须通过微波链路来实现卫星之间的通信，所以需要在卫星之间另外建立微波通信链路，以便于降低卫星通信网络对激光通信的依赖性，这样就可以保证网络具有很高的可靠性以及网络的不间断通信。
57.参见图3，示出了本发明实施例提供的基于geo/leo双层星座网络的虚拟节点策略的具体流程图，包括：
58.基于geo/leo双层星座网络的虚拟节点策略具体思路如下：
59.第一步：将geo/leo双层星座网络根据轨道层的不同划分为geo和leo两层
60.第二步：在geo层采用虚拟节点策略，将地球表面根据geo卫星覆盖区域划分成四个虚拟组节点，每个虚拟组节点对应一个geo卫星
61.第三步：在leo层采用虚拟节点策略，将地球表面根据leo卫星覆盖区域划分成和leo卫星一一对应的虚拟成员节点，每个虚拟成员节点对应一个leo卫星
62.第四步：在所有虚拟成员节点中，选择每个轨道平面上纬度较低的虚拟节点作为其所在轨道平面的虚拟组长节点。
63.参见图4，示出了本发明实施例提供的基于geo/leo的双层星座卫星网络的分层分组管理策略流程图，包括：
64.基于虚拟节点的分组管理策略的具体思路如下：
65.第一步：分组，并确定分组管理者
66.第二步：确定分组成员
67.第三步：确定分组组长
68.第四步：geo收集leo状态
69.参见图5，示出了本发明实施例提供的于geo/leo星座网络的多径路由阻塞回避算法流程图，算法的具体执行流程如下：
70.1)在网络起始时刻，通过虚拟节点分组的发言机制收集双层星座网络中所有卫星节点和链路状态信息
71.2)基于收集的链路状态信息，利用蚁群优化算法计算最佳路径
72.3)在链路不相交的原则下，排除第二步中已经使用的链路，利用优化之后的蚁群算法计算路径作为次优路径
73.4)在排除最佳路径和次优路径中的链路之后，利用dijkstra算法计算出到geo卫星节点最短(最小跳数)路径，geo卫星接收到其组内成员leo卫星的业务数据时，依据geo卫星中leo卫星分组信息判断目标卫星节点所在小组，然后将数据转发至对应的geo卫星或者本小组组长，最后组内leo卫星节点会根据路由表选取合适路径进行数据传输。
74.5)在完成路由计算后，各geo卫星将全局路由表分解成其所管辖分组内各leo卫星的路由表，
75.6)判断卫星节点链路状态，然后根据卫星链路状态选择合适路径进行数据转发
76.a.若卫星节点链路为正常负荷状态，所有业务数据都选取最佳路径
77.b.若卫星节点链路为轻微超负荷状态，高优先级业务选取最佳路径，低优先级业务选取次优路径
78.c.若卫星节点链路为中度超负荷状态，减小低优先级队列所占比例，增加高优先级队列比例；先判断卫星节点低优先级队列是否有数据等待转发，如果有数据等待转发则需要先把低优先级数据转发至geo卫星
79.d.若卫星节点链路为重度负荷状态，向geo卫星报告此节点阻塞状态报告，重新计算路径时需要将其排除在外，直至其恢复正常负荷状态重新参与路由计算。