一种多层卫星数据转发方法及系统

1.本发明涉及卫星负载均衡技术领域，特别是涉及一种多层卫星数据转发方法及系统。


背景技术：

2.在实际的应用场景中，卫星用户主要是地面终端或地面发射站，其地理位置具有分布不均衡的特点，卫星终端分布不均衡将直接导致卫星上的数据流量分布不均衡，可能表现为部分卫星负载较高，部分卫星闲置。在单层卫星网络中，单层leo(low earth orbit，低地球轨道)卫星网络中的卫星节点星上存储和处理能力不强，很容易出现局部范围的流量拥塞，其网络负载均衡效果也十分有限。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种多层卫星数据转发方法及系统，提高网络负载均衡能力。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种多层卫星数据转发方法，包括：
6.按照三层卫星网络中各中轨道地球卫星的覆盖域将低轨道地球卫星分为多个低轨道地球卫星组，各低轨道地球卫星组对应一个作为低轨道管理卫星的中轨道地球卫星；
7.按照三层卫星网络中各高轨道地球卫星的覆盖域将中轨道地球卫星分为多个中轨道地球卫星组，各中轨道地球卫星组对应一个作为中轨道管理卫星的高轨道地球卫星；
8.根据低轨道地球卫星与中轨道地球卫星之间链路资源利用情况、总延时以及低轨道地球卫星与中轨道地球卫星保持连接的时间长度为每个低轨道地球卫星确定中继卫星，记为第一中继卫星；
9.根据中轨道地球卫星与高轨道地球卫星之间链路资源利用情况、总延时以及中轨道地球卫星与高轨道地球卫星保持连接的时间长度为每个中轨道地球卫星确定中继卫星，记为第二中继卫星；
10.判断待处理业务对应的低轨道地球卫星层链路负载是否大于设定阈值；所述低轨道地球卫星层链路为所述待处理业务对应的业务源节点和业务目的节点之间的链路，所述业务源节点和所述业务目的节点均为所述低轨道地球卫星；
11.若链路负载大于设定阈值，则根据待处理业务的宽带需求权重和延时需求权重确定待处理业务的优先级；
12.根据所述待处理业务的优先级和业务源节点对应的轨道地球卫星关系控制所述待处理业务的数据转发；所述业务源节点对应的轨道地球卫星关系包括所述业务源节点对应的低轨道管理卫星和第一中继卫星、以及低轨道管理卫星对应的中轨道管理卫星和第二中继卫星；
13.若链路负载小于设定阈值，则将待处理业务根据预设的低轨道地球卫星路由表进
行数据转发。
14.可选地，所述根据待处理业务的宽带需求权重和延时需求权重确定待处理业务的优先级，具体包括：
15.根据公式w
t
＝wd/wb，计算待处理业务的优先级；其中，w
t
表示待处理业务的优先级，wd表示待处理业务的延时需求权重，wb表示待处理业务的宽带需求权重，优先级从高到低包括a、b、c和d；
16.当w
t
》kd/kb时，则待处理业务的优先级为a；
17.当w
t
＝kd/kb时，则待处理业务的优先级为b；
18.当kd/3kb《w
t
《kd/kb时，则待处理业务的优先级为c；
19.当0《w
t
≤kd/3kb时，则待处理业务的优先级为d；
20.kb和kd均为正实数。
21.可选地，所述根据所述待处理业务的优先级和业务源节点对应的轨道地球卫星关系控制所述待处理业务的数据转发，具体包括：
22.若待处理业务的优先级为a，则从通过业务源节点进行数据转发的业务中选择一个优先级低于a的业务作为降速业务，并控制所述降速业务对应的源节点降低所述降速业务的发送速率；
23.若待处理业务的优先级为b，则判断当前时刻所述业务源节点与所述业务源节点的第一中继卫星之间是否可达，若不可达，则将所述业务源节点的低轨道管理卫星更新为所述业务源节点的第一中继卫星；然后判断所述业务源节点的第一中继卫星和所述业务目的节点的低轨道管理卫星是否为同一个中轨道地球卫星，若为同一个中轨道地球卫星，则根据所述业务源节点及所述业务源节点的邻居节点的链路状态，从所述业务源节点及所述业务源节点的邻居节点构成的链路中选择转发链路，将链路负载超出设定阈值的数据转发至所述转发链路，若不为同一个中轨道地球卫星，则将链路负载超出设定阈值的数据转发至所述业务源节点的第一中继卫星；
24.若待处理业务的优先级为c，则判断当前时刻所述业务源节点与所述业务源节点的第一中继卫星之间是否可达，若不可达，则将所述业务源节点的低轨道管理卫星更新为所述业务源节点的第一中继卫星；将待处理业务的数据转发至所述业务源节点的第一中继卫星；
25.若待处理业务的优先级为d，则判断当前时刻所述业务源节点与所述业务源节点的第一中继卫星之间是否可达，若不可达，则将所述业务源节点的低轨道管理卫星更新为所述业务源节点的第一中继卫星，将链路负载超出设定阈值的数据转发至所述业务源节点的当前第一中继卫星；然后判断当前第一中继卫星与当前第一中继卫星的第二中继卫星之间是否可达，若不可达，将当前第一中继卫星的中轨道管理卫星更新为当前第一中继卫星的第二中继卫星，将链路负载超出设定阈值的数据转发至当前第二中继卫星。
26.可选地，所述根据低轨道地球卫星与中轨道地球卫星之间链路资源利用情况、总延时以及低轨道地球卫星与中轨道地球卫星保持连接的时间长度为每个低轨道地球卫星确定中继卫星，记为第一中继卫星，具体包括：
27.对于每个低轨道地球卫星，计算低轨道地球卫星与各中轨道地球卫星的中继卫星权值，中继卫星权值的计算公式为：
[0028][0029]
其中，c表示中继卫星权值，d
max
为链路最大传输时延，d
total
为总延时，t
over
为中轨道地球卫星和低轨道地球卫星的连接时间，t
max
为单星覆盖最大时间，θ
ij
为中轨道地球卫星和低轨道地球卫星的星间链路波长利用率；
[0030]
将低轨道地球卫星与各中轨道地球卫星的中继卫星权值中最大值的对应的中轨道地球卫星作为对应低轨道地球卫星的第一中继卫星。
[0031]
可选地，所述根据中轨道地球卫星与高轨道地球卫星之间链路资源利用情况、总延时以及中轨道地球卫星与高轨道地球卫星保持连接的时间长度为每个中轨道地球卫星确定中继卫星，记为第二中继卫星，具体包括：
[0032]
对于每个中轨道地球卫星，计算中轨道地球卫星与高轨道地球卫星的中继卫星权值；
[0033]
将中轨道地球卫星与各高轨道地球卫星的中继卫星权值中最大值的对应的高轨道地球卫星作为对应中轨道地球卫星的第二中继卫星。
[0034]
可选地，所述按照三层卫星网络中各中轨道地球卫星的覆盖域将低轨道地球卫星分为多个低轨道地球卫星组，各低轨道地球卫星组对应一个作为低轨道管理卫星的中轨道地球卫星，具体包括：
[0035]
若低轨道地球卫星在多个中轨道地球卫星的覆盖域中，将与低轨道地球卫星建立连接时间最长的中轨道地球卫星作为当前低轨道地球卫星的低轨道管理卫星。
[0036]
可选地，所述按照三层卫星网络中各高轨道地球卫星的覆盖域将中轨道地球卫星分为多个中轨道地球卫星组，各中轨道地球卫星组对应一个作为中轨道管理卫星的高轨道地球卫星，具体包括：
[0037]
若中轨道地球卫星在多个高轨道地球卫星的覆盖域中，将与中轨道地球卫星建立连接时间最长的高轨道地球卫星作为当前中轨道地球卫星的中轨道管理卫星。
[0038]
本发明还公开了一种多层卫星数据转发系统，包括：三层卫星网络，所述三层卫星网络采用所述的多层卫星数据转发方法进行数据转发。
[0039]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0040]
本发明公开了一种多层卫星数据转发方法，中继卫星的选择，需要同时兼顾链路资源利用情况、总时延和meo(medium orbit earth satellite，中轨道地球卫星)-leo保持连接的时间长度，通过以上三点指标，进行中继卫星权重的计算，通过权重评估中继卫星，从而选择出可被利用的中继卫星，最后根据待处理业务优先级、中继卫星以及链路负载进行业务传输。
附图说明
[0041]
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。
[0042]
图1为本发明一种多层卫星数据转发方法流程示意图；
[0043]
图2为本发明卫星分组示意图。
具体实施方式
[0044]
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。
[0045]
本发明的目的是提供一种多层卫星数据转发方法及系统，提高网络负载均衡能力。
[0046]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0047]
图1为本发明一种多层卫星数据转发方法流程示意图，如图1所示，一种多层卫星数据转发方法，包括以下步骤：
[0048]
步骤101：按照三层卫星网络中各中轨道地球卫星的覆盖域将低轨道地球卫星分为多个低轨道地球卫星组，各低轨道地球卫星组对应一个作为低轨道管理卫星的中轨道地球卫星。
[0049]
三层卫星网络包括多个低轨道地球卫星、多个中轨道地球卫星和多个高轨道地球卫星。
[0050]
其中，步骤101具体包括：若低轨道地球卫星在多个中轨道地球卫星的覆盖域中，将与低轨道地球卫星建立连接时间最长的中轨道地球卫星作为当前低轨道地球卫星的低轨道管理卫星。
[0051]
步骤102：按照三层卫星网络中各高轨道地球卫星的覆盖域将中轨道地球卫星分为多个中轨道地球卫星组，各中轨道地球卫星组对应一个作为中轨道管理卫星的高轨道地球卫星。
[0052]
其中，步骤102具体包括：若中轨道地球卫星在多个高轨道地球卫星的覆盖域中，将与中轨道地球卫星建立连接时间最长的高轨道地球卫星作为当前中轨道地球卫星的中轨道管理卫星。
[0053]
三层卫星网络中低轨道地球卫星分组和中轨道地球卫星分组如图2所示，在三层卫星网络架构中，leo层根据meo覆盖域进行卫星分组，以减少卫星网络的复杂性，分组发生在拓扑快照周期开始时(在拓扑快照周期开始时，对三层卫星网络中低轨道地球卫星中轨道地球卫星进行分组)，通常情况下，在某一个meo卫星的覆盖域中心的一组可构成连通图的leo卫星被分成一组。对于被多个meo卫星覆盖的leo卫星，该leo卫星选择建立连接时间最长的meo卫星进行分组。同理，在某一个geo(high elliptical orbit satellite，高轨道地球卫星)的覆盖域中心的一组可构成连通图的meo卫星被分成一组。
[0054]
分组后，每个meo都对应一组可达的leo卫星，该meo卫星为该组leo卫星的管理卫星，负责该组leo卫星的链路状态报告的收集、路由表的计算和路由表的传播。同理，每个geo都对应一组可达的meo卫星，该geo卫星为该组meo卫星的管理卫星。
[0055]
步骤103：根据低轨道地球卫星与中轨道地球卫星之间链路资源利用情况、总延时以及低轨道地球卫星与中轨道地球卫星保持连接的时间长度为每个低轨道地球卫星确定
中继卫星，记为第一中继卫星。
[0056]
通过星间链路波长利用率表示链路资源利用情况。
[0057]
其中，步骤103具体包括：
[0058]
对于每个低轨道地球卫星，计算低轨道地球卫星与各中轨道地球卫星的中继卫星权值，中继卫星权值的计算公式为：
[0059][0060]
其中，c表示中继卫星权值，d
max
为链路最大传输时延，d
total
为总延时，总延时由传播时延、排队时延和传送时延组成，t
over
为中轨道地球卫星和低轨道地球卫星的连接时间，t
max
为单星覆盖最大时间，θ
ij
为中轨道地球卫星和低轨道地球卫星的星间链路波长利用率。
[0061]
随着d
total
的减小，c增大，随着t
over
的增大，c增大，所以选择c值最大的meo卫星为中继卫星。即将低轨道地球卫星与各中轨道地球卫星的中继卫星权值中最大值的对应的中轨道地球卫星作为对应低轨道地球卫星的第一中继卫星。
[0062]
步骤104：根据中轨道地球卫星与高轨道地球卫星之间链路资源利用情况、总延时以及中轨道地球卫星与高轨道地球卫星保持连接的时间长度为每个中轨道地球卫星确定中继卫星，记为第二中继卫星。
[0063]
其中，步骤104具体包括：
[0064]
对于每个中轨道地球卫星，计算中轨道地球卫星与高轨道地球卫星的中继卫星权值，中继卫星权值的计算公式为：
[0065][0066]
此时，t
over
为中轨道地球卫星和高轨道地球卫星的连接时间，t
max
为单星覆盖最大时间，θ
ij
为中轨道地球卫星和高轨道地球卫星的星间链路波长利用率。
[0067]
将中轨道地球卫星与各高轨道地球卫星的中继卫星权值中最大值的对应的高轨道地球卫星作为对应中轨道地球卫星的第二中继卫星。
[0068]
综上所述，leo层的每个卫星都将选择出一个最优的中继meo卫星(第一中继卫星)，meo层的每个卫星都将选择出一个最优的中继geo卫星(第二中继卫星)，对应的中高轨卫星节点id分别保存在leo和meo卫星中，以中继meo卫星(第一中继卫星)为例，leo层管理卫星负责收集leo组内成员的链路状态报告和路由计算。在路由计算时，若leo卫星的链路负载过高，leo卫星将查询其中继卫星meo卫星的id，并将leo卫星与中继卫星的iol链路状态报告作为leo层链路状态报告的一部分，以参与路由计算。对于同一个卫星，其中继卫星和管理卫星有可能是同一个卫星。
[0069]
步骤105：判断待处理业务对应的低轨道地球卫星层链路负载是否大于设定阈值；所述低轨道地球卫星层链路为所述待处理业务对应的业务源节点和业务目的节点之间的链路，所述业务源节点和所述业务目的节点均为所述低轨道地球卫星。
[0070]
步骤106：若链路负载大于设定阈值，则根据待处理业务的宽带需求权重和延时需求权重确定待处理业务的优先级。
[0071]
其中，步骤106，具体包括：
[0072]
对于业务优先级的划分，从两个方面定义业务优先级，即时延和带宽。业务对带宽、时延要求的分类和权重定义分别如表1和表2所示。
[0073]
表1业务对带宽要求的分类和权重定义
[0074][0075]
表2业务对时延要求的分类和权重定义
[0076][0077][0078]
其中，kb，kd∈r
*
，即kb和kd均为正实数。根据公式w
t
＝wd/wb，计算待处理业务的优先级；其中，w
t
表示待处理业务的优先级，wd表示待处理业务的延时需求权重，wb表示待处理业务的宽带需求权重，优先级从高到低包括a、b、c和d；
[0079]
当w
t
》kd/kb时，则待处理业务的优先级为a，待处理业务对时延的要求多于对带宽的要求，故待处理业务为时敏业务，将待处理业务定义为a类业务，具有最高优先级；
[0080]
当w
t
＝kd/kb时，则待处理业务的优先级为b，待处理业务对时延的要求与对带宽的需求级别接近，故待处理业务为普通业务，将待处理业务定义为b类业务；
[0081]
当kd/3kb《w
t
《kd/kb时，则待处理业务的优先级为c，待处理业务对带宽的需求增加，故待处理业务为大带宽业务，将待处理业务定义为c类业务；
[0082]
当0《w
t
≤kd/3kb时，则待处理业务的优先级为d，待处理业务对带宽的需求远多于对时延的需求，故待处理业务为大连接业务，将待处理业务定义为d类业务，具有最低优先级。
[0083]
步骤107：根据所述待处理业务的优先级和业务源节点对应的轨道地球卫星关系控制所述待处理业务的数据转发；所述业务源节点对应的轨道地球卫星关系包括所述业务源节点对应的低轨道管理卫星和第一中继卫星、以及低轨道管理卫星对应的中轨道管理卫星和第二中继卫星。
[0084]
其中，步骤107，具体包括：
[0085]
若待处理业务的优先级为a，则从预设的业务转发信息表中查询通过业务源节点
进行数据转发的业务中选择一个优先级低于a的业务作为降速业务，并控制所述降速业务对应的源节点降低所述降速业务的发送速率。作为一种优选的具体实施方式包括：若待处理业务的优先级为a，需要对业务源速率进行调整，通过拥塞控制模块从预设的业务转发信息表中查询通过业务源节点进行数据转发的业务中优先级最低的业务对应的源节点(源节点地址)，向源节点发送“降速控制包”，当源节点收到降速控制包之后，并控制优先级最低的业务对应的源节点基于二进制减速法降低优先级最低的业务的发送速率。若待处理业务对应的低轨道地球卫星层链路负载仍大于设定阈值，则从预设的业务转发信息表中查询优先级次低的业务对应的源节点进行降速处理，以保证最高优先级业务不绕路。
[0086]
若待处理业务的优先级为b，则查询当前leo卫星节点中存储的leo层卫星关系表，判断当前时刻所述业务源节点与所述业务源节点的第一中继卫星之间是否可达，若不可达，则将所述业务源节点的低轨道管理卫星更新为所述业务源节点的第一中继卫星，若可达，则业务源节点的第一中继卫星不需要更新。然后判断所述业务源节点的第一中继卫星和所述业务目的节点的低轨道管理卫星是否为同一个中轨道地球卫星，若为同一个中轨道地球卫星，则根据所述业务源节点及所述业务源节点的邻居节点的链路状态，从所述业务源节点及所述业务源节点的邻居节点构成的链路中选择转发链路，将链路负载超出设定阈值的数据转发至所述转发链路，链路状态包括链路是否空闲、以及链路可负载的数据量，从能够负载超出设定阈值数据的链路中选择新路径作为转发链路，若不为同一个中轨道地球卫星，则将链路负载超出设定阈值的数据转发至所述业务源节点的第一中继卫星。
[0087]
若待处理业务的优先级为c，则查询当前leo卫星节点中存储的leo层卫星关系表，记录当前leo卫星节点的中继卫星和管理卫星，判断当前时刻所述业务源节点与所述业务源节点的第一中继卫星之间是否可达，若不可达，则将所述业务源节点的低轨道管理卫星更新为所述业务源节点的第一中继卫星；将待处理业务的数据转发至所述业务源节点的第一中继卫星。
[0088]
若待处理业务的优先级为d，则查询当前leo卫星节点中存储的leo层卫星关系表，记录当前leo卫星节点的中继卫星和管理卫星，判断当前时刻所述业务源节点与所述业务源节点的第一中继卫星之间是否可达，若不可达，则将所述业务源节点的低轨道管理卫星更新为所述业务源节点的第一中继卫星，将链路负载超出设定阈值的数据转发至所述业务源节点的当前第一中继卫星；然后判断当前第一中继卫星与当前第一中继卫星的第二中继卫星之间是否可达，若不可达，将当前第一中继卫星的中轨道管理卫星更新为当前第一中继卫星的第二中继卫星，将链路负载超出设定阈值的数据转发至当前第二中继卫星。
[0089]
在每一个拓扑快照周期内，leo卫星和meo卫星节点定期更新leo层和meo层卫星关系表中的最优中继卫星节点(第一中继卫星和第二中继卫星)。
[0090]
步骤108：若链路负载小于设定阈值，则将待处理业务根据预设的低轨道地球卫星路由表进行数据转发。
[0091]
本发明一种多层卫星数据转发系统，包括三层卫星网络，三层卫星网络采用本发明一种多层卫星数据转发方法进行数据转发。
[0092]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说
明即可。
[0093]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。