一种基于时间片的星上标签转发方法

本发明属于通信，具体涉及一种基于时间片的星上标签转发方法。

背景技术：

1、卫星通信网络系统具有覆盖范围广、组网灵活、通信质量高的优点，逐渐成为目前的主流通信方式，使用卫星网络便于实现全球覆盖，被认为是未来6g通信时代最受瞩目的新星，拥有广阔的应用前景和极大的发展潜力。随着卫星网络技术的应用和发展，低地球轨道(low earth orbit，简称leo)卫星网络具有传播时延短、传输损耗低、发射成本低等优点，逐渐成为各个国家在卫星领域的研究重点，许多国家都公布了有关建设低轨星座的新计划。

2、在leo卫星网络中，用户对于通信的端到端时延、丢包率、带宽资源等服务要求较高，网络支持的业务逐渐从传统简单的数据业务转变为多需求、多类型业务的方向发展。leo卫星网络是通过同轨道或相邻轨道之间的星间链路构成的，其网络拓扑以及星地拓扑结构具有高度的动态变化性。但是相比于地面的移动自组织网络，leo卫星星座中卫星的运动具有规律性和可预测性，利用这一特性，可以提高卫星网络的资源利用率和容量。

3、由于地理因素、经济水平和人口密度的影响，卫星网络的用户和流量分布并不均匀，增大了网络中流量和业务的分布不均匀性，导致更加难以保证卫星业务的服务质量qos。除此之外，随着多媒体业务的快速发展，网络支持的业务逐渐从传统简单的数据业务转变为多需求、多类型业务的方向发展。因此，卫星网络中保障qos业务这一问题值得深入的研究。针对这一研究，现有提出方案有：

4、蒋文娟等人提出了一种流量分类路由算法(traffic classification routing，简称tcr)：该算法对全球流量分布进行建模，并将网络中的业务划分为三类，每类业务都有不同的qos指标；该算法为每种业务根据其qos指标计算不同的链路代价，通过计算链路阻塞概率阈值进行拥塞控制；tcr算法该在一定程度上保证了多业务的qos要求，并且可以进行拥塞控制，但该算法需要每个leo卫星都具有感知网络所有链路状态的能力和较强的实时计算能力；dong y等人提出了一种基于网络状态自适应的qos动态路由算法(statusadaptive qos dynamic routing，简称sadr)：sadr算法使用蚁群优化算法来及进行动态路径搜索和动态路由表更新，在拓扑和网络状态发生变化的情况下，sadr可以实现较好的qos保证；但是星上计算复杂度同样较高，并且蚁群算法带来的信令开销较大；donner等人提出了将mpls思想应用于leo卫星网络中，并将相关mpls的功能进行划分，根据路由和管理标签转发路径(label switch path，简称lsp)的角度分为三种mpls卫星方案，分别是分布式路由和lsp管理、集中式路由分布式lsp管理以及集中式路由和lsp管理，但是文中仅提出了网络架构和初步的定性分析，并没有考虑信令开销、lsp的频繁建立和转发流程等问题。

5、但是，上述现有方案存在以下几个问题：

6、第一，无法良好的适应leo卫星网络的拓扑动态性，带来较大的信令和计算开销；

7、第二，仅适用于单一种类或需求的qos需求，从一定程度上难以提供良好的qos保障；

8、第三，对于卫星的计算能力和感知能力要求高，算法的计算复杂度高。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于时间片的星上标签转发方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明实施例提供了一种基于时间片的星上标签转发方法，包括以下步骤：

3、步骤(1)、采用倾斜轨leo卫星星座，在正常运行下，卫星拓扑结构稳定不变；采用地球固定覆盖域的思想，将地面区域划分为多个覆盖域，一段时间内，每个覆盖域均由一颗leo卫星星座提供服务；

4、步骤(2)、根据步骤(1)中划分的覆盖域，随着卫星的运动与地球自转，卫星会从当前覆盖域切换到下一覆盖域，根据卫星在覆盖域之间的切换时间，划分为多个时间片；

5、步骤(3)、地面控制中心根据各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑确定覆盖域与卫星的映射关系；同时，每个卫星节点利用最短路径算法计算出到卫星网络虚拟拓扑中其余节点的默认路由表，该默认路由表用于无连接转发和链路故障处理；

6、步骤(4)、地面控制中心根据全球地区流量分布模型、卫星网络虚拟拓扑以及业务种类和qos需求，为各个时间片的覆盖域之间计算并建立多条lsp路径；

7、步骤(5)、地面控制中心根据计算出的lsp路径生成每个时间片对应的相关表项，该相关表项包括地面控制中心为用户生成的fec标签映射表，以及地面控制中心为leo卫星星座生成的lsp标签转发表和覆盖域映射表；

8、步骤(6)、若到达lsp标签转发表的上注时间或由于卫星网络虚拟拓扑变化触发的默认路由表计算与更新，则地面控制中心将新生成的lsp标签转发表上注给卫星节点，将新生成的fec标签映射表与覆盖域映射表发送给终端；

9、步骤(7)、用户源终端发送业务时，根据其fec标签映射表得知是否使用标签转发方式，若是，则根据fec标签映射表查询业务的对应标签，构造数据分组并添加对应的标签字段，并发送给当前覆盖域服务的卫星节点；

10、步骤(8)、卫星节点收到数据分组后，在每个时间片使用不同的lsp标签转发表查询标签转发字段，选择相应的转发机制进行分组转发；

11、步骤(9)、若卫星网络虚拟拓扑中出现链路故障或卫星节点失效的情况，则将当前故障信息告知给地面控制中心，执行步骤(3)～步骤(6)过程，并继续执行正常的业务发送过程；若卫星网络虚拟拓扑中所有卫星节点均正常运行时，则卫星仍周期性的统计网络状态再汇总给地面控制中心；

12、步骤(10)、目的终端收到数据分组后，拆除分组头，提取载荷字段，得到传输的业务，并将业务发送给上层进行处理。

13、在本发明的一个实施例中，步骤(1)中多个覆盖域的划分实现过程如下：

14、采用地球固定足印模式，卫星控制其波束，在一段时间内固定为某一覆盖域提供服务。

15、在本发明的一个实施例中，步骤(2)中时间片的划分实现过程如下：

16、步骤(2a)、根据所选的卫星，计算其轨道内的切换时间间隔，计算公式如下：

17、

18、其中，tintra为轨道内的切换时间间隔，t为卫星轨道周期，sate_per_orbit为每条轨道上的卫星数目；

19、步骤(2b)、计算轨道间的切换时间间隔，计算公式如下：

20、

21、其中，tinter为轨道间的切换时间间隔，φ为覆盖域的经度跨度角度，ωearth为地球自转角速度；

22、步骤(2c)、采用同步切换的方式，一颗卫星切换到下一个覆盖域，则所有其他卫星都必须进行相同的动作；地面控制中心根据步骤(2a)～步骤(2b)得到的轨道内的切换时间间隔和轨道间的切换时间间隔计算卫星的切换时间，根据切换时间划分多个时间片；其中，每个时间片内星地网络拓扑关系看作静态不变。

23、在本发明的一个实施例中，步骤(3)中地面控制中心确定卫星网络虚拟拓扑的实现过程如下：

24、步骤(3a-1)、设n为卫星网络虚拟拓扑中卫星节点数量，不同的时间片记为t1,t2,...,tk,...,tm，tk为第k个时间片，m为时间片的数量，对于第k个时间片tk，将卫星网络虚拟拓扑用有向图表示；其中，v＝{v1,v2,...,vn}为卫星网络虚拟拓扑中卫星节点集合，n表示卫星网络虚拟拓扑中卫星节点数量，为可用星间链路集合；

25、步骤(3b-1)、设eij为从第i个卫星到第j个卫星的星间链路，当eij为可用星间链路时，取值为1，否则，取值为0，即

26、步骤(3c-1)、根据eij计算有向图的邻接矩阵得到第k个时间片tk的卫星网络虚拟拓扑；

27、步骤(3d-1)、重复步骤(3a-1)～步骤(3c-1)共m次，得到所有时间片的卫星网络虚拟拓扑。

28、在本发明的一个实施例中，步骤(3)中根据各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑确定卫星与地面覆盖区域映射关系，实现过程如下：

29、设n为卫星网络虚拟拓扑中卫星节点数量，根据卫星网络虚拟拓扑中轨道数量和每条轨道的卫星数量，将地面依据经纬度均匀划分为不同的地面覆盖区域：r＝{r1,r2,...,rn}，ri表示卫星网络虚拟拓扑中第i个卫星节点对应的地面覆盖区域；

30、根据卫星在各时间片内运动的经纬度，确定其在各个时间片映射的地面覆盖区域，得到各时间片卫星和地面覆盖区域的映射关系。

31、在本发明的一个实施例中，步骤(3)中每个卫星节点利用最短路径算法计算到卫星网络虚拟拓扑中其余卫星节点的默认路由表实现过程如下：

32、步骤(3a-2)、每个卫星节点统计链路状态信息并进行交互，定义实时链路成本度量，计算公式如下：

33、lcost(t)＝tprop+tqueue(t)；

34、其中，lcost(t)为t时刻的实时链路成本度量，tprop为链路的传播时延，tqueue(t)为t时刻链路的排队时延；

35、步骤(3b-2)、以实时链路成本度量作为路径权重；

36、步骤(3c-2)、选取卫星网络虚拟拓扑中的某个卫星节点s，并为该卫星节点s设立两个集合：源节点集合a和目的节点集合b；

37、步骤(3d-2)、初始时，源节点集合a只包含卫星节点s，目的节点集合b包含卫星网络虚拟拓扑中除卫星节点s外的其他卫星节点；

38、步骤(3e-2)、从目的节点集合b中选出路径权重最小的卫星节点k，并将该卫星节点k加入到源节点集合a中，同时，从目的节点集合b中移除卫星节点k；

39、步骤(3f-2)、更新目的节点集合b中各个卫星节点到卫星节点s的路径权重，即对于(s,v)>(s,k)+(k,v)的情况，将(s,v)更新为(s,k)+(k,v)，其中，(s,v)为卫星节点s到卫星节点v的路径权重，(s,k)为卫星节点s到卫星节点k的路径权重，(k,v)为卫星节点k到卫星节点v的路径权重；

40、步骤(3g-2)、重复步骤(3e-2)～(3f-2)，直到遍历完卫星网络虚拟拓扑中所有卫星节点，得到卫星节点s到卫星网络虚拟拓扑中其他卫星节点的最短路径；

41、步骤(3h-2)、将最短路径中的卫星节点从目的节点集合b中删除，重新执行步骤(3e-2)～(3g-2)，得到卫星网络虚拟拓扑中的备选路径；

42、步骤(3i-2)、对卫星网络虚拟拓扑中所有卫星节点都执行步骤(3c-2)～步骤(3h-2)的过程，得到卫星网络虚拟拓扑中所有卫星节点到其他卫星节点的最短路径和备选路径，并根据最短路径和备选路径在对应卫星节点生成并存储默认路由表。

43、在本发明的一个实施例中，步骤(4)中计算lsp路径时，根据qos需求将业务划分为几类，每类业务采用bellman-ford或遗传算法计算出满足qos需求的lsp路径。

44、在本发明的一个实施例中，步骤(5)中地面控制中心根据计算出的lsp路径生成每个时间片对应的相关表项实现过程如下：

45、步骤(5a)、地面控制中心为用户生成fec标签映射表；fec标签映射表为多元组和标签之间的映射关系；之后发送到每个覆盖域中的终端；其中，多元组包括源终端、目的终端、qos需求、协议类型；标签由地面控制中心全局统一分配且具有分配唯一性，标签的分配唯一性是指多个卫星节点中不应出现同一“输入端口+输入标签”；

46、步骤(5b)、地面控制中心为leo卫星生成lsp标签转发表和覆盖域映射表；之后将各个时间片的lsp标签转发表，以及fec标签映射表与覆盖域映射表上注给卫星节点；其中，lsp标签转发表为“输入标签+输入端口”到“输出端口”的映射关系；覆盖域映射表为卫星节点和覆盖域之间的映射关系。

47、在本发明的一个实施例中，步骤(7)中构造的数据分组包括目的覆盖域、源覆盖域、目的终端标识和源终端标识；其中，目的覆盖域标识用于无连接转发时查询目的卫星的标识，目的终端标识用于到达目的卫星后发送给目的终端的标识。

48、在本发明的一个实施例中，步骤(8)中在每个时间片使用不同的lsp标签转发表查询标签转发字段，选择相应的转发机制进行分组转发实现过程如下：

49、步骤(8a)、如果标签转发字段是采用标签转发方式，查询其lsp标签转发表，得到对应输出端口，转发给下一跳卫星；

50、步骤(8b)、如果标签转发字段是不采用标签转发方式，则查询默认路由表和覆盖域映射表，转发给下一跳卫星；

51、步骤(8c)、如果当前卫星为目的卫星，则将业务转发给目的终端。

52、本发明的有益效果：

53、本发明提出的基于时间片的星上标签转发方法，采用时间片的思想，利用地面固定覆盖域和卫星切换时间来划分时间片，在每个时间片内星地网络的拓扑结构看作固定不变，将星地网络的动态拓扑转化为静态拓扑，便于路由计算，因此能够良好的适应星地网络的拓扑动态性；本发明由于使用地面控制中心采用集中式离线计算每对覆盖域之间的lsp路径并按时间片上注，因此无需卫星节点计算标签转发的路由路径，从而降低了星上计算的复杂度；在星上标签交换过程中，卫星节点只需要查询数据分组的标签字段以及标签转发表，降低了星上转发处理的复杂度；本发明在地面控制中心离线计算标签转发路径时，通过卫星反馈的链路状态和全球地区流量分布模型进行计算路由，这样规划出的路径路由能够更好的保障用户qos和提高星间链路的利用率；本发明在地面控制中心离线计算标签转发路径时，针对每对覆盖域之间进行建立粗粒度管道，并不是面向每个业务都计算出一条lsp，因此，多个业务可以使用同一条lsp进行传输，从而能够减少lsp建立的复杂度与信令开销。lsp的生存时间与时间片相同，随着当前时间片结束则采用下一时间片的有效lsp转发表，从而能够避免由于业务结束或者用户移动导致的lsp的频繁建立和拆除问题。可见，本发明通过地面控制中心预先计算不同时间片的lsp标签转发路径并预留星上资源，在各卫星节点分别保存不同时间片的多个lsp标签转发表，在星上进行业务转发时，根据当前时间片数据分组的标签字段内容查询转发表中的相关表项，在提前建立好的lsp标签转发路径上转发数据分组，该方法能够为多类面向连接的业务提供qos保障，降低了星上的计算复杂度，良好的适应星地网络拓扑的高度动态性，并减少路由信令开销。

54、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。