一种基于时变图的保证业务端到端时延的业务传输方法、系统、设备及介质

本发明属于通信，具体涉及一种基于时变图的保证业务端到端时延的业务传输方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、低轨道地球卫星，广泛应用于全球各地，目前已经有数千颗卫星在低地球区域轨道上运行。由于低轨道地球卫星高度较低，通信信号在地面站和卫星之间传输所需的功率和时间较少，减少了数据包传输延迟。当前，由低轨道卫星的巨型星座构成的卫星互联网，将会是连接6g的重要组成部分，它能够弥补陆地网络覆盖面小的缺陷，并通过与5g、6g网络进行融合，低轨卫星网络可以提供更加广泛和强大的无线连接。因此，低轨卫星网络是通信领域的又一次巨大飞跃，将为人类的生产和生活带来更多便利和机遇。然而，由于低轨卫星网络的高速率、多样化的服务且终端分布在不同的地区不同的卫星间距离以及空间不稳定的环境等因素，使其数据传输可靠性受到了很大的影响。使得低轨卫星网络的网络业务较为复杂，星间的链路切换也会造成数据损失。

2、公开号为cn114157337a的专利申请文件中，公开了一种基于时变图的低轨卫星星间切换预测方法，低轨道卫星系统中，卫星对用户的覆盖性使用时变图表征，所述时变图中节点集表示一段时间内覆盖用户的卫星，卫星对用户的覆盖关系采用弧集表征，切换选择关注的参数表征为权重值集合，并在此时变图的基础上预测路由切换路径。但是，其时变图仅考虑了卫星对用户的覆盖性，忽略了星间链路的其他有效参数，未关注数据传输的可靠性，从而产生了资源利用不充分，时延敏感性低以及数据包丢失的问题。

3、公开号cn115801093a的专利申请文件中，公开了一种保证卫星网络端到端确定性时延的路径规划方法，通过将任务业务量大小、卫星节点连通链路容量，卫星节点资源分配为约束条件，以业务传输起止时间与链路连通时间为判断条件，进行路径规划，由此获得卫星网络的确定性传输路径，从而形成具有确定性时延保证的卫星网络路径规划方法，但是，由于并未考虑到星间链路存在传播时延且低轨卫星网络星间链路切换频繁，从而产生了星间链路切换时的丢包问题，降低了数据传输的可靠性。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于时变图的保证业务端到端时延的业务传输方法、系统、设备及介质，通过构建可表征低轨卫星多维资源的时空属性的时变拓扑图，定义有效传输时段以及保护时隙，并根据不同的链路连通状态切换情况，构建相应的基于保护时隙的业务传输策略，能够预测业务传输的时延，避免星间链路切换时造成的丢包现象，降低了时间确定性网络分析与设计复杂度，以及提升了业务传输可靠性。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种基于时变图的保证业务端到端时延的业务传输方法，包括以下步骤：

4、步骤一：构建可表征低轨卫星多维资源的时空属性的时变拓扑图；

5、步骤二：基于步骤一构建的可表征低轨卫星多维资源的时空属性的时变拓扑图，定义低轨卫星业务有效传输时段及保护时隙；

6、步骤三：对低轨卫星链路传播时延进行分析和计算，得到步骤二中定义的有效传输时段及保护时隙；

7、步骤四：基于步骤一构建的可表征低轨卫星多维资源的时空属性的时变拓扑图，根据低轨卫星的运动周期性和可预测性，将低轨卫星的运动周期分为n个时隙，表征每个时隙的链路连通状态，并标记时延、带宽资源；

8、步骤五：针对步骤四中不同的链路连通状态切换情况，构建相应的基于保护时隙的业务传输策略。

9、所述步骤一的过程如下：

10、将网络中的卫星描述为节点，而卫星之间的连通机会描述为相应的星间链路，卫星和地面节点之间的连通机会描述为相应的星地链路，同时，将时变的链路带宽及连通时间段按时间顺序刻画在对应的链路上，基于此，构建出连续时间时变图模型-连续时变图(ctg,continuous time-varying graph)，即ctg＝{v,e,t,wu,v(t),cu,v(t),nu,v(t)},v∈v,(u,v)∈e,t∈t，其中，v表示节点集合，e表示星间、星地链路的集合，t表示给定的时间范围，wu,v(t)表示t时刻链路(u,v)的链路带宽，cu,v(t)表示在给定时间范围t内节点u和v之间的所有连通时段集合，nu,v(t)表示t时刻链路的带宽利用率，表示t时刻的链路负载情况。

11、所述步骤二的过程如下：

12、在链路(a,b)上，在[t0,t2]时间段内，节点a和节点b是连通的，此时，业务在链路(a,b)上传输，若节点a到节点b间存在传播时延tab，则业务在链路(a,b)上的有效传输时间为t2-t0-tab，即有效传输时段为[t0,t'end]，其中t'end＝t0-tab；而在时间段[t'end,t2]上，链路(a,b)保持连通，节点a此时段不再发送业务，以保证[t0,t'end]时段上的业务完整传输至节点b，则称[t'end,t2]为链路(a,b)上的保护时隙。

13、所述步骤三的过程如下：

14、3.1，描述各个极轨卫星的实时位置；

15、极轨卫星在t时刻的位置为则任意一颗卫星的运动方程都可描述为：

16、

17、其中，r为极轨半径，θ为经度角，为纬度角；

18、将极坐标系转换为直角坐标系，计算两节点间的星间链路长度：

19、

20、3.2，计算星间链路的传播时延；

21、卫星节点vi与卫星节点vj间的链路距离为：

22、

23、则节点vi与节点vj间的传播时延为：

24、

25、其中，c为光速；

26、3.3，计算星地链路的传播时延；

27、地面节点与任意卫星节点的距离可以表示为：

28、

29、根据卫星运动规律及卫星覆盖时长，可以确定当前与地面节点连接的卫星节点为vi，此时d0i(t)＝min(d0j(t))；

30、设一地面节点的球坐标为其中r0为地球半径，θ0为地面节点经度角，为地面节点维度角；转换为直角坐标为：

31、

32、可得，地面节点v0与当前连接的卫星节点vi间的传播时延为：

33、

34、其中，c为光速。

35、所述步骤四的过程如下：

36、将卫星的运动近似的看为周期性圆周运动，卫星运动的每一个周期均匀分为n个时隙，每个时隙每条链路的通断情况使用0，1表示，0代表相应链路为断开，1代表相应节点为连通，并标记每条链路的时延、带宽资源。

37、所述步骤五的过程如下：

38、步骤5.1，将n个时隙拓扑图转化为链路状态时变图；

39、步骤5.2，使用路由算法计算一条路由路径；

40、步骤5.3，判断下一时隙路径是否发生中断，若下一时隙路径未发生中断，则在当前路径上继续发送，判断有效传输时段内业务发送停止，若业务发送未停止，则沿当前路径继续发送，若业务发送停止，则转至步骤5.4；若下一时隙路径发生中断，则计算保护时隙，在保护时隙停止业务在路径上的发送，判断有效传输时段内业务发送停止，若业务发送未停止，则返回步骤5.2，若业务发送停止，则转至步骤5.4；

41、步骤5.4，链路上的数据包成功到达目的节点。

42、本发明还提供了一种基于时变图的保证业务端到端时延的业务传输系统，包括：

43、时变拓扑图构建模块：用于构建可表征低轨卫星多维资源的时空属性的时变拓扑图；

44、有效传输时段及保护时隙定义模块：用于实现基于构建的可表征低轨卫星多维资源的时空属性的时变拓扑图，定义低轨卫星业务有效传输时段及保护时隙；

45、链路传播时延分析和计算模块：用于对低轨卫星链路传播时延进行分析和计算，得到定义的有效传输时段及保护时隙；

46、表征及标记模块：用于实现基于构建的可表征低轨卫星多维资源的时空属性的时变拓扑图，根据低轨卫星的运动周期性和可预测性，将低轨卫星的运动周期分为n个时隙，表征每个时隙的链路连通状态，并标记时延、带宽资源；

47、业务传输策略构建模块：用于针对不同的链路连通状态切换情况，构建相应的基于保护时隙的业务传输策略。

48、本发明还提供了一种基于时变图的保证业务端到端时延的业务传输设备，包括：

49、存储器：存储上述一种基于时变图的保证业务端到端时延的业务传输方法的计算机程序，为计算机可读取的设备；

50、处理器：用于执行所述计算机程序时实现所述的一种基于时变图的保证业务端到端时延的业务传输方法。

51、本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现所述的一种基于时变图的保证业务端到端时延的业务传输方法。

52、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

53、1、从低轨卫星资源表征的角度来看，本发明结合构建的可表征低轨卫星多维资源的时空属性的时变拓扑图，在此基础上设计业务传输方法，充分考虑到了低轨卫星拓扑高动态性的特点，并有效利用了低轨卫星网络资源，降低了时间确定性网络分析与设计复杂度。

54、2、从低轨卫星星上业务处理角度来看，本发明采用基于低轨卫星每个时隙的链路连通状态以及时延、带宽资源，根据不同的链路连通状态切换情况，构建相应的基于保护时隙的业务传输策略，只在有效传输时段内对业务进行发送，避免了由于传输时延引起的丢包以及等待问题。

55、3、从低轨卫星业务时延敏感性的角度来看，由于低轨卫星的运动具有周期性以及可预测性，本发明通过计算低轨卫星链路传播时延，定义有效传输时段及保护时隙，使业务只能在有效传输时段进行传输，通过对每条链路的有效传输时段进行叠加，可以提前判断时延是否满足业务时延要求，若满足可接入此业务，若不满足则不接入该业务，可以保障业务传输的性能。

56、综上，本发明通过构建可表征低轨卫星多维资源的时空属性的时变拓扑图，定义有效传输时段以及保护时隙，并根据不同的链路连通状态切换情况，构建相应的基于保护时隙的业务传输策略，能够预测业务传输的时延，避免星间链路切换时造成的丢包现象，具有降低时间确定性网络分析与设计复杂度以及提升业务传输可靠性的优点。