一種基于時(shí)隙優(yōu)化的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及基于時(shí)隙優(yōu)化的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由方法，屬于衛(wèi)星通信領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航天技術(shù)的迅猛發(fā)展和快速應(yīng)用，空間在軍事、政治和經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域的戰(zhàn)略地 位日益重要，因此發(fā)展W衛(wèi)星系統(tǒng)為核屯、的空間信息網(wǎng)是世界各國發(fā)展航天力量的重要任 務(wù)之一。單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能滿足空間信息網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，因而研究混合異構(gòu)的多 層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)就有十分重要的意義。
[0003] 相比于單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)有很多優(yōu)點(diǎn)。多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活、抗毀性 強(qiáng)、功能多樣化、可W利用的空間頻譜范圍廣，綜合了不同軌道層衛(wèi)星的優(yōu)點(diǎn)，其覆蓋率要 高于單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。但是，多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性高、節(jié)點(diǎn)數(shù)目多、鏈路數(shù)目大，且由于衛(wèi)星 節(jié)點(diǎn)不斷運(yùn)動(dòng)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟蔡幱谝环N快速的動(dòng)態(tài)變化中，因此路由技術(shù)也要更加復(fù)雜。
[0004] 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)通常采用拓?fù)淇刂撇呗云帘瓮負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性，進(jìn)而針對(duì)靜態(tài) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行路由的計(jì)算與優(yōu)化。目前，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)采用的拓?fù)淇刂撇呗源笾驴蒞分為=種： 虛擬拓?fù)洳呗浴⑻摂M節(jié)點(diǎn)策略、區(qū)域劃分策略。對(duì)于多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)而言，近年來研究較多的 是虛擬拓?fù)洳呗裕磿r(shí)間虛擬化策略。在已有的基于GE0/LE0網(wǎng)絡(luò)路由算法中，大多是基于 GE0覆蓋域進(jìn)行分割的分層路由算法。算法依據(jù)上層衛(wèi)星的覆蓋域?qū)ο聦有l(wèi)星分組，在組成 員關(guān)系發(fā)生改變時(shí)上層衛(wèi)星為下層衛(wèi)星計(jì)算路由。
[0005] 傳統(tǒng)方法已經(jīng)完成了對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的路由控制，但是，傳統(tǒng)GE0/LE0雙層衛(wèi)星網(wǎng) 絡(luò)路由策略存在W下缺點(diǎn)：首先，在時(shí)間虛擬化策略方面，多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組成員的頻繁變化 造成星間鏈路頻繁切換，由切換帶來的路由協(xié)議開銷較大；其次，在衛(wèi)星分組管理策略方 面，GE0衛(wèi)星需要與覆蓋域內(nèi)的所有LEO衛(wèi)星通信，層間鏈路復(fù)雜，協(xié)議開銷大，同時(shí)由于天 線轉(zhuǎn)向的限制，LEO衛(wèi)星在極地區(qū)域難W與GE0衛(wèi)星建立連接；最后，在路由計(jì)算方法上，極 軌衛(wèi)星在極地區(qū)域軌道間鏈路臨時(shí)斷開的特性也沒有被重點(diǎn)考慮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明是要解決傳統(tǒng)方法路由協(xié)議開銷較大、LEO衛(wèi)星在極地區(qū)域難W與GE0衛(wèi) 星建立連接并且沒有考慮極軌衛(wèi)星在極地區(qū)域軌道間鏈路臨時(shí)斷開的問題，而提供了一種 基于時(shí)隙優(yōu)化的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由方法。
[0007] -種基于時(shí)隙優(yōu)化的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由方法，它按W下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0008](一）構(gòu)建3GE0+66LE0雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型；
[0009](二）在3GE0+66LE0雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用基于"覆蓋域分群+軌道面 分簇"衛(wèi)星分組管理方法，確定上下層衛(wèi)星之間控制關(guān)系；
[0010] (S)根據(jù)上下層衛(wèi)星之間控制關(guān)系對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行周期進(jìn)行時(shí)隙劃分和優(yōu)化；
[0011] (四）基于位置預(yù)測的路由算法GE0衛(wèi)星為LEO衛(wèi)星計(jì)算路由表；
[0012] (五）結(jié)合步驟（一）~（四），在每個(gè)時(shí)間片開始時(shí)進(jìn)行路由更新。
[001引發(fā)明效果：
[0014] 針對(duì)上述問題，本發(fā)明WGE0/LE0雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，結(jié)合基于覆蓋域分 群和軌道面分簇的衛(wèi)星分組管理方法，從時(shí)隙優(yōu)化的角度降低星間鏈路切換帶來的協(xié)議開 銷，同時(shí)基于位置信息預(yù)測對(duì)路由算法進(jìn)行優(yōu)化，提高協(xié)議的可靠性。
[0015]實(shí)驗(yàn)通過0P肥T和STK進(jìn)行聯(lián)合仿真，選取西經(jīng)37.2。，北紳4. 56。和西經(jīng)63。， 北紳75°該兩個(gè)位置安放用戶節(jié)點(diǎn)作為仿真通信的兩個(gè)用戶端。設(shè)置I化帶寬為lOOMHz， UDL帶寬為50MHz，數(shù)據(jù)速率為102地bps,鏈路容量為125(K)pks，包的平均長度為1024bits。
[0016] 通過仿真表明，本發(fā)明的路由策略消除了衛(wèi)星天線轉(zhuǎn)向的限制，對(duì)處于極區(qū)的LEO 衛(wèi)星進(jìn)行了有效管理，降低了層間鏈路連接度和層間通信開銷；減少了時(shí)間片的個(gè)數(shù)，同時(shí) 還保證時(shí)間片的有足夠的長度使算法能夠收斂，減少了因星間鏈路切換帶來的協(xié)議開銷； 通過預(yù)測衛(wèi)星位置信息判斷并刪除了在此時(shí)間片內(nèi)即將關(guān)閉的星間鏈路，使得到的路徑不 會(huì)在時(shí)間片內(nèi)發(fā)生中斷，降低了丟包率。
[0017] 在GE0/LE0雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，將管理子網(wǎng)和業(yè)務(wù)子網(wǎng)在物理上分離，由高層 GE0衛(wèi)星為低層LEO衛(wèi)星集中計(jì)算路由表。首先，將覆蓋域分群和軌道面分簇的衛(wèi)星管理方 法結(jié)合起來，LEO衛(wèi)星通過簇首LEO衛(wèi)星與GE0衛(wèi)星通信，對(duì)處于極區(qū)的LEO衛(wèi)星進(jìn)行有效 管理，降低層間鏈路的復(fù)雜性。其次，通過在時(shí)間片劃分時(shí)僅在衛(wèi)星離開覆蓋域時(shí)產(chǎn)生新的 時(shí)間片來減少時(shí)間片的個(gè)數(shù)，通過設(shè)置口限增加時(shí)間片長度，從時(shí)隙優(yōu)化的角度減少切換 次數(shù)，降低協(xié)議開銷。最后，通過預(yù)測衛(wèi)星的位置信息，刪除在下一個(gè)時(shí)間片內(nèi)可能由于經(jīng) 過極區(qū)而臨時(shí)斷開的鏈路，保證算法的可靠性。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明的3GE0+66LE0雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；
[0019] 圖2為本發(fā)明的LEO衛(wèi)星簇示意圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明的確定群管理者方法示意圖；
[0021] 圖4為本發(fā)明的雙層衛(wèi)星分群管理示意圖；
[0022] 圖5為本發(fā)明的衛(wèi)星分組管理策略流程圖；
[0023] 圖6為本發(fā)明的時(shí)隙優(yōu)化算法示意圖；
[0024]圖7為本發(fā)明的軌道間鏈路的移動(dòng)模型；
[00巧]圖8為本發(fā)明的基于位置預(yù)測的路由優(yōu)化算法流程圖；
[0026] 圖9為本發(fā)明的路由更新策略概要流程圖；
[0027] 圖10為本發(fā)明的丟包率統(tǒng)計(jì)；
[0028] 圖11為本發(fā)明的吞吐量統(tǒng)計(jì)。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0029] 一：本實(shí)施方式的一種基于時(shí)隙優(yōu)化的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由方法，它 按W下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0030](一）構(gòu)建3GE0+66LE0雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型；
[0031](二）在3GE0+66LE0雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用基于"覆蓋域分群+軌道面 分簇"衛(wèi)星分組管理方法，確定上下層衛(wèi)星之間控制關(guān)系；
[0032] (S)根據(jù)上下層衛(wèi)星之間控制關(guān)系對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行周期進(jìn)行時(shí)隙劃分和優(yōu)化；
[0033](四）基于位置預(yù)測的路由算法GE0衛(wèi)星為LEO衛(wèi)星計(jì)算路由表；
[0034](五）結(jié)合步驟（一）~（四），在每個(gè)時(shí)間片開始時(shí)進(jìn)行路由更新。
【具體實(shí)施方式】 [0035] 二；本實(shí)施方式與一不同的是；步驟（一）具體為：
【具體實(shí)施方式】 [003引如圖1所示，采用3顆GE0衛(wèi)星和66顆LEO衛(wèi)星組成系統(tǒng)空間段，系統(tǒng)星座參數(shù) 為；GE0層軌道高度35786千米，軌道傾角0°，軌道數(shù)為1個(gè)，每顆GE0衛(wèi)星有兩條軌道面 內(nèi)的鏈路，最小通信仰角為22。，GE0衛(wèi)星分別位于東經(jīng)-80°，40° ,160° ;LE0層軌道高 度780千米，軌道傾角86. 4°，軌道數(shù)為6個(gè)，每顆LEO衛(wèi)星有兩條軌道面內(nèi)的鏈路和兩條 軌道面間的鏈路，最小通信仰角為8.2°;
[0037] 其中，所述雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型，LEO衛(wèi)星支持用戶接入與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，GE0衛(wèi)星實(shí)現(xiàn) 全網(wǎng)路由計(jì)算，同時(shí)當(dāng)GE0衛(wèi)星對(duì)LEO衛(wèi)星可見時(shí)可W作為中繼進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；
[0038]GE0衛(wèi)星之間維持永久的星間鏈路（InterSatelliteLink,I化），GE0衛(wèi)星與LEO 衛(wèi)星之間通過層間鏈路（Inter化bitLink,lOL)進(jìn)行通信，每顆LEO衛(wèi)星與相鄰的四顆衛(wèi) 星存在ISL但在第1、6軌道面上的衛(wèi)星反向運(yùn)行，相對(duì)速度快，星間鏈路不穩(wěn)定，所W第1、 6軌道面之間不建立星間鏈路，當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過極地地區(qū)（-70°~70°之外）時(shí)軌道面間鏈路 臨時(shí)關(guān)閉。
[0039] 其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0040] S;本實(shí)施方式與一或二不同的是：第一步；GE0衛(wèi)星 創(chuàng)建管理群，等待各簇首LEO衛(wèi)星加入管理群；
[0041] 第二步；LEO衛(wèi)星按照軌道面進(jìn)行分簇，確定簇首LEO衛(wèi)星；
[0042] 其中，所述簇首LEO衛(wèi)星負(fù)責(zé)上層管理者的確定、簇內(nèi)鏈路狀態(tài)信息的匯聚、路由 表的分發(fā)，代表簇內(nèi)衛(wèi)星與上層管理者聯(lián)系；LEO衛(wèi)星簇及簇首的選取如圖2所示；
[0043] 第S步；由簇首LEO衛(wèi)星找出所有覆蓋它的GE0衛(wèi)星；如果僅有一顆GE0衛(wèi)星，就 將該GE0衛(wèi)星作為群管理者；如果有多顆GE0衛(wèi)星，則通過第四步對(duì)群管理者進(jìn)行確定；
[0044] 第四步；當(dāng)簇首LEO衛(wèi)星同時(shí)被不止一顆GE0衛(wèi)星覆蓋，則根據(jù)"星下點(diǎn)距離最短" 原則，確定唯一的群管理者；
[0045] 其中，所述根據(jù)"星下點(diǎn)距離最短"原則確定群管理者；
[004引如圖3所示，圖中A'、B'、C'