一种卫星光波/微波复合组网系统的网络协议架构方法及系统与流程

本发明属于卫星通信网络，具体涉及一种卫星光波/微波复合组网系统的网络协议架构方法及系统。

背景技术：

1、在卫星通信网络领域，随着低轨（leo）卫星星座系统的规模化部署与宽带业务需求的急剧增长，构建高效、可靠且可扩展的星地一体化通信网络已成为当前研究的热点。传统的卫星通信系统通常采用单一微波或单一光波传输体制，其网络协议架构相对固定，难以同时满足高带宽、低延迟、灵活组网及多业务适配的综合性需求。近年来，融合光波与微波的复合组网技术受到广泛关注，其核心挑战在于如何设计统一的网络协议架构，以兼容不同物理传输链路的特性，并实现星间、星地资源的协同调度与管理。

2、在现有技术中，卫星通信系统的标准体系构建多侧重于某一特定技术体制，缺乏以技术体制为导向、系统性的标准族规划。具体而言，在系统总体标准方面，现有方案对组网架构、功能划分、工程接口及能力评估方法的定义不够统一，导致跨厂商、跨星座的系统互操作性较差。在组网协议方面，面向不同传输链路（如ka频段微波链路与激光链路）的传输与接入体制尚未形成有机融合，星地一体化路由交换、星间动态组网及业务接入适配等关键协议流程存在冗余或缺失。此外，安全防护与运维管理方面，现有网络准入控制、安全服务及集成管控机制多针对地面网络设计，难以直接适用于具有高动态拓扑和长传播时延的卫星环境。

3、在协议栈实现层面，当前多数卫星通信系统为控制信令分配独立的信令波束资源，这会占用宝贵的频谱和功率资源，降低了系统的有效载荷效率。同时，现有协议栈在物理层与数据链路层的功能划分上，控制平面与数据平面的界限较为模糊，导致无线资源调度、接入控制、移动性管理等关键流程的协同处理效率不高。特别是在网络层，缺乏对软件定义网络（sdn）等先进技术的有效融合，难以实现网络状态的全局感知与动态优化。

4、进一步地，在星间链路（isl）组网技术方面，激光链路因其高带宽、低截获概率等优势，被视为构建卫星光网络的核心物理链路。然而，现有星间链路拓扑生成与维护方案多基于静态或半静态配置，未能充分考虑激光链路终端（如pat系统，即捕获、对准、跟踪系统）的可用性动态变化。当某个节点的激光链路终端因功能失效或资源占用而断开连接时，现有拓扑重构机制往往响应滞后，可能造成网络分割或连通性下降。因此，保障网络在节点失效情况下的基本连通性（如每个节点至少保持两条独立链路）是亟待解决的关键问题。

5、此外，对星间链路空间位置、链路距离（时延）及指向角（俯仰/方位角）的精确建模，是进行路由协议设计、链路预算及天线指向控制的基础。现有星座参数（如walker星座的n/p/f标记法）与星间链路几何关系的数学描述，多分散于不同文献中，缺乏面向网络协议设计的系统化整合。特别是链路指向角随时间变化的解析表达式，对于动态组网协议中的邻居发现与链路切换决策至关重要，而当前协议架构中尚缺乏对此类物理层动态特性的有效抽象与利用。

6、综上所述，现有卫星光波/微波复合组网系统的网络协议架构在标准体系完整性、协议栈功能划分合理性、控制与数据平面协同性、星间链路动态拓扑适应性以及物理层链路特性建模方面均存在明显不足。因此，亟需提出一种新型的网络协议架构方法，能够从系统总体、组网协议、安全运维到装备产品等层面进行统一标准化设计，并在协议栈内部实现物理层与网络层的解耦与协同，同时结合精确的星间链路数学模型，以支持高动态、高可靠的复合组网通信。

技术实现思路

1、为了解决现有卫星通信系统网络协议架构中标准体系不完整、协议栈功能划分不合理、星间链路动态拓扑适应性差以及物理层链路特性建模不足的问题，本发明提供一种卫星光波/微波复合组网系统的网络协议架构方法及系统。

2、第一方面，本发明所述一种卫星光波/微波复合组网系统的网络协议架构方法，包括系统标准体系架构、协议栈架构、星间链路管理架构三大部分；

3、所述系统标准体系架构划分为系统总体标准、组网协议标准、安全保密标准、运维管控标准、装备及产品标准五大维度；

4、所述协议栈架构中，物理层不对数据平面、控制平面做区分，无需配置独立信令波束资源，全部控制功能依托数据承载式信令完成；分层控制平面分工如下：物理层、数据链路层的控制平面负责完成用户终端接入与切换管控；网络层控制平面基于sdn软件定义网络技术实现全网运行管理；

5、所述星间链路管理架构约束每颗卫星节点至少建立两条星间链路以保障网络连通冗余；引入物理连通性量化参数表征星间激光拓扑连通能力，该参数为拓扑内当前启用激光链路终端数量占卫星全部可用激光链路终端总数的百分比。

6、优选地，所述系统总体标准包含组网及功能架构、工程接口、应用模式、系统测试、能力评估方法标准化内容；所述组网协议标准针对多类型传输链路制定传输接入体制、星地一体化路由交换、星间组网、业务接入适配规范，所述传输链路包含ka微波链路、激光星间链路两类。

7、优选地，所述安全保密标准涵盖传输加密、接入认证与鉴权、天地网络互联安全三类规范；所述运维管控标准包含卫星测控、星地协同管控、全网网络管理、测运控交互接口标准；所述装备及产品标准规定手持终端、车载站、便携站、关口站及配套天线的通用技术要求。

8、优选地，用户终端与宽带业务中心通信协议栈分层结构为：用户终端侧自底向上依次部署用户链路物理层、空间网络链路层、网络层、传输层、应用层；卫星侧部署用户链路物理层、空间网络链路层、空间网络隧道协议层、馈电链路物理层；宽带业务中心侧自底向上依次部署用户链路物理层、空间网络链路层、网络层、传输层、应用层；用户终端与卫星通过用户链路空中接口对接，卫星与宽带业务中心通过馈电链路完成数据交互。

9、优选地，用户终端之间端到端通信协议栈分层结构为：源用户终端侧自底向上为用户链路物理层、空间网络链路层、网络层、传输层、应用层；源卫星侧包含用户链路物理层、空间网络链路层、星间链路物理层；中继卫星两侧均部署星间链路物理层，中间搭载空间网络隧道协议层；目的卫星侧依次部署星间链路物理层、空间网络链路层、用户链路物理层；目的用户终端侧自底向上为用户链路物理层、空间网络链路层、网络层、传输层、应用层；网络相邻节点间通过用户链路空中接口或星间链路空中接口完成通信。

10、优选地，所述物理层核心功能包括物理帧组帧、信号调制解调、信道编译码、物理层链路测量；卫星侧物理层全部运行参数由地面网络控制器统一配置；所述数据链路层核心功能包括无线资源调度、逻辑信道与传输信道映射、功率与时频联合控制、业务数据复用/解复用、数据分段、重排序、级联处理；数据链路层对应的终端接入控制、无线连接管理、移动性管理功能采用星地协同联合实现模式。

11、优选地，单颗卫星节点最大网络自由度由该卫星搭载的激光链路终端数量决定；当卫星全部激光链路终端均建立星间链路并占用时，所形成的星间网络拓扑为双向曼哈顿街道网络。

12、优选地，采用walker星座标记法对星座内卫星分布建模，依托星座基础参数求解惯性坐标系下每颗卫星实时空间位置；相邻轨道平面最近卫星的相位偏移量由星座相位因子唯一确定。

13、优选地，任意两颗卫星间实时星间链路距离，由两颗卫星惯性坐标系位置矢量的差值模长计算得到；星间链路发射光学终端所需俯仰角、方位角，由两颗通信卫星轨道相位差、轨道倾角、轨道平面升交点间距联合求解得到。

14、第二方面，本发明所述一种卫星光波/微波复合组网系统的网络协议架构系统，包括：

15、标准体系管理单元，用于定义和维护系统总体标准、组网协议标准、安全保密标准、运维管控标准和装备及产品标准五大维度的规范内容；

16、协议栈配置单元，用于配置协议栈架构，所述协议栈架构中物理层不对数据平面、控制平面做区分，无需配置独立信令波束资源，全部控制功能依托数据承载式信令完成；在物理层和数据链路层，控制平面用于完成用户终端接入与切换管控；在网络层，控制平面基于软件定义网络技术实现全网运行管理；

17、星间链路管理单元，用于管理星间链路架构，约束每颗卫星节点至少建立两条星间链路以保障网络连通冗余，并计算物理连通性量化参数，所述物理连通性量化参数为拓扑内当前启用激光链路终端数量占卫星全部可用激光链路终端总数的百分比。

18、本发明的有益效果：

19、1、本发明从系统总体、组网协议、安全保密、运维管控、装备及产品五个维度构建了完整的标准体系，覆盖了卫星光波/微波复合组网系统从顶层设计到具体实现的全部环节，各维度之间层次分明、衔接紧密，有效解决了现有技术中跨厂商、跨星座系统互操作性差的问题，为系统的工程设计、测试验证及能力评估提供了统一的技术依据。

20、2、本发明不在物理层单独分配信令波束资源，控制功能由以数据形式承载的信令实现，避免了独立信令波束对频谱和功率资源的额外占用，提高了系统的有效载荷效率。同时，本发明在数据链路层和物理层以接入和切换为控制重点，在网络层基于sdn技术实现网络运行管理，控制平面与数据平面的功能划分明确、协同高效，克服了现有协议栈中控制与数据处理流程耦合度高、调度效率低的缺陷。

21、3、本发明要求每个卫星节点至少建立两条星间链路以保障网络的基本连通性，并定义了物理连通性参数α对拓扑连通性进行量化评估，为动态拓扑条件下的链路配置提供了明确的判断依据，有效保障了网络在节点或链路失效情况下的鲁棒性。此外，本发明建立了星间链路空间位置、链路距离及俯仰/方位角指向角的完整数学模型，为路由协议设计、链路预算及天线指向控制提供了精确的理论支撑，有利于实现动态组网协议中邻居发现与链路切换的精准决策。