基于时间片的LEO卫星星座的网络拓扑构建方法及系统

基于时间片的leo卫星星座的网络拓扑构建方法及系统
技术领域
1.本发明涉及数据处理技术领域，具体地，涉及一种基于时间片的leo卫星星座的网络拓扑设计方法及系统。


背景技术：

2.互联网正在向太空迈向一大步，建设大型卫星星座(数百至数万颗卫星)的计划也在持续推进，力求建成覆盖全球的低延迟、高带宽的“新一代”互联网。包括spacex、amazon、telesat、oneweb等等在内几家公司已经公布了在卫星网络方面的最新进展。自2020年以来，spacex的starlink星座已经发射了1800多颗卫星，并且发射的节奏还在不断加快，该星座已经能够提供有限的互联网服务了。不难想象，这些“太空互联网”计划可能会颠覆传统的互联网。
3.专利文献cn111277321b(申请号：cn202010093631.8)公开了一种卫星通信系统及方法，该系统包括：leo低轨道卫星网络、meo中轨道卫星网络和geo高轨道卫星网络，其中：geo网络用于承载与meo网络进行数据传输；meo网络用于分别与geo网络和leo网络进行数据传输。leo网络分别用于与meo网络和地面通信网络进行数据传输。
4.上一代卫星网络，例如hughesnet只需数十颗地球同步轨道(geosynchronous orbit,gso；geostationary oribit,geo)卫星，就能给至多几百万用户的农村地区提供网络覆盖服务。这些gso卫星有一个基本的限制，就是其轨道高度必须为35786km，因此，不可避免地带来了比较高的延迟。据报道，其往返传输时延(round-trip time,rtt)通常会超过600ms；并且，所提供的带宽通常非常有限。非地球同步轨道(non-geosynchronous orbit,ngso)卫星也在运行，但只是为特定场景提供通信需求。例如，中地球轨道(medium earth orbir,meo)区域，最小高度不小于2000km，最大高度小于gso的轨道高度，应用场景主要包括：gps、glonass、galileo、o3b等等。其中，o3b由16个卫星星座组成，为轮船、海上平台、偏僻的陆地地区提供网络连接，o3b宣称：对于单个连接，可提供140ms的rtt时延及最大2.1mbps的带宽。iridium和iridium next星座的海拔更低，在低地球轨道(low earth orbit，leo，距地表至多2000km)运行，但其注重于卫星网络的拓扑结构。因此，上一代的卫星网络星座无法提供低延迟、高带宽的全球互联网服务。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于时间片的leo卫星星座的网络拓扑构建方法及系统。
6.根据本发明提供的基于时间片的leo卫星星座的网络拓扑构建方法，包括如下步骤：
7.步骤s1：根据信道干扰、发射成本、网络动态性、覆盖区域、传输时延，进行卫星星座轨道数、每个轨道上面的卫星数、轨道倾角、轨道高度、同一轨道卫星分布、不同轨道卫星相位以及地面站点可见卫星的最小仰角设计；
8.步骤s2：权衡网络的稳定性和拓扑切换的开销，在一个轨道周期内进行时间片的划分，计算在各时间片上卫星的位置；
9.步骤s3：根据空间限制和链路功率计算星间、星地链路的阈值，确定在各时间片上有效的星间、星地链路；
10.步骤s4：在各时间片上，根据有效的星间、星地链路以及卫星、地面站点构建网络拓扑图，结合地面站点流量、卫星硬件限制，计算可行拓扑；
11.步骤s5：根据各时间片上确定的网络拓扑，组合时间片，构建动态的网络拓扑结构。
12.优选的，所述步骤s2包括：
13.利用卫星运行的周期性，以预设时间间隔对一个周期进行划分，并在各时刻认为卫星是静止的，从而进行静态的网络拓扑设计；
14.利用步骤s1中所设计的卫星及其轨道参数，计算出各卫星的运行速度，然后根据时间片所处时刻计算出卫星的空间位置；
15.计算卫星的角速度、轨道周期，公式为：
16.r＝r hs[0017][0018][0019]
式中，r为地球的半径；hs为卫星的轨道高度；r为卫星的轨道半径；g为万有引力常数；m为地球质量；ω为角速度；t为轨道周期；
[0020]
计算卫星的空间位置：
[0021]
θ
t
＝θ0 ωt
[0022]
xw＝r cosθ
t
[0023]yw
＝r sinθ
t
[0024][0025]
式中，θ0为真近点角，是初始时刻卫星在轨道平面转过的角度；t为任意时刻；θ
t
为t时刻卫星在轨道平面转过的角度；xw，yw为t时刻卫星在轨道平面的坐标；ω为升交点赤经；i为轨道倾角；x
t
，y
t
，z
t
为t时刻卫星的空间坐标。
[0026]
优选的，所述步骤s3包括：
[0027]
步骤s3.1：根据星间的可见性，确定基本的星间链路限制，最长星间链路计算为：
[0028][0029]
式中，h0为下层大气距地球表面的距离；
[0030]
步骤s3.2：根据星地的可见性，卫星在天空中的仰角大于地面站点的最小仰角，确定基本的星地链路限制，地面站点看向卫星的仰角计算为：
[0031][0032][0033]
式中，(xs，ys，zs)，(xg，yg，zg)分别为卫星和地面站点的坐标；α为地面站点看向卫星的仰角，当α＞e时，e为最小仰角，地面站点才能看到卫星；
[0034]
步骤s3.3：根据各链路的功率限制，确定允许的最长星间、星地链路；
[0035]
步骤s3.4：结合步骤s3.1-s3.3，确定各时间片上有效的星间、星地链路。
[0036]
优选的，所述步骤s4包括：
[0037]
将所有的卫星、地面站点抽象为图的顶点，将所有的星间、星地链路抽象为图的边，且所有的边均为双向边，并将星间、星地链路的长度抽象为边的权重，从而构建网络拓扑图；
[0038]
将全球预设城市抽象为地面站点，并根据城市的人口预测数据估算为流量，地面站点之间的流量为城市对之间人口数量的乘积，从而对地面站点流量进行建模。
[0039]
优选的，所述步骤s4中计算可行拓扑包括：
[0040]
步骤s4.1：根据确定的顶点间的流量，利用diikstra算法计算各流量的最短路径及所经过的节点数；
[0041]
步骤s4.2：删除图中没有涉及到最短路径的边；
[0042]
步骤s4.3：对于图中的节点，若其度大于卫星的天线数，则删除度数权重最大的边，然后重新利用dijkstra算法计算被删除边所连的两个顶点之间的最短路径；
[0043]
步骤s4.4：重复步骤s4.3，直到所有边的度均不大于卫星允许的天线数；
[0044]
所述度数权重最大的边为：对于与某个顶点相连的所有边，其中与边相连的两个顶点度数乘积最大的边。
[0045]
根据本发明提供的基于时间片的leo卫星星座的网络拓扑构建系统，包括如下模块：
[0046]
模块m1：根据信道干扰、发射成本、网络动态性、覆盖区域、传输时延，进行卫星星座轨道数、每个轨道上面的卫星数、轨道倾角、轨道高度、同一轨道卫星分布、不同轨道卫星相位以及地面站点可见卫星的最小仰角设计；
[0047]
模块m2：权衡网络的稳定性和拓扑切换的开销，在一个轨道周期内进行时间片的划分，计算在各时间片上卫星的位置；
[0048]
模块m3：根据空间限制和链路功率计算星间、星地链路的阈值，确定在各时间片上有效的星间、星地链路；
[0049]
模块m4：在各时间片上，根据有效的星间、星地链路以及卫星、地面站点构建网络拓扑图，结合地面站点流量、卫星硬件限制，计算可行拓扑；
[0050]
模块m5：根据各时间片上确定的网络拓扑，组合时间片，构建动态的网络拓扑结构。
[0051]
优选的，所述模块m2包括：
[0052]
利用卫星运行的周期性，以预设时间间隔对一个周期进行划分，并在各时刻认为卫星是静止的，从而进行静态的网络拓扑设计；
[0053]
利用模块m1中所设计的卫星及其轨道参数，计算出各卫星的运行速度，然后根据
时间片所处时刻计算出卫星的空间位置；
[0054]
计算卫星的角速度、轨道周期，公式为：
[0055]
r＝r hs[0056][0057][0058]
式中，r为地球的半径；hs为卫星的轨道高度；r为卫星的轨道半径；g为万有引力常数；m为地球质量；ω为角速度；t为轨道周期；
[0059]
计算卫星的空间位置：
[0060]
θ
t
＝θ0 ωt
[0061]
xw＝r cosθ
t
[0062]yw
＝r sinθ
t
[0063][0064]
式中，θ0为真近点角，是初始时刻卫星在轨道平面转过的角度；t为任意时刻；θ
t
为t时刻卫星在轨道平面转过的角度；xw，yw为t时刻卫星在轨道平面的坐标；ω为升交点赤经；i为轨道倾角；x
t
，y
t
，z
t
为t时刻卫星的空间坐标。
[0065]
优选的，所述模块m3包括：
[0066]
模块m3.1：根据星间的可见性，确定基本的星间链路限制，最长星间链路计算为：
[0067][0068]
式中，h0为下层大气距地球表面的距离；
[0069]
模块m3.2：根据星地的可见性，卫星在天空中的仰角大于地面站点的最小仰角，确定基本的星地链路限制，地面站点看向卫星的仰角计算为：
[0070][0071][0072]
式中，(xs，ys，zs)，(xg，yg，zg)分别为卫星和地面站点的坐标；α为地面站点看向卫星的仰角，当α＞e时，e为最小仰角，地面站点才能看到卫星；
[0073]
模块m3.3：根据各链路的功率限制，确定允许的最长星间、星地链路；
[0074]
模块m3.4：结合模块m3.1-m3.3，确定各时间片上有效的星间、星地链路。
[0075]
优选的，所述模块m4包括：
[0076]
将所有的卫星、地面站点抽象为图的顶点，将所有的星间、星地链路抽象为图的边，且所有的边均为双向边，并将星间、星地链路的长度抽象为边的权重，从而构建网络拓扑图；
[0077]
将全球预设城市抽象为地面站点，并根据城市的人口预测数据估算为流量，地面站点之间的流量为城市对之间人口数量的乘积，从而对地面站点流量进行建模。
[0078]
优选的，所述模块m4中计算可行拓扑包括：
[0079]
模块m4.1：根据确定的顶点间的流量，利用dijkstra算法计算各流量的最短路径及所经过的节点数；
[0080]
模块m4.2：删除图中没有涉及到最短路径的边；
[0081]
模块m4.3：对于图中的节点，若其度大于卫星的天线数，则删除度数权重最大的边，然后重新利用dijkstra算法计算被删除边所连的两个顶点之间的最短路径；
[0082]
模块m4.4：重复模块m4.3，直到所有边的度均不大于卫星允许的天线数；
[0083]
所述度数权重最大的边为：对于与某个顶点相连的所有边，其中与边相连的两个顶点度数乘积最大的边。
[0084]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0085]
1、本发明使用更均匀的卫星分布，在部署相同数量卫星的条件下，可以覆盖更大的地区；
[0086]
2、本发明从最佳路由出发构建网络的拓扑结构，可以有效降低端到端的传输时延；
[0087]
3、本发明为基于时间片的动态网络拓扑，可以减少运行中的星间链路数量，从而减小卫星所需功率，降低运行成本。
附图说明
[0088]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0089]
图1为本发明实施例中基于时间片的大型leo卫星星座的网络拓扑设计方法流程图；
[0090]
图2为本发明实施例中卫星及其轨道设计参数的参考图；
[0091]
图3为本发明实施例中所设计参数下卫星及其轨道的示意图；
[0092]
图4为本发明实施例中计算最长星间链路的示意图。
具体实施方式
[0093]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0094]
实施例：
[0095]
根据本发明提供的基于时间片的大型leo卫星星座的网络拓扑构建系统，包括如下模块：模块m1：根据信道干扰、发射成本、网络动态性、覆盖区域、传输时延，进行卫星星座轨道数、每个轨道上面的卫星数、轨道倾角、轨道高度、同一轨道卫星分布、不同轨道卫星相位以及地面站点可见卫星的最小仰角设计；模块m2：权衡网络的稳定性和拓扑切换的开销，在一个轨道周期内进行时间片的划分，计算在各时间片上卫星的位置；模块m3：根据空间限制和链路功率计算星间、星地链路的阈值，确定在各时间片上有效的星间、星地链路；模块m4：在各时间片上，根据有效的星间、星地链路以及卫星、地面站点构建网络拓扑图，结合地
面站点流量、卫星硬件限制，计算可行拓扑；模块m5：根据各时间片上确定的网络拓扑，组合时间片，构建动态的网络拓扑结构。
[0096]
所述模块m2包括：利用卫星运行的周期性，以预设时间间隔对一个周期进行划分，并在各时刻认为卫星是静止的，从而进行静态的网络拓扑设计；利用模块m1中所设计的卫星及其轨道参数，计算出各卫星的运行速度，然后根据时间片所处时刻计算出卫星的空间位置；
[0097]
计算卫星的角速度、轨道周期，公式为：
[0098]
r＝r hs[0099][0100][0101]
式中，r为地球的半径；hs为卫星的轨道高度；r为卫星的轨道半径；g为万有引力常数；m为地球质量；ω为角速度；t为轨道周期；
[0102]
计算卫星的空间位置：
[0103]
θ
t
＝θ0 wt
[0104]
xw＝r cosθ
t
[0105]yw
＝r sinθ
t
[0106][0107]
式中，θ0为真近点角，是初始时刻卫星在轨道平面转过的角度；t为任意时刻；θ
t
为t时刻卫星在轨道平面转过的角度；xw，yw为t时刻卫星在轨道平面的坐标；ω为升交点赤经；i为轨道倾角；x
t
，y
t
，z
t
为t时刻卫星的空间坐标。
[0108]
所述模块m3包括：模块m3.1：根据星间的可见性，确定基本的星间链路限制，最长星间链路计算为：
[0109][0110]
式中，h0为下层大气距地球表面的距离；
[0111]
模块m3.2：根据星地的可见性，卫星在天空中的仰角大于地面站点的最小仰角，确定基本的星地链路限制，地面站点看向卫星的仰角计算为：
[0112][0113][0114]
式中，(xs，ys，zs)，(xg，yg，zg)分别为卫星和地面站点的坐标；α为地面站点看向卫星的仰角，当α＞e时，e为最小仰角，地面站点才能看到卫星；
[0115]
模块m3.3：根据各链路的功率限制，确定允许的最长星间、星地链路；模块m3.4：结合模块m3.1-m3.3，确定各时间片上有效的星间、星地链路。
[0116]
所述模块m4包括：将所有的卫星、地面站点抽象为图的顶点，将所有的星间、星地
链路抽象为图的边，且所有的边均为双向边，并将星间、星地链路的长度抽象为边的权重，从而构建网络拓扑图；将全球预设城市抽象为地面站点，并根据城市的人口预测数据估算为流量，地面站点之间的流量为城市对之间人口数量的乘积，从而对地面站点流量进行建模。
[0117]
所述模块m4中计算可行拓扑包括：模块m4.1：根据确定的顶点间的流量，利用diikstra算法计算各流量的最短路径及所经过的节点数；模块m4.2：删除图中没有涉及到最短路径的边；模块m4.3：对于图中的节点，若其度大于卫星的天线数，则删除度数权重最大的边，然后重新利用dijkstra算法计算被删除边所连的两个顶点之间的最短路径；模块m4.4：重复模块m4.3，直到所有边的度均不大于卫星允许的天线数；所述度数权重最大的边为：对于与某个顶点相连的所有边，其中与边相连的两个顶点度数乘积最大的边。
[0118]
本发明提供了一种基于时间片的大型leo卫星星座的网络拓扑设计方法，参照图1，包括以下步骤：
[0119]
步骤s1：联合考虑信道干扰、发射成本、网络动态性、覆盖区域、传输时延，进行卫星星座轨道数、每个轨道上面的卫星数、轨道倾角、轨道高度、同一轨道卫星分布、不同轨道卫星相位以及地面站点可见卫星的最小仰角设计。如图2所示，设计轨道高度和最小仰角时要特别考虑信道干扰及卫星的覆盖区域。实施例中设计的轨道数o＝40，每个轨道上面的卫星数n＝40，轨道倾角i＝53
°
，轨道高度hs＝550km，同一轨道上面的卫星为均匀分布，不同轨道的相位p＝0.5(使整个星座上的卫星均匀分布)，最小仰角e＝40
°
。据此设计出的卫星星座如图3所示。
[0120]
步骤s2：权衡网络的稳定性和拓扑切换的开销在一个轨道周期内进行时间片的划分，计算在各时间片上卫星的位置。
[0121]
根据实施例设计的参数计算卫星的角速度、轨道周期：取地球半径r为6371km；万有引力常数g为6.67
×
10-11n·
m2/kg2；地球质量m为5.965
×
10
24
kg。计算得：角速度ω＝0.628转/小时；轨道周期t＝95.6分钟。
[0122]
计算卫星的空间位置：例如，取真近点角θ0为0
°
，时刻t为1分钟，升交点赤经ω为0
°
计算得卫星的空间坐标为：(6906.04，273.72，363.24)，单位为km。
[0123]
步骤s3：联合考虑空间限制和链路功率计算星间、星地链路的阈值，确定在各时间片上有效的星间、星地链路。具体步骤如下：
[0124]
步骤s3.1：根据星间的可见性，即星间链路不能穿过下层大气，确定基本的星间链路限制。如图4，取下层大气距地球表面的距离为80km，计算得：最长星间链路d
isl
＝5014km。
[0125]
步骤s3.2：根据星地的可见性，即只有卫星在天空中的仰角大于地面站点的最小仰角，才能保证星地链路稳定，确定基本的星地链路限制。在e＝40
°
的条件下，每个地面站点大概能看到7-10颗卫星。
[0126]
步骤s3.3：根据各链路的功率限制，确定允许的最长星间、星地链路。受到实际使用的链路媒介及相关的技术所限制。
[0127]
步骤s3.4：结合步骤s3.1-s3.3，确定各时间片上有效的星间、星地链路。
[0128]
步骤s4：在各时间片上，根据有效的星间、星地链路以及卫星、地面站点构建网络拓扑图，结合地面站点流量、卫星硬件限制等条件计算可行拓扑。具体步骤如下：
[0129]
构建网络拓扑图g：将所有的卫星、地面站点抽象为图的顶点v，将所有的星间、星
地链路抽象为图的边e，且所有的边均为双向边，并将星间、星地链路的长度抽象为边的权重w。
[0130]
地面站点流量f的建模：将全球著名城市抽象为地面站点，并根据城市的人口预测数据估算为流量，地面站点之间的流量即为城市对之间人口数量的乘积。
[0131]
计算可行拓扑包括以下步骤：
[0132]
步骤s4.1：根据构建的网络拓扑图g和顶点间的流量f，利用dijkstra算法计算各流量的最短路径p
opt
及所经过的节点数c；
[0133]
步骤s4.2：从边集合e中删除不在最短路径集合p
opt
中的边；
[0134]
步骤s4.3：对于顶点集合v中的每个顶点v，若其度数deg(v)大于卫星允许的天线数，则计算与v相连的所有边e
′
的度数权重，即：对于e
′
中的所有边e
′
所连的顶点v与v
′
，计算deg(v)
×
deg(v
′
)。找出度数权重最大的边argmax
(v，v
′
)∈e
′
deg(v)
×
deg(v
′
)，记为(v，v
″
)，进行删除。然后重新利用dijkstra算法计算υ与v
″
之间的最短距离。
[0135]
步骤s4.4：重复步骤s4.3，直到所有边的度均不大于卫星允许的天线数。
[0136]
步骤s5：根据各时间片上确定的网络拓扑，组合时间片，构建动态的网络拓扑结构。具体做法为：在一个轨道周期内，利用软件预先定义好每个时间片上面计算好的星间、星地链路，在时间片切换的同时，切换星间、星地链路的链接，则整个网络的拓扑结构会随着时间动态变化。
[0137]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
[0138]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。