多层卫星网络中基于分簇的路由方法

1.本发明属于卫星通信技术领域，特别涉及一种基于分簇的路由方法，可用于多层卫星网络路由。


背景技术：

2.自从20世纪末期，由于“铱星”系统组网建设计划的推动，人们开始对卫星通信网络的路由技术进行研究。最初对卫星网络路由技术的研究主要集中在低轨道卫星的路由技术，随着空间技术的发展，多层轨道混合的卫星网络的路由技术受到越来越多的关注。多层卫星网络在结构上通常是由两层或两层以上的处于不同轨道面的卫星组合而成，因而多层卫星网络的路由技术也有差异。多层卫星网络其覆盖率要高于单层卫星网络，而且可选路径更多、卫星在组网方面也会更加灵活。
3.根据卫星轨道高度划分，卫星可分为三类：地球静止轨道卫星geo，中地球轨道卫星meo，低地球轨道卫星leo。不同层的卫星网络通过层间链路构成多层卫星网络，其主要包括geo/leo，meo/leo,geo/meo/leo等拓扑结构。其中geo/leo双层网络结构相比其他多层网络结构具有以下优点：
4.其一，相比规模庞大，卫星数量多，耗费资源多的geo/meo/leo三层网络结构，网络规模简单。
5.其二，相较于卫星通信网络系统的建设和维护成本较高和层间链路不稳定的meo/leo结构，通信开销小。
6.其三，geo/leo双层结构的卫星可相互补充，即leo卫星系统弥补了geo卫星对高纬度地球覆盖不好，传输时延大的不足；geo卫星弥补了leo卫星由于运动速度快带来的多普勒效应等不足。同时geo卫星技术成熟，leo卫星易于生产，大大提高了该双层卫星网络的可实现性。
7.在传统双层的网络结构中，通常维持着一种强连接模型，即上层卫星与每个下层的卫星均保持连接。这样的连接模型有两个主要问题：一是层间连接关系复杂，二是geo卫星对极区leo卫星无法有效覆盖。
8.陈健飞等人在2015年发表的论文“多层卫星网络路由策略研究”中公开了一种基于“分群 分组”的卫星管理方法，群管理者geo卫星只与分组头联系。该方法的实现步骤是：第一步，以地球轴线为分界线将一个极轨道分为两个半圆轨道，将处于同一半圆轨道的卫星称为一个卫星组；第二步，选择卫星组中纬度最低的一颗卫星作为分组头；第三步，由分组头确定覆盖其的一个geo卫星作为群管理者；第四步，将分组头加入geo卫星管理群中；第五步，将分组头所在组内的其他leo卫星加入管理者geo卫星中。该方法由于组头分发路由信息以及组员报告链路状态分组只在轨内路径，因而当卫星的一条链路出现故障时，路由信息和链路状态分组经过组内另一分组头传递，增大了时延；当卫星的两条链路均故障时，信息无法传递，可靠性大大降低。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种多层卫星网络中基于分簇的路由方法，以减少一条链路出现故障时的时延，提高两条链路均故障时的传输可靠性。
10.为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
11.(1)划分卫星组，即将一个极轨道以地球轴线为分界线划分为两个半圆轨道，将处于同一个半圆轨道的卫星合称为一个卫星组，并用二维坐标确定每颗卫星的位置；
12.(2)在每个卫星组中，选取一颗纬度最低的卫星作为分组头；
13.(3)每个高轨道卫星geo作为一个群管理者，创建管理群，并初始化，等待下层分组头加入管理群；
14.(4)下层分组头判断覆盖其的所有上层卫星的数量，并确定上层管理者：
15.如果仅有一颗高轨道卫星geo，则把唯一覆盖当前分组头的上层高轨道卫星geo确定为群管理者；
16.否则，利用星下点距离公式计算卫星的星下点距离，根据此距离确定高轨道卫星geo确定为群管理者；
17.(5)将分组头添加到高轨道卫星geo管理群内，由群管理者高轨道卫星geo统一管理；并将分组头所在组内其他低轨道卫星leo添加到高轨道卫星geo管理群内；
18.(6)分组头汇聚节点链路状态，判断组内卫星链路是否故障：
19.若链路没有故障，则卫星节点的链路状态信息发送至卫星组内分组头；
20.否则，卫星链路状态信息向轨间扩散，将链路状态信息发送至其他分组的分组头；
21.(7)每个分组头汇总链路状态信息后上传至上层卫星geo，由上层卫星geo计算路由表并发送至群内的每个分组头，分组头分发路由表至其他低轨道卫星leo。
22.本发明由于采用了将链路状态信息同时在轨内传输与轨间传输并行的方法，不再局限于轨内传输，因而当卫星链路发生故障时，信息可以通过轨间链路传输，相较于现有技术信息传递方法，减少了跳数，降低了传输时延，提高了传输可靠性。
附图说明
23.图1为现有卫星网络示意图；
24.图2为现有低轨道卫星leo网络拓扑图；
25.图3为本发明的实现流程图；
26.图4为本发明中的卫星分组示意图；
27.图5为本发明中确定群管理者的示意图；
28.图6为本发明中对卫星链路未发生故障时的链路信息收集示意图；
29.图7为本发明中对卫星一条链路发生故障时的链路信息收集示意图；
30.图8为本发明中对卫星两条链路均发生故障时的链路信息收集示意图。
具体实施方式
31.下面结合附图，对本发明的实施例进行清楚、完整地描述。
32.参照图1，本实施例中使用的卫星网络，包括3颗高轨道卫星geo，6个低轨道，每个轨道12颗低轨道卫星leo，网络采用近极轨星座为场景。每个低轨卫星节点使用sxxyy方式
标识，其中xx表示卫星轨道编号，yy表示卫星轨内编号，s表示卫星，如s0101，表示1轨道的第1颗卫星。
33.所述的6个低轨道卫星组成低轨道卫星网络拓扑结构，如图2所示。其中，每个低轨道卫星与周围的4颗低轨道卫星建立连接，每个低轨道卫星最多包含4条星间链路，即轨内两条和轨间两条。低轨道卫星网络反向缝两侧的卫星不建立连接，即轨道1和轨道2的卫星之间不建立轨间连接。当轨间相邻的两颗卫星均运动到纬度大于75
°
的极圈内时，轨间相邻的两颗卫星断开轨间连接，如卫星a和卫星b均在极圈内时，轨间链路断开，每个低轨道卫星包含2条星间链路，即轨内两条。
34.参照图3，本发明在上述多层卫星网络中基于分簇的路由方法，包含以下步骤：
35.步骤1，划分卫星组。
36.先将一个极轨道以地球轴线为分界线划分为两个半圆轨道，再将处于同一个半圆轨道的卫星合称为一个卫星组,使所有的低轨卫星被分为12个卫星组。
37.步骤2，选取分组头。
38.在每个卫星组中，选取一颗纬度最低的卫星作为分组头，如图4所示，该分组头的位置处于最靠近赤道的地方，纬度最小，其中iol表示轨间链路，isl表示轨内链路。
39.步骤3，创建管理群。
40.将每个高轨道卫星geo作为一个群管理者，创建管理群，并初始化，等待下层分组头加入管理群；
41.每个高轨道卫星geo创建一个管理群，本实例共创建了3个管理群。
42.步骤4，确定上层群管理者。
43.4.1)下层分组头判断覆盖其的所有上层卫星的数量，并以此卫星数量确定上层群管理者：
44.如果覆盖该分组头的高轨道卫星geo只有一颗，则把唯一覆盖当前分组头的上层高轨道卫星geo确定为群管理者；
45.否则，执行4.2)
46.4.2)参照图5，计算卫星的星下点距离：
47.4.2.1计算高轨道卫星geo a对低卫轨道卫星leo c足印的半地心角θ：
[0048][0049]
其中，ε
min
为低轨道卫星leo c的最小仰角，h
l
、hg、re分别为低轨道高度、高轨道高度、地球半径；
[0050]
4.2.2)计算高轨道卫星geo a和低卫轨道卫星leo c与地心连线之间的夹角
[0051][0052]
其中，a'、c'分别表示高轨道卫星geo a、低卫轨道卫星leo c的星下点轨迹，|a'c'|表示高轨道卫星geo a和低卫轨道卫星leo c的星下点距离；
[0053]
4.2.3)比较与θ，如果则根据此条件计算星下距离|a'c'|：
[0054][0055]
其中，η1和η2分别表示a'和c'的经度，ξ1和ξ2分别表示a'和c'的纬度，其中ξ1等于0；
[0056]
4.3)根据此距离确定高轨道卫星geo确定为群管理者：
[0057]
4.3.1)用同样的方式计算高轨道卫星geo b和低卫轨道卫星leo c的星下点距离|b'c'|；
[0058]
4.3.2)比较|a'c'|与|b'c'|的大小：
[0059]
若|a'c'|》|b'c'|，表明高轨道卫星geo a与低卫轨道卫星leo c的对地点之间距离大，则选择高轨道卫星geo b作为群管理者；
[0060]
若|a'c'|《|b'c'|，则选择高轨道卫星geo a作为群管理者；
[0061]
若|a'c'|＝|b'c'|，即星下点距离相等，则指定高轨道卫星geo a和高轨道卫星geo b中任意一个作为群管理者。
[0062]
步骤5，管理群添加成员。
[0063]
将分组头添加到高轨道卫星geo管理群内，由高轨道卫星geo作为群管理者统一管理群内卫星；并将分组头所在组内其他低轨道卫星leo添加到高轨道卫星geo管理群内。
[0064]
步骤6，分组头收集节点链路状态。
[0065]
6.1)对于如图6所示的卫星链路未发生故障情况，其组内各个卫星向着组头的方向，沿着组内也就是轨内链路发送到组头卫星，组头收集组内所有卫星的链路状态信息；
[0066]
6.2)对于如图7所示的卫星只有一条链路出现故障情况，卫星s0203向组外也就是轨间进行扩散，扩散路径为s0203
→
s0103
→
s0102或s0203
→
s0303
→
s0302，此时卫星s0203的链路状态信息传到了临轨的分组头，即临轨的分组头收集卫星s0203的链路状态；
[0067]
6.3)对于如图8所示的卫星两条均链路出现故障情况，即卫星s0203与轨内其他两个卫星之间的链路出现故障，此时s0203向组外也就是轨间进行扩散，卫星向它的左右临轨扩散链路状态分组，扩散过程为s0203
→
s0103
→
s0102或s0203
→
s0303
→
s0302,此时卫星s0203的链路状态信息传到了临轨的分组头s0102和s0302，即临轨的分组头收集卫星s0203的链路状态。
[0068]
步骤7，分组头上传收集的卫星链路状态信息。
[0069]
每个分组头将自己收集到的节点链路状态信息上传至上层卫星geo，该节点链路信息是指节点与邻居节点之间链路的队列状态，包含源卫星，目的卫星，传播时延和排队时延。分组头上传的帧的内容是该分组头收集到的所有节点的链路状态信息的组合；
[0070]
上层卫星geo根据节点链路状态信息计算路由表，并发送至群内的每个分组头；
[0071]
每个分组头再将路由表分发给其他低轨道卫星leo，低轨道卫星leo中的源卫星与目的卫星之间按照路由表进行路径选择和信息传递。
[0072]
以上描述仅是对本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。