利用关系矩阵和链路监测的低轨卫星网络路由方法

1.本发明属于通信技术领域，更进一步涉及卫星网络通信技术领域中的一种利用关系矩阵和链路监测的低轨卫星网络路由方法。本发明可用于在低轨卫星网络中获取一条保证空间信息可靠传输的星间路由。


背景技术：

2.低轨卫星网络路由技术由于通信链路稳定可靠、通信范围广、传输数据形式多样的优势，被广泛应用于一些重要领域如军事侦察和通信、紧急救援和搜救、遥测遥感、全球通信、气象观测以及全球定位导航。低轨卫星网络路由是指由地面节点根据卫星网络拓扑提前计算路由表，而星间链路故障会导致已经规划好的路由失效，出现网络不连通的问题，从而影响整个网络的可靠性。低轨卫星网络路由技术作为低轨卫星网络技术中的关键部分，决定着整个低轨卫星网络系统的灵活性和可靠性。
3.北京邮电大学在其申请的专利文献“基于软件定义网络的低轨道卫星网络路由方法及装置”(专利申请号201910356113.8，申请公布号cn 110034817 a)中公开了一种基于sdn的低轨卫星网络路由方法。该方法将低轨卫星网络划分为数据平面和控制平面，控制平面包括中心控制器及多个本地控制器，数据平面包括多个低轨道leo(low earth orbit)卫星节点。控制平面用于转发拓扑更新、路由表等信令信息，信令信息的传输链路由本地控制器进行计算。数据平面用于转发用户终端的数据。通过将数据平面的集中化管理和控制放在地面上，并由一个本地控制器去监控其子网下的leo卫星节点。由于该方法中本地控制器与leo卫星节点之间的距离远远小于高轨道geo(geostationary earth orbit)卫星节点与leo卫星节点之间的距离，因此降低了两者通信过程中的时延和流量损耗。但是，该方法仍然存在的不足之处是，信令信息的传输链路都是由地面上的本地控制器计算出来的，因此一旦卫星网络的链路出现故障，此时就会发生本地控制器的信令信息无法收发的问题，造成网络不连通的情况。
4.中国空间技术研究院在其申请的专利文献“一种用于leo卫星星座的路由方法”(专利申请号202110372132.7，申请公布号cn 113489525 a)公开了一种用于leo卫星星座的静态路由方法。该方法在地面提前计算好路由表，并将路由表提前固化在全部卫星节点中，在每个卫星节点的路由表中，本卫星到其它每个卫星之间都有多条路由可供选择。同时，卫星周期性地检测星间链路的连接状态，当卫星收到数据包后，根据星间链路的连接状态选择合适的输出端口发送数据包。通过提前预置路由的方式，避免了路由算法计算占用星上资源，也避免了拓扑信息在星座间同步占用过多的卫星网络带宽。并且，卫星节点能够根据链路连接状态，灵活选择最佳路由，从而绕过拥塞或故障链路，因此也兼具动态路由的属性。但是，该方法仍然存在的不足之处是，地面需要为每一颗卫星计算多条路由，从而占用了卫星很多的存储空间，并且网络的自适应性较差，其理由是，当卫星网络的规模发生变化时预置路由就会失效。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提供一种利用关系矩阵和链路监测的低轨卫星网络路由方法，用于解决由于星间链路故障，导致本地控制器的信令信息无法收发的问题，以及卫星网络规模变化导致的预置路由失效的问题。
6.实现本发明目的的技术思路是，本发明由地面sdn控制器发送联通关系矩阵，卫星采用星间链路状态监测发现星间链路故障，更新联通关系矩阵，并根据联通关系矩阵计算路由表。可见本发明是由卫星计算路由表而不是由地面sdn控制器计算路由表并将路由表预置在卫星上，当卫星网络规模发生变化时，由地面sdn控制器重新发送联通关系矩阵，并根据联通关系矩阵重新计算路由表，解决了卫星网络规模变化导致的预置路由失效问题。本发明采用星间链路状态监测发现星间链路故障，将故障星间链路信息向全网泛洪，使卫星计算的路径能够绕过故障的星间链路，有效避免了卫星网络中星间链路故障带来的信令信息丢失，保证了本地控制器的信令信息的正常收发。
7.本发明实现上述目的的步骤包括如下：
8.步骤1，生成联通关系矩阵：
9.(1a)生成低轨道leo卫星网络拓扑s＝《ts,g》，其中，ts表示一组卫星进出南北极圈与其相邻一组卫星进出南北极圈之间的时间间隔，g表示由所有低轨道leo卫星集合，以及卫星之间的通信链路集合组成的低轨道leo卫星网络的拓扑图；
10.(1b)地面sdn控制器将低轨道leo卫星网络拓扑映射为一个m行n列的联通关系矩阵，该矩阵中的每行代表低轨道卫星网络的一颗卫星，每列表示该列所在行对应的低轨道leo卫星与其邻居卫星星间链路的状态；
11.步骤2，发送联通关系矩阵：
12.低轨道leo卫星与地面sdn控制器之间的星地链路，将联通关系矩阵信息发送到覆盖地面sdn控制器的一颗低轨道leo卫星，接收到信息的低轨道leo卫星将该信息转发给其邻居卫星；
13.步骤3，监测星间链路状态：
14.(3a)每颗低轨道leo卫星每隔t
lsd
的时间间隔，向邻居卫星节点发送链路状态探测lsd报文，当5*t
lsd
的时间间隔内，发送报文的卫星收到邻居卫星节点的链路状态探测lsd报文，则认定该发送报文的卫星的星间链路正常；否则，认定发送报文的卫星的星间链路有故障；
15.(3b)将星间链路有故障的卫星与其在上一次5*t
lsd
的时间间隔的星间链路状态进行比较，若两次星间链路状态相同，则认定有故障的卫星的星间链路状态未发生变化；否则，认定有故障的卫星的星间链路状态发生变化；
16.(3c)将联通关系矩阵中星间链路状态发生变化的卫星与其邻居卫星的星间链路的状态值均设置为0；
17.步骤4，将故障星间链路信息向全网泛洪：
18.有故障的低轨道leo卫星将其故障星间链路信息发送给每个邻居卫星，每个邻居卫星将其接收到的故障星间链路信息转发到其他邻居卫星中；
19.步骤5，生成低轨卫星网络路由表：
20.利用迪杰斯特拉dijkstra算法，分别计算每颗低轨道leo卫星与其余每颗低轨道
leo卫星路径，得到该颗低轨道leo卫星的最短路径，并将最短路径存入路由表中；将每颗低轨道leo卫星与其余每个低轨道leo卫星最短路径中的尾节点，作为路由表的目的地址，将最短路径中的首节点作为路由表的下一跳地址，得到每颗低轨道leo卫星的路由表。
21.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
22.第一，由于本发明根据星间链路状态监测发现星间链路故障，生成的联通关系矩阵，通过地面sdn控制器发送生成的联通关系矩阵，克服了现有技术中卫星网络规模发生变化导致预置路由失效的问题，使得本发明中的低轨卫星网络路由更能适应卫星网络规模的变化。
23.第二、由于本发明通过星间链路状态监测发现星间链路故障，将故障星间链路信息向全网泛洪，使卫星计算的路径能够绕过故障的星间链路，克服了现有技术中由于星间链路故障导致本地控制器的信令信息无法收发的问题，使得本发明中的低轨卫星网络路由更加可靠。
附图说明
24.图1是本发明的流程图；
25.图2是本发明仿真实验结果的平均丢包率对比图。
具体实施方式
26.下面结合附图及实施例对本发明的实现过程作进一步详细描述。
27.参照图1，对本发明的实现步骤做进一步的描述。
28.步骤1，构建低轨道leo卫星网络。
29.搭建一个由至少m个低轨道leo卫星组成的低轨道leo卫星网络，该网络中所有的卫星均匀分布在n个轨道面上，每个轨道面上分布卫星的总数其中，m表示低轨道leo卫星的总数，10≤m≤100000，n表示轨道面的总数，6≤n≤12，k表示每个轨道面上分布卫星的总数。该网络中的每颗低轨道leo卫星均距地面高度相同、倾角相等，每颗低轨道leo卫星的高度为在500≤h≤2000范围内选取的一个值，倾角为在0
°
≤θ≤90
°
范围内选取的一个值。
30.本发明实施例的低轨道leo卫星网络由72颗低轨道leo卫星构成，每个轨道面上分布12颗卫星，均匀分布在6个轨道面上。每颗低轨道leo卫星搭建在距地面高度为1175km、倾角为86.5
°
的卫星轨道上。
31.步骤2，生成联通关系矩阵。
32.将在同一时刻同时进出南北极圈的所有的低轨道leo卫星作为一个组。
33.地面sdn控制器以一组卫星进入南北极圈到另一组卫星离开南北极圈所用的时间δt1＝θ1/360
°×
t、一组卫星离开南北极圈到另一组卫星进入南北极圈所用的时间δt2＝θ2/360
°×
t、一组卫星进入南北极圈到另一组卫星离开南北极圈所用的时间δt3＝θ3/360
°×
t、一组卫星离开南北极圈到另一组卫星进入南北极圈所用的时间δt4＝θ4/360
°×
t。一组卫星进入南北极圈到另一组卫星进入南北极圈的时间为δt＝δt1 δt2 δt3 δt4。用δt将低轨道leo卫星运动一周的时间均分为m个时间间隔，用δt1、δt2、δt3、δt4四个时
间将每一个时间间隔划分为4个子时间间隔，得到被划分为4m个时间间隔的低轨道leo卫星运动一周的时间。其中，θ1、θ2、θ3、θ4分别表示进入南北极圈卫星组和离开南北极圈卫星的纬度差、离开南北极圈卫星组和进入南北极圈卫星组的纬度差、进入南北极圈卫星组和离开南北极圈卫星组的纬度差、离开南北极圈卫星组和进入南北极圈卫星组的纬度差，t表示低轨道leo卫星运行一周的时间。
34.由一组卫星进出南北极圈与另一组卫星进出南北极圈之间的时间间隔ts以及低轨道leo卫星网络的拓扑图g构成低轨道leo卫星网络拓扑s，s＝《ts,g》。低轨道leo卫星网络的拓扑图g＝《v,e》，其中，v表示所有低轨道leo卫星集合，e表示卫星之间的通信链路集合。
35.地面sdn控制器将低轨道leo卫星网络拓扑，映射为一个m行n列的联通关系矩阵k，该联通关系矩阵中的每行代表低轨道卫星网络的相应的一颗卫星，每列表示该列所在行对应的低轨道leo卫星与其邻居卫星星间链路的状态，1≤i≤m，1≤j≤n，m表示低轨道leo卫星的总数，n表示低轨道leo卫星的邻居卫星总数。每颗卫星的邻居卫星通常有四颗，即与该卫星位于同一轨道面的前后两颗卫星以及相邻轨道面的“右前”卫星和“左后”卫星。
36.当第i颗低轨道leo卫星与其第j颗邻居卫星星间链路正常时，矩阵中第i行第j列处的元素值设置为1，否则，矩阵中第i行第j列位置处的元素值设置为0。
37.本发明实施例中，分别选取：θ1＝12.75
°
，θ2＝6
°
，θ3＝5.25
°
，θ4＝6
°
，t＝6528s，按照上述五个公式分别计算得到：δt1＝231s，δt2＝109s，δt3＝95s，δt4＝109s，δt＝544s。将低轨道leo卫星运动一周的时间均分为48个时间间隔。
38.本发明实施例中，给出低轨道leo卫星网络中第一个轨道的第1、2、3颗卫星之间的联通关系矩阵k。
[0039][0040]
步骤3，发送联通关系矩阵。
[0041]
通过低轨道leo卫星与地面sdn控制器之间的星地链路，将联通关系矩阵发送到覆盖地面sdn控制器的一颗低轨道leo卫星。该低轨道leo卫星将接收的联通关系矩阵转发给与之相邻的低轨道leo卫星。通过这种邻居转发的方式来完成联通信息在低轨道leo卫星之间的分发。
[0042]
本发明实施例中，地面sdn控制器将大小为72*72的联通关系矩阵存放到一个存有低轨道leo卫星网络联通信息的联通关系报告中。地面sdn控制器将联通关系报告发送给覆盖该地面sdn控制器的一颗低轨道leo卫星，由该低轨道leo卫星转发给与之相邻的低轨道leo卫星。每颗低轨道leo卫星保存联通关系报告中的联通关系矩阵。
[0043]
步骤4，监测星间链路状态。
[0044]
第一步，每颗低轨道leo卫星每隔t
lsd
的时间间隔，向邻居卫星节点发送链路状态探测lsd(link state detection)报文，当5*t
lsd
的时间间隔内该卫星收到来自邻居卫星节点的链路状态探测lsd报文，则认定该卫星的星间链路正常；否则，认定该卫星的星间链路有故障。
[0045]
第二步，将星间链路有故障的卫星与其在上一次5*t
lsd
的时间间隔的星间链路状
态进行比较，若两次星间链路状态相同，则认定该卫星的星间链路状态未发生变化；否则，认定该卫星的星间链路状态发生变化。
[0046]
第三步，将联通关系矩阵中星间链路状态发生变化的卫星与其邻居卫星星间链路的状态值均设置为0。
[0047]
本发明实施例中，低轨道leo卫星网络由72颗低轨道leo卫星组成。每个轨道面上分布12颗卫星，均匀分布在6个轨道面上。
[0048]
选取本发明实施例中低轨道leo卫星网络中第二轨道的第1颗卫星，及其与该卫星相关的邻居卫星，对本步骤的监测星间链路状态的过程做进一步的说明。该卫星相关的邻居卫星为第二轨道中第2颗卫星、第二轨道中第12颗卫星、第三轨道中第2颗卫星以及第一轨道中第1颗卫星。
[0049]
所选卫星向邻居卫星每隔2s发送链路状态探测lsd报文，在10s时间间隔内，所选卫星仅收到第二轨道第2颗卫星、第二轨道中第12颗卫星以及第三轨道中第2颗卫星共三颗卫星的链路状态探测lsd报文，认定所选卫星与这三颗邻居卫星的星间链路正常，将未收到链路状态探测lsd报文的第一轨道中第1颗卫星认定与所选卫星的星间链路有故障。
[0050]
在上一次的10s时间间隔，所选卫星与全部邻居卫星的星间链路状态均为正常。
[0051]
将所选卫星在本次10s时间间隔与其在上一次10s时间间隔的星间链路状态进行比较，发现两次所选卫星与第一轨道中第1颗卫星之间的星间链路状态不同，由此认定所选卫星与第一轨道中第1颗卫星的星间链路状态发生变化，同时，将联通关系矩阵中所选卫星与第一轨道中第1颗卫星星间链路的状态值均设置为0。
[0052]
步骤5，将故障星间链路信息向全网泛洪。
[0053]
有故障的低轨道leo卫星将其故障星间链路信息发送给每个邻居卫星。
[0054]
每个邻居卫星将其接收到的故障星间链路信息转发到其他邻居卫星中。
[0055]
选取步骤4的实施例，对将故障星间链路信息向全网泛洪的过程做进一步的说明。
[0056]
由于所选卫星与第一轨道中第1颗卫星间的星间链路有故障，因此，所选卫星将该故障星间链路信息分别发送给第二轨道中第2颗卫星、第二轨道中第12颗卫星、第三轨道中第2颗卫星以及第一轨道中第1颗卫星。
[0057]
第二轨道中第2颗卫星将接收到的故障星间链路信息转发到第二轨道中第3颗卫星、第二轨道中第1颗卫星、第三轨道中第3颗卫星以及第一轨道中第2颗卫星。第二轨道中第12颗卫星将接收到的故障星间链路信息转发到第二轨道中第1颗卫星、第二轨道中第11颗卫星、第三轨道中第1颗卫星以及第一轨道中第12颗卫星。第三轨道中第2颗卫星将接收到的故障星间链路信息转发到第三轨道中第3颗卫星、第三轨道中第1颗卫星、第四轨道中第3颗卫星以及第二轨道中第2颗卫星。第一轨道中第1颗卫星将接收到的故障星间链路信息转发到第一轨道中第1颗卫星、第一轨道中第12颗卫星、第二轨道中第1颗卫星。
[0058]
步骤6，生成低轨卫星网络路由表。
[0059]
利用迪杰斯特拉dijkstra算法，分别计算每颗低轨道leo卫星与其余每颗低轨道leo卫星路径，得到该颗低轨道leo卫星的最短路径，并将最短路径存入路由表中。将每颗低轨道leo卫星与其余每个低轨道leo卫星最短路径中的尾节点，作为路由表的目的地址，将最短路径中的首节点作为路由表的下一跳地址，得到每颗低轨道leo卫星的路由表。
[0060]
以步骤4的实施例说明生成路由表的过程。
[0061]
所选卫星利用迪杰斯特拉dijkstra算法，分别计算所选卫星为低轨道leo卫星网络中第二轨道的第1颗卫星与其余71颗低轨道leo卫星路径，从71个卫星路径中得到所选卫星的最短路径，并将最短路径的首尾节点存入路由表中。
[0062]
本发明的效果可以通过下面的仿真得到进一步证明。
[0063]
1.仿真实验条件。
[0064]
本发明的仿真实验的软件平台为：windows 10操作系统和opnet 14.5。
[0065]
2.仿真内容与结果分析：
[0066]
本发明仿真实验是采用本发明的方法和现有技术(快照路由算法)生成低轨道leo卫星网络中两两低轨道leo卫星之间的最佳路径，分别得到两种方法对应的两个72*72条的最佳路径。
[0067]
本发明仿真实验中所采用的低轨道leo卫星网络是由72颗低轨道leo卫星构成，每个轨道面上分布12颗卫星，均匀分布在6个轨道面上。
[0068]
所述现有技术快照路由算法是指，gounder等人在其发表的论文“routing in leo-based satellite networks,wireless communications and systems(ieee cat.no.99ex297),1999,pp.22.1-22.6.”中提出的快照路由算法。
[0069]
为了验证本发明仿真实验两种方法得到72*72条最佳路径的性能，分别对每颗低轨道leo卫星向其余每颗低轨道leo卫星发送业务，在两种方法得到的最佳路径上传输的平均丢包率进行统计，获得平均丢包率的对比图2。
[0070]
本发明仿真实验中的业务模型为，每颗低轨道leo卫星向其余每颗低轨道leo卫星发送业务，业务服从到达率λ＝0.5的泊松分布。每个业务长度为152byte，业务持续发送110分钟。
[0071]
下面结合图2对本发明的效果做进一步的描述。
[0072]
图2中的横坐标表示仿真时间，单位为s，纵坐标表示平均丢包率。其中，以菱形标示的曲线，表示在采用本发明的方法得到的最佳路径上传输业务的平均丢包率曲线。以圆形标示的曲线，表示在现有技术快照路由算法得到的最佳路径上传输业务的平均丢包率曲线。
[0073]
从图2可以看出：在本发明的方法得到的最佳路径上传输的平均丢包率随着仿真时间的增加在不断减小，并趋近于0。在同一仿真时间的条件下，在本发明的方法得到的最佳路径上传输的平均丢包率小于在现有技术快照路由算法得到的最佳路径上传输的的平均丢包率。
[0074]
综上所述，本发明的方法得到的最佳路径可以大大降低业务传输中的丢包率，相比现有技术快照路由算法更加可靠，更好地满足了低轨卫星网络路由的可靠性需求。
[0075]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。