一种基于双层卫星光网络架构的通信系统及其动态流量控制方法与流程

1.本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于双层卫星光网络架构的通信系统及其动态流量控制方法。


背景技术：

2.在卫星通信系统中，按卫星的运行轨道高度来分，卫星的运行轨道高度可被划分为同步轨道(geo，geostationary earth orbit)、高椭圆轨道(heo，highly eccentric orbit)、中轨道(meo，medium earth orbit)和低轨道(leo，low earth orbit)。
3.卫星激光通信有别于传统卫星射频通信，卫星通过各自的激光终端建立相对稳定的点对点通信链路。但是由于空间环境复杂，卫星姿态不稳定等因素影响，激光链路的连接并不稳定，从而有一定概率造成激光星间链路误码率升高或连接中断等情况。同时由于大规模卫星星座的卫星数量巨大，任务请求复杂，在卫星光网络高负载的情况下，会造成网络拥塞的情况，从而造成数据包在传递的过程中时延增加，丢包率增加的情况。
4.由于激光星间链路的物理特点是点对点通信，同一轨道高度的卫星之间，将建立固定的网络连接关系，例如一颗卫星安装4台激光终端，在卫星同一轨道面的前后方向将建立稳定的激光星间链路，在不同轨道面的左右方向也将建立稳定的激光星间链路，因此空间光网络的拓扑关系是相对固定的，如图1所示。针对大规模卫星光网络在实际应用过程中，由于任务请求多样复杂，卫星数量巨大，以及太空环境复杂以及卫星姿态不稳定等因素造成的激光链路信道的不稳定，从而造成卫星光网络拓扑的连接状态发生变化。当网络拓扑发生变化后，需要及时调整网络路由及流量控制策略，从而降低信息的传输时延以及数据丢包率。由于传统的网络拓扑更新方式是根据每个卫星节点将自身的链路状态信息广播到整网的，这种信息洪范的方式的缺点首先是网络拓扑信息更新不及时，其次是由于信息更新具有先后到达次序，因此造成路由算法收敛速度慢的特点。此外，受地面测控站的地域限制，多数情况下地面站不可能对卫星全程实时跟踪，如果卫星传输层卫星在不可测弧段，地面站无法及时更新路由表，很可能会错过信息路由控制的最佳处理时机，最终导致网络节点拥塞、丢包率增加，甚至可能危及整网信息安全。


技术实现要素：

5.为了克服上述技术缺陷，本发明的第一个方面提供一种基于双层卫星光网络架构的通信系统，包括：
6.卫星光网络控制层，所述卫星光网络控制层包括若干高轨卫星，高轨卫星之间通过ka相控阵星间链路方式进行控制层内部互联；
7.卫星光网络传输层，所述卫星光网络传输层包括若干低轨卫星，低轨卫星之间通过激光星间链路方式进行传输层内部互联，低轨卫星与高轨卫星之间通过ka相控阵星间链路方式进行通信。
8.值得注意的是，本技术基于双层卫星光网络架构的通信系统中的“双层”是指卫星网络架构的逻辑层的数量，而不仅仅是轨道的层数。
9.值得注意的是，本技术中的“高轨卫星”和“低轨卫星”相对而言的，本技术中的“高轨卫星”是指相对轨道较高的卫星，例如，“高轨卫星”可以是同步轨道(geo，geostationary earth orbit)卫星、高椭圆轨道(heo，highly eccentric orbit)卫星、或者中轨道(meo，medium earth orbit)卫星。本技术中的“低轨卫星”是指相对轨道较低的卫星，即其轨道低于高轨卫星的卫星，例如，“低轨卫星”可以是中轨道(meo，medium earth orbit)或低轨道(leo，low earth orbit)等。示例地，对于geo卫星和leo卫星而言，geo卫星就是高轨卫星，而leo卫星就是低轨卫星。
10.ka相控阵星间链路：是一种在ka频段的通过相控阵天线通信的设备。其通过相位控制电子对阵列进行扫描，利用大量的个别控制的小型天线进行单元排列，最终形成天线阵面，并且每个天线单元都有各自独立的开关进行控制，形成不同的相位波束，以此特点可以控制波束指向，实现快速点对点通信。其中，“星间链路”就是星间通信的意思。
11.激光星间链路：卫星激光星间链路是通过激光为载体进行卫星通信的一种方式，其通过激光通信终端实现卫星与卫星之间的通信。激光通信终端是一种光机电综合系统，具体包括光学、跟瞄和通信三个基础分系统，并且配有热控、配电等模块。其中，通信分系统主要实现电学信号和激光载波的转换。
12.进一步地，所述卫星光网络控制层用于当与卫星光网络传输层之间数据连接状态为成功时，分周期地收集卫星光网络传输层的各个低轨卫星的状态信息和数据转发请求，并计算更新流量路由表，选择传输信息的最优路径，通过ka相控阵发送激光信道通信速率档位切换指令以及信息转发指令给该路径上的每一个传输层节点；所述卫星光网络传输层用于通过ka相控阵分周期地向卫星光网络控制层上传各个低轨卫星的状态信息和数据转发请求，并实时检测与卫星光网络控制层之间的数据连接状态；还用于当数据连接状态为成功时，执行卫星光网络控制层下发的激光信道通信速率档位切换指令、信息转发指令以及当遇到信息发送拥塞时存储信息并进行排队等待操作。
13.进一步地，所述卫星光网络传输层还用于当卫星光网络传输层的卫星节点在预设的若干链路信息发送周期内都无法与卫星光网络控制层节点进行信息交互时，判定卫星光网络传输层的当前卫星节点与卫星光网络控制层之间断开连接，并自主切换为分布式路由方式，卫星光网络传输层的当前卫星节点通过与其相连的其他卫星光网络传输层的卫星节点之间进行全局链路状态拓扑图的更新，并使用迪杰斯特拉算法计算信息传输最短路径，同时更新流量路由表并存储在自己的存储单元中，此流量路由表只存储由自身节点为起点的路由信息，此时，该传输层节点只负责信息转发，不再具有任务请求功能。
14.本领域技术人员可以理解的是，作为判定断开连接的时间节点的“预设的若干链路信息发送周期”可以根据实际需要自行调整设置，示例地，可以设置为：当卫星光网络传输层的卫星节点在3个链路信息发送周期内都无法与卫星光网络控制层节点进行信息交互时，判定卫星光网络传输层的当前卫星节点与卫星光网络控制层之间断开连接。
15.进一步地，各个低轨卫星的状态信息包括链路目前可用的通信速率、每个激光终端的通信状态和信息排队情况；各个低轨卫星的数据转发请求包括待发送信息的数据包大小、待发送信息的任务类型和优先级以及目的节点的ip地址。
16.进一步地，根据低轨卫星与高轨卫星的高度以及ka相控阵星间链路的通信视场范围，卫星光网络控制层的每一个高轨卫星节点只覆盖卫星光网络传输层的中的一部分低轨卫星节点。
17.本技术的第二个方面提供一种基于双层卫星光网络架构的通信系统的动态流量控制方法，包括：
18.步骤s1：卫星光网络传输层通过ka相控阵分周期地向卫星光网络控制层上传各个低轨卫星的状态信息和数据转发请求，并实时检测与卫星光网络控制层之间的数据连接状态；步骤s2：当数据连接状态为成功时，则采用集中式流量控制策略：卫星光网络控制层分周期地收集卫星光网络传输层的各个低轨卫星的状态信息和数据转发请求，并计算更新流量路由表，选择传输信息的最优路径，通过ka相控阵发送激光信道通信速率档位切换指令以及信息转发指令(信息转发指令主要包含该条信息在哪个时间段将信息发往哪个卫星的信息)给该路径上的每一个传输层节点；
19.步骤s3：卫星光网络传输层执行卫星光网络控制层下发的激光信道通信速率档位切换指令、信息转发指令以及当遇到信息发送拥塞时存储信息并进行排队等待操作。
20.进一步地，卫星光网络控制层在计算更新流量路由表时，将采集到的低轨卫星激光链路状态信息转换为卫星网络拓扑情况并以此更新卫星光网络传输层的流量负载状况，通过迪杰斯特拉算法计算卫星光网络传输层的信息传递的最优路径，实时更新信息路径规划，并更新卫星光网络传输层的流量路由表。
21.进一步地，迪杰斯特拉算法采用经典最短路径算法，根据下述公式1计算每个链路的传输代价，进行该点到其他所有节点的最优路径规划计算，选择其中最优的路径作为每个传输节点流量路由表的更新，并将计算结果保存在控制节点的存储器中，
22.cn＝s(a1ber a2snr a3que)——公式1，
23.cn为链路n的链路代价，a1、a2、a3、s分别为可根据具体情况设置系数，ber为误码率，snr为信噪比，que为信息排队情况。
24.迪杰斯特拉算法采用贪心算法的策略，将所有顶点分为已标记点和未标记点两个集合，从起始点开始，不断在未标记点中寻找距离起始点路径最短的顶点，并将其标记，直到所有顶点都被标记为止。传输代价决定最优路径的选择。通过传输代价的计算，取所有路径中传输代价最小的那条路径，作为最优路径。
25.a1、a2、a3这三个值与要传输的任务类型直接相关，不同的任务类型有不同的a1，a2，a3可根据具体情况来调节参数，达到具体目标。比如，对于时延要求高的任务，我们认为其a3占比更高，这样由排队导致的链路代价就会更高，就会让信息避免走排队更久的这条路径，实现了根据任务类型与目的选择路径。a1、a2、a3的取值可以是0-1之间。
26.s也是一个系数，与a1，a2，a3类似，主要为了是可能存在要区分每条链路之间的情况。因为每条链路由于物理特性不同，可能独立的一个s，这样可以区分开不同卫星节点之间的链路的代价可能也不同的情况。s的取值可以为0-1之间。
27.进一步地，步骤s1之后进一步包括：当卫星光网络传输层的卫星节点在预设的若干链路信息发送周期(在控制层卫星与传输层卫星建立连接时，需要相互发送hello报文，发送hello报文的时间间隔，即为一个周期。周期的数量可以根据实际需要设置。)内都无法与卫星光网络控制层节点进行信息交互时，判定卫星光网络传输层的当前卫星节点与卫星
光网络控制层之间断开连接，则采用分布式流量管控策略：卫星光网络传输层的当前卫星节点自主切换为分布式路由方式，卫星光网络传输层的当前卫星节点通过与其相连的其他卫星光网络传输层的卫星节点之间进行全局链路状态拓扑图的更新，并使用迪杰斯特拉算法计算信息传输最短路径，同时更新流量路由表并存储在自己的存储单元中，此流量路由表只存储由自身节点为起点的路由信息，此时，该传输层节点只负责信息转发，不再具有任务请求功能。
28.进一步地，卫星光网络传输层的当前卫星节点在使用迪杰斯特拉算法计算信息传输最短路径时，迪杰斯特拉算法采用经典最短路径算法，根据下述公式1计算每个链路的传输代价，进行该点到其他所有节点的最优路径规划计算，选择其中最优的路径作为每个传输节点流量路由表的更新，并将计算结果保存在控制节点的存储器中，
29.cn＝s(a1ber a2snr a3que)——公式1，
30.cn为链路n的链路代价，a1、a2、a3、s分别为可根据具体情况设置系数，ber为误码率，snr为信噪比，que为信息排队情况。
31.采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：
32.本技术基于双层卫星光网络架构的通信系统及其动态流量控制方法提供了一种针对于大规模卫星光网络的双层控制传输网络架构以及流量控制方法。通过该在轨可调大规模卫星光网络架构以及流量控制方法，可以及时收集卫星传输网络的拥塞状况以及激光链路状况，同时根据网络请求，及时设计数据包的路由路径，从而提高卫星光网络的整网数据包传输时延以及降低数据包的传输丢包率。同时为了兼顾网络架构的鲁棒性与传输效率，此方法可实现网络集中式管控与分布式管控的自主切换功能，有助于提高卫星光网络的可靠性和效率。具体地，本技术基于双层卫星光网络架构的通信系统及其动态流量控制方法可以实现以下功能：1、网络控制层及时收集网络传输层链路状态情况，更新网络状态拓扑图；2、网络控制层根据网络传输层链路状态拓扑图，利用迪杰斯特拉算法更新网络传输层每个节点的路由表；3、网络控制层根据网络传输层流量变化情况及时调整流量控制策略；4、网络控制层根据传输层的任务请求类型、数据大小、任务优先级等请求信息，以及网络传输层链路状态拓扑图，及时调整网络流量控制策略；5、当传输层节点无法与控制层节点通信时，可以切换为采用分布式流量控制策略。
附图说明
33.图1为现有技术中的激光卫星空间光网络的拓扑关系示意图；
34.图2为本技术的基于双层卫星光网络架构的通信系统的结构关系示意图；
35.图3为本技术一实施例的基于双层卫星光网络架构的通信系统的动态流量控制方法的流程图。
具体实施方式
36.以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
37.如图2所示，本实施例提供一种基于双层卫星光网络架构的通信系统包括卫星光网络控制层和卫星光网络传输层。
38.本实施例的所述卫星光网络控制层包括若干geo卫星，geo卫星之间通过ka相控阵星间链路方式进行控制层内部互联。每个高轨卫星作为控制层的一个网络节点，称为网络控制层节点。其物理层网络接口功能包括：1、具备ka相控阵星间链路，可以与其他高轨卫星控制层节点分时建立连接进行通信；2、ka相控阵星间链路与低轨卫星传输层节点分时建立连接进行通信。所述卫星光网络控制层用于当与卫星光网络传输层之间数据连接状态为成功时，分周期地收集卫星光网络传输层的各个leo卫星的状态信息和数据转发请求，并计算更新流量路由表，选择传输信息的最优路径，通过ka相控阵发送激光信道通信速率档位切换指令以及信息转发指令给该路径上的每一个传输层节点。根据leo卫星与geo卫星的高度以及ka相控阵星间链路的通信视场范围，卫星光网络控制层的每一个geo卫星节点只覆盖卫星光网络传输层的中的一部分leo卫星节点。
39.具体地，网络控制层节点分时段，通过遍历传输层节点的方式，在一个大周期内采集全部其可控制的网络传输层节点的链路状态信息以及传输任务请求。在完成一个采集周期后，更新传输层网络状态拓扑图。网络状态拓扑图采用邻接矩阵方式存储，内容包括传输层每个链路的通断路情况，误码率，信噪比，信息排队情况，通信速率等信息，如表1所示，其按照每个传输节点间的链路情况，按实际情况由0-255划分等级，评价链路状态。并根据公式1计算每个链路的传输代价。
40.表1传输层网络链路状态表
[0041][0042][0043]
本实施例的卫星光网络传输层包括若干leo卫星，leo卫星之间通过激光星间链路方式进行传输层内部互联，leo卫星与geo卫星之间通过ka相控阵星间链路方式进行通信。
[0044]
所述卫星光网络传输层用于通过ka相控阵分周期地向卫星光网络控制层上传各个leo卫星的状态信息和数据转发请求，并实时检测与卫星光网络控制层之间的数据连接状态；还用于当数据连接状态为成功时，执行卫星光网络控制层下发的激光信道通信速率档位切换指令、信息转发指令以及当遇到信息发送拥塞时存储信息并进行排队等待操作。所述卫星光网络传输层还用于当卫星光网络传输层的卫星节点在3个链路信息发送周期内都无法与卫星光网络控制层节点进行信息交互时，判定卫星光网络传输层的当前卫星节点与卫星光网络控制层之间断开连接，并自主切换为分布式路由方式，卫星光网络传输层的当前卫星节点通过与其相连的其他卫星光网络传输层的卫星节点之间进行全局链路状态拓扑图的更新，并使用迪杰斯特拉算法计算信息传输最短路径，同时更新流量路由表并存储在自己的存储单元中，此流量路由表只存储由自身节点为起点的路由信息，此时，该传输层节点只负责信息转发，不再具有任务请求功能。各个leo卫星的状态信息包括链路目前可用的通信速率、每个激光终端的通信状态和信息排队情况。各个leo卫星的数据转发请求包括待发送信息的数据包大小、待发送信息的任务类型和优先级以及目的节点的ip地址。
[0045]
如图3所示，上述基于双层卫星光网络架构的通信系统的动态流量控制方法包括以下步骤1-步骤4：
[0046]
步骤1：卫星光网络传输层通过ka相控阵分周期地向卫星光网络控制层上传各个leo卫星的状态信息和数据转发请求。
[0047]
由于ka相控阵具有在短时间内搜索建立卫星星间链路的能力，因此采用ka相控阵连接控制层与传输层以及控制层内部互联，由于ka相控阵在同一时间段内只能与一个卫星节点建立连接，因此ka相控阵星间链路采取分时间片的连接通信方式，即根据软件程序分时与其他卫星节点单独建立连接。
[0048]
步骤2：实时检测与卫星光网络控制层之间的数据连接状态是否成功。
[0049]
如果数据连接状态为成功，则进入步骤3.1；如果数据连接状态为失败，则进入步骤4。
[0050]
步骤3.1：当数据连接状态为成功时，则采用集中式流量控制策略：卫星光网络控制层分周期地收集卫星光网络传输层的各个leo卫星的状态信息和数据转发请求，并计算更新流量路由表，选择传输信息的最优路径，通过ka相控阵发送激光信道通信速率档位切换指令以及信息转发指令给该路径上的每一个传输层节点。
[0051]
各个leo卫星的状态信息包括链路目前可用的通信速率、每个激光终端的通信状态和信息排队情况。
[0052]
网络传输层节点根据任务请求与客户需要，通过ka相控阵发送信息转发任务请求给网络控制层节点。各个leo卫星的数据转发请求包括待发送信息的数据包大小、待发送信息的任务类型和优先级以及目的节点的ip地址。数据转发请求的信息将需要从本节点发送的信息传递到目的节点的信息。
[0053]
根据leo卫星与geo卫星的高度以及ka相控阵星间链路的通信视场范围，卫星光网络控制层的每个geo卫星节点只覆盖卫星光网络传输层的中的一部分leo卫星节点。其对低轨卫星的覆盖域受限于高轨卫星与低轨卫星的高度，同时还受限于ka相控阵星间链路的通信视场范围。因此，每个高轨卫星节点只覆盖部分低轨卫星节点，高轨卫星控制层节点根据软件规划控制低轨卫星节点的范围。网络传输层内部通过激光星间链路建立稳定的连接。
[0054]
当与高轨控制层卫星建立连接后，上传链路状态信息以及信息转发请求信息；链路状态信息包括：1、每个激光终端的通信状态，包括误码率，信噪比，通信速率，通断路情况等信息；2、信息排队情况，即后续发送信息任务的情况。3、链路目前可用的通信速率，分为128mbps/256mbps/512mbps/1gbps四个档位可调。信息发送请求主要包括将需要从本节点发送的信息传递到目的节点的信息，主要包括：1、待发送信息的数据包大小；2、待发送信息的任务类型与优先级；3、目的节点的ip地址。
[0055]
卫星光网络控制层卫星节点同时还具有根据网络状态拓扑图计算信息传输最优路径规划功能。其在每个传输层网络链路状态采集信息结束后，对该周期内的网络状态拓扑图进行更新，并通过迪杰斯特拉算法计算每个传输层节点的到其他任意传输层节点的最优路径，并更新传输层每个节点的流量路由规划表。迪杰斯特拉算法采用贪心算法的策略，将所有顶点分为已标记点和未标记点两个集合，从起始点开始，不断在未标记点中寻找距离起始点路径最短的顶点，并将其标记，直到所有顶点都被标记为止。卫星光网络控制层在计算更新流量路由表时，将采集到的leo卫星激光链路状态信息转换为卫星网络拓扑情况
并以此更新卫星光网络传输层的流量负载状况，通过迪杰斯特拉算法计算卫星光网络传输层的信息传递的最优路径，实时更新信息路径规划，并更新卫星光网络传输层的流量路由表。迪杰斯特拉算法采用经典最短路径算法，根据下述公式计算每个链路的传输代价，进行该点到其他所有节点的最优路径规划计算，选择其中最优的路径作为每个传输节点流量路由表的更新，并将计算结果保存在控制节点的存储器中，
[0056]cn
＝s(a1ber a2snr a3que)，
[0057]cn
为链路n的链路代价，a1、a2、a3、s分别为可根据具体情况设置系数，ber为误码率，snr为信噪比，que为信息排队情况。
[0058]
步骤3.2：卫星光网络传输层执行卫星光网络控制层下发的激光信道通信速率档位切换指令、信息转发指令以及当遇到信息发送拥塞时存储信息并进行排队等待操作。
[0059]
当网络控制层节点收到低轨卫星网络传输层节点通过ka相控阵发送的数据传输请求后，会通过查找流量路由表的方式将最近一次的信息路由路径找到，通过ka相控阵星间链路发送将信息发送指令下发给每一个该路径上的传输层节点。传输层节点根据根据控制层下发的转发指令将输入信息由输入接口传递至输出接口。网络传输层节点的每个激光通信终端具有128mbps/256mbps/512mbps/1gbps四个通信速率档位可调的功能。网络传输层节点具有信息缓存的功能，当其信息无法通过网络控制层节点发送的指令执行信息转发时，可将待转发信息缓存到节点存储单元，并更新链路状态，等待下一个发送周期将状态信息上传给网络控制层节点。
[0060]
综上，本技术通过设计网络控制层与网络传输层，以一种分层的方式架设网络结构。通过控制层节点分周期收集传输层节点状态信息，并计算跟新流量路由表，以达到及时更新网络路由策略的目标。网络控制层通过接收传输层的数据转发请求与下发转发指令，实现集中式的网络流量控制。网络传输层根据指令要求执行数据传输功能，以及切换通信速率档位的功能。此为集中式流量控制策略。
[0061]
步骤4：当卫星光网络传输层的卫星节点在3个链路信息发送周期内都无法与卫星光网络控制层节点进行信息交互时，判定卫星光网络传输层的当前卫星节点与卫星光网络控制层之间断开连接，则采用分布式流量管控策略。
[0062]
光网络架构可实现集中式路由与分布式路由的灵活自主切换。当传输层节点与控制层节点断开后，其自主切换为分布式路由方式，以自主计算最短路径的方式实现自身流量路由表的更新。具体地，分布式流量管控策略为：卫星光网络传输层的当前卫星节点自主切换为分布式路由方式，卫星光网络传输层的当前卫星节点通过与其相连的其他卫星光网络传输层的卫星节点进行全局链路状态拓扑图的更新，并使用迪杰斯特拉算法计算信息传输最短路径，同时更新流量路由表并存储在自己的存储单元中，此流量路由表只存储由自身节点为起点的路由信息，此时，该传输层节点只负责信息转发，不再具有任务请求功能。
[0063]
卫星光网络传输层的当前卫星节点在使用迪杰斯特拉算法计算信息传输最短路径时，迪杰斯特拉算法采用经典最短路径算法，根据下述公式1计算每个链路的传输代价，进行该点到其他所有节点的最优路径规划计算，选择其中最优的路径作为每个传输节点流量路由表的更新，并将计算结果保存在控制节点的存储器中，
[0064]cn
＝s(a1ber a2snr a3que)，
[0065]cn
为链路n的链路代价，a1、a2、a3、s分别为可根据具体情况设置系数，ber为误码
率，snr为信噪比，que为信息排队情况。
[0066]
本发明提出一种在轨可调的卫星光网络架构及动态流量控制方法，通过设计网络控制层与网络传输层，以一种分层的方式架设网络结构实现集中式流量控制和分布式流量控制。
[0067]
应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。