适应于双层卫星光网络数据中继系统的路由资源控制方法
阅读说明：本技术 适应于双层卫星光网络数据中继系统的路由资源控制方法 (Routing resource control method suitable for double-layer satellite optical network data relay system ) 是由 赵卫虎 荆锋 夏贵进 东晨 张亚妮 王�锋 陈熙亚 冉金志 万靖珂 于 2020-12-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适应于双层卫星光网络数据中继系统的路由资源控制方法,它包括如下步骤：第一步,建立分时分层分簇网络管理模型；第二步,采用周期离散化的分时管理：划分时间片；为简化双层卫星光网络中继卫星系统拓扑和负载的时变特性给路由选择和维持带来的困难,将系统周期均分为n个时间片；第三步,双层卫星系统中各卫星上传已有的计划任务情况；第四步,各用户星的数据中继转发需求上报；第五步,GEO管理星根据需求与各卫星已有任务情况采用LB-DRA算法计算出新任务的路由；第六步,GEO管理星根据各新任务需求计算的路由,制定全网的新计划下发至双层卫星系统中其他各卫星。采用上述方法后具有使系统更加稳定和高效的有益效果。(The invention discloses a route resource control method suitable for a double-layer satellite optical network data relay system, which comprises the following steps: firstly, establishing a time-sharing layered clustering network management model; and step two, adopting time-sharing management of periodic discretization: dividing a time slice; in order to simplify the difficulties brought to the routing selection and maintenance by the topology and the time-varying characteristic of a relay satellite system of a double-layer satellite optical network, the system period is equally divided into n time slices; thirdly, uploading the existing planned task condition by each satellite in the double-layer satellite system; fourthly, reporting the data relay forwarding requirement of each user satellite; fifthly, calculating the route of a new task by the GEO management satellite according to the requirement and the existing task condition of each satellite by adopting an LB-DRA algorithm; and sixthly, the GEO management satellite formulates a new plan of the whole network according to the calculated route of each new task demand and sends the new plan to other satellites in the double-layer satellite system. The method has the beneficial effect of enabling the system to be more stable and efficient.)
技术领域
本发明涉及一种中继卫星路由资源控制方法，具体是指一种适应于双层卫星光网络数据中继系统的路由资源控制方法。
背景技术
由于GEO卫星轨道高，具有星间、星地传播时延大、链路传播损耗大的不足，限制了数据传输速率，且对于实时性要求高的数据传输业务服务质量不高。另外，由于激光链路的接入需要较长时间的ATP过程，此过程减少了有限的GEO链路资源数据传输时间，进一步降低了系统的中继能力；针对此问题，发展基于GEO-LEO双层卫星光网络的中继系统，以弥补单层GEO卫星中继系统的不足，成为增强系统中继能力的有效手段。
针对单层GEO卫星中继系统，由于激光链路资源紧张，因此用户星的接入需要采用智能的资源调度算法，以合理分配有限的链路资源，实现GEO中继卫星系统有限链路资源的最大中继能力。然而，高效分配紧张的GEO链路资源仍然无法从根本上解决系统中继能力不足的问题；由于LEO卫星建设成本较GEO低，且轨位申请较GEO容易，因此在单层GEO卫星基础上发展LEO星座作为用户星的接入节点，可实现GEO卫星与LEO卫星的优势互补，从根本上提高系统的数据中继能力。当单层GEO卫星中继系统发展成双层卫星光网络的中继系统后，每个GEO/LEO卫星即是数据包的转发节点，又是用户星的接入节点，系统的接入能力大幅提高。此时，用户星的接入冲突降低，提高系统中继能力的关键是对系统的路由资源进行调度，即采用高效的路由策略实现用户星数据的可靠回传。
但上述系统对应的路由资源控制方法也是有许多种，目前缺少一种稳定高效的控制方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种更加稳定高效的适应于双层卫星光网络数据中继系统的路由资源控制方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种适应于双层卫星光网络数据中继系统的路由资源控制方法，它包括如下步骤：
第一步，建立分时分层分簇网络管理模型；GEO-LEO双层卫星光网络具有拓扑不断变化、节点移动特性、星间光链路负载时变特性和业务分布不均特性，为简化双层卫星拓扑和负载时变给网络管理带来困难和星间互联关系的复杂性，采取分层分簇分时的网络管理方式；
建立分层分簇的网络管理系统，由于LEO卫星的移动特性，使GEO覆盖的LEO卫星群不断变化；为降低双层卫星网络互联关系的复杂性，采用分层分簇的网络管理策略；
GEO卫星层中选择一个GEO卫星为总的管理星，对另外两颗GEO卫星进行管理，同时另外两颗GEO卫星作为管理星的备份星，当管理星失效时，备份星自动升级为管理星；
对于LEO卫星层，由于“同簇轨道”内对称分布的两颗LEO卫星即可实现与GEO卫星的持续联接，因此在每簇轨道中选出对称分布主次两个簇头，建立分层分簇网络管理规划模型；“第一簇轨道”卫星LEO_101与LEO_104即为一对主次簇头，每一簇卫星的主簇头与GEO卫星建立光链路，如图中GEO_1与LEO_101的；半个轨道周期后，次簇头LEO_104替换为主簇头，与GEO_1另一激光终端建立光链路，此后GEO_1与LEO_101的链路断开；每簇卫星的主簇头对簇内卫星进行管理，每簇卫星的主次簇头依次交替，从而保持本簇卫星与GEO的联接关系；
第二步，采用周期离散化的分时管理：划分时间片；为简化双层卫星光网络中继卫星系统拓扑和负载的时变特性给路由选择和维持带来的困难，将系统周期均分为n个时间片：
[t0,t0+Δt],[t1,t1+Δt],…,[tn-1,tn-1+Δt]
其中Δt为时间片长度，根据卫星网的分时静态拓扑特性，可认为双层卫星光网络拓扑结构在Δt时间段内不变，且假设各节点的负载量在此时段内基本保持不变，因此Δt的大小需根据网络整体时延、网络拓扑和节点负载量的变化速率设置；
系统周期均分为n个时间片后，即可得到离散化的时间序列：
St＝{t0,t1,t2,…,tn},ti＝ti-1+Δt,i＝1,2,...n
因此，系统要求卫星光链路的通断仅发生在离散时间点ti时刻；
第三步，双层卫星系统中各卫星上传已有的计划任务情况；双层卫星系统中的所有卫星均向GEO管理星上传其计划未来承载的任务情况，GEO管理星收到用户需求后更新各卫星任务情况；上传方式是：①每个LEO簇内卫星向本簇卫星的主簇头上传计划任务情况；②每个“同簇卫星”的主簇头汇聚本簇LEO卫星的数据后上传到其对应的GEO卫星；③各GEO卫星汇聚起收到的数据后上传到GEO管理星；此过程在Δt1时段内完成，Δt1大小依据各节点传输时延加上处理时延，并考虑一定的冗余，通常大小在1秒以下；
第四步，各用户星的数据中继转发需求上报；用户星的数据中继转发需求可通过地面站上报至GEO管理星，也可通过用户卫星的微波链路直接将需求上报至GEO管理星；此过程是随时随需上报，GEO管理星收到用户需求后，按照第五步骤计算路由；此过程在Δt2时段内完成，Δt2＝(Δt-Δt1-Δt3)；
第五步，GEO管理星根据需求与各卫星已有任务情况采用LB-DRA算法计算出新任务的路由，此过程在双层卫星光网络LB-DRA(Load Balancing Dynamic RoutingAlgorithm)算法中，为了对网络拥塞、负载失衡及链路或节点故障等情况做出快速反应，双层卫星光网络中继系统采用集中式路由策略，综合考虑链路负载量、链路时延和链路稳定性；因此，LB-DRA算法中的链路代价计算方法如下：
假定GEO-LEO双层卫星光网络可用图G＝(V,E)表示，V为网络的节点集，E为网络的链路集合；设源节点s到目的节点d一条路径资源为：
P(s,d)＝{s,v1,…,vi,…,vn,d}
其中，vi∈V，(s,v1)、(vi,vi+1)、(vn,d)之间存在链路e0、ei、en∈E；则路径资源的路由代价即为各链路的路由代价之和：
其中，Cost(ei)为链路ei的路由代价，其值由链路负载量、链路时延和链路稳定性综合确定，由下式计算：
其中，loadi为链路流量，Bi为链路带宽，Cost(loadi)表示链路负载代价；linki为链路长度，Cost(linki)为链路传输代价；δ(vi)为节点数据包的处理时延；α为链路负载惩罚系数，其值与loadi成正比；β为链路稳定性参数，c为光速，“同簇轨道”星间链路、“邻簇轨道”星间链路、“第一簇-第六簇轨道”星间链路、LEO-GEO星间链路稳定性依次递减，则对应的稳定性系数{β1、β2、β3、β4}依次减小，β根据链路ei的类型选取对应的稳定性系数；
为对网络拥塞、负载失衡及链路或节点故障等情况做出快速反应，双层卫星光网络中继系统采用集中式路由策略；网络中各节点均向其簇内主簇头发送链路状态信息，主簇头将信息汇聚后再发送至GEO卫星；GEO卫星采用Dijkstra算法根据各路径的路由代价计算出用户需求的最短路由；
第六步，GEO管理星根据各新任务需求计算的路由，制定全网的新计划下发至双层卫星系统中其他各卫星；下发过程与第三步骤中的上传过程正好相反，此过程在Δt3时段内完成，Δt3大小依据各节点传输时延加上处理时延，并考虑一定的冗余，其值通常也在1秒以下。
采用上述结构后，本发明具有如下有益效果：“回归-共地面轨迹”LEO星座，并仿真分析了此星座结构的覆盖特性和星间激光链路的稳定性，结果表明，此结构星座区域覆盖性能好，星间拓扑结构稳定，适应于基于激光链路的数据中继卫星系统。
在此基础上，针对双层卫星光网络的结构特点，提出了一种双层卫星光网络的路由资源调度方法LB-DRA，算法基于分时分层分簇的网络管理模型，并采用负载均衡策略。仿真结果表明，LB-DRA路由算法的网络时延一致性好，且在负载量较重时，网络业务分布更均匀，对网络吞吐量的提升效果显著，可有效增强双层卫星光网络数据中继系统的中继能力。
附图说明
图1是本发明中路由资源控制方法的流程图。
图2是本发明涉及的控制方法的步骤一中的GEO-LEO双层卫星分层分簇管理示意图。
图3是本发明涉及的控制方法的步骤三中的双层卫星系统中各卫星上传已有计划任务情况示意图。
图4是发明涉及的控制方法的步骤四中的数据中继需求上报过程示意图。
图5是本发明涉及的控制方法的步骤五中的GEO管理星计算新任务路由过程示意图。
图6是本发明涉及的控制方法的步骤六中的GEO管理星下发新任务示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的详细描述。
结合附图1到附图6，一种适应于双层卫星光网络数据中继系统的路由资源控制方法，它包括如下步骤：
第一步，建立分时分层分簇网络管理模型，结合附图2，根据双层结构：①老大是：GEO-01星，②第二级：GEO-02星，GEO-02星。(他们也是老大的备份；老大挂了，他们上，正常他们向老大汇报)，③第三级：LEO卫星层的6个轨道簇的簇长(他们的直接上级为GEO卫星，他们向第二级汇报)，④第四级：LEO卫星轨道簇内的卫星，他们向他们的簇长汇报。数据的上报与下发也是按照这个逐级汇聚于分发的顺序)。GEO-LEO双层卫星光网络具有拓扑不断变化、节点移动特性、星间光链路负载时变特性和业务分布不均特性，为简化双层卫星拓扑和负载时变给网络管理带来困难和星间互联关系的复杂性，采取分层分簇分时的网络管理方式；
建立分层分簇的网络管理系统，由于LEO卫星的移动特性，使GEO覆盖的LEO卫星群不断变化；为降低双层卫星网络互联关系的复杂性，采用分层分簇的网络管理策略；
双层卫星网络包括GEO卫星层和LEO卫星层，GEO卫星层由三颗用光链路相互连接的GEO卫星构成，LEO卫星层包括6个卫星单元，定义为6个轨道簇。
如附图中所示，GEO卫星层中选择一个GEO卫星为总的管理星(如设置GEO-1星)，对另外两颗GEO卫星进行管理，同时另外两颗GEO卫星作为管理星的备份星，当管理星失效时，备份星自动升级为管理星。
对于LEO卫星层，由于“同簇轨道”内对称分布的两颗LEO卫星即可实现与GEO卫星的持续联接，因此在每簇轨道中选出对称分布主次两个簇头，建立分层分簇网络管理规划模型；如图2所示，“第一簇轨道”卫星LEO_101与LEO_104即为一对主次簇头，每一簇卫星的主簇头与GEO卫星建立光链路，如图中GEO_1与LEO_101的；半个轨道周期后，次簇头LEO_104替换为主簇头，与GEO_1另一激光终端建立光链路(如图中虚线链路所示)，此后GEO_1与LEO_101的链路断开；每簇卫星的主簇头对簇内卫星进行管理，每簇卫星的主次簇头依次交替，从而保持本簇卫星与GEO的联接关系。
第二步，采用周期离散化的分时管理：划分时间片。为简化双层卫星光网络中继卫星系统拓扑和负载的时变特性给路由选择和维持带来的困难，将系统周期均分为n个时间片：
[t0,t0+Δt],[t1,t1+Δt],…,[tn-1,tn-1+Δt]
其中Δt为时间片长度，根据卫星网的分时静态拓扑特性，可认为双层卫星光网络拓扑结构在Δt时间段内不变，且假设各节点的负载量在此时段内基本保持不变，因此Δt的大小需根据网络整体时延、网络拓扑和节点负载量的变化速率设置；
系统周期均分为n个时间片后，即可得到离散化的时间序列：
St＝{t0,t1,t2,…,tn},ti＝ti-1+Δt,i＝1,2,...n
因此，系统要求卫星光链路的通断仅发生在离散时间点ti时刻；
第三步，双层卫星系统中各卫星上传已有的计划任务情况。双层卫星系统中的所有卫星均向GEO管理星上传其计划未来承载的任务情况，GEO管理星收到用户需求后更新各卫星任务情况。上传方式是：①每个LEO簇内卫星向本簇卫星的主簇头上传计划任务情况；②每个“同簇卫星”的主簇头汇聚本簇LEO卫星的数据后上传到其对应的GEO卫星；③各GEO卫星汇聚起收到的数据后上传到GEO管理星。此过程如图3所示，此过程在如图中所示的Δt1时段内完成，Δt1大小依据各节点传输时延加上处理时延，并考虑一定的冗余，通常大小在1秒以下。
第四步，各用户星的数据中继转发需求上报。用户星的数据中继转发需求可通过地面站上报至GEO管理星，也可通过用户卫星的微波链路直接将需求上报至GEO管理星。此过程是随时随需上报，GEO管理星收到用户需求后，按照第五步骤计算路由。此过程如图4所示，此过程在如图4中所示的Δt2时段内完成，Δt2＝(Δt-Δt1-Δt3)。
第五步，GEO管理星根据需求与各卫星已有任务情况采用LB-DRA算法计算出新任务的路由，此过程如图5所示。在双层卫星光网络LB-DRA(Load Balancing DynamicRouting Algorithm)算法中，为了对网络拥塞、负载失衡及链路或节点故障等情况做出快速反应，双层卫星光网络中继系统采用集中式路由策略，综合考虑链路负载量、链路时延和链路稳定性。因此，LB-DRA算法中的链路代价计算方法如下：
假定GEO-LEO双层卫星光网络可用图G＝(V,E)表示，V为网络的节点集，E为网络的链路集合；设源节点s到目的节点d一条路径资源为：
P(s,d)＝{s,v1,…,vi,…,vn,d}
其中，vi∈V，(s,v1)、(vi,vi+1)、(vn,d)之间存在链路e0、ei、en∈E；则路径资源的路由代价即为各链路的路由代价之和：
其中，Cost(ei)为链路ei的路由代价，其值由链路负载量、链路时延和链路稳定性综合确定，由下式计算：
其中，loadi为链路流量，Bi为链路带宽，Cost(loadi)表示链路负载代价；linki为链路长度，Cost(linki)为链路传输代价；δ(vi)为节点数据包的处理时延；α为链路负载惩罚系数，其值与loadi成正比；β为链路稳定性参数，c为光速，“同簇轨道”星间链路、“邻簇轨道”星间链路、“第一簇-第六簇轨道”星间链路、LEO-GEO星间链路稳定性依次递减，则对应的稳定性系数{β1、β2、β3、β4}依次减小，β根据链路ei的类型选取对应的稳定性系数；
为对网络拥塞、负载失衡及链路或节点故障等情况做出快速反应，双层卫星光网络中继系统采用集中式路由策略；网络中各节点均向其簇内主簇头发送链路状态信息，主簇头将信息汇聚后再发送至GEO卫星；GEO卫星采用Dijkstra算法根据各路径的路由代价计算出用户需求的最短路由。
第六步，GEO管理星根据各新任务需求计算的路由，制定全网的新计划下发至双层卫星系统中其他各卫星。下发过程与第三步骤中的上传过程正好相反，此过程如图6所示，此过程在如图中所示的Δt3时段内完成，Δt3大小依据各节点传输时延加上处理时延，并考虑一定的冗余，其值通常也在1秒以下。
采用上述方法后，本发明具有如下有益效果：本发明针对双层卫星光网络的结构特点，提出了一种双层卫星光网络的路由资源调度方法LB-DRA，算法基于分时分层分簇的网络管理模型，并采用负载均衡策略。仿真结果表明，LB-DRA路由算法的网络时延一致性好，且在负载量较重时，网络业务分布更均匀，对网络吞吐量的提升效果显著，可有效增强双层卫星光网络数据中继系统的中继能力。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的方法并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。