具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明一种用于LEO卫星星座的路由方法，(1)路由表由地面设置完成，并提前固化在全部卫星节点中；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；(2)当卫星节点接收到数据包后，首先读取帧头，根据帧头判断数据包格式是否错误，如果错误，则丢弃该数据包，如果正确，判断帧头中的目的卫星地址是否为本星地址，如果是本星地址，则进一步判断帧头中的帧类型，帧类型包括：业务帧、信令帧和不属于任何帧；如果帧类型为业务帧，将数据包送往往下行链路；如果帧类型为信令帧，送至本星的CPU；如果帧类型为不属于任何帧，则丢弃数据包；如果不是本星地址，则判断数据包生存时间是否为0，如果是，则丢弃该数据包，并继续接收下一数据包，如果否，则进一步读取帧头中的路由标志，并在当前时间对应的路由表中查询对应的路由(即下一跳卫星地址)；(3)根据查询出的路由，查询转发表中对应的卫星输出端口；(4)根据卫星周期性更新的拓扑表中星间链路连接状态，判断卫星输出端口所在的星间链路的连接状态，连接状态，包括通信正常和通信异常；如果通信正常，则数据包生存时间减1，并将数据包发送到该卫星输出端口，然后，并继续接收下一数据包，如果通信异常，判断路由表中是否还有未使用的新的路由，若有，则则从路由表中重新查询新的路由，返回步骤(3)，否则，丢弃该数据包。

对LEO卫星来说，其卫星轨道与星座排布是确定的，每颗卫星通常有 4条星间链路，整个网络为网状拓扑结构。卫星网络的主要特点及对路由设计的制约因素有：(1)卫星处理器运算能力、存储资源有限；(2)网络拓扑结构动态变化，链路切换频繁；(3)路由有效时间短，链路传输时延长，误码率高。

因此卫星网络的路由设计无法照搬现有地面网络广泛使用的路由技术，并无成熟经验可循。本发明的目的正是为了解决以上问题。

本发明中的一种用于LEO卫星星座的路由方法，优选方案步骤如下：

(1)路由表由地面设置完成，并提前固化在全部卫星节点中；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；

(2)当卫星节点接收到数据包后，首先读取帧头，根据帧头判断数据包格式是否错误，如果错误，则丢弃该数据包，如果正确，判断帧头中的目的卫星地址是否为本星地址，如果是本星地址，则进一步判断帧头中的帧类型，帧类型包括：业务帧、信令帧和不属于任何帧；如果帧类型为业务帧，将数据包送往往下行链路；如果帧类型为信令帧，送至本星的CPU；如果帧类型为不属于任何帧，则丢弃数据包；如果不是本星地址，则判断数据包生存时间是否为0，如果是，则丢弃该数据包，并继续接收下一数据包，如果否，则进一步读取帧头中的路由标志，并在当前时间对应的路由表中查询对应的路由；

(3)根据查询出的路由，查询转发表中对应的卫星输出端口；

(4)根据卫星周期性更新的拓扑表中星间链路连接状态，判断卫星输出端口所在的星间链路的连接状态，连接状态，包括通信正常和通信异常；如果通信正常，则数据包生存时间减1，并将数据包发送到该卫星输出端口，然后，并继续接收下一数据包，如果通信异常，判断路由表中是否还有未使用的新的路由，若有，则则从路由表中重新查询新的路由，返回步骤(3)，否则，丢弃该数据包。

查询对应的路由，即查询下一跳卫星地址。

路由表提前固化在全部卫星节点的EEPROM或FLASH中。

以某低轨通信卫星星座为例，该星座共由54颗卫星组成，共有6个轨道面，每个轨道面9颗卫星，轨道高度600km～2000km之间，对于单颗卫星而言，共具有4条星间链路(2条同轨链路，2条异轨链路)，如图1所示。地面段网络包括系统控制中心、关口站、测控站以及其它地面支撑网络，系统控制中心是整个网络的控制中心，负责系统的运行和维护，关口站负责对网络业务进行管理，同时也把卫星网络与地面公网和移动网相连，如图2 所示。

系统控制中心设有数据库，可以收集、统计和分析所有卫星节点的星间链路状态参数，包括(但不局限于)通信链路的当前数据流量和可用余量、链路通话建立的尝试次数、链路通话建立失效率等。利用以上链路状态参数，系统控制中心能够对源卫星节点到目标卫星节点的路由进行优化和更新。

图1也是卫星网络的星间链路拓扑图，其中蓝色线为同轨星间链路，红色为异轨星间链路。

同轨星间链路是指在同一轨道面的相邻卫星之间的链路。考虑到同一轨道面的卫星之间可认为是相对静止，故同轨星间链路始终保持连接。

异轨星间链路是指连接相邻轨道的相邻卫星之间的链路，具有以下几方面特点：

1)连接不固定：随着卫星向高纬度地区运动，异轨相邻卫星之间的相对速度越来越大，直到南北纬60度后难以维持连接，发生链路断开。离开南北纬60度地区后，再次建立连接，形成周期性通断特性。

2)反向缝难以建立链路：由于两个逆行轨道面的异轨星间链路 (即反向缝两侧卫星)的相对运动速度更大，因此，难以建立并维持反向缝两侧的星间链路。

3)链路时延不断变化：随着卫星的运动，异轨相邻卫星之间的距离在不断发生变化，当卫星越靠近极区，则相对距离越短，链路时延也越短。

图3给出了反向缝的特性示意图，包括星间链路拓扑关系及关闭特征。

低轨星座是一个星间链路拓扑关系处于时刻变化的卫星网络，但拓扑变化存在规律性和周期性，而且是可预测的。因此可以将一个周期在时间上划分成N个独立的拓扑表，使得在每一个拓扑表中，整个卫星网络的星间链路拓扑关系是固定不变的。则每一个卫星在一个周期内相对应地拥有N个路由表，并根据星间链路拓扑变化的时刻进行周期性切换。

本发明的方法中，拓扑表，优选方案具体如下:

图4是一个典型的9个卫星节点的拓扑表,记录了每个卫星星间链路的数量以及连接状态，对于每个卫星，最多存在4条有效的星间链路，“上”代表卫星飞行方向的星间链路，“下”代表卫星飞行反方向的星间链路，

“左”代表卫星左侧星间链路，“右”代表卫星右侧星间链路。全网卫星拥有相同的拓扑表。

拓扑表是作为计算路由表的输入之一，并不需要存储在卫星上。

本发明的方法中，路由表，优选方案具体如下:

依据拓扑表以及特定的路由算法，就能计算路由表。路由表的计算由地面系统控制中心完成，并提前固化在全部卫星节点的EEPROM或FLASH 中，由每个卫星节点独立执行，此外地面系统控制中心具备在轨维护更新路由表的能力，可以随时计算新的路由表并向卫星节点上注更新。每一个卫星在一个周期内的N个路由表，和N个拓扑表是一一对应的映射关系。

所有卫星节点拥有完全相同的路由表。

图5是以卫星节点1为例的某时间片内单个路由表的格式示意图。路由表包含了源卫星地址、目的卫星地址、下一跳卫星地址。本示意图中源卫星地址即卫星1；目的卫星地址分别为卫星2～卫星54；下一跳卫星地址用“上”、“下”、“左”、“右”代表数据包经卫星1路由输出的4个方向，实际应用时应使用4个方向相对应的下一跳卫星地址代替，例如，当拓扑表中卫星 1上方为卫星2，下方为卫星4，左方为卫星3，右方为卫星5，则图中“上”、“下”、“左”、“右”分别用卫星2、卫星4、卫星3、卫星5代替。当卫星1的某条异轨链路关闭(即反向缝)、或某条星间链路永久故障，则对应的下一跳卫星地址用“NULL”代表。当数据包到达卫星1时，数据包中目的卫星地址为卫星1本身，则说明数据包是发往卫星1对应的地面站或地面用户终端，不走卫星1的星间链路，因此不用查询路由表。

每个路由表中，卫星1到其它每个卫星之间都有多条路由可供选择(即存在多种路由配置：路由1、路由2、路由3……路由n)，分别通过不同的路由算法计算得到，如经典的bellman-ford算法、Dijkstra算法等，算法不限，可以灵活定制。这样做有两大优点：一是可以更为有效地平衡业务负载；二是允许卫星节点根据其负载或业务类型选择不同路径进行路由，这些都是通过数据包格式中的路由标志实现。

本发明的方法中，路由配置映射表，优选方案具体如下:

图6是一个典型的路由配置的映射表，此映射表存于卫星节点存储中，可以由系统控制中心将映射表发往卫星节点进行更新。卫星结点收到数据包后，查询数据包中的路由标志，选择相应的路由进行转发。图中路由标志为 4bits，最多可以映射16种路由配置，“0001”表示使用路由1，“0010”表示使用路由2，“0011”表示使用路由3……以此类推，“0000”表示随机路由，代表数据包在从源端发送至目的端时可以随机使用路由1～路由n中的任何一个路由。“FFFF”表示默认路由，代表数据包在从源端发送至目的端按照路由1、路由2、路由3……的优先级排序进行路由。

所有卫星节点拥有完全相同的路由配置映射表。

本发明的方法中，转发表，优选方案具体如下:

转发表表示了下一跳卫星地址与本卫星输出到下一跳卫星的星间链路的对应关系，该表存于卫星节点存储中，决定了数据包从卫星节点的(星载路由器)的哪个物理端口发送出去。

每个卫星节点的转发表都不一样。

本发明的方法中，可见星时隙周期表，优选方案具体如下:

存储当前及前后一段时间内地面站的可见星，该表存于卫星节点存储中，数据包目的地址为地面终端时，根据时隙周期表获取目的可见星地址。低轨卫星相对地面站的位置变化频繁，可见星周期表也要随之动态变化。

本发明的方法中，数据包格式，优选方案具体如下:

一个典型的数据包由帧头和净荷组成，格式如图7所示。

1)帧长：范围从帧长开始计算,即整个帧的长度

2)帧类型：数据包类型，例如语音、数据、信令、遥测遥控、测试等。

3)目的地址：目的卫星地址。

4)源地址：源卫星地址。

5)路由标志：路由标志对应相应的路由。

6)生存时间TTL：表示生存时间，逐跳减1。

7)优先级：最多可以定义0～15，共16级，0级最高。

8)逻辑信道标志LCN：能够实现波束号、频率号、时隙号等的映射。

9)帧头校验：可以多种校验方式，如果检验错误，则丢弃。

10)净荷：采用变长格式，0～1500字节可变，承载各类业务数据，净荷数据星上透明转发不进行解析。

数据包的路由交互需要路由表、转发表、可见星时隙周期表的支撑，为降低星上路由交换的复杂度，减小路由表的存储量，减轻卫星路由器的处理工作量，将低轨卫星系统的路由交换限制在星间路由交换，通过隧道机制屏蔽星地链路。

本发明的方法中，传输流程，优选方案具体如下:

数据包的路由交换流程包括用户终端到地面数据传输流程、地面到用户终端数据传输流程、用户终端到用户终端数据传输流程，具体流程如下：

1)用户终端到地面数据传输流程

接入星接收到用户终端发往地面终端的数据包，源地址为用户终端地址，目的地址为地面终端地址，根据隧道机制对数据包进行隧道封装，封装后的包源地址为接入星地址，目的地址为地面站地址。

数据包采用逐跳路由的方式在星间进行存储转发，在每一跳卫星上，根据可见星周期表获取当前时间目的地面站的可见星，作为目的卫星，查询路由表，获取下一跳卫星地址，根据转发表通过相应端口发送至星间链路。通过逐跳路由，数据包到达目的卫星，根据包头中的目的地面站地址，将数据包发送至地面站，地面站进行隧道解封装，通过地面路由将数据包发送至目的地面终端。

逐跳查询可见星周期表，获取目的地面站的可见星，可以保证可见星的时效性。

2)地面到用户终端数据传输流程

地面站接收到地面终端发送用户终端的数据包，源地址为地面终端地址，目的地址为用户终端地址，根据隧道机制对数据包进行隧道封装，封装后的包源地址为地面站地址，目的地址为用户终端的接入星地址。

数据包采用逐跳路由的方式在星间进行存储转发，在每一跳卫星上，查询路由表，根据目的卫星地址，获取下一跳卫星地址，然后根据转发表通过相应端口发送至星间链路。通过逐跳路由，数据包到达目的卫星，根据包头中的目的地面站地址，将数据包发送至目的卫星，目的卫星对数据包进行隧道解封装，根据目的用户终端地址将数据包下发至相应的用户终端。

3)用户终端到用户终端数据传输流程

接入星接收到用户终端A发往用户终端B的数据包，源地址为用户终端A地址，目的地址为用户终端B地址，根据隧道机制对数据包进行隧道封装，封装后的包源地址为用户终端A接入星地址，目的地址为用户终端B 接入星地址。

数据包采用逐跳路由的方式在星间进行存储转发，在每一跳卫星上，根据可见星周期表获取当前时间目的地面站的可见星，作为目的卫星，查询路由表，获取下一跳卫星地址，根据转发表通过相应端口发送至星间链路。通过逐跳路由，数据包到达目的卫星，目的卫星对数据包进行隧道解封装，根据目的用户终端地址将数据包下发至相应的用户终端。

逐跳查询可见星周期表，获取目的地面站的可见星，可以保证可见星的时效性。

本发明的方法中，连接状态更新，优选方案具体如下:

考虑到星座拓扑的周期性，每个时间段内拓扑表中，卫星之间的连接状态是可预测的，但实际应用中还需要考虑星间链路的真实连接情况，连接状态包括通信中断、通信拥塞等异常现象，星间链路通过相邻卫星之间周期性地探测对方来更新星间链路的连接状态，这种探测机制可以使用类似OSPF 协议的Hello包探测机制，也可以使用其它无线通信的握手机制，目的就是实时更新星间链路的连接状态。

图8是一个典型的9个卫星节点的探测示意图，比如卫星2通过周期性地与卫星1、卫星8、卫星3、卫星5进行握手来更新卫星2的四条星间链路的状态。

本发明的方法中，路由策略，优选方案具体如下:

卫星节点对数据包的处理流程如图9所示。当卫星节点接收到数据包后，首先读取帧头，判断格式是否错误(例如长度、标识位、校验和等)，如果错误，则丢弃该数据包，并继续接收下一包数据包，如果正确，则进一步判断目的卫星地址是否为本星，如果是，则进一步判断帧类型(例如判断是送往下行链路的业务帧还是本星接收的信令帧)，并根据不同的帧类型进行相应的操作处理(例如如果是业务帧则将数据包送下行链路模块进行处理，如果是信令帧则将数据包送往CPU处理器进行更高层协议的处理，如果不属于任何一种帧类型，则丢弃该数据包)，并继续接收下一包数据包，如果否，则进一步判断数据包生存时间是否为0，如果是，则丢弃该数据包，并继续接收下一包数据包，如果否，则进一步读取路由标志，并在当前时间对应的路由表中查询对应的路由(即下一跳卫星地址)，然后查询转发表中对应的输出端口，根据卫星周期性更新的星间链路连接状态，判断输出端口所在的星间链路的连接状态，如果通信正常，则数据包生存时间减1，并将数据包发送到该输出端口，然后，并继续接收下一包数据包，如果通信异常，则重新选择新的路由。重新选择新的路由举例如下，当路由标志为“0000”时(随机路由)，重新随机选择一次路由；当路由标志为“FFFF”时(默认路由)，按照路由1、路由2、路由3……的优先级顺序重新选择比前一次路由优先级低一级的路由。

本发明适用于LEO卫星星座的路由方法，路由表由地面系统控制中心提前计算，并上传到全部卫星节点，由各个节点自动执行路由表，属于静态路由，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卫星网络带宽；本发明路由表中含多个路由选项，数据包在路由时卫星节点能够根据链路连接状态，灵活选择最佳路由，从而绕过拥塞或失败链路，因此兼具动态路由的属性。

本发明是一种全新的路由方法，适用于诸如LEO卫星星座这种节点位置周期性移动、节点间连接随着节点位置也周期性变化的网络。