面向GEO/LEO双层卫星网络的抗毁路由方法技术

本发明专利技术公开了面向GEO/LEO双层卫星网络的抗毁路由方法，以及该方法中采用的GEO/LEO双层卫星网络架构。以分层分簇的思想，用带有冗余的GEO层当LEO层的管理层，以GEO当簇首管理其覆盖域内LEO的路由表计算，充分发挥架构的抗毁性功能；同时设计了链路状态评价模型，以达到从不同角度设置不同变量对链路状态进行综合评价的目的，并针对链路状态设置了6个阈值来促发GEO层对整个卫星网络的重路由，以此来达到抗毁性和避免拥塞的目的。因此，本卫星抗毁路由策略在航空、航天，及社会经济等领域中都具有较好的转化应用前景，属于卫星通信技术领域。

Survivable routing method for GEO/LEO double layer satellite network

The invention discloses a survivable routing method for a GEO/LEO double layer satellite network, and a GEO/LEO double layer satellite network structure adopted in the method. In a hierarchical clustering idea, using GEO layer with redundancy when management layer of LEO to GEO, when the cluster management covering the domain LEO routing table calculation, and give full play to the framework of survivability function; while the design of link state evaluation model, in order to achieve from different angles set different variables for comprehensive evaluation for the purpose of link state, and according to the link state set 6 threshold to trigger the GEO layer for the satellite network routing, in order to achieve the purpose of survivability and avoid congestion. Therefore, the satellite survivable routing strategy has a better application prospect in the fields of aviation, spaceflight, social economy and so on, and belongs to the field of satellite communication technology.

【技术实现步骤摘要】
面向GEO/LEO双层卫星网络的抗毁路由方法
本专利技术属于卫星通信
，涉及一种应用于双层卫星网络的抗毁路由方法，具体为GEO/LEO双层卫星网络架构。
技术介绍
随着航天技术的迅速发展和应用，卫星已经成为获取、融合、分发、处理空间信息或资源的主要手段和途径。卫星网络不受地理环境限制，能够为全球范围的地面用户提供远距离通信与宽带接入，是未来信息基础设施的重要组成部分。同时为全面提升我国的航天科技发展水平，缩短与发达国家的差距，我国863航天航空领域在“十三五”规划中，将卫星网络的研究作为一个重要的研究方向。由于卫星网络的重要作用，其能否维持高可靠的运行就显得尤为关键，并且对于卫星网络系统而言，外太空的卫星节点比地面节点更加重要。但因为卫星网络具有高动态拓扑、处理设施有限、存储空间有限等特性，这些限制使得现有地面网络的一些理论方法无法在卫星网络中得到应用，并使得设计高效的路由算法具有很大的困难。因此需要专门针对卫星网络进行研究。卫星网络抗毁性问题研究是针对当卫星因为故障而导致卫星网络中链路失效时的灾难恢复能力的问题。同时因为卫星运行的实际环境过于恶劣，目前卫星运行过程中，故障发生率较高。那么既然短期内无法克服卫星故障，我们就可以采取一定的措施，将卫星故障所带来的不良影响降到最低。为此，研究如何及时恢复卫星网络的正常运行并最大限度地降低因故障导致的链路时延增加，对于卫星系统的可靠运行，提高卫星系统工作效率，具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种面向GEO(GeosychrononsEarthOrbit，同步地球轨道)/LEO(LowEarthOrbit，低轨卫星)双层卫星网络的抗毁路由方法，其利用GEO和LEO各自的优势，可以有效提高卫星网络的抗毁性，并通过建立链路状态评价模型以及只向需要更新其路由表的LEO发送路由表的增量更新信息等方法，大大提高本抗毁路由策略的实用性。为达到上述目的，本专利技术的技术方案为面向GEO/LEO双层卫星网络的抗毁路由方法，包含以下步骤：步骤1：在地球表面将LEO卫星划分出若干个区域，在每个区域的中心放置一颗虚拟节点；每颗LEO卫星按照距离最近原则选取作为自身所属的虚拟节点，并上报给GEO进行注册；步骤2：当此LEO移动到该虚拟节点区域与下一个虚拟节点区域的重合区域时，则此LEO就与下一个虚拟节点的LEO建立连接，去比较双方相对于下一个虚拟节点中心位置的距离，若此LEO的距离更小，则从下一个虚拟节点的原LEO处继承下一个虚拟节点的虚拟节点信息，从而完成LEO与虚拟节点的切换；若此LEO的距离更大，则放弃该次切换，在等待t时间后再次寻找下一个虚拟节点并发起新的切换。若下一个虚拟节点的LEO出现故障或损毁，即无法联系到下一个虚拟节点的LEO时，则此LEO立即向其所属的GEO索取下一个虚拟节点的路由表等虚拟节点信息，并同时通报下一个虚拟节点的原LEO损毁，从而促发抗毁性重路由；步骤3：虚拟节点注册完成后，进入正常工作循环；步骤4：每颗卫星在每次收发数据包时都更新传输时延Td和发送队列排队数C；步骤5：根据链路状态评价公式计算出每条链路的状态：Costij＝w1*Tdij+w2*Ci；其中，Costij为从卫星i到卫星j的链路状态；Tdij为此时刻从卫星i到卫星j的归一化传输时延；Ci为卫星i此时刻的归一化发送队列排队数目；w1和w2则分别为数据包归一化传输时延Tdij、归一化卫星发送队列排队数Ci的系数，并对这些系数也做归一化处理，并规定：w1+w2＝1；步骤6：一旦链路状态Cost大于上一次向GEO上报的Cost值并且当前的Cost值达到3个上升阈值θ1、θ2、θ3中的某一个时，就立即触发该卫星向其所属GEO上报该条链路状态的变化信息；同理，当链路状态Cost小于上一次向GEO上报的Cost值并且当前的Cost值达到3个下降阈值中的某一个时，也立即触发该卫星向其所属GEO上报该条链路状态的变化信息；步骤7：GEO接收到链路状态信息之后，立即向其他GEO同步此链路状态的更新信息，以此来维持各自全局链路状态表的统一；步骤8：所有GEO根据更新后的全局链路状态表，利用Floyd算法重新计算整个卫星网络的全局路由表，该算法同时维护着两份二维表，一份是全局链路状态FCost表，另一份是记录最短路径的路径path表，初始状态下FCost表中所存储的每一个FCostij代表从卫星i到卫星j的链路状态大小，即初始状态下的FCostij其数值等于链路状态评价模型的Costij；path表中的pathij代表从卫星i到卫星j需要经过的路径，具体计算时，首先将FCost表中所有不存在真实链路的位置设置为断路状态，即FCost值无穷大；然后依次选取全局链路状态FCost表中的每一个卫星节点k，去中转任意的卫星节点i：若不进行中转的FCostij大于进行中转的FCostik+FCostkj，则将原有的FCostij更新为(FCostik+FCostkj)的值，并同时将k添加进pathij所存储的数组中，使得原先从卫星节点i到卫星节点j的路径，变为先从卫星节点i到卫星节点k，再从卫星节点k到卫星节点j，在所有卫星节点都当过中转节点对路径进行优化之后，此时的path表中所存储的数组pathij就是从卫星节点i到卫星节点j的最优路径，并且此最优路径pathij所对应的路径上FCost总和就是此时FCost表中经过优化更新之后的FCostij；步骤9：各GEO将全局路由表分解成其所辖簇内各LEO的路由子表，并分别向需要更新其路由表的LEO发送增量路由表更新信息；步骤10：LEO接收到增量更新路由表信息之后，立即更新自身路由表，并使用新路由表进行数据包的转发；步骤11：完成循环，转到步骤3。进一步，步骤1中是将地球表面按照铱星系统中每颗LEO的初始位置划分成66个区域。步骤2中的虚拟节点信息包含路由表和编号。本专利技术还进一步提出一种上述面向GEO/LEO双层卫星网络的抗毁路由方法中采用的GEO/LEO双层卫星网络架构，其中，GEO层设置了4颗GEO卫星，GEO层覆盖全体LEO，LEO层的路由计算任务由GEO层完成。进一步，GEO层的4颗GEO卫星均匀分布在赤道上空，具体坐标为：纬度都是0°，经度分别为30°、120°、210°、300°，海拔都为35786km。本专利技术的有益效果在于：1，卫星网络中的抗毁性路由算法普遍都是采取重路由的方式完成，但这些算法一般都存在评价属性单一、信令负载大等缺点。所以本专利技术重新设计了卫星链路评价模型，加入了链路时延、发送队列排队数等参数，使评价更准确；此外，本专利技术还将虚拟节点与区域划分相结合，使得对GEO层屏蔽了LEO卫星的频繁切换，降低了重路由的被激发次数；并且本专利技术还采取分层分簇的思想，每个虚拟节点上的LEO只将其链路状态更新信息上报至其所属的GEO，再由此GEO进行GEO层内同步全局链路状态信息，同时将新算出的路由表以局部增量更新的方式下发给其所辖LEO中需要更新路由表的那部分LEO卫星，这种分层分簇上报、局部增量更新的方式可以极大的降低信令通信的代价提高卫星网络的灾难恢复速度以及通信效率。附图说明图1是体系结构示意图。图2是LEO程序流程图。图3是GEO程序本文档来自技高网...

【技术保护点】
面向GEO/LEO双层卫星网络的抗毁路由方法，其特征在于包含以下步骤：步骤1：在地球表面将LEO卫星划分出若干个区域，在每个区域的中心放置一颗虚拟节点；每颗LEO卫星按照距离最近原则选取作为自身所属的虚拟节点，并上报给GEO进行注册；步骤2：当此LEO移动到该虚拟节点区域与下一个虚拟节点区域的重合区域时，则此LEO就与下一个虚拟节点的LEO建立连接，去比较双方相对于下一个虚拟节点中心位置的距离，若此LEO的距离更小，则从下一个虚拟节点的原LEO处继承下一个虚拟节点的虚拟节点信息，从而完成LEO与虚拟节点的切换；若此LEO的距离更大，则放弃该次切换，在等待t时间后再次寻找下一个虚拟节点并发起新的切换，若下一个虚拟节点的LEO出现故障或损毁，即无法联系到下一个虚拟节点的LEO时，则此LEO立即向其所属的GEO索取下一个虚拟节点的路由表等虚拟节点信息，并同时通报下一个虚拟节点的原LEO损毁，从而促发抗毁性重路由；步骤3：虚拟节点注册完成后，进入正常工作循环；步骤4：每颗卫星在每次收发数据包时都更新传输时延Td和发送队列排队数C；步骤5：根据链路状态评价公式计算出每条链路的状态：Cost

【技术特征摘要】
1.面向GEO/LEO双层卫星网络的抗毁路由方法，其特征在于包含以下步骤：步骤1：在地球表面将LEO卫星划分出若干个区域，在每个区域的中心放置一颗虚拟节点；每颗LEO卫星按照距离最近原则选取作为自身所属的虚拟节点，并上报给GEO进行注册；步骤2：当此LEO移动到该虚拟节点区域与下一个虚拟节点区域的重合区域时，则此LEO就与下一个虚拟节点的LEO建立连接，去比较双方相对于下一个虚拟节点中心位置的距离，若此LEO的距离更小，则从下一个虚拟节点的原LEO处继承下一个虚拟节点的虚拟节点信息，从而完成LEO与虚拟节点的切换；若此LEO的距离更大，则放弃该次切换，在等待t时间后再次寻找下一个虚拟节点并发起新的切换，若下一个虚拟节点的LEO出现故障或损毁，即无法联系到下一个虚拟节点的LEO时，则此LEO立即向其所属的GEO索取下一个虚拟节点的路由表等虚拟节点信息，并同时通报下一个虚拟节点的原LEO损毁，从而促发抗毁性重路由；步骤3：虚拟节点注册完成后，进入正常工作循环；步骤4：每颗卫星在每次收发数据包时都更新传输时延Td和发送队列排队数C；步骤5：根据链路状态评价公式计算出每条链路的状态：Costij＝w1*Tdij+w2*Ci；其中，Costij为从卫星i到卫星j的链路状态；Tdij为此时刻从卫星i到卫星j的归一化传输时延；Ci为卫星i此时刻的归一化发送队列排队数目；w1和w2则分别为数据包归一化传输时延Tdij、归一化卫星发送队列排队数Ci的系数，并对这些系数也做归一化处理，并规定：w1+w2＝1；步骤6：一旦链路状态Cost大于上一次向GEO上报的Cost值并且当前的Cost值达到3个上升阈值θ1、θ2、θ3中的某一个时，就立即触发该卫星向其所属GEO上报该条链路状态的变化信息；同理，当链路状态Cost小于上一次向GEO上报的Cost值并且当前的Cost值达到3个下降阈值中的某一个时，也立即触发该卫星向其所属GEO上报该条链路状态的变化信息；步骤7：GEO接收到链路状态信息之后，立即向其他GEO同步此链路状态的更新信息，以此来维持各自全局链路状态表的统一；步骤8：所有GEO根据更新后的全局链路状态表，利用Floyd算法重新计算整个卫星网络的全局路由表，该算法同时维护着两份二维表，一份是全局链路状...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙力娟，张胜东，周剑，韩崇，王娟，郭剑，肖甫，王汝传，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32