软件定义卫星网络的链路规划方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及互联网领域，提供了一种软件定义卫星网络的链路规划方法和装置，包括：获取卫星网络信息，根据所述卫星网络信息建立控制链路与数据链路联合规划的约束；对低轨卫星节点和数据业务进行排序；基于粒子群算法和贪婪算法，根据所述联合规划的约束、排序后的所述低轨卫星节点和排序后的所述数据业务确定卫星网络的链路规划策略。本发明专利技术可以在保障卫星网络中控制报文和数据业务传输需求的同时，降低星间链路启用数量，减少卫星网络的能源消耗和资源浪费，实现网络资源的高效利用。

【技术实现步骤摘要】
软件定义卫星网络的链路规划方法和装置
本专利技术涉及互联网领域，尤其涉及一种软件定义卫星网络的链路规划方法和装置。
技术介绍
卫星网络以其覆盖范围广、通信实时性强、系统容量大等特点吸引了越来越多的关注，被公认为具备有效补充和支撑地面网络系统的能力。而软件定义网络以其良好的控制能力和灵活性，成为星地一体化网络的主要解决方案。同时，低轨(LowEarthOrbit，LEO)卫星网络以其卫星研发成本低、部署周期短、链路传播时延短、信号质量好，成为下一代空间骨干网络的最优选择之一；高轨(GeosynchronousEarthOrbit，GEO)卫星以其覆盖范围广、链路可靠性高、与地面站指向关系固定等优势，成为软件定义卫星网络控制器最优选择之一。因此，组建以高轨卫星为控制器、低轨卫星为数据平面的软件定义卫星网络具有重要的应用前景以及实际部署意义。软件定义卫星网络同样面临两大难题：由卫星节点高动态运转带来的动态链路规划问题，以及由卫星节点能源、存储等资源受限带来的资源优化问题。虽然针对星间链路规划问题，部分低轨卫星星座设计了相对固定的低轨层星间链路，但是全球网络业请求是随地域严重不均衡分布的、随时间高动态变化的，这意味着固定星间链路的卫星网络在业务需求非高峰期时，存在大量冗余链路，将带来大量的能源消耗、卫星资源浪费，无法满足卫星网络资源优化的需求。此外，在基于GEO/LEO的软件定义卫星网络，同样还需要考虑的问题还有控制链路的动态规划。传统的高轨卫星与低轨卫星连接策略是根据星下点最近原则，然而在多GEO控制器架构下，星下点最近原则可能导致控制器负载的严重不均衡、部分低轨卫星节点的路由配置延迟过大。而且，仿真显示在铱星星座中，单个GEO控制器大约可以与40个低轨卫星可见，如果假定每个高轨控制器最多与2个低轨卫星节点相连接，那么三个高轨控制器可供选择的连接方案达到9亿个。因此，现有的最优化算法无法满足基于GEO/LEO的软件定义卫星网络的控制链路快速规划需求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种软件定义卫星网络的链路规划方法和装置，以解决现有技术中的卫星网络在业务需求非高峰期时，存在大量冗余链路造成大量卫星资源浪费，以及现有的最优化算法无法满足软件定义卫星网络的控制链路快速规划需求的问题。本专利技术实施例的第一方面提供了一种软件定义卫星网络的链路规划方法，包括：获取卫星网络信息，根据所述卫星网络信息建立控制链路与数据链路联合规划的约束；对低轨卫星节点和数据业务进行排序；基于粒子群算法和贪婪算法，根据所述联合规划的约束、排序后的所述低轨卫星节点和排序后的所述数据业务确定卫星网络的链路规划策略。进一步地，所述控制链路与数据链路联合规划的约束包括：高轨卫星可连接的低轨卫星节点的数量约束、每条数据链路的承载业务量约束、每个低轨卫星节点的承载业务能力约束、控制报文传输路径的服务质量约束和数据业务的传输路径的服务质量约束。进一步地，对低轨卫星节点和数据业务进行排序，包括：根据服务请求量对所述低轨卫星节点进行排序，根据业务服务质量和业务量对所述数据业务进行排序。进一步地，基于粒子群算法和贪婪算法，根据所述联合规划的约束、排序后的所述低轨卫星节点和排序后的所述数据业务确定卫星网络的链路规划策略，包括：基于贪婪算法，根据所述联合规划的约束、排序后的所述低轨卫星节点和排序后的所述数据业务，初始化全局解和每个粒子的个体解；基于粒子群算法的优化规则进行循环迭代，输出全局解对应的控制路径集、数据业务路径集和网络连接拓扑。进一步地，基于贪婪算法，根据所述联合规划的约束、排序后的所述低轨卫星节点和排序后的所述数据业务，初始化全局解和每个粒子的个体解，包括：根据服务请求量初始化粒子解，得到每个粒子的初始锚点集，所述初始锚点集为对应的高轨卫星可连接的低轨卫星节点的集合；基于贪婪算法和所述联合规划的约束，计算排序后的所述低轨卫星节点到所述初始锚点集的控制报文传输路径得到控制路径集，计算排序后的所述数据业务的传输路径得到数据业务路径集，同时得到网络连接拓扑；基于粒子适应度评价规则，在所述控制路径集、数据业务路径集和网络连接拓扑中得到全局解和每个粒子的个体解。进一步地，基于粒子群算法的优化规则进行循环迭代，输出全局解对应的控制路径集、数据业务路径集和网络连接拓扑，包括：初始化最大迭代次数，开始迭代；计算此轮迭代的惯性权重；根据所述惯性权重、全局解和个体解，依次更新每个粒子的速度和位置；基于贪婪算法计算每个粒子的个体解，并判断每个粒子是否属于解空间，若不属于，根据服务请求量重新初始化不满足解空间的粒子，并基于贪婪算法计算初始化后的所述不满足解空间的粒子的个体解；基于粒子适应度评价规则，更新全局解和每个粒子的个体解；在迭代次数到达最大迭代次数时，输出全局解对应的控制路径集、数据业务路径集和网络连接拓扑。进一步地，根据服务请求量初始化粒子解，得到每个粒子的初始锚点集，包括：计算每个所述低轨卫星节点的被选择概率；根据所述被选择概率确定每个高轨卫星上每个天线可连接的低轨卫星节点，得到每个粒子的初始锚点集。进一步地，基于贪婪算法和所述联合规划的约束，计算排序后的所述低轨卫星节点到所述初始锚点集的控制报文传输路径得到控制路径集，包括：初始化粒子P的局部拓扑为空，并将粒子P的锚点集中高轨卫星与低轨卫星节点的链路加入到所述粒子P的局部拓扑中；根据所述低轨卫星节点的排序结果，在所述粒子P的局部拓扑下依次计算每个低轨卫星节点的控制路径，所述低轨卫星节点的控制路径为所述低轨卫星节点到对应的初始锚点集中所有锚点的最短路径中，满足所述联合规划约束且最短的那一条；若在所述粒子P的局部拓扑下，不存在满足所述联合规划约束的所述低轨卫星节点的控制路径，则在全局拓扑下计算所述低轨卫星节点的控制路径，并更新所述粒子P的局部拓扑，所有低轨卫星节点的控制路径集合为所述粒子P的控制路径集。进一步地，基于贪婪算法和所述联合规划的约束，计算排序后的所述数据业务的传输路径得到数据业务路径集，包括：根据所述数据业务的排序结果，在更新后的所述粒子P的局部拓扑下依次计算每条数据业务的传输路径，所述数据业务的传输路径为可以承载所述数据业务且满足联合规划约束的最短路径；若在所述粒子P的局部拓扑下，不存在满足所述联合规划约束的所述数据业务的传输路径，则在全局拓扑下计算所述数据业务的传输路径，并更新所述粒子P的局部拓扑，所有数据业务的传输路径集合为粒子P的数据业务路径集，此时的局部拓扑为所述粒子P的网络连接拓扑。进一步地，基于粒子适应度评价规则，在所述控制路径集、数据业务路径集和网络连接拓扑中得到全局解和每个粒子的个体解，包括：根据所述控制路径集、数据业务路径集和网络连接拓扑分别计算对应粒子的第一平均延迟、第二平均延迟以及激活链路数量；若所述激活链路数量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种软件定义卫星网络的链路规划方法，其特征在于，包括：/n获取卫星网络信息，根据所述卫星网络信息建立控制链路与数据链路联合规划的约束；/n对低轨卫星节点和数据业务进行排序；/n基于粒子群算法和贪婪算法，根据所述联合规划的约束、排序后的所述低轨卫星节点和排序后的所述数据业务确定卫星网络的链路规划策略。/n

【技术特征摘要】
1.一种软件定义卫星网络的链路规划方法，其特征在于，包括：
获取卫星网络信息，根据所述卫星网络信息建立控制链路与数据链路联合规划的约束；
对低轨卫星节点和数据业务进行排序；
基于粒子群算法和贪婪算法，根据所述联合规划的约束、排序后的所述低轨卫星节点和排序后的所述数据业务确定卫星网络的链路规划策略。


2.如权利要求1所述的软件定义卫星网络的链路规划方法，其特征在于，所述控制链路与数据链路联合规划的约束包括：
高轨卫星可连接的低轨卫星节点的数量约束、每条数据链路的承载业务量约束、每个低轨卫星节点的承载业务能力约束、控制报文传输路径的服务质量约束和数据业务的传输路径的服务质量约束。


3.如权利要求1所述的软件定义卫星网络的链路规划方法，其特征在于，对低轨卫星节点和数据业务进行排序，包括：
根据服务请求量对所述低轨卫星节点进行排序，根据业务服务质量和业务量对所述数据业务进行排序。


4.如权利要求1至3任一项所述的软件定义卫星网络的链路规划方法，其特征在于，基于粒子群算法和贪婪算法，根据所述联合规划的约束、排序后的所述低轨卫星节点和排序后的所述数据业务确定卫星网络的链路规划策略，包括：
基于贪婪算法，根据所述联合规划的约束、排序后的所述低轨卫星节点和排序后的所述数据业务，初始化全局解和每个粒子的个体解；
基于粒子群算法的优化规则进行循环迭代，输出全局解对应的控制路径集、数据业务路径集和网络连接拓扑。


5.如权利要求4所述的软件定义卫星网络的链路规划方法，其特征在于，基于贪婪算法，根据所述联合规划的约束、排序后的所述低轨卫星节点和排序后的所述数据业务，初始化全局解和每个粒子的个体解，包括：
根据服务请求量初始化粒子解，得到每个粒子的初始锚点集，所述初始锚点集为对应的高轨卫星可连接的低轨卫星节点的集合；
基于贪婪算法和所述联合规划的约束，计算排序后的所述低轨卫星节点到所述初始锚点集的控制报文传输路径得到控制路径集，计算排序后的所述数据业务的传输路径得到数据业务路径集，同时得到网络连接拓扑；
基于粒子适应度评价规则，在所述控制路径集、数据业务路径集和网络连接拓扑中得到全局解和每个粒子的个体解。


6.如权利要求4所述的软件定义卫星网络的链路规划方法，其特征在于，基于粒子群算法的优化规则进行循环迭代，输出全局解对应的控制路径集、数据业务路径集和网络连接拓扑，包括：
初始化最大迭代次数，开始迭代；
计算此轮迭代的惯性权重；
根据所述惯性权重、全局解和个体解，依次更新每个粒子的速度和位置；
基于贪婪算法计算每个粒子的个体解，并判断每个粒子是否属于解空间，若不属于，根据服务请求量重新初始化不满足解空间的粒子，并基于贪婪算法计算初始化后的所述不满足解空间的粒子的个体解；
基于粒子适应度评价规则，更新全局解和每个粒子的个体解；
在迭代次数到达最大迭代次数时，输出全局解对应的控制路径集、数据业务路径集和网络连接拓扑。


7.如权利要求5所述的软件定义卫星网络的链路规划方法，其特征在于，根据服务请求量初始化粒子解，得到每个粒子的初始锚点集，包括：
计算每个所述低轨卫星节点的被选择概率；
根据所述被选择概率确定每个高轨卫星上每个天线可连接的低轨卫星节点，得到每个粒子的初始锚点集。


8.如权利要求5所述的软件定义卫星网络的链路规划方法，其特征在于，基于贪婪算法和所述联合规划的约束，计算排序后的所述低轨卫星节点到所述初始锚点集的控制报文传输路径得到控制路径集，包括：
初始化粒子P的局部拓扑为空，并将粒子P的锚点集中高轨卫星与低轨卫星节点的链路加入到所述粒子P的局部拓扑中；
根据所述低轨卫星节点的排序结果，在所述粒子P的局部拓扑下依次计算每个低轨卫星节点的控制路径，所述低轨卫星节点的控制路径为所述低轨卫星节点到对应的初始锚点集中所有锚点的最短路径中，满足所述联合规划约束且最短的那一条；
若在所述粒子P的局部拓扑下，不存在满足所述联合规划约束的所述低轨卫星节点的控制路径，则在全局拓扑下计算所述低轨卫星节点的控制路径，并更新...

【专利技术属性】
技术研发人员：张婷婷，刘志慧，杨志才，董涛，殷杰，
申请(专利权)人：北京卫星信息工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11