一种超大规模低轨卫星网络运维及资源管控方法技术

本发明专利技术公开了一种超大规模低轨卫星网络运维及资源管控方法，首先MEO卫星收集LEO卫星上报的地理位置信息；接着MEO卫星根据LEO卫星的地理位置，对超大规模LEO卫星网络进行分层管理；所述分层管理模式包括分组管理和分簇管理；每个LEO分组的所有簇头作为LEO‑MEO通信头节点，每个分组的LEO‑MEO通信头节点与对应的MEO通过层间链路IOL建立连接；LEO簇成员周期性地将自己的状态信息上报给对应的簇头LEO卫星，MEO卫星进行汇总；相比现有的卫星网络运维方法，本发明专利技术可以实现超大规模星座系统的轻量级快速控制，可以达到分钟级的运维响应速度，可以提升周期性状态信息收集效率，确保网络服务的连续性和一致性。

【技术实现步骤摘要】
一种超大规模低轨卫星网络运维及资源管控方法
本专利技术涉及卫星网络运维管理
，主要涉及一种超大规模低轨卫星网络运维及资源管控方法。
技术介绍
卫星网络由于其不受限与地理限制，而且支持长距离同行、灵活联网及其他固有特点，可以在任何地方提供全球高效的广播或组播服务。低轨星座网络由于其主要业务卫星为低轨卫星，其到地面的端到端时延最小，可以满足现在大部分的时延敏感业务，所以是所有卫星网络中最有发展潜力的一种。超大规模低轨星座网络是以大量的LEO卫星分布在多个轨道平面组成的星座，该星座网络拥有实时获取、传输和处理空间信息等功能。而超大规模低轨卫星网络有以下优点：1.从性能上讲，传播时延大幅减小，可以支持时延敏感的业务；同时，容量大，有能力进行数十万的并发连接。2.频谱利用率更高。开始使用28GHz这样接近毫米波的频段。3.可以使用的星间链路。信息可以在各卫星间传输，并通过目的地上方的卫星直接发送给地面上的目标基站。星座网络中节点间信息交互是星座网络运维中一个关键问题，对于大规模低轨星座来说，若是只凭借低轨卫星自己进行信息交互十分困难的，在单层卫星网络中，各个卫星所处轨道高度基本相同，各卫星性能也几乎没有差异，所以相互之间想要获得相关信息只有通过分布式的方式交换信息。这种方法存在许多问题：信令开销过大；节点维护全局信息成本过高；运维信息更新需要时间过长等。为了解决上述问题，人们开始考虑改变单层卫星结构，改为构建多层星座网络。多层卫星网络，相较于单层卫星网络，多层卫星网络结构拓扑变化更加剧烈，其原因有以下几点:(1)LEO层和其他层内的轨道间链路会周期性地切换；(2)不同层间卫星运动速度不同，LEO卫星和MEO卫星或GEO(GeosynchronousEarthOrbit)卫星层间链路切换频繁；(3)卫星星座的选择以及不同层间卫星初始位置都会对链路切换产生影响。经过对现有文献的检索发现，周云晖等人于2006年10月在《计算机学报》上发表了题为“一种基于时隙划分的三层卫星网络QoS路由协议”的文章。该文章提出了一种由三层轨道卫星(LEO/MEO/GEO)构成的卫星网络体系结构，该结构中同层中各卫星之间以及不同层的各卫星之间都存在星间链路，提高了星间链路的使用效率。低层卫星负责向高层卫星提供链路相关信息，高层卫星根据收集到的信息进行路由的计算，并分发到各个低层卫星上。其优点是降低了信令开销，同时，将计算过程集中到高层卫星上，减少了低层卫星的资源消耗，使得卫星网络的通信质量得到了保障。经过对现有文献的检索发现，杨力等人于2012年10月在《宇航学报》上发表了题为“一种GEO/LEO双层卫星网络路由算法及仿真研究”的文章。该文章提出了一种GEO/LEO双层卫星网络架构，将GEO卫星作为管理者，而离地较近的LEO层卫星作为业务层负责数据的传输和交换。文章提出了VLRA算法进行分簇管理，LEO簇头收集成员信息，再发送给GEO卫星进行收集、交换、汇总，最终形成一个全局的链路状态信息表，通过相反方向将路由更新给各LEO卫星。经过对现有文献的检索发现，潘成胜等人于2017年在《系统仿真学报》上发表了题为“一种实现MEO/LEO网络快速收敛的动态路由协议”的文章。该文章提出了一种MEO/LEO双层卫星网络架构，根据MEO的覆盖范围进行分簇，MEO卫星作为簇首，限制了链路状态报告扩散的开销，提高了网络稳定性。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)卫星层数过多。高层轨道卫星的职能不明确，存在职能冲突的问题。(2)GEO卫星作为管理层，其与LEO卫星的端到端时延过高导致的系统响应不及时。(3)现有技术都是基于数十颗规模的星座网络，对于超大规模低轨星座来说，管理节点任务过重。解决上述技术问题的意义在于：可以实现超大规模星座系统的轻量级快速控制，可以达到分钟级的运维响应速度，可以提升周期性状态信息收集效率，确保网络服务的连续性和一致性。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提供了一种超大规模低轨卫星网络运维及资源管控方法，选取了若干颗MEO卫星对超大规模低轨星座进行管理，可以对超大规模低轨星座网络中各网络节点的信息进行精细化管理，同时，可以达到分钟级的运维响应速度。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种超大规模低轨卫星网络运维及资源管控方法，包括以下步骤：步骤S1、MEO卫星收集LEO卫星上报的地理位置信息；步骤S2、MEO卫星根据LEO卫星的地理位置，对超大规模LEO卫星网络进行分层管理；所述分层管理模式包括分组管理和分簇管理；所述分组管理包括：LEO卫星选择通信范围覆盖自身的最近的MEO卫星作为自身归属的MEO卫星，此时单个MEO卫星覆盖若干个LEO卫星，将这些LEO卫星作为一组，则对应的MEO卫星即为该分组的管理者；所述分簇管理包括如下步骤：步骤S2.1、每个LEO卫星节点将与自己一跳连接的邻居节点上报给MEO卫星；步骤S2.2、MEO卫星基于自己分组下LEO卫星的位置信息及连接情况，由分组分簇的递阶分层算法计算分组内LEO卫星的分簇情况和簇头选取情况，选取各个簇头LEO卫星；步骤S2.3、MEO卫星发送分簇结果至各个簇头LEO卫星，仅与簇头LEO卫星建立层间链路连接，簇头LEO卫星再将簇内的路由情况下发至各个簇成员LEO卫星；步骤S3、簇成员LEO卫星周期性地将自己的状态信息上报给对应的簇头LEO卫星，由MEO卫星收集并相互交换得到全局信息。进一步地，所述步骤S1中LEO卫星上报的地理位置信息具体步骤如下：步骤S1.1、MEO卫星广播ping信息至自己通信覆盖范围内的LEO卫星；步骤S1.2、收到ping信息的LEO卫星返回ping信息给MEO卫星，则MEO卫星即可获取通信范围内LEO卫星的位置信息，包括经度、纬度和半径。进一步地，所述步骤S2.2中通过分组分簇的递阶分层算法计算分组内LEO卫星的分簇情况和簇头选取情况，选取簇头LEO卫星，具体步骤如下：步骤S2.2.1、在位置服务辅助下，将包括LEO卫星运行轨道的外层空间划分成N个分布均匀的初始簇，其中初始簇个数N与每个MEO卫星覆盖的LEO卫星个数成正比；步骤S2.2.2、选择LEO卫星密度最大的初始簇作为中心，合并周围8个初始簇；设定一个簇内最大LEO卫星节点数最大值为NMax；建立簇时，按簇节点密度Si从大至小的顺序依次并入周围的簇，合并的同时检查簇Ci的节点数目Di，当Di>NMax时，则跳过簇Ci，继续合并下一个簇；同时检查簇的边长比例，当簇Ci与簇Cj合并后边长尺寸超过预设分簇规模限制时，则取消合并；步骤S2.2.3、合并结束后，簇内的每个LEO卫星节点计算出簇内其他节点到本节点的跳数，采用最小跳数法选取簇首LEO卫星；LEO卫星节点将位置信息上报给管理自己的MEO卫星，成簇进程和簇首选取过程在MEO卫星管理节点中执行，结束后传输给LEO卫星节点。进一步地，所述步骤S2.2.3中选取簇首本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超大规模低轨卫星网络运维及资源管控方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤S1、MEO卫星收集LEO卫星上报的地理位置信息；/n步骤S2、MEO卫星根据LEO卫星的地理位置，对超大规模LEO卫星网络进行分层管理；所述分层管理模式包括分组管理和分簇管理；所述分组管理包括：/nLEO卫星选择通信范围覆盖自身的最近的MEO卫星作为自身归属的MEO卫星，此时单个MEO卫星覆盖若干个LEO卫星，将这些LEO卫星作为一组，则对应的MEO卫星即为该分组的管理者；/n所述分簇管理包括如下步骤：/n步骤S2.1、每个LEO卫星节点将与自己一跳连接的邻居节点上报给MEO卫星；/n步骤S2.2、MEO卫星基于自己分组下LEO卫星的位置信息及连接情况，由分组分簇的递阶分层算法计算分组内LEO卫星的分簇情况和簇头选取情况，选取各个簇头LEO卫星；/n步骤S2.3、MEO卫星发送分簇结果至各个簇头LEO卫星，仅与簇头LEO卫星建立层间链路IOL(Inter-Orbit-Links)连接，簇头LEO卫星再将簇内的路由情况下发至各个簇成员LEO卫星；/n步骤S3、簇成员LEO卫星周期性地将自己的状态信息上报给对应的簇头LEO卫星，由MEO卫星收集并相互交换得到全局信息。/n...

【技术特征摘要】
1.一种超大规模低轨卫星网络运维及资源管控方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、MEO卫星收集LEO卫星上报的地理位置信息；
步骤S2、MEO卫星根据LEO卫星的地理位置，对超大规模LEO卫星网络进行分层管理；所述分层管理模式包括分组管理和分簇管理；所述分组管理包括：
LEO卫星选择通信范围覆盖自身的最近的MEO卫星作为自身归属的MEO卫星，此时单个MEO卫星覆盖若干个LEO卫星，将这些LEO卫星作为一组，则对应的MEO卫星即为该分组的管理者；
所述分簇管理包括如下步骤：
步骤S2.1、每个LEO卫星节点将与自己一跳连接的邻居节点上报给MEO卫星；
步骤S2.2、MEO卫星基于自己分组下LEO卫星的位置信息及连接情况，由分组分簇的递阶分层算法计算分组内LEO卫星的分簇情况和簇头选取情况，选取各个簇头LEO卫星；
步骤S2.3、MEO卫星发送分簇结果至各个簇头LEO卫星，仅与簇头LEO卫星建立层间链路IOL(Inter-Orbit-Links)连接，簇头LEO卫星再将簇内的路由情况下发至各个簇成员LEO卫星；
步骤S3、簇成员LEO卫星周期性地将自己的状态信息上报给对应的簇头LEO卫星，由MEO卫星收集并相互交换得到全局信息。


2.根据权利要求1所述的一种超大规模低轨卫星网络运维及资源管控方法，其特征在于，所述步骤S1中LEO卫星上报的地理位置信息具体步骤如下：
步骤S1.1、MEO卫星广播ping信息至自己通信覆盖范围内的LEO卫星；
步骤S1.2、收到ping信息的LEO卫星返回ping信息给MEO卫星，则MEO卫星即可获取通信范围内LEO卫...

【专利技术属性】
技术研发人员：周海波，沙鹏翔，马婷，徐震杰，伍汉霖，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32