多路径协作的软件定义卫星网络连续数据回传方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种多路径协作的软件定义卫星网络连续数据回传方法及系统，包括：控制器计算协作卫星集与协作传输量，估算能够协作中继的数据包数量；控制器规划源卫星与协作卫星集之间的多条路径；源卫星编码数据包并通过多路径传输数据包；中间节点收到数据包进行编码并转发数据包；协作卫星收到中间节点转发的数据包并进行解码，向源卫星发送确认消息。本发明专利技术基于卫星间协作传输，保证了卫星数据的连续不间断回传，在降低了端到端时延的同时，提高了网络的吞吐率；避免了传统多路径传输方案所需要的路径协调与管理代价；发明专利技术的端到端无停等ACK机制，显著减少了确认机制带来的开销，提高了星间链路利用率。提高了星间链路利用率。提高了星间链路利用率。

【技术实现步骤摘要】
多路径协作的软件定义卫星网络连续数据回传方法及系统


[0001]本专利技术涉及卫星网络宽带实时数据传输领域，具体地，涉及一种多路径协作的软件定义卫星网络连续数据回传方法及系统。

技术介绍

[0002]卫星比地面节点具有通信距离远、覆盖范围广等特点，多棵卫星通过星间链路进行协作中继，容易实现全球通信覆盖，将成为未来6G系统的重要组成部分，特别是在遥感监测，对地观察等领域，发挥着无可替代的作用。然而，由于卫星持续作时空大尺度高速运动，单棵中、低轨卫星与地球站之间的通信窗口只有20分钟左右；现有卫星系统大多采用“过顶传输”机制，因而造成了传输断续、时延与间隔大、卫星资源利用率低，难以支持宽带、连续的信息服务。因此，基于多棵卫星之间的协作，需要下传数据的源卫星将数据沿星间链路传输到可以地球站直接通信的一组卫星(本专利技术称之为协作卫星)，由后者连续回传地球站，将是未来宽带、连续卫星服务的必由之路。这里，协作卫星是在持续变化的。另一方面，为了支持卫星网络智能化管理，未来卫星网络将基于软件定义技术，使用逻辑上集中的控制平面对卫星资源进行精细化控制，基于控制器维护卫星网络状态，并据此规划路径、均衡负载等。
[0003]多路径是提高网络吞吐率、降低端到端时延、改善不稳定环境下传输质量的有效技术。基于网络编码的多路径传输方案中，数据包在传输路径上不断被编码，目的端只要收到足够数量的编码数据包，就能够解析出源数据包。同时，编码后的数据包，无论从哪条路径发送，只要传递到目的端，都能参与源数据包解析。但现在成果难以对卫星网络的宽带、连续数据回传提供有效支持。
[0004]学者Chachulski等(Szymon Chachulski,Michael Jennings,Sachin Katti et al.Trading Structure for Randomness in Wireless Opportunistic Routing.SIGCOMM Comput.Commun.Rev.2007:169
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180.)首先提出结合网络编码和机会路由改进无线网络的吞吐量，设计了面向无线网络的多路径协议MORE，其基本思想是源节点广播分组，邻居节点重新编码数据包并递归地广播；一旦目的节点收到属于一个批次(Batch)的足够数量的分组，它将解析该批次数据包，并发送ACK以通知源发送下一批次分组。基于MORE，Koutsonikolas等(Dimitrios Koutsonikolas,Chih
‑
Chun Wang and Y.Charlie Hu.CCACK:Efficient Network Coding Based Opportunistic Routing Through Cumulative Coded Acknowledgments.In INFOCOM 2010:2919
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2927.)设计了网络编码协议CCACK，其关键之处是采用来自下游节点的累积编码确认来减少传输冗余量，即，一旦下游节点收到足够数量的编码数据包后，上游节点将不再发送该批次的数据包。
[0005]此外，文献(Xinyu Zhang and Baochun Li.“Optimized multipath network coding in lossy wireless networks”.IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2009,27(5):622
–
634)提出了一个基于网络编码的多路径协议OMNC，该协议基于分布式优化将发送速率分配给源节点，以此来提高有噪声无线网络的吞吐量，目标
是优化网络编码带来的收益。
[0006]但是，由于星间链路单跳延迟远大于地面链路，现有这些协议的数据传输与确认机制导致星间链路资源浪费严重、卫星网络性能低下，难以适用于卫星网络。本专利技术基于卫星间协作传输，解决了现有卫星系统“过顶传输”带来的传输间断，保证了卫星数据的连续回传，在降低了端到端时延的同时，提高了网络的吞吐率；同时，基于网络编码的多路径协作传输方案，避免了传统多路径传输方案需要的路径之间协调与管理代价；提出的端到端无停等ACK机制，显著减少了确认机制带来的开销，提高了星间链路利用率。
[0007]专利文献CN113644962A(申请号：CN202110866297.X)公开了一种低速、非实时的卫星物联网终端数据回传方法及系统，其中方法包括：步骤1、协同网控中心与用户终端建立通信链路；步骤2、用户终端根据所述通信链路接入网控中心；步骤3、所述用户终端与所述网控中心根据需求进行数据回传。但该专利技术进行低速、非实时物联网数据回传方法，不能保证卫星数据的连续不间断回传，没有解决传输间断、时延与间隔大、卫星资源利用率低等问题。
[0008]本专利技术基于卫星间协作传输，保证了卫星数据的连续不间断回传，在降低了端到端时延的同时，提高了网络的吞吐率；避免了传统多路径传输方案所需要的路径协调与管理代价；专利技术的端到端无停等ACK机制，显著减少了确认机制带来的开销，提高了星间链路利用率。

技术实现思路

[0009]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种多路径协作的软件定义卫星网络连续数据回传方法及系统。
[0010]根据本专利技术提供的一种多路径协作的软件定义卫星网络连续数据回传方法，包括：
[0011]步骤S1：控制器计算协作卫星集与协作传输量，估算能够协作中继的数据包数量；
[0012]步骤S2：控制器规划源卫星与协作卫星集之间的多条路径；
[0013]步骤S3：源卫星编码数据包并通过多路径传输数据包；
[0014]步骤S4：中间节点收到数据包进行编码并转发数据包；
[0015]步骤S5：协作卫星收到中间节点转发的数据包并进行解码，向源卫星发送确认消息。
[0016]优选地，在所述步骤S1中：
[0017]步骤S1.1：计算协作卫星集：
[0018]软件定义卫星网络中，当需要下传数据的源卫星s向其控制器发送传输请求时，控制器基于星座运动模式，计算此刻位于地球站上空的协作卫星集合CS；
[0019]步骤S1.2：计算协作传输量：
[0020]协作传输量CTT
i
是协作节点cs
i
在一个时间窗口内能够传输的数据包数量。
[0021]优选地，在所述步骤S1.2中：
[0022]步骤S1.2.1：基于协作卫星的负载与数据到达速率，估算协作卫星能够协作中继的数据包数量：
[0023]协作传输量受到二方面因素的制约：一是与地球站保持通信的时间窗口；二是缓
冲区中已有负载；
[0024]以Δt
i
表示第(i
‑
1)个数据包和第i个数据包到达协作节点的时间间隔；t
o
表示从源到协作卫星之间的传播时延，则：
[0025][0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多路径协作的软件定义卫星网络连续数据回传方法，其特征在于，包括：步骤S1：控制器计算协作卫星集与协作传输量，估算能够协作中继的数据包数量；步骤S2：控制器规划源卫星与协作卫星集之间的多条路径；步骤S3：源卫星编码数据包并通过多路径传输数据包；步骤S4：中间节点收到数据包进行编码并转发数据包；步骤S5：协作卫星收到中间节点转发的数据包并进行解码，向源卫星发送确认消息。2.根据权利要求1所述的多路径协作的软件定义卫星网络连续数据回传方法，其特征在于，在所述步骤S1中：步骤S1.1：计算协作卫星集：软件定义卫星网络中，当需要下传数据的源卫星s向其控制器发送传输请求时，控制器基于星座运动模式，计算此刻位于地球站上空的协作卫星集合CS；步骤S1.2：计算协作传输量：协作传输量CTT
i
是协作节点cs
i
在一个时间窗口内能够传输的数据包数量。3.根据权利要求2所述的多路径协作的软件定义卫星网络连续数据回传方法，其特征在于：在所述步骤S1.2中：步骤S1.2.1：基于协作卫星的负载与数据到达速率，估算协作卫星能够协作中继的数据包数量：协作传输量受到二方面因素的制约：一是与地球站保持通信的时间窗口；二是缓冲区中已有负载；以Δt
i
表示第(i
‑
1)个数据包和第i个数据包到达协作节点的时间间隔；t
o
表示从源到协作卫星之间的传播时延，则：其中，L为协作卫星缓冲队列总长度；r
s
为源卫星s的发送速率；协作卫星缓冲区的数据包进入速率r
i
(t)与发出速率r
o
(t)与时间有关，在时间间隔Δt
i
内，协作卫星cs
i
的缓冲区中增加数据包数量l
i
为：协作卫星cs
i
的最大传输窗口为tw
i
，最大传输窗口是cs
i
直接连通地球站的最长时间；当源s开始发送时，cs
i
的可用传输时间为cs
i
缓冲区已有l0个数据包；当cs
i
收到x个数据包后，cs
i
的可用传输时间t(x)为：其中，B
i
为协作卫星cs
i
的发送速率；步骤S1.2.2：单颗卫星最大协作中继量：考虑到每颗协作卫星在地球站上空的最大通信时间窗口，任意一颗协作卫星cs
i
的最大协作传输量CTT
i
为：
其中，tw
i
为协作卫星cs
i
与地球站一次连续通信的最长时间。4.根据权利要求1所述的多路径协作的软件定义卫星网络连续数据回传方法，其特征在于，在所述步骤S2中：规划源卫星与协作卫星集之间的多条正交路径包括以下步骤：步骤S2.1：评估链路传输代价：基于卫星网络、地面网络的链路质量、用宽带以及节点负载计算链路传输代价；其中，为链路上的传输代价；表示链路上的丢包率，反映链路上的传输质量；和分别是链路上已使用的带宽及其总带宽；步骤S2.2：计算路径传输代价：根据计算得到的链路传输代价，计算源节点与各协作卫星之间所有路径的端到端传输代价；对于一条传输路径p：其中，表示组成路径p的不同链路之间存在偏序关系，路径p上路径传输代价C
p
表达式为：步骤S2.3：多路径规划：以路径传输代价作为路由机制，以传输代价最低为原则，规划源卫星与各协作卫星集之间的N条正交路径P：其中，s为源卫星，cs
i
为协作卫星。5.根据权利要求1所述的多路径协作的软件定义卫星网络连续数据回传方法，其特征在于，在所述步骤S3中：源卫星进行基于网络编码的数据发送包括以下步骤：步骤S3.1：源卫星编码数据包，以批为基本编码单元，编码一批源数据；步骤S3.2：发送编码数据包，将编码后一批数据包在每条路径上连续发送m个，并放入缓冲区，选择另一组随机编码向量，编码下一批源数据包；步骤S3.3：当收到编码后一批数据包的确认消息ACK，则将确认消息的一批数据包从缓冲区移除。6.根据权利要求5所述的多路径协作的软件定义卫星网络连续数据回传方法，其特征在于：所述步骤S3.1包括以下步骤：步骤S3.1.1：编码向量产生：
采用有限域GF(256)上的随机线性网络编码方案，对每一批源数据包进行编码，每批中包含N个数据包，opi表示任一源数据包，cpi表示一个编码后的数据包，则编码向量从GF(256)随机产生，第j个数据包的编码向量(256)随机产生，第j个数据包的编码向量其中，a
j,i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐飞龙，
申请(专利权)人：苏州全时空信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：