一种多层低轨卫星网络中跨层链路的建立方法技术

本发明专利技术属于卫星通信领域，涉及一种多层低轨卫星网络中跨层链路的建立方法，所述方法包括利用虚拟位置对卫星网络所在空间进行分区形成网格，在网格内选择上层星座中间节点作为主动建链节点建立跨层链路，降低分区内不同层的节点叠加影响；从影响跨层链路通断的因素入手，对星间轨道和跨层链路变化及节点资源刻画；构建了跨层节点运动模型及节点和链路资源模型，以信噪比、节点缓存、链路持续时间为决策变量构建可靠链路效用函数，选择节点和链路资源效用值最大的节点与主动建链节点建链。本发明专利技术建立了多层低轨卫星网络中的可靠跨层链路，实现了多层网络的跨层可靠通信，增加了数据包传输路径的多样性，降低了数据包传输时延，提高了网络通信性能。高了网络通信性能。高了网络通信性能。

【技术实现步骤摘要】
一种多层低轨卫星网络中跨层链路的建立方法


[0001]本专利技术涉及卫星网络通信领域，特别涉及一种多层低轨卫星网络中跨层链路的建立方法。

技术介绍

[0002]随着移动网络的广泛应用和航天技术的快速发展，卫星网络已成为通信网络的重要组成部分。近年来，低轨卫星网络朝着大规模、多层轨道面部署的方向发展，其具有相对较低的传输延迟和链路损耗，能更高效地构建全球连续覆盖网络。Starlink、Kuiper、OneWeb等众多多层低轨卫星星座被推出，为应急通信、偏远地区等应用提供了广域低时延通信。不同轨道面卫星之间形成的跨层轨间链路增大网络的传输效率，同时能减少传输跳数以优化时延。然而，在多层低轨卫星网络中，由于轨道间卫星节点的相对运动以及中间层卫星的遮挡等因素，导致跨层轨间链路极易发生中断。例如，由于链路两端节点的相对运动速度过大并且节点间距离超过彼此的传输范围而产生链路中断。此外，卫星节点和链路的资源条件有限也会导致链路频繁中断。例如，节点的缓存队列会随着网络中时变的数据流不断变化，当接收节点的剩余缓存队列不足以存储并处理接收的数据包时，节点转发失效；当链路受到衰落影响时，接收节点的接收信号强度过低，导致链路中断。因此，在多层低轨卫星网络场景中，星座的相对运动、节点规模和信道环境的复杂性都增加了跨层链路中断的概率，导致数据传输不连续，增加了时延和丢包率。可见，为降低卫星网络通信时延和提高网络可靠性，必须解决跨层轨间链路的动态问题。
[0003]当前对多层LEO卫星网络跨层链路的研究正处于起步阶段，面向多层LEO卫星网络的复杂性，研究者在建立跨层链路时侧重于考虑物理条件，即链路距离、角速度等节点的物理属性，缺少对空间环境、通信过程中数据包拥塞等因素考虑，存在跨层轨间链路失效的问题；此外，现有方法在筛选建链节点时，考虑了全局卫星节点，对所有卫星节点进行建链条件判断，增加了建链方法的复杂性。因此，需要一种有效的多层低轨卫星网络跨层链路的建立方法，在简化多层卫星网络结构的同时提高跨层链路可靠性，以保证可进行高可靠低时延的跨层数据传输。

技术实现思路

[0004]为了解决上述问题，本专利技术提供一种多层低轨卫星网络中跨层链路的建立方法，包括以下步骤：
[0005]S1、根据卫星的虚拟位置对卫星网络进行分区形成网格，并选择网格内上层星座中心节点作为主动建链节点；
[0006]S2、将链路通信距离、相对角速度、仰角作为影响跨层链路通断的物理条件，并作为节点选择约束条件；
[0007]S3、将链路传输信噪比、节点缓存队列、链路持续时间作为影响跨层链路通断的资源条件，并进行分析建模；
[0008]S4、使用多属性决策模型对节点资源各参数进行建模作为节点效用评估函数，计算节点各参数权重值，并从候选节点中选择效用值最大的节点与主动建链节点建立可靠跨层链路。
[0009]本专利技术的有益效果：
[0010]本专利技术提出一种多层低轨卫星网络中跨层链路的建立方法，在广域数据包传输时使用跨层链路可通过减少中继节点的个数来减少传输时延，通过增加传输路径及跨层链路质量来降低路由中断概率，保证数据的可靠传输。本专利技术还采用基于相关系数法和信息熵权法的博弈方法计算三个参数属性，针对参数指标的不同权重寻找一致性，保证决策结果更加准确，使得最终的链路建立结果更为可靠。
附图说明
[0011]图1是本专利技术多层卫星网络的通信场景图；
[0012]图2是本专利技术所述的一种多层低轨卫星网络中跨层链路的建立方法的流程图；
[0013]图3是本专利技术所述的虚拟位置分区图；
[0014]图4是本专利技术所述的卫星相对运动关系图。
具体实施方式
[0015]为使本专利技术的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步详细的说明。
[0016]多层LEO卫星网络场景如图1所示，卫星网络由于其全球覆盖特性，在诸多领域都有非常广泛的应用，例如，为偏远地区提供接入核心网服务；为灾后地区提供应急通信服务；为海上提供低时延高可靠通信服务。
[0017]如图2所示为多层低轨卫星网络中建立跨层链路的整体方案流程图，具体包括以下步骤：
[0018]S1：根据卫星的虚拟位置对卫星网络进行分区形成网格，并选择网格内上层星座中心节点作为主动建链节点；
[0019]由于卫星网络中节点规模大、跨层链路通断频繁等特点导致卫星网络架构复杂，建链算法复杂度高。因此，本文使用虚拟位置的概念减少网络中跨层链路的数量，同时不会影响全球范围内跨层链路的使用。如图3所示，虚拟位置将整个卫星网络划分成网格，网格的大小相等，并将最靠近网格位置中心的高轨道卫星作为主动建链卫星，与不同高度层的卫星建立跨层链路。
[0020]S2：将链路通信距离、相对角速度、仰角作为影响跨层链路通断的物理条件，并作为节点选择约束条件；
[0021]在多层低轨卫星网络中，跨层轨间链路的两端节点属于不同高度的轨道层，其链路距离、节点相对速度和节点相对角度会高度动态变化，导致跨层轨间链路通断频繁。因此，选择建链节点之前，需要充分刻画出卫星节点的运动特性。如图4所示，本专利技术实施例中从可见性、相对角速度以及仰角出发，对这三个物理条件进行建模，作为选择后文筛选建链节点的约束条件。
[0022]S3：将链路传输信噪比、节点缓存队列、链路持续时间作为影响跨层链路通断的资
源条件，并进行分析建模；
[0023]在多层LEO卫星网络场景中，跨层轨间链路的通断也受节点和链路资源限制的影响。首先，从节点角度分析，接收节点的信噪比(Signal
‑
Noise Ratio，SNR)需要大于接收阈值，以保证接收节点能够成功接收发送节点传输的数据；其次，网络节点需要有足够的缓存队列长度，才能对接收到的数据进行存储转发处理；最后，从链路角度分析，为保证网络架构的稳定性，应尽量选取持续时间长的链路作为跨层轨间链路。因此，本专利技术对SNR、缓存队列长度以及链路持续时间进行建模。
[0024]S4：使用多属性决策模型对节点资源各参数进行建模作为节点效用评估函数，计算节点各参数权重值，并从候选节点中选择效用值最大的节点与主动建链节点建立可靠跨层链路。
[0025]在所述步骤S2中：对通信距离、相对角速度、仰角三个物理参数进行建模并刻画跨层节点对的物理约束条件公式为：
[0026]U
p
＝U
pd
×
U
pw
×
U
pe
[0027]其中，U
pd
是可见性约束条件、U
pw
是相对角速度约束条件、U
pe
是仰角约束条件。U
p
＝1表示节点对满足建链物理条件，U
p
＝0表示节点对不满足建链物理条件。
[0028]进一步的，节点i和节点j的可见性约束条件表示为：
[0029][0030]其中，d...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多层低轨卫星网络中跨层链路的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据卫星的虚拟位置对卫星网络进行分区形成网格，并选择网格内上层星座中心节点作为主动建链节点；S2、将链路通信距离、相对角速度、仰角作为影响跨层链路通断的物理条件，并作为节点选择约束条件；S3、将链路传输信噪比、节点缓存队列、链路持续时间作为影响跨层链路通断的资源条件，并进行分析建模；S4、使用多属性决策模型对节点资源各参数进行建模，并作为节点效用评估函数，计算节点各参数权重值，并从候选节点中选择效用值最大的节点与主动建链节点建立可靠跨层链路。2.根据权利要求1所述的一种多层低轨卫星网络中跨层链路的建立方法，其特征在于，所述步骤S1包括：将卫星轨道所在的整个空间划分为若干立方体，即空间网格；每个网格中包括众多不同高度的卫星节点，可根据网格中卫星节点在地球坐标系中的坐标值区分卫星节点高度；并选择网格中高层轨道中心节点作为主动建链节点。3.根据权利要求1所述的一种多层低轨卫星网络中跨层链路的建立方法，其特征在于，链路通信距离作为影响跨层链路通断的物理条件之一，其公式表示为：其中，d
ij
表示卫星节点v
i
和卫星节点v
j
间的链路通信距离，s
i
(x
i
,y
i
,z
i
)和s
j
(x
j
,y
j
,z
j
)为卫星节点v
i
和卫星节点v
j
在地心坐标系中的位置坐标。4.根据权利要求1所述的一种多层低轨卫星网络中跨层链路的建立方法，其特征在于，相对角速度作为影响跨层链路通断的物理条件之一，其数值为单位时间内的相对转向角，其公式表示为：其中，w
ij
为单位时间内卫星节点v
i
和卫星节点v
j
的相对转向角；表示地心到卫星节点v
j
的距离，表示地心到卫星节点v
i
的距离；为卫星节点v
i
和卫星节点v
j
的相对速度。5.根据权利要求1所述的一种多层低轨卫星网络建立跨层链路的方法，其特征在于，仰角作为影响链路通断的物理条件之一，其公式表示为：其中，v
p
＝s
j
‑
(s
i
·
s
j
)s
i
/||s
i
||2为两个卫星节点v
i
和卫星节点v
j
的位置；d
ij
为卫星节点i和卫星节点j之间的链路通信距离。6.根据权利要求1所述的一种多层低轨卫星网络中跨层链路的建立方法，其特征在于，所述链路传输信噪比SNR作为影...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐川，蔡茹意，韩珍珍，吴昊，赵国锋，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：