一种面向低轨卫星星座的服务质量保障路由选择方法

技术领域

本发明属于卫星互联网技术领域，尤其涉及一种面向低轨卫星星座的服务质量保障路由选择方法。

背景技术

目前，卫星互联网是我国近年来重点研发的天基信息传输系统，是空天地海一体化的重要组成部分。太空中的卫星通过建立星间链路实现全球无缝覆盖，进行信息传输，在国防领域和远距离通信中发挥了重要的作用，与工业互联网、5G、物联网共同属于新型基础设施。随着低轨卫星星座规模的增长，链路中的业务类型急剧增加，路由协议根据单一时延指标进行无差别服务时并未考虑各类型业务对网络服务质量的需求差异，不仅无法合理利用卫星互联网资源，还会造成网络拥塞，影响网络整体性能。因此研究面向服务质量保障的高效路由协议具有重要的意义。

由于卫星互联网承载着多类异构优先级业务，这些业务所对应的服务质量需求各不相同，传统基于最短路径的路由选择方案无法解决同时满足各类业务传输过程所需服务质量需求的问题。为了能够充分发挥卫星互联网的承载能力、提高网络资源的利用率并提升业务的传输效率，需要克服如下两方面挑战：其一，根据业务服务质量需求，实现对业务传输优先级的划分，明确不同业务的服务优先顺序；其二，根据卫星互联网的承载能力，定制面向服务质量保障的低轨卫星星座路由选择方法，从而为差异化的业务服务质量需求提供保障。

EKici等人在文章“A multicast routing algorithm for LEO satellite IPnetworks.IEEE/ACM Trans.Netw.10(2),183–192(2002)”中采用MRA路由算法决定下一跳路由节点，减少了传输时延，集中式路由算法中卫星需要掌握全局拓扑信息，耗费大量资源更新和存储路由表，当星座规模较大，链路发生切换时路由开销急剧增加。LIU等人在文章“Load-balancing routing algorithmbased on segment routing for traffic returnin LEO satellite networks[J].IEEE Access,2019,7：112044-112053.”中提出了分布式的分段路由算法，将卫星区域进一步划分为轻负载区域和重负载区域，并在两种区域内分别执行预平衡最短路径算法和最小权重路径算法，在提升吞吐量的同时增加了节点的存储开销，算法较复杂。因此，冯玺宝在文章“多层卫星网络服务质量路由协议研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2016.”中提出最小跳数路由算法解决拥塞问题，根据地理位置信息筛选出两条备选路径，结合负载选择最佳路径进行传输，减少路由开销，但只有指定节点具有路径筛选功能，需要频繁更新路由信息。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术未考虑基于最短路径的路由选择方法中存在的链路拥塞所导致的端到端平均时延、链路开销性能下降。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向低轨卫星星座的服务质量保障路由选择方法。

本发明是这样实现的，一种面向低轨卫星星座的服务质量保障路由选择方法，其特征在于，所述面向低轨卫星星座的服务质量保障路由选择方法通过对业务进行优先级分类，区分不同类型业务的服务质量需求；根据不同优先级构建优先级服务队列，保障逐条路由的服务质量需求；针对低轨卫星具有能够与相邻四个卫星节点同时通信的特点，通过设计面向服务质量保障的路由选择算法，实现业务的多路并传以保证业务流的端到端时延和带宽需求。

本发明根据不同类型业务的服务质量需求，将业务划分为八类优先级业务，并按照业务优先级构建无向网络拓扑图，利用卫星之间交互的hello包来确定2跳内的节点、链路状态信息，实时更新无向网络拓扑图上边的权重。本发明循环多链路路径分流机制，循环判断最短路径链路是否满足业务传输需求，不断将多余业务分流到次短链路上，实现业务的多路径传输，避免了单路径拥塞导致服务质量性能下降。

本发明故障及切换链路避免机制，通过探测2跳内节点、链路状态信息，更新无向网络拓扑图，删除或者回添故障或者恢复卫星节点的路由表信息，避免了链路故障以及切换引发的丢包及时延增大现象。

本发明在卫星节点内部，差异化多优先级业务数据包多队列加速和减速机制，根据业务数据包的剩余允许时间和跳数来动态调整业务数据包的优先级，实现对业务数据包在卫星节点内部进行加速、减速处理，进一步提升本路由方法的服务质量保障能力。

进一步，所述面向低轨卫星星座的服务质量保障路由选择方法具体包括：

步骤一，根据业务服务质量需求，划分服务质量优先级；将服务指标相近的业务进行分类，简化服务类别，降低本发明的实现复杂度。

步骤二，根据业务服务质量指标构建无向网络拓扑图；为计算最短路径和次短路径建立数学模型。

步骤三，根据节点、链路状态信息，实时更新无向网络拓扑边权重；考虑网络实时状态信息，提升本发明的时效性和高效性

步骤四，探测相邻节点、链路状态信息，生成路由表；为业务提供最短路和次短路信息，为多路径分流提供保障。

步骤五，动态调整不同业务流的服务质量等级；实现业务数据包在卫星节点内的加减速，提升本发明的服务质量的保障能力。

步骤六，判断、确定下一跳路由节点。确定最短路径或者是次短路径的下一跳节点，实现多路径分流。

进一步，所述步骤一根据业务服务质量需求，划分服务质量优先级具体包括：有一个卫星通信网络，将每颗卫星视为一个独立节点，用m(1≤n≤M)表示，任意两颗通信卫星的相邻节点i、j构成无向图G(i,j)，卫星i、j(1≤i,j≤M)间存在的通信链路视为边l，链路状态信息用l(i,j)表示，边上权重是由链路i、j的传输时延开销T

数据包η的服务质量指标包含单跳允许传输时延

进一步，所述步骤二根据业务服务质量指标构建无向网络拓扑图具体包括：

(2a)链路的传输时延开销T由四部分构成：

T＝T

其中T

(2b)在网络初始化过程中，卫星入网时更新全局拓扑信息。

进一步，所述的面向低轨卫星星座的服务质量保障路由选择方法，其特征在于，所述步骤三根据节点、链路状态信息，实时更新无向网络拓扑边权重具体包括：

(3a)卫星k定期向卫星j发送含有1跳邻居列表N

(3b)卫星j定期向卫星i发送含有1跳邻居列表N

进一步，所述步骤四探测相邻节点、链路状态信息，生成路由表具体包括：

(4a)卫星i发现2跳内节点链路发生故障或进行切换时，从路由表中删除涉及该节点的链路相关信息，链路恢复正常后，将相关节点地址重新添加至路由表中；

(4b)卫星i根据hello包构建2跳邻居列表N

l(i,j,k)＝{T

(4c)卫星i按照2跳内的链路状态信息的总传输时间开销进行升序排列，划分出最短路l

(4d)卫星i接收到需要中转的数据包η后，首先判断本节点是否为目的节点，如果是，则算法结束。

进一步，所述步骤五动态调整不同业务流的服务质量等级具体包括：

(5a)获取卫星i转发数据包η所需要的带宽W

(5b)卫星i分析数据包η在到达之前经历的时延总和

(5c)对数据包η的总传输时延指标

(5d)卫星i根据入网时获得的全局路由表，预先判断数据包η与目的节点之间的跳数hop

(5e)卫星i根据单跳允许传输时延

(5f)卫星i修改数据包η在该链路上的带宽需求

(5g)将数据包η按照优先级等级存入队列中，合并成数据流，并按顺序从最高优先级level1的队列queue1开始进行顺序转发处理；

所述步骤六判断、确定下一跳路由节点具体包括：

(6a)卫星i修改队列queue1在该链路上的带宽总需求

(6b)如果卫星i的最短路径l

继续进一步判断传输带宽：

(6c)当链路可用带宽W

将当前队列queue1中的所有数据包全部传输给下一跳卫星j；

(6d)否则，当可用带宽W

(6e)继续比较次短路径上的可用带宽和数据流传输需求，以此类推直到满足为止。若一直不满足传输需求，则服务质量无法保障，转到(6g)；

(6f)如果卫星i的最短路径l

(6g)算法退出。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述面向低轨卫星星座的服务质量保障路由选择方法的步骤。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述面向低轨卫星星座的服务质量保障路由选择方法的步骤。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述面向低轨卫星星座的服务质量保障路由选择方法的低轨卫星星座路由选择系统，所述低轨卫星星座路由选择系统包括：

业务优先级分类模块，用于通过对业务进行优先级分类，区分不同类型业务的服务质量需求；

优先级服务队列构建模块，用于根据不同优先级构建优先级服务队列，保障逐条路由的服务质量需求；

路由选择算法设计模块，用于针对低轨卫星具有能够与相邻四个卫星节点同时通信的特点，通过设计面向服务质量保障的路由选择算法，实现业务的多路并传以保证业务流的端到端时延和带宽需求。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

针对单路径传输过程发生拥塞导致业务数据传输服务质量性能下降的问题，循环多链路路径分流机制，循环判断最短路径链路是否满足业务传输需求，不断将多余业务分流到次短链路上，实现业务的多路径传输。

针对链路故障以及切换引发的丢包及时延增大现象，故障及切换链路避免机制，通过探测2跳内节点、链路状态信息，动态更新无向网络拓扑图，删除或者回添故障或者恢复卫星节点的路由表信息，保障业务传输的连续性。

针对固定优先级队列机制中高优先级业务数据包过度抢占低优先级业务数据包的传输资源导致低优先级业务数据包消耗大量网络资源后服务质量仍无法得到保障的问题，在卫星节点内部，差异化多优先级业务数据包多队列加速和减速机制，根据业务数据包的剩余允许时间和跳数来动态调整业务数据包的优先级，实现对业务数据包在卫星节点内部进行加速、减速处理，进一步提升本路由方法的服务质量保障能力。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：本发明由于根据不同业务的服务质量需求对业务服务的优先级进行了划分，确定了不同服务优先等级业务的服务顺序，解决了传统尽力而为路由方案中无法为各类业务提供差异化传输服务的问题。本发明通过提出一种面向服务质量保障的低轨卫星星座路由选择方法，利用多径、链路差异和星间切换等卫星互联网承载特征，充分发挥了网络节点、链路资源，克服了传统基于最短路径的路由选择方法所造成的链路拥塞问题，实现了能够同时为不同业务提供差异化的服务质量保障。

本发明面向服务质量保障的低轨卫星星座路由选择方法利用卫星多径传输的特点，实时更新链路状态和业务优先级，在时延允许范围内为每个业务流选择最佳的传输路径，降低路由维护开销的同时有效地避免了由于单一节点负载较重造成排队时延增加的情况，保证了业务的服务质量。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

本发明面向我国现阶段大规模低轨卫星组网业务传输服务质量保障关键技术领域，从通信网络七层协议中网络层的角度提供了保障业务传输服务质量需求的低轨卫星星座的路由选择方法，同时从数据链路层角度对服务质量保障方法性能进行了加强，实现了低轨卫星网络的传输服务质量保障，为我国低轨卫星星座协议体系设计提供了服务质量保障思路，解决了长期以来我国低轨卫星星座中一直渴望解决、但始终未能获得成功的传输服务质量保障问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的面向低轨卫星星座的服务质量保障路由选择方法流程图；

图2是本发明实施例提供的低轨卫星星座路由选择系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的低轨卫星网络场景图；

图4是本发明实施例提供的面向服务质量保障路由总体流程图；

图5是本发明实施例提供的队列优先级重构算法流程图；

图6是本发明实施例提供的面向服务质量保障的路由的仿真结果图；

图7是本发明实施例提供的面向服务质量保障的路由端到端时延开销v.s.最短路路由端到端时延开销的仿真结果图；

图8是本发明实施例提供的面向服务质量保障的路由端到端路径开销v.s.最短路路由端到端路径开销的仿真结果图；

图中：1、业务优先级分类模块；2、优先级服务队列构建模块；3、路由选择算法设计模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本发明实施例提供的面向低轨卫星星座的服务质量保障路由选择方法包括以下步骤：

S101：通过对业务进行优先级分类，区分不同类型业务的服务质量需求；

S102：根据不同优先级构建优先级服务队列，保障逐条路由的服务质量需求；

S103：针对低轨卫星具有能够与相邻四个卫星节点同时通信的特点，通过设计面向服务质量保障的路由选择算法，实现业务的多路并传以保证业务流的端到端时延和带宽需求。

如图2所示，本发明实施例提供的低轨卫星星座路由选择系统包括：

业务优先级分类模块1，用于通过对业务进行优先级分类，区分不同类型业务的服务质量需求；

优先级服务队列构建模块2，用于根据不同优先级构建优先级服务队列，保障逐条路由的服务质量需求；

路由选择算法设计模块3，用于针对低轨卫星具有能够与相邻四个卫星节点同时通信的特点，通过设计面向服务质量保障的路由选择算法，实现业务的多路并传以保证业务流的端到端时延和带宽需求。

本发明实施例提供的面向低轨卫星星座的服务质量保障路由选择方法具体包括以下步骤：

(1)设有一个卫星通信网络，将每颗卫星视为一个独立节点m(1≤m≤M)，M表示卫星总个数。任意两颗通信的相邻卫星节点i、j构成的无向图G(i,j)。卫星i、j(1≤i,j≤M)间存在的通信链路视为边l，链路状态信息用l(i,j)表示，边上权重是由链路i、j的传输时延开销T

数据包η的服务质量指标包含单跳允许传输时延

(2)链路的传输时延开销T由四部分构成：

T＝T

其中T

(3)在网络初始化过程中，卫星入网时更新全局拓扑信息。

(4)卫星k定期向卫星j发送含有1跳邻居列表N

(5)卫星j定期向卫星i发送含有1跳邻居列表N

(6)卫星i发现2跳内节点链路发生故障或进行切换时，从路由表中删除涉及该节点的链路相关信息，链路恢复正常后，将相关节点重新添加至路由表中。

(7)卫星i根据hello包构建2跳邻居列表N

l(i,j,k)＝{T

(8)卫星i按照2跳内的链路状态信息对总传输时间开销进行升序排列，划分出最短路l

(9)卫星i接收到需要中转的数据包η后，首先判断本节点是否为目的节点，如果是，则算法结束。

(10)否则卫星i获取转发数据包η所需带宽W

(11)卫星i分析数据包η在到达之前所经历的时延总和

(12)对数据包η的总传输时延指标

(13)卫星i根据入网时获得的全局路由表，预先判断数据包η与目的节点之间的跳数hop

(14)卫星i根据单跳允许传输时延

(15)卫星i修改数据包η在该链路上的带宽需求

(16)将数据包η按照优先级等级存入队列中，合并成数据流，并按顺序从最高优先级level1的队列queue1开始进行顺序转发处理。

(17)卫星i修改queue1在该链路上的带宽总需求

(18)如果卫星i的最短路径l

继续进一步判断传输带宽：

(18a)当链路可用带宽W

将队列queue1中存储的业务数据全部传输给下一跳卫星j。

(18b)否则，当可用带宽W

(18c)继续比较次短路径上后续链路可用带宽和数据流的传输需求，以此类推直到满足为止。若一直不满足传输需求，则服务质量无法保障，转到步骤(20)。

(19)如果卫星i的最短路径l

(20)算法退出。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图3所示，本发明的使用场景是一个低轨卫星网络，其包含n颗低轨卫星和2个地面站，低轨卫星上装配有5根天线，同时可以跟相邻的4颗低轨卫星通信以及地面信关站通信，假设建链时间足够快，即建链时间可以忽略不计。星间链路采用激光链路，在高轨道地区不会发生断链。东西半球星座之间会产生反向缝。反向缝内不建立通信链路，相邻卫星之间不能进行通信。

如图4所示，本发明面向服务质量保障的低轨卫星星座路由选择方法包括以下步骤：

步骤1，根据业务服务质量需求，划分服务质量优先级。

设有一个卫星通信网络，将每颗卫星视为一个独立节点m(1≤n≤M)，M表卫星总个数。任意两颗通信卫星的相邻节点i、j构成无向图G(i,j)。卫星i、j(1≤i,j≤M)间存在的通信链路视为边l，链路状态信息用l(i,j)表示，边上权重是由链路i、j的传输时延开销T

数据包η的服务质量指标包含单跳允许传输时延

步骤2，根据业务服务质量指标构建无向网络拓扑图。

(2a)链路的传输时延开销T由四部分构成：

T＝T

其中T

(2b)在网络初始化过程中，卫星入网时更新全局拓扑信息。

步骤3，根据节点、链路状态信息，实时更新无向网络拓扑边权重。

(3a)卫星k定期向卫星j发送含有1跳邻居列表N

(3b)卫星j定期向卫星i发送含有1跳邻居列表N

步骤4，探测相邻节点、链路状态信息，生成路由表。

如图4所示，本步骤的具体实现如下：

(4a)卫星i发现2跳内节点链路发生故障或进行切换时，从路由表中删除涉及该节点的链路相关信息，链路恢复正常后，将相关节点地址重新添加至路由表中。

(4b)卫星i根据hello包构建2跳邻居列表N

l(i,j,k)＝{T

(4c)卫星i按照2跳内的链路状态信息的总传输时间开销进行升序排列，划分出最短路l

(4d)卫星i接收到需要中转的数据包η后，首先判断本节点是否为目的节点，如果是，则算法结束。

步骤5，动态调整不同业务流的服务质量等级。

如图5所示，本步骤的具体实现如下：

(5a)获取卫星i转发数据包η所需要的带宽W

(5b)卫星i分析数据包η在到达之前经历的时延总和

(5c)对数据包η的总传输时延指标

(5d)卫星i根据入网时获得的全局路由表，预先判断数据包η与目的节点之间的跳数hop

(5e)卫星i根据单跳允许传输时延

(5f)卫星i修改数据包η在该链路上的带宽需求

(5g)将数据包η按照优先级等级存入队列中，合并成数据流，并按顺序从最高优先级level1的队列queue1开始进行顺序转发处理。

步骤6，判断、确定下一跳路由节点。

如图4所示，本步骤的具体实现如下：

(6a)卫星i修改队列queue1在该链路上的带宽总需求

(6b)如果卫星i的最短路径l

继续进一步判断传输带宽：

(6c)当链路可用带宽W

将当前队列queue1中的所有数据包全部传输给下一跳卫星j。

(6d)否则，当可用带宽W

(6e)继续比较次短路径上的可用带宽和数据流传输需求，以此类推直到满足为止。若一直不满足传输需求，则服务质量无法保障，转到(6g)。

(6f)如果卫星i的最短路径l

(6g)算法退出。

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

本发明的实施方式可以通过软件和硬件结合的方式实现。硬件部分可以利用现场可编程门阵列、可编程逻辑设备FPGA等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器CPU执行的软件实现。软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。最终集成在星载路由器板卡上，配合其它板卡功能模块，实现网络级和路由器节点级的传输服务质量保障。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

1)仿真条件

网络包含60颗低轨卫星，分处6个轨道面，相邻轨道面夹角30°，每个轨道面上等角度间隔部署10颗卫星，相邻卫星夹角36°，轨道类型为π型，轨道倾角为86.5°，轨道高度1175km，覆盖区域为全球覆盖，低轨卫星星间链路速率为同轨、异轨均为1Gbps，链路介质为激光链路，相位因子为3，相邻卫星之间具有星间链路。业务源端位于北京，目的端位于巴西里约热内卢。

仿真时间是从2021年10月15号00：00：00到2021年10月16号00：00：00，每个业务流在排队时等待当前被传输的业务流的时间为一个单位时间，每个业务流的传输时间也为一个单位时间。由于低轨卫星间的距离相比激光传输的速度而言很小，因此传播时延忽略不计。

2)仿真内容与结果

仿真1，32号低轨卫星代表此时北京上空的卫星，46号低轨卫星代表此时里约热内卢上空的卫星，业务从北京产生并上注到32号卫星，经过多跳星间链路传输到46号卫星，然后下传到里约热内卢。当链路剩余带宽不足以支撑业务所需带宽的时候，卫星通过多径传递的方式将业务分流到不同的路径上进行传输，得到业务流的传输路由仿真结果，结果如图6所示。

从图6可见，不同于传统的基于最短路径的路由选择方法，本发明所提方法不是将所有业务流都通过唯一的最短路进行传输的，而是通过将业务分流，通过多条路径进行传输，从而避免了唯一最短路径发生拥塞的情况发生，保障了链路剩余带宽大小满足分流后的业务流带宽需求。说明本发明能够有效保障业务的带宽需求。

从图7可见，随着业务量的增加，本发明所提路由选择方法的路由时间和基于最短路路由方法的路由时间均逐渐提高，相比而言，本发明所提方法的路由时间小于基于最短路路由方法的路由时间，且随着业务量的增加，差距越来越明显。说明本发明能够有效减少端到端路由时延。

从图8可见，随着业务量的增加，本发明所提路由选择方法的路由开销和基于最短路路由方法的路由开销均逐渐提高，相比而言，本发明所提方法的路由时间小于基于最短路路由方法的路由开销，且随着业务量的增加，差距越来越明显。说明本发明能够有效减少端到端路由开销。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。