一种卫星网络信息链路选择方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种卫星网络信息链路选择方法。

背景技术

卫星星座的网络架构地面应用层、信息传输层、控制中继层等组成，如图1所示。地面应用层由各种空间任务组成，包括深空探测、地球观测、跟踪遥测与指挥、导航定位等业务。控制中继层为整个架构的核心，由若干个GEO控制器组成，负责网络管理、路由优化、资源策略制定、中继传输等。中继与控制层与信息传输层主要交互的是网络拓扑结构、节点链路信息表等，还负责与地面信息的中继传输任务。信息传输层由LEO卫星星座组成，负责根据GEO卫星下发的路由表进行相应的数据处理和转发，LEO层链路根据资源使用情况和环境条件建立多种通道，并采用优化的路由选择技术。GEO与LEO之间信息传递是激光信号，LEO信息传输信号为光信号或微波信号。

在卫星网络中假设GEO卫星是由3个GEO卫星分布于赤道上空，轨道平面与赤道平面重合。LEO星座是由648(18×36)个LEO卫星组成的，这些卫星均匀分布在18个极轨道平面上，每个轨道平面上均匀分布36个LEO卫星。

卫星网络中的节点和链路分为以下几种，如图1所示。应用层地面终端集T＝{T|T是地面终端}，传输层LEO节点集L＝{L|L是LEO卫星}以及控制层GEO节点集G＝{G|G是GEO卫星}。链路包含以下4种。

1)星际链路，它是指GEO卫星和LEO卫星之间的链路，即控制层与传输层之间链路，记为GL。星际链路分为两类，GEO卫星可以和任意一个LEO卫星通信(GL1通信链路)，GEO卫星为覆盖区域内的LEO卫星下发路由表(GL2控制链路)。

2)轨内星间链路，它是指同一轨道平面内相邻2个卫星节点之间的链路。LEO层的轨内星间链路IntraL和LEO卫星等数量，而GEO层只存在3条IntraG。

3)轨间星间链路，它是指相邻轨道上相邻卫星之间的链路，LEO层轨间链路记为InterL。值得注意的是，LEO的第一个轨道(Orbit 01#)和最后一个轨道(Orbit 18#)上的卫星运动方向相反，这些卫星之间建立链路会有较高的代价，因此，假定这些卫星之间不存在InterL。另外，在高纬度地区也不存在InterL，这是因为卫星节点运动的相对角速度较大，天线的指向跟踪不能满足需求。显然，GEO层没有InterG。

4)星地链路，是地面终端与卫星之间的通信链路，记为TS。一个地面终端可以和某一卫星通信，当且仅当该地面终端在该卫星的覆盖范围内。

现有技术中使用的三层卫星网络，网络拓扑变化更新慢，系统复杂度较高，不容易实施。

发明内容

针对由LEO和GEO组成网络架构，本发明在每个短时间片上计算链路状态，建立了一种基于卫星分组思想的双层网络，使数据传输在两层卫星上进行，解决了链路设计问题。基于GEO卫星运行管理和LEO链路覆盖的分层路由设计算法，该算法基于最短路径和波长优先级思想，在每个时间片内计算卫星之间可视性和网络拓扑变化，根据管理组内LEO卫星上传的运行情况和链路通断状态对拓扑信息实时更新，从而确定信息传输链路，相较于三层卫星网络来说，该算法下的系统复杂度较低，实施起来比较容易。

本发明公开的一种卫星网络信息链路选择方法，应用于卫星网络信息链路传输模型，包括以下步骤：

Step1：依据星座网络创建一幅相同顶点且路径和网络拓扑中路径一一对应关系的有向图；

Step2：计算LEO卫星从当前位置移动下一个相邻轨位所需时间为Δt，即Δt＝T/M；

Step3：在每一个时间片Δt内，LEO卫星收集到与相邻卫星之间的时延信息，并将此时测量信息报告给所在成员集合的管理者GEO；

Step4：管理者GEO收到所在组员报告来的时延信息，每个管理者卫星与其相邻的2个管理者卫星交换各自收集到的时延报表信息，每个管理者获得LEO层的全部拓扑信息，形成全网的时延报表；

Step5：每个管理者卫星收集到全网的时延报表信息，按照最短路径算法为它的组成员计算路由；

Step6：管理者根据业务类型对时延和带宽的具体要求，将业务类型划分成三种优先级别，分配相应的波长集，并将计算得到的链路选择结果下发给它的组成员LEO卫星；

Step7：LEO卫星收到管理者下发的路由表后，通过查找路由表将数据分组转发至下一跳，从而完成网络链路选择。

进一步的，最短路径算法包括使用边权重为参数调用改进的DijkstraSP算法，所述改进的DijkstraSP算法对于任意一定数量的顶点和对应两点之间路径，将distTo[]最小的非树顶点放松并入树中，将pathTo[]最小的非树边放松并入树中，将权重EdgeWeight赋予对应的边，直到所有顶点都在树中或者所有的非树顶点的distTo[]值为无穷大。

进一步的，所述卫星网络信息链路传输模型的星座图中，极区边界纬度设为80°，每一个LEO卫星轨道上的每个五角星代表一个LEO卫星节点；以卫星节点为圆心，以角距离10°为半径的圆代表该卫星节点波束覆盖区域，其中在Orbit01、03#和05#上均有有1颗卫星位于赤道正上方，定义为该轨道的第一颗卫星，同理，分别在Orbit02、04#和06#上第一颗与01#、03#和05#第一个卫星直接相连的卫星，是相应轨道上的第一个卫星；

在某一时刻，如果一个LEO卫星在某个GEO卫星的波束内，则称这个LEO卫星下方的那个覆盖单元为该GEO卫星的一个组成员；一个GEO卫星有多个成员，称GEO卫星的所有组成员组成的集合为GEO卫星的成员集合，该GEO卫星为其成员集的管理者；

对于信息传输层的传输业务分为A,B,C三类业务，其中A类业务对时延有明确的要求，其业务优先级最高；B类业务容许一定的延时，对波长的需求适当，优先级次之；C类业务优先级最低。

进一步的，所述卫星网络信息链路传输模型中，卫星光网络中光链路数为n，每条链路间的可用波长数为10，分别为λ

进一步的，任意一个LEO卫星与任意一个GEO卫星之间的地心角为φ，则当且仅当φ/2≤φ

进一步的，终端接收的信噪比的计算为

SNR＝EIRP+G

其中，EIRP为卫星发射天线的等效全向辐射功率，G

系统传输损耗为

本发明的有益效果如下：

本发明提出了基于GEO运行管理和LEO链路覆盖的分层链路设计算法，采用最短路径和波长优先级思想，获得每个时间片内卫星之间可视性和网络拓扑，根据GEO管理组内LEO卫星上传的运行情况和链路通断状态对拓扑信息实时更新，从而确定网络拓扑结构进行链路设计优化，通过算法性能验证分析验证了系统有效性和可行性。

附图说明

图1卫星网络信息链路传输模型示意图；

图2信息传输层LEO卫星星座分布图；

图3地面终端信息接收示意图；

图4中度阴影衰落情况下的总传输损耗；

图5重度阴影衰落情况下的总传输损耗；

图6不同仰角时接收SNR与解调门限图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。

如图2所示的本发明的卫星网络模型中，相应的尺寸为角距离。其中，极区边界纬度设为80°，每一个LEO卫星轨道上的每个五角星代表一个LEO卫星节点。以卫星节点为圆心，以角距离10°为半径的圆代表该卫星节点波束覆盖区域。在Orbit01、03#和05#上均有有1颗卫星位于赤道正上方，定义为该轨道的第一颗卫星，同理，分别在Orbit02、04#和06#上第一颗与01#、03#和05#第一个卫星直接相连的卫星，是相应轨道上的第一个卫星。

在某一时刻，如果一个LEO卫星在某个GEO卫星的波束内，则称这个LEO卫星下方的那个覆盖单元为该GEO卫星的一个组成员。显然，一个GEO卫星有多个成员，称GEO卫星的所有组成员组成的集合为GEO卫星的成员集合，该GEO卫星为其成员集的管理者。GEO卫星在任何时刻是唯一确定的，一个特定的GEO卫星有哪些组成员在任何时刻也是唯一确定的。

特别的，对于信息传输层的传输业务分为A,B,C三类业务。A类业务对时延有明确的要求，其业务优先级最高；B类业务容许一定的延时，对波长的需求适当，优先级次之；C类业务优先级最低，对时延和波长都没有特别的要求。接下来，就可以根据业务的优先级对链路中的波长进行划分(光信号与微波信号都适用)。

假设卫星光网络中光链路数为n，假设每条链路间的可用波长数为10(或者是频率)，分别设为λ

如图3所示，设任意一个LEO卫星与任意一个GEO卫星之间的地心角为φ，则当且仅当φ/2≤φ

基于上述的星座网络模型，为了方便分析网络拓扑以及链路方案设计，需要界定以下几个概念。在某一特定的时刻，所有能与某个卫星直接通信的地面节点组成的集合称为该卫星在此时的波束覆盖单元。在某一特定时刻，LEO层的所有卫星的波束覆盖单元组成的集合叫做LEO层的波束覆盖集合。当地理上的本初子午线和LEO层第一个轨道平面共面且该轨道上第一个卫星位于赤道正上空时，称此时LEO层卫星的位置为标准位置，称LEO层在标准位置时的波束覆盖集合为标准覆盖集合，相应的波束覆盖单元称为标准覆盖单元。地球球心和某卫星所连直线与地球球面的交点称为卫星的星下点。显然，一个LEO卫星的星下点属于它自身的波束覆盖单元。如果两颗卫星存在轨间星间链路(InterL)或者轨内星间链路(IntraL)时，则称这两颗LEO卫星的覆盖区域之间存在星下链路。

在本发明构建的星座网络模型中存在两种卫星节点，即LEO和GEO卫星节点，由于节点轨道高度的不同，在信息传输过程中扮演的角色也不相同，LEO卫星主要是测量与其相邻的其他LEO卫星之间的时延以及实现链路之间的数据中转，而GEO卫星是负责为卫星网络计算路由表。

对于一个卫星网络就是一个给定的加权无向图，节点之间时延信息就是优化链路的加权值。根据无向图创建一幅由相同顶点的有向图，且对于无向图中的每条边，相应地创造两条(方向不同)有向边。有向图中的路径和无向图中的路径存在一一对应的关系，路径的权重也是相同的。

现在以一个LEO卫星S1和它的组管理者GEO卫星G1之间的信息交互过程来说明这两种卫星的主要功能。在一个时间片的开始时刻，卫星S1测量它的输出链路上的时延信息，将此时延信息报告给它的组管理者G1，在这个过程中，G1的其他组成员也在向G1报告它们测量到的时延信息，并且其他2个GEO卫星G2，G3也在收集它们组成员报告给它们的时延信息。当G1卫星收集到它的所有组成员报告来的时延信息后，G1卫星将通过GEO层的轨内星间链路与其他2个GEO卫星交换各自收集到的时延信息。信息交换完成后，每个GEO卫星获得了全网络的拓扑信息，于是每个GEO卫星开始为它的每个组成员利用最短路径算法计算路由表，计算完成后，将路由表分发给相应的组成员。当GEO将路由表分发给LEO后，LEO根据就可以根据收到的路由表进行数据转发。

假设一个LEO卫星从当前位置移动下一个相邻轨位所需时间为Δt，由卫星运动的同步性，有Δt＝T/M，其中，T为LEO卫星的轨道周期，M为一个轨道上卫星的数量。现将整个LEO卫星层的系统周期T离散划分化为[0,t),[Δt,2Δt),…,[(M-1)Δt,MΔt)这M个长度相等的时间片，即使在有LEO卫星节点失效的情形下，在每个时间片内，网络的拓扑依然可被视为静态拓扑。这M个长度相等的离散时间片即能反映整个LEO层的网络拓扑。

假设有一颗LEO卫星失效的情况下，最糟糕的情况是每当一个失效的卫星节点移动至下一个位置时，相当于下一个位置对应的标准覆盖单元失效。网络中时间片的数量最多和每个轨道上卫星数量相同，在每个时间片内GEO卫星都会根据收集到的LEO的相关信息进行链路计算。尽管LEO卫星和GEO卫星、GEO卫星和GEO卫星之间的信息交互会有时延，但是任意一个LEO卫星在任意时刻想要转发数据时，LEO都会按GEO发给它的最新的路由表进行转发，这就不会造成额外时延的增加，同时不影响数据转发和接收。因此系统有很强的抗干扰和鲁棒性。

本发明具体的链路选择方法主要分为以下几步：

Step1：依据星座网络创建一幅相同顶点且路径和网络拓扑中路径一一对应关系的有向图。

Step2：计算LEO卫星从当前位置移动下一个相邻轨位所需时间为Δt，即Δt＝T/M。

Step3：在每一个时间片Δt内，LEO卫星收集到与相邻卫星之间的时延信息，并将此时测量信息报告给所在成员集合的管理者GEO。

Step4：管理者GEO收到所在组员报告来的时延信息，每个管理者卫星与其相邻的2个管理者卫星交换各自收集到的时延报表信息，每个管理者获得LEO层的全部拓扑信息，形成全网的时延报表。

Step5：每个管理者卫星收集到全网的时延报表信息，按照最短路径算法(APIDijkstraSP)为它的组成员计算路由。

Step6：管理者根据业务类型对时延和带宽的具体要求，将业务类型划分成三种优先级别，分配相应的波长集。并将计算得到的链路选择结果下发给它的组成员LEO卫星。

Step7：LEO卫星收到管理者下发的路由表后，通过查找路由表将数据分组转发至下一跳，从而完成网络链路选择。

Dijkstra算法计算最路径问题基本思路是，将distTo[s]初始值为0，distTo[]中的其他元素初始化为正无穷大，然后将distTo[]最小的非树顶点放松并入树中，直到所有顶点都在树中或者所有的非树顶点的distTo[]值为无穷大。Dijkstra算法能够解决非负权重下加权有向图的单起点最短路径问题。

本发明对经典的Dijkstra算法进行了改动，相较Dijkstra算法，本发明的APIDijkstraSP最短路径算法可以解决单点、给定两点和任意顶点对之间的最短路径问题。任给一定数量的顶点和对应两点之间路径，将distTo[]最小的非树顶点放松并入树中，将pathTo[]最小的非树边放松并入树中，将权重EdgeWeight赋予对应的边，直到所有顶点都在树中或者所有的非树顶点的distTo[]值为无穷大。可以大幅提高Dijkstra算法的运行速度，真实的路由计算的时间复杂度为O(n

APIDijkstraSP的代码如下所示：

使用边权重为参数调用DijkstraSP算法。

在该方法处理过程中，链路选择方法能够有效地处理LEO节点失效的情形。当没有LEO卫星失效时，网络拓扑是静态的，GEO卫星可以在任意时刻为LEO卫星设计链路。当有若干失效的LEO卫星时，GEO依然可以在每个时间片周期Δt内对LEO卫星进行路由计算和优化。

网络中地面接收终端与LEO卫星之间信息链路的几何关系如图3所示。地面终端天线始终指向卫星，并跟随卫星转动，假设从仰角ε＝10°开始接收数据，直到-10°停止接收数据，卫星运行轨迹经过地球站正上方，即最大仰角为90°，星地链路基本参数如表1所示。

表1星地链路基本参数表

地球半径为RE＝6400km，卫星高度为LE＝600km,星地传输距离的计算为

SNR＝EIRP+G

其中，EIRP为卫星发射天线的等效全向辐射功率，GR/T为地面接收天线的品质因数，K玻尔兹曼常数，B为信息传输带宽，Lm为链路余量。

卫星在空中沿轨道运行，由于地面建筑物、数目等其他原因，会形成开阔地带、中度阴影地带和重度阴影地带，其电磁波传输损耗是不同的。随着终端仰角发生变化时阴影衰落发生改变，阴影衰落服从高斯分布，假设其均值为μ(dB)，方差为σ

表2不同场景不同仰角下的均值方差

从表2中可以发现，开阔地带的阴影衰落很小，且随着仰角变化不明显。对于中度和重度阴影衰落场景来说，在10°至20°时，阴影衰落随着仰角变大而变大；在20°至70°时，阴影衰落随着仰角变大而变小。仰角增大会使电波穿过路程变短，而阴影衰落也减少。

假设卫星运行高度600km时，卫星运转一周需要的时间大约为97分钟，从一个标准星位运行到下一个标准星位的时间(卫星网络中每个轨道面上有36颗卫星)，即时间片Δt≤2.7分钟。当S1卫星的部分足印区进入到极区，就视为卫星S1和相邻轨道卫星之间的实际星间链路不再存在。这样处理的一个后果是LEO层轨间星间链路数量的下降，信息传递只能靠LEO星间链路。如图3所示，此时地心角φ>30°时，某地面站可看到的LEO数量≥15颗，观测到同轨道卫星有5颗，如图2所示，极区纬度共20°时，持续时间≤5.4分钟，如果每颗卫星同时支持10个并发地面用户，此时在极区支持的地面用户数量为150个，在极区内均为开阔地带完全可以满足信息传递需要。这个缺点和卫星网络动态拓扑造成巨大的路由开销相比，这样的处理是合适的，而且只要适当提高极区边界的纬度值，星间链路数量的微小下降不会影响整个网络的性能。

综合卫星星座设计、自由空间损耗以及阴影衰落随仰角的变化，可以得到系统总的传输损耗随仰角的变化，如图4,5所示分别对应中度阴影衰落和重度阴影衰落的情况。从图4可以看出，中度阴影衰落环境下，总的传输损耗最大为172dB左右，最小为152dB左右，相差20dB，且上下有小于3dB的变化范围。从图6可以看出，重度阴影衰落环境下，总的传输损耗最大为186dB左右，最小为154dB左右，相差32dB，且上下有小于3dB的变化范围。

根据图4和图5的结果，地面终端接收信噪比SNR从仰角10°到-10°变化以1°为间隔计算，可得到如图6所示的SNR随仰角变化的结果。其中，横虚线表明了不同传输方案对应的解码门限，其传输效率在表3列出。需要说明的是，考虑到门限判决冗余及系统复杂度，提高效率，编码调制方案一共设置7个解码门限，对应7种传输方式，相邻解码门限间都有2dB及以上的间隔，从而有利于调制编码方式的切换判决，且相邻传输方案的频谱效率差别都在0.3bps以上，从而使每一次传输方案的切换都能够带来明显的性能提升。

表3不同区间的最佳传输方式及传输效率

从图6可以看出，在中度阴影衰落场景下，现有传输方案可以支持最低仰角的传输；而在重度阴影衰落场景下，仰角为10°至29°是无法进行通信的。需要说明的是，这里的SNR计算使用了总传输损耗的平均值，实际情况下有可能在这个基础上有小于3dB的恶化。而计算过程中补充了3.5dB的余量，因此可以弥补这部分性能的恶化。

本发明的有益效果如下：

本发明提出了基于GEO运行管理和LEO链路覆盖的分层链路设计算法，采用最短路径和波长优先级思想，获得每个时间片内卫星之间可视性和网络拓扑，根据GEO管理组内LEO卫星上传的运行情况和链路通断状态对拓扑信息实时更新，从而确定网络拓扑结构进行链路设计优化，通过算法性能验证分析验证了系统有效性和可行性。

本文所使用的词语“优选的”意指用作实例、示例或例证。本文描述为“优选的”任意方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更有利。相反，词语“优选的”的使用旨在以具体方式提出概念。如本申请中所使用的术语“或”旨在意指包含的“或”而非排除的“或”。即，除非另外指定或从上下文中清楚，“X使用A或B”意指自然包括排列的任意一个。即，如果X使用A；X使用B；或X使用A和B二者，则“X使用A或B”在前述任一示例中得到满足。

而且，尽管已经相对于一个或实现方式示出并描述了本公开，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本公开包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件(例如元件等)执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本公开的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。此外，尽管本公开的特定特征已经相对于若干实现方式中的仅一个被公开，但是这种特征可以与如可以对给定或特定应用而言是期望和有利的其他实现方式的一个或其他特征组合。而且，就术语“包括”、“具有”、“含有”或其变形被用在具体实施方式或权利要求中而言，这样的术语旨在以与术语“包含”相似的方式包括。

本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以多个或多个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。上述的各装置或系统，可以执行相应方法实施例中的存储方法。

综上所述，上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、代替、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。