專利名稱：：一種多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路由設(shè)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于深空通信領(lǐng)域，具體涉及一種多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路由設(shè)定方法。
背景技術(shù)：
：早期的衛(wèi)星通信往往采用單顆靜止軌道衛(wèi)星，該衛(wèi)星軌道高度約為35786千米，軌道傾角0度，位于赤道上空一定經(jīng)度位置上，相對地面靜止。靜止軌道衛(wèi)星軌道高、覆蓋范圍大，但是由于星-地之間的通信距離大，鏈路易受損，不支持地面手持機等小功率用戶。同時由于靜止軌道衛(wèi)星軌道傾角為0度，不能覆蓋極地地區(qū)，高綿度地區(qū)通信仰角小、通信質(zhì)量難以保證。衛(wèi)星星間鏈路技術(shù)的出現(xiàn)使得靜止軌道衛(wèi)星構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，星間能夠進行通信。靜止軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法較為簡單，只要確定由幾顆衛(wèi)星能夠構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星所在的經(jīng)度位置即可，其他參數(shù)都是相對確定的。中軌衛(wèi)星位于兩個范.艾倫帶之間的軌道上，星座一般由十幾顆衛(wèi)星構(gòu)成，單顆可視時間達12小時。作為靜止軌道衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星的折衷，中軌衛(wèi)星雙跳傳輸時延大于低軌衛(wèi)星，但作為一個網(wǎng)絡(luò)，考慮整個星間鏈路長度、星上處理和上下行鏈路等因素，中軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時延性能可能優(yōu)于低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。同時，相對于低軌衛(wèi)星，中軌衛(wèi)星切換概率低、多普勒效應(yīng)較小，軌道控制系統(tǒng)和天線跟瞄系統(tǒng)簡化，一般能獲得20~30度通信仰角。低軌衛(wèi)星分布在500-2000千米的圓或橢圓軌道上，增個衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)一般由幾十顆衛(wèi)星組成。單顆衛(wèi)星可見時間短，需要波束切換和衛(wèi)星切換。低軌衛(wèi)星優(yōu)點^f艮多，因為軌道低，星間鏈路性能優(yōu)越，傳輸時延小，同時小衛(wèi)星技術(shù)的應(yīng)用使得衛(wèi)星體積較小，便于發(fā)射。但是，低軌衛(wèi)星組成的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期長，空間控制系統(tǒng)相對復(fù)雜，系統(tǒng)投資巨大。同時，數(shù)目眾多的信關(guān)站需要快速跟瞄系統(tǒng)，需要考慮多普勒效應(yīng)。衛(wèi)星軌道低，通信仰角為10度左右，因為仰角的快速變化，信號傳輸路徑有差異?？紤]到極軌道或近極軌道如兀型星座的軌道，在相向運動的軌道間存在"縫隙，，，在縫隙兩側(cè)衛(wèi)星因為相向運動，無法建立軌道間鏈路；同時軌道間鏈路在極地上空要關(guān)閉，因為在極地上空，相鄰衛(wèi)星軌道交叉，星間距離變化迅速，無法建立星間鏈i各。另夕卜，在研究過程中發(fā)現(xiàn)，單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特別是低軌(LEO:LowEarthOrbit)和中軌(MEO:MediumEarthOrbit)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，兩顆衛(wèi)星空間距離很近，但是因為沒有星間鏈路(ISL:Inter-SatelliteLink)直接連接，使得不能直接通信，必須通過若干ISL建立的衛(wèi)星路徑才能完成通信，這樣不但不能滿足通信服務(wù)指令(QoS:QualityofService),而且浪費了大量系統(tǒng)和星上資源，甚至造成鏈路阻塞。為了有效的解決上述技術(shù)問題許多研究機構(gòu)在進行衛(wèi)星層間鏈路的試驗，歐洲SILEX試驗中LEO衛(wèi)星SPOTIV同GEO衛(wèi)星Artemis通過0.8pm的星間鏈i各以50Mbps的速率通信，后繼實—險由Artemis和日本的OICETS衛(wèi)星進行的星間通信實驗完成，兩個實驗的ISL均為LEO到GEO衛(wèi)星光學(xué)鏈路，美國也進行了類似的ISL試驗。其它計劃如Motorola將Celestri低軌衛(wèi)星系統(tǒng)同GEO衛(wèi)星結(jié)合，構(gòu)成混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，13顆LEO衛(wèi)星和6顆MEO衛(wèi)星共同組成了Rostelesat星座，GESN、GNSS/Galileo和West系統(tǒng)均由數(shù)目不同的MEO/GEO衛(wèi)星構(gòu)成等。多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(MLSN:Multilayersatellitenetworks)在上世紀90年代后期成為研究的熱點。Kimura提出一種雙層(LEO和MEO)衛(wèi)星星座，比較了極軌道和傾斜軌道星座的差別，通過多覆蓋和增加仰角的方法，保證通信的可靠性要求，但衛(wèi)星數(shù)量巨大。
發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)龐大、造成大量系統(tǒng)和星上資源浪費，傳輸過程中時延長、容易造成鏈路阻塞等技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路由設(shè)定方法。本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)問題所采用的方案為提供一種多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路由設(shè)定方法，所述路由設(shè)定方法包括步驟第一步、設(shè)定參數(shù)，進行網(wǎng)絡(luò)初始化；第二步、固定一時刻&，在該時間區(qū)間&,求解衛(wèi)星軌道參量，計算衛(wèi)星位置坐標和星間鏈路長度，建立網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)；第三步、按照設(shè)定的業(yè)務(wù)模型，計算所述多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的星間鏈路負載。第四步、根據(jù)排隊理論計算星上處理和交換的時延；第五步、根據(jù)地面源目標位置，尋找每個衛(wèi)星層中源衛(wèi)星和目標衛(wèi)星；第六步、根據(jù)通信服務(wù)指令需求和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)選擇傳輸業(yè)務(wù)的衛(wèi)星層，按照路由算法，尋找最優(yōu)路徑。根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實施例所述第一步中設(shè)定的參數(shù)包括多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)層數(shù)、各層中衛(wèi)星數(shù)目、星間鏈路條數(shù)、各顆衛(wèi)星軌道類型、軌道高度、軌道傾角和軌道數(shù)目。根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實施例所述第三步進一步包括子步驟一、在非均勻分布模型下，考慮到陸地和海洋、沙漠和平原用戶分布的差異，將人口密度分為5個等級，用數(shù)字表示每個區(qū)域內(nèi)的人口密度；二、將地球表面分成48而部分，采用平行于煒線，傾斜于經(jīng)線的劃分方法，8條斜線與緯線呈52度。將經(jīng)度360度平均分成8份，綷度均分成6份；在每個區(qū)域內(nèi)設(shè)一個地面站，地面站位于南北綿15度、45度和68度，數(shù)目為48個；采用仰角最大接入方案進行接入；三、在統(tǒng)計分布模型下，考慮用戶的分布密度的差異、呼叫的源和目標所在位置及密度差異，得出網(wǎng)絡(luò)中每條星間鏈路的信道占用情況。根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實施例所述第四步進一步包括子步驟一、根據(jù)排隊理論，可以將每條星間鏈路看成單服務(wù)窗混合制排隊模型M/M/l/m,每條星間鏈路只含單個服務(wù)窗口，"顧客，，到來的間隔時間服從負指數(shù)分布，參數(shù)為A服務(wù)時間是參數(shù)為為負指數(shù)分布；每條星間鏈路有w個排隊容量。當(dāng)系統(tǒng)中已有m個數(shù)據(jù)包時，新來的數(shù)據(jù)包不再進入排隊，有p^^/^;二、數(shù)據(jù)包的平均等待時延為『=~~^---^^~。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實施例所述第六步中的路由算法為FBellman-Ford3各由算法。根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實施例所述第六步具體包括子步驟:六一步、缺省的業(yè)務(wù)在所述多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為低軌層，如果中軌源衛(wèi)星、目標衛(wèi)星相同，且低軌源衛(wèi)星、目標衛(wèi)星不同，執(zhí)行步驟六四步；如果靜止軌道源衛(wèi)星、目標衛(wèi)星相同，且低軌和中軌源衛(wèi)星、目標衛(wèi)星不同，執(zhí)行步驟六五步、；否則，執(zhí)行步驟六二步；六二步如果該低軌層路徑包含星間鏈路數(shù)量小于或等于星間鏈路低軌門限，執(zhí)行步驟六三步；如杲所述低軌層路徑包含星間鏈路數(shù)量大于星間鏈路低軌門限，且中軌層路徑包含星間鏈路數(shù)量小于或等于星間鏈路中軌門限，執(zhí)行步驟六四步；否則，執(zhí)行步驟六五步；六三步建立低軌衛(wèi)星層最優(yōu)通信路徑，完成傳輸任務(wù)；六四步建立中軌衛(wèi)星層最優(yōu)通信路徑，完成傳輸任務(wù)；六五步建立靜止軌道衛(wèi)星層最優(yōu)通信路徑，完成傳輸任務(wù)；六六步統(tǒng)計所述多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中多層網(wǎng)絡(luò)的特征參量，分析網(wǎng)絡(luò)性能；六七步更新時間區(qū)間，完成新路由表計算并完成衛(wèi)星越區(qū)切換。根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實施例所述步驟六三步、六四步和六五步應(yīng)用到的Bellman-Ford路由算法，該算法包括子步驟步驟1:令網(wǎng)絡(luò)中所有非始節(jié)點的r標號值為oo,即r(/"oo;令始節(jié)點的P標號為o，即,=0;步驟2:以新的所述尸標號為始節(jié)點Z,檢查以/為始節(jié)點的邊的每一個終點7是否存在[/X0+《!v)]〈P(/)或者[P(i')+《!v)]〈r(/),如果存在，執(zhí)行步驟3,否則保留原標號；步驟3:將y點處的r標號或P標號改為新的r標號r(/)=p(/)+《/力或者r(/)+^v)。取網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的r標號點的最小值，定為新的戶標號點，重復(fù)執(zhí)行步驟2;步驟4:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點都是P標號點時，算法結(jié)束。才艮據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實施例所述六六步驟中需要進行統(tǒng)計的所述特征參量包括各衛(wèi)星節(jié)點的存儲器占用百分比、星間鏈路長度和阻塞概率。本發(fā)明的有益效果在于相對于傳統(tǒng)的靜止軌道(GEO:GeostationaryEarthOrbit)衛(wèi)星，由低軌(LEO:LowEarthOrbit)和中軌(MEO:MediumEarthOrbit)衛(wèi)星構(gòu)成了全球覆蓋的網(wǎng)絡(luò)，傳輸延時小，有效性高。衛(wèi)星具有星上處理和交換能力，星間具有微波或光學(xué)鏈路，能夠為全球范圍內(nèi)的用戶提供寬帶的綜合業(yè)務(wù)，有效的保證了服務(wù)質(zhì)量，而且路徑選擇更加靈活，可替換鏈路多，抗毀性能更強。圖l.極軌道或近極軌道星座的覆蓋縫結(jié)構(gòu)示意圖2.極地上空極軌道或近極軌道星座相鄰軌道交叉關(guān)系示意圖；圖3.Walkerdelta星座中低軌衛(wèi)星11到低軌衛(wèi)星54之間的最短路徑示意圖4.星座中的軌道參數(shù)示意圖5.本發(fā)明一種多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其路由設(shè)定方法中多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖6.本發(fā)明多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)示意圖7.衛(wèi)星星間鏈路計算數(shù)學(xué)模型示意圖8.多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中平均時延與星間鏈路數(shù)目的關(guān)系示意圖9.多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)歸一化鏈3各負載隨星間鏈路信道容量變化示意圖10.多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)歸一化鏈路負載隨網(wǎng)絡(luò)通信量變化示意圖ll.多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)歸一化鏈路負載隨時間變化示意圖；圖12.丟包率隨數(shù)據(jù)包平均長度變化示意圖13.多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)綜合鏈路;K重隨時間變化示意圖14.多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用戶分布密度圖15.本發(fā)明一種多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其路由設(shè)定方法中路由設(shè)定方法流程圖。具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體的實施方式對本發(fā)明作進一步詳細地說明衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵是發(fā)展特別的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法，以適應(yīng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性。隨著因特網(wǎng)的飛速發(fā)展，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中需要一種無縫的路由策略，同地面網(wǎng)絡(luò)一樣，衛(wèi)星上有IP交換機，能夠獨立的運送IP包，星上交換機通過ISL相連?；诜庆o止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)的包交換路由策略已被廣泛研究，但是因為衛(wèi)星同地面用戶不斷地相對運動，ISL長度的不斷變化，地面用戶分布非均勻，ISL上業(yè)務(wù)量差異很大等原因，不論從保證用戶服務(wù)質(zhì)量角度，還是從系統(tǒng)維護者優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源角度，建立有效的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并對其進行路由設(shè)定對于ISL主干網(wǎng)絡(luò)來說是必不可少的。低軌、中軌和靜止軌道衛(wèi)星是按照軌道高度劃分，有各自的特點。很長時間以來，以各種衛(wèi)星分別構(gòu)建的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點也得到比較和權(quán)衡，用來支持不同的服務(wù)質(zhì)量要求。由低軌衛(wèi)星和中軌衛(wèi)星分別構(gòu)建的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在地球周圍運行，星間鏈路的建立使得衛(wèi)星之間的通信成為現(xiàn)實，構(gòu)成了真正意義上的網(wǎng)絡(luò)，比如Iridium和Milstar-2衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。由各種衛(wèi)星構(gòu)建的單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，特別是軌華高度較高的靜止軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信的延時指標過高，而多層衛(wèi)星網(wǎng)路有利于解決切換概率和時延之間的矛盾；在單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，為實現(xiàn)全球的無縫覆蓋，通常使用極軌道和近極軌道類型的星座，這會造成星間鏈路的關(guān)閉和切換概率、阻塞概率的增大的現(xiàn)象，多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中各個層間互補，能夠在傾斜軌道的基礎(chǔ)上實現(xiàn)全球無縫覆蓋，避免了上述問題；單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)抗毀性較差，在衛(wèi)星或者星間鏈路損毀的情況下單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不易找到滿足原有通信指標要求的替代路徑，而多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中可以替代的備份鏈路有很多，不會造成通信質(zhì)量的大幅度下降；而且，單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特別是低軌衛(wèi)星構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)星載跟瞄系統(tǒng)設(shè)計困難，因為低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)往往采用的極軌道。在多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，通過中軌和靜止軌道衛(wèi)星的中繼，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不需要再維持低軌道星座中逆向軌道間的星間鏈路，甚至可以采用傾斜軌道來實現(xiàn)低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，降低了對星載跟瞄系統(tǒng)的要求。本發(fā)明提供的提供一種多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路由設(shè)定方法，所述路由設(shè)定方法包括步驟第一步、設(shè)定參數(shù)，進行網(wǎng)絡(luò)初始化；第二步、固定一時刻&,在該時間區(qū)間Af，求解衛(wèi)星軌道參量，計算衛(wèi)星位置坐標和星間鏈路長度，建立網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)；第三步、按照設(shè)定的業(yè)務(wù)模型，計算所述多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的星間鏈路負載。第四步、根據(jù)排隊理論計算星上處理和交換的時延；第五步、根據(jù)地面源目標位置，尋找每個衛(wèi)星層中源衛(wèi)星和目標衛(wèi)星；第六步、根據(jù)通信服務(wù)指令需求和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)選擇傳輸業(yè)務(wù)的衛(wèi)星層，按照路由算法，尋找最優(yōu)路徑。其中，所述第一步中設(shè)定的參數(shù)包括多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)層數(shù)、各層中衛(wèi)星數(shù)目、星間鏈路條數(shù)、各顆衛(wèi)星軌道類型、軌道高度、軌道傾角、軌道數(shù)目。所述第三步進一步包括子步驟一、在非均勻分布模型下，考慮到陸地和海洋、沙漠和平原用戶分布的差異，將人口密度分為5個等級，用數(shù)字表示每個區(qū)域內(nèi)的人口密度；二、將地球表面分成48而部分，采用平行于緯線，傾斜于經(jīng)線的劃分方法，8條斜線與緯線呈52度。將經(jīng)度360度平均分成8份，緯度均分成6份；在每個區(qū)域內(nèi)設(shè)一個地面站，地面站位于南北煒15度、45度和68度，數(shù)目為48個；采用仰角最大接入方案進行接入；三、在統(tǒng)計分布模型下，考慮用戶的分布密度的差異、呼叫的源和目標所在位置及密度差異，得出網(wǎng)絡(luò)中每條星間鏈路的信道占用情況。所述第四步進一步包括子步驟一、根據(jù)排隊理論，可以將每條星間鏈路看成單服務(wù)窗混合制排隊模型M/M/l/m，每條星間鏈路只含單個服務(wù)窗口，"顧客，，到來的間隔時間服從負指數(shù)分布，參數(shù)為p;服務(wù)時間是參數(shù)為^為負指數(shù)分布；每條星間鏈路有m個排隊容量。當(dāng)系統(tǒng)中已有m個數(shù)據(jù)包時，新來的數(shù)據(jù)包不再進入排隊，數(shù)據(jù)包被丟棄，有=二、數(shù)據(jù)包的平均等待時延為『=~~---^^。所述第六步中的路由算法為FBellman-Ford路由算法。根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實施例所述第六步具體包括子步驟:六一步、缺省的業(yè)務(wù)在所述多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為低軌層，如果中軌源衛(wèi)星、目標衛(wèi)星相同，且低軌源衛(wèi)星、目標衛(wèi)星不同，執(zhí)行步驟六四步；如果靜止軌道源衛(wèi)星、目標衛(wèi)星相同，且低軌和中軌源衛(wèi)星、目標衛(wèi)星不同，執(zhí)行步驟六五步、；否則，執(zhí)行步驟六二步；六二步如果該低軌層路徑包含星間鏈路數(shù)量小于或等于星間鏈路低軌門限，執(zhí)行步驟六三步；如果所述低軌層路徑包含星間鏈路數(shù)量大于星間鏈路低軌門限，且中軌層路徑包含星間鏈路數(shù)量小于或等于星間鏈路中軌門限，執(zhí)行步驟六四步；否則，執(zhí)行步驟六五步；六三步建立低軌衛(wèi)星層最優(yōu)通信路徑，完成傳輸任務(wù)；六四步建立中軌衛(wèi)星層最優(yōu)通信路徑，完成傳輸任務(wù)；六五步建立靜止軌道衛(wèi)星層最優(yōu)通信路徑，完成傳輸任務(wù)；六六歩:統(tǒng)計所述多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中多層網(wǎng)絡(luò)的特征參量，分析網(wǎng)絡(luò)性能；六七步更新時間區(qū)間，完成新路由表計算并完成衛(wèi)星越區(qū)切換。所述步驟六三步、六四步和六五步應(yīng)用到的Bellman-Ford路由算法，該算法包括子步驟步驟1:令網(wǎng)絡(luò)中所有非始節(jié)點的r標號值為oo，即r(/)=oo;令梯節(jié)點的尸標號為O,即尸(力=0;步驟2:以新的所述尸標號為始節(jié)點/,檢查以/為始節(jié)點的邊的每一個終點j'是否存在[P(/)+《i力]〈P(/)或者[i^)+4zV)]〈TI/),如果存在，執(zhí)行步驟3,否則保留原標號；步驟3:將j點處的r標號或尸標號改為新的r標號r(/)=尸(/)+々v)或者r(/)+我/力。取網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的r標號點的最小值，定為新的戶標號點，重復(fù)執(zhí)行步驟2;步驟4:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點都是戶標號點時，算法結(jié)束。所述六六步驟中需要進行統(tǒng)計的所述特征參量包括各衛(wèi)星節(jié)點的存儲器占用百分比、星間鏈路長度和阻塞概率。考慮到極軌道或近極軌道如71型星座的軌道，在相向運動的軌道間存在"縫隙"，在縫隙兩側(cè)衛(wèi)星因為相向運動，無法建立軌道間鏈路；同時軌道間鏈路在極地上空要關(guān)閉，因為在極地上空，相鄰衛(wèi)星軌道交叉，星間距離變化迅速，無法建立ISL，如附圖1極軌道或近極軌道星座的覆蓋縫結(jié)構(gòu)示意圖和附圖2極地上空極軌道或近極軌道星座相鄰軌道交叉關(guān)系示意圖所示。Walkerdelta-2兀型傾斜圓軌道星座構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星相對位置固定，ISL幾何結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定。多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能解決Walkerdelta型LEO星座高綿度地區(qū)覆蓋不足的問題。另外，在研究過程中發(fā)現(xiàn)，單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特別是LEO和MEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，兩顆衛(wèi)星空間距離很近，但是因為沒有ISL直接連接，使得不能直接通信，必須通過若干條ISL建立的衛(wèi)星路徑才能完成通信，這樣不^f旦不能滿足通信QoS，而且浪費了大量系統(tǒng)和舉上資源，甚至造成鏈路阻塞，如圖3Walkerdelta星座中低軌衛(wèi)星11到低軌衛(wèi)星之間的最短路徑示意圖所示W(wǎng)alkerdelta星座中LEO衛(wèi)星11到LEO衛(wèi)星之間的最短路徑。分層結(jié)構(gòu)的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不但能夠解決上述問題，而且能夠綜合三種單層衛(wèi)星的優(yōu)點，發(fā)揮其在覆蓋范圍、星間鏈路、時延要求等方面的巨大優(yōu)勢，滿足各種業(yè)務(wù)的要求。多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)比單層網(wǎng)絡(luò)更加有效，它的路徑選擇更加靈活，可替換鏈路多，抗毀性能更強。圖4為單層傾斜圓軌道衛(wèi)星星座覆蓋性能示意圖。衛(wèi)星星座包含/條傾角為y高度為的圓軌道，每個軌道上有w顆均勻分布的衛(wèi)星，相位差乒2;r/m，每個軌道升交點赤經(jīng)差值^27t//，相鄰軌道衛(wèi)星的相對位置可以用a和w表示，AM為相對于參考衛(wèi)星11的初始相位?？梢杂孟率接嬎銌晤w衛(wèi)星對地球的覆蓋<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(1)式(l)中s表示通信仰角，"表示地球半徑，計算結(jié)杲p表示覆蓋區(qū)域?qū)?yīng)的地心角的一半。對于多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，需要考慮上層衛(wèi)星覆蓋下層衛(wèi)星的情況。可以按照式(2)來計算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(2)圖5本發(fā)明一種多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其路由設(shè)定方法中多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖中表示式(2)中/=2的情況其中￡2=&r2="?；⒈硎綥EO和MEO衛(wèi)星軌道半徑，^表示LEO衛(wèi)星高度，//2表示MEO與LEO衛(wèi)星軌道高度之差，A、A、/l和？m、,m表示衛(wèi)星，《、^、^表示星間距離，0表示LEO與MEO通信的最小仰角，圖中上面的陰影表示MEO衛(wèi)星對LEO衛(wèi)星層的覆蓋范圍，即可以建立ISL的范圍,下面的陰影表示LEO衛(wèi)星對地面覆蓋范圍。計算星間距離只需將衛(wèi)星坐標帶入(3)式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(3)其中衛(wèi)星在地球固定坐標系中的坐標(x,乂z)可以通過式(4)計算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>式(4)中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(5)"f-W-0(6)COo為近地點輻角，v。為衛(wèi)星初始真近點角，v為衛(wèi)星運動角速度，其中v=v^77,A為地球引力常數(shù)，r為衛(wèi)星軌道半徑，wo為衛(wèi)星運行時間，&為初始時刻，《為真近點角，f為升交點赤經(jīng)，v,.為地球自轉(zhuǎn)角速度。表1:<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>GEO衛(wèi)星若采用一顆用于區(qū)域覆蓋，可根據(jù)需要選擇，如覆蓋中國周邊地區(qū)(東經(jīng)67.5。到172.5°,南北綽54。范圍，包括中亞、東亞和大洋洲等地區(qū))，衛(wèi)星位于東經(jīng)120.0°上空。如果覆蓋全球，比如本文提出的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的三顆GEO衛(wèi)星位于東經(jīng)0.0。、120.0°和240.0°。表l給出多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)，MLSN空間結(jié)構(gòu)圖如圖6衛(wèi)星星間鏈路計算數(shù)學(xué)模型示意圖所示。每顆MEO衛(wèi)星在MEO層內(nèi)有4條永久性ISLs,兩條軌道內(nèi)ISLs幾何參數(shù)固定，兩條軌道間永久性ISLs幾何參數(shù)時變。其它MEO衛(wèi)星的ISL情況同MEO衛(wèi)星11相似，初始相位有差異。MEO衛(wèi)星層內(nèi)共含有24條ISLs。同樣每顆LEO衛(wèi)星在層內(nèi)有4條永久性ISLs,兩條軌道內(nèi)的和兩條軌道間的。LEO衛(wèi)星層內(nèi)共含有96條ISLs。對于層間鏈路，雖然每顆LEO衛(wèi)星同時可見多顆MEO和GEO'衛(wèi)星，但為了簡化結(jié)構(gòu)和考慮實際通信需求，每顆LEO衛(wèi)星選擇一顆MEO衛(wèi)星、每顆MEO衛(wèi)星也只同一顆GEO衛(wèi)星建立一條鏈路。LEO/MEO衛(wèi)星軌道間ISLs幾何參數(shù)結(jié)算結(jié)果如表2，以衛(wèi)星11為例。衛(wèi)星ISL計算數(shù)學(xué)模型如圖7衛(wèi)星星間鏈路計算數(shù)學(xué)模型示意圖所示，而多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中平均時延與ISL的關(guān)系如圖8多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中平均時延與星間鏈路數(shù)目的關(guān)系示意圖所示。平均時延與路徑上ISL數(shù)量幾乎呈線性關(guān)系，可以看出，GEO衛(wèi)星不適宜傳輸話音業(yè)務(wù)，因為話音業(yè)務(wù)要求時延小于200ms，而MEO網(wǎng)絡(luò)如果傳輸話音業(yè)務(wù)，時延要求路徑最多一條ISL,當(dāng)然，LEO網(wǎng)絡(luò)中如果路徑包含6條以上ISL平均時延也大于200ms。對于CCITT建議的400ms傳輸時延，LEO和MEO網(wǎng)絡(luò)都能夠滿足。<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>路由計算釆用Bellman-Ford后向算法最優(yōu)路徑的判則為該;洛徑的綜合權(quán)重(TPW:Totalpathweight),TPW表示了一條路徑的時延和帶寬占用綜合性能，考慮的也是有效和可靠綜合性能。TPW有三部分組成，上行鏈路時延化，下行鏈路時延化和路徑上每個ISLw,的鏈路權(quán)重Z^。表示路徑上ISL的集合『={^,W2…Wi…HW山|W|="S-1表示該條路徑包含"s-l條ISL，"s為該路徑上的衛(wèi)星數(shù)量(包括源衛(wèi)星和目標衛(wèi)星)。其中地面源和目標位置確定之后，采用仰角最大接入方案選定源衛(wèi)星和目標衛(wèi)星，以便構(gòu)成一條端到端鏈路。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>(7)其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>(8)i^,表示ISLw,的傳輸時延，^,表示平均等待時延，/是信息量權(quán)重參數(shù)?；和&的求解只需知道衛(wèi)星空間位置坐標，用鏈路長度除以傳輸速度即可，無需冗述。根據(jù)Jackson原理，可以將每條ISL看成單服務(wù)窗混合制排隊模型M/M/l/m，數(shù)據(jù)包到來的間隔時間服從負指數(shù)分布，參數(shù)為-;服務(wù)時間是參數(shù)為a為負指數(shù)分布；每條ISL有w個排隊容量。當(dāng)系統(tǒng)中已有m個數(shù)據(jù)包時，新來的數(shù)據(jù)包將被轉(zhuǎn)移到其它衛(wèi)星進行處理。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>(9)數(shù)據(jù)包的平均等待時延為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>---(10)多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)IP路由策略具有如下特征業(yè)務(wù)通過LEO源衛(wèi)星和目標衛(wèi)星接入衛(wèi)星系統(tǒng)，根據(jù)QoS需要和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)選擇傳輸該業(yè)務(wù)的衛(wèi)星層，如果LEO層網(wǎng)絡(luò)資源不能滿足該業(yè)務(wù)要求，就將該業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)到MEO層傳輸，甚至GEO層傳輸。對于地面源/目標直接接入MEO或GEO衛(wèi)星情況，因為路由算法實現(xiàn)簡單，所以未作詳細分析。另外根據(jù)圖8多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中平均時延與星間鏈路數(shù)目的關(guān)系示意圖和仿真結(jié)果所示，LEO層的路徑如果包含6條或7條ISLs，時延將大于200ms，這時如果將該業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到MEO，傳輸時間更短，占用星上資源更少。而且，如果地面源和目標位置被同一MEO或GEO衛(wèi)星覆蓋，這是就將該業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)到MEO和GEO傳輸，以減少星上資源的占用。該策略考慮時延指標和ISL帶寬占用狀況，最優(yōu)路徑選擇兼顧衛(wèi)星系統(tǒng)有效性和可靠性。在算法計算過程中需要的其他參數(shù)參數(shù)設(shè)定如下表3。呼叫源-目標區(qū)域之間的呼叫百分比如表4。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>多層結(jié)構(gòu)有效的分擔(dān)了網(wǎng)絡(luò)負載，在其它相關(guān)參數(shù)都相同情況下，能夠減少TPW，如圖9多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)歸一化鏈路負載隨星間鏈路信道容量變化示意圖所示，不論同LEO網(wǎng)絡(luò)還是MEO網(wǎng)絡(luò)比較，MLSN的路徑TPW均小于單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。Walkerdelta星座構(gòu)成的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)擁有永久性ISL,能夠保證衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的有效性，而且較單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有更高的可靠性，在衛(wèi)星節(jié)點或通信鏈路損毀的情況下，具有更多的備選路徑，不會造成服務(wù)性能大幅下降。統(tǒng)計分布業(yè)務(wù);^莫型下自適應(yīng)IP路由策略考慮網(wǎng)絡(luò)中所有ISL的信息負載變化情況，自適應(yīng)地選擇最優(yōu)路徑。多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠滿足各種業(yè)務(wù)的不同的服務(wù)質(zhì)量要求，特別是在不增加傳輸時延和時延抖動的情況下，獲得較小的綜合路徑權(quán)重，降低丟包概率，適合構(gòu)成服務(wù)質(zhì)量需求差異較大的多種業(yè)務(wù)綜合性網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)先級不同軍事衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明所述技術(shù)相對于傳統(tǒng)的靜止軌道衛(wèi)星，由低軌和中軌衛(wèi)星構(gòu)成了全球覆蓋的網(wǎng)絡(luò)，傳輸延時小，有效性高。衛(wèi)星具有星上處理和交換能力，星間具有微波或光學(xué)鏈路，能夠為全球范圍內(nèi)的用戶提供寬帶的綜合業(yè)務(wù)，有效的保證了服務(wù)質(zhì)量，而且路徑選擇更加靈活，可替換鏈路多，抗毀性能更強。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。權(quán)利要求1.一種多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路由設(shè)定方法，其特征在于所述路由設(shè)定方法包括步驟A設(shè)定參數(shù)，進行網(wǎng)絡(luò)初始化；B固定一時刻tk，在該時間區(qū)間Δt，求解衛(wèi)星軌道參量，計算衛(wèi)星位置坐標和星間鏈路長度，建立網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；C按照設(shè)定的業(yè)務(wù)模型，計算所述多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的星間鏈路負載；D根據(jù)排隊理論計算星上處理和交換的時延；E根據(jù)地面源目標位置，尋找每個衛(wèi)星層中源衛(wèi)星和目標衛(wèi)星；F根據(jù)通信服務(wù)指令需求和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)選擇傳輸業(yè)務(wù)的衛(wèi)星層，按照路由算法，尋找最優(yōu)路徑。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路由設(shè)定方法，其特征在于所述步驟A中設(shè)定的參數(shù)包括多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)層數(shù)、各層中衛(wèi)星數(shù)目、星間鏈路條數(shù)、各顆衛(wèi)星軌道類型、軌道高度、軌道傾角和軌道數(shù)目。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路由設(shè)定方法，其特征在于所述步驟C進一步包括子步驟CI:在非均勻分布模型下，將人口密度分為5個等級，用數(shù)字表示每個區(qū)域內(nèi)的人口密度；C2:將地球表面分成48而部分，采用平行于纟韋線，傾斜于經(jīng)線的劃分方法，8條斜線與綿線呈52度，將經(jīng)度360度平均分成8份，煒度均分成6份；在每個區(qū)域內(nèi)設(shè)一個地面站，地面站位于南北綿15度、45度和68度，數(shù)目為48個；采用仰角最大接入方案進行接入；C3:在統(tǒng)計分布模型下，考慮用戶的分布密度的差異、呼叫的源和目標所在位置及密度差異，得出網(wǎng)絡(luò)中每條星間鏈路的信道占用情況。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路由設(shè)定方法，其特征在于所述步驟D進一步包括子步驟Dl:根據(jù)排隊理論，將每條星間鏈路看成單服務(wù)窗混合制排隊模型M/M/l/m，每條星間鏈路只含單個服務(wù)窗口，"顧客"到來的間隔時間服從負指數(shù)分布，參數(shù)為々；服務(wù)時間是參數(shù)為a為負指數(shù)分布；每條星間鏈路有m個排隊容量，當(dāng)系統(tǒng)中已有m個數(shù)據(jù)包時，新來的數(shù)據(jù)包不再進入排隊，有=D2:數(shù)據(jù)包的平均等待時延為『=^^---^^。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>)5.根據(jù)權(quán)利要求1所述多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路由設(shè)定方法，其特征在于所述步驟F中的路由算法為FBellman-Ford路由算法。6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路由設(shè)定方法，其特征在于所述步驟F具體包括子步驟Fl:缺省的業(yè)務(wù)在所述多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為低軌層，如果中軌源衛(wèi)星、目標衛(wèi)星相同，且低軌源衛(wèi)星、目標衛(wèi)星不同，執(zhí)行步驟F4;如果靜止軌道源衛(wèi)星、目標衛(wèi)星相同，且低軌和中軌源衛(wèi)星、目標衛(wèi)星不同，執(zhí)行步驟F5;否則，執(zhí)行步驟F2;.F2:如果該低軌層路徑包含星間鏈路數(shù)量小于或等于星間鏈路低軌門限，執(zhí)行步驟F3;如果所述低軌層路徑包含星間鏈路數(shù)量大于星間鏈路低軌門限，且中軌層路徑包含星間鏈路數(shù)量小于或等于星間鏈路中軌門限，執(zhí)行步驟F4;否則，執(zhí)行步驟F5;F3:建立低軌衛(wèi)星層最優(yōu)通信路徑，完成傳輸任務(wù)；F4:建立中軌衛(wèi)星層最優(yōu)通信路徑，完成傳輸任務(wù)；F5:建立靜止軌道衛(wèi)星層最優(yōu)通信路徑，完成傳輸任務(wù)；F6:統(tǒng)計所述多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中多層網(wǎng)絡(luò)的特征參量，分析網(wǎng)絡(luò)性能F7:更新時間區(qū)間，完成新路由表計算并完成衛(wèi)星越區(qū)切換。7.根據(jù)權(quán)利要6所述多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路由設(shè)定方法，其特征在于所述步驟F3、F4和F5應(yīng)用到的所述Bellman-Ford路由算法，該算法包括子步驟步驟1:令網(wǎng)絡(luò)中所有非始節(jié)點的r標號值為oo,即r(/)=oo;令始節(jié)點的尸標號為0,即尸0)=0;步驟2:以新的所述p標號為始節(jié)點/,檢查以/為始節(jié)點的邊的每一個終點7'是否存在[尸(0+"O/)K尸(/)或者[尸(0+^V)]〈r(/)，如果存在，執(zhí)行步驟3，否則保留原標號；步驟3:將乂點處的r標號或尸標號改為新的r標號r(/)=po〕+^>v)或者r(/)+《/力。取網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的r標號點的最小值，定為新的p標號點，重復(fù)執(zhí)行所述步驟2;步驟4:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點都是p標號點時，算法結(jié)束。8.根據(jù)權(quán)利要6所述多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路由設(shè)定方法，其特征在于所述步驟F6中需要進行統(tǒng)計的特征參量包括各衛(wèi)星節(jié)點的存儲器占用百分比、星間鏈路長度和阻塞概率。全文摘要本發(fā)明涉及一種多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路由設(shè)定方法，包括步驟1.設(shè)定參數(shù)，進行網(wǎng)絡(luò)初始化；2.固定一時刻，在該時間區(qū)間求解衛(wèi)星軌道參量，計算衛(wèi)星位置坐標和星間鏈路長度，建立網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；3.計算所述多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的星間鏈路負載；4.根據(jù)排隊理論計算星上處理和交換時延；5.尋找每個衛(wèi)星層中源衛(wèi)星和目標衛(wèi)星；6.根據(jù)通信服務(wù)指令需求和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)選擇傳輸業(yè)務(wù)的衛(wèi)星層，按照路由算法，尋找最優(yōu)路徑。本發(fā)明相對于傳統(tǒng)的靜止軌道衛(wèi)星，傳輸延時小，有效性高。衛(wèi)星具有星上處理和交換能力，星間具有微波或光學(xué)鏈路，能夠為全球范圍內(nèi)的用戶提供寬帶的綜合業(yè)務(wù)，有效的保證了服務(wù)質(zhì)量，而且路徑選擇更加靈活，可替換鏈路多，抗毀性能更強。文檔編號H04B7/185GK101299713SQ200810066140公開日2008年11月5日申請日期2008年3月21日優(yōu)先權(quán)日2008年3月21日發(fā)明者暉李申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院