[发明专利]低轨卫星星座星间负载路由均衡方法及系统

说明书

本发明提供了一种低轨卫星星座星间负载路由均衡方法及系统，包括：根据低轨卫星的星座构型将地球表面划分为多个覆盖区域，建立流量模型；根据流量模型得到多个覆盖区域的潜在拥塞值，根据覆盖区域的潜在拥塞值对星间负载路由进行区域分流，全网信息收集模块进行全网状态信息收集建立全网信息库；链路代价计算模块根据星间负载路由的目的节点距离及星间负载路由的端到端链路状态，计算星间负载路由的节点转移概率；多径计算模块以星间负载路由的路径时延为约束进行星间负载路由的多路径搜索，得到星间负载路由的最优路径及星间负载路由的备选路径；多径转发模块在星间负载的转发过程中根据当前网络状态使用“红绿灯”策略选择星间负载的下一跳。

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，特别涉及一种低轨卫星星座星间负载路由均衡方法及系统。

背景技术

随着全球通信业务的迅速增长，卫星通信系统在军事、商业以及民用通信上的应用越发广泛。此外，低轨卫星网络作为全球通信系统中地面网络的补充，逐渐成为人们日常生活中必不可少的部分。其中，低轨卫星通信系统具有覆盖范围广、传播时延小和终端设备发射功率低等优势，这使得借助低地球轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星进行数据传输受到国内外广泛关注。而星间链路的使用在满足了高质量和高数据安全性等特殊应用需求的同时，也引发了业内对卫星星座网络路由问题的持续关注，其中负载均衡问题是路由算法研究的重要部分，也是基于星间链路的卫星星座设计中的重要问题。

为了满足卫星通信系统星上数据就近落地需求，实现安全高效的数据传输，现有的卫星通信系统都具有分布在全球各地的地面信关站。由于全球用户的非均匀分布及其活跃度随时区动态变化，卫星系统数据流地面信关站就近下行会引发空间段拥塞并加重馈线负担，这种拥塞模式是一种漏斗型的新型拥塞模式且极易引起雪崩式拥塞，进而影响空间段端到端通信的负载均衡。

此类漏斗型拥塞形态随着网络状态不断动态变化，图1中以每个地面信关站同时跟踪四颗卫星为例给出一种特殊的漏斗型拥塞形态。如图1所示，由于卫星S₇、S₁₁、S₁₂、S₁₆与地面信关站之间的馈线传输能力有限，而各个方向通过地面信关站下行的非均匀数据流向地面信关站上方卫星簇不断汇聚，由此形成一个漏斗型拥塞区域。目前的负载均衡技术不能很好地缓解此类流量模型引起的空间段拥塞问题。

卫星网络多径路由策略利用卫星网络具有大规模动态可预测的拓扑形态以及卫星节点间的天然多径的特点进行设计。相对单条路径的路由策略而言，多径路由的分流策略更加灵活。CEMR算法首先提出了卫星网络中的多径路由策略，综合考虑排队时延与传播时延计算路由表，但具体的多径实现方式文章中并未详述。2009年，Taleb等人给出了一种显式负载均衡(Explicit Load Balancing，ELB)算法，该算法监控本地拥塞状态，当发生拥塞时及时通知上游将通过本地拥塞卫星的χ%的流量通过备选路径进行转发。在此基础上Song提出了交通灯智能路由策略(Traffic-light Based Intelligent RoutingStrategy.TLR)，采用交通灯的“红绿灯”概念将本地队列与卫星整体队列的情况分为3级，综合考虑本地与下一跳节点的状态选择转发策略，如果最优路径及备选路径均为红灯则不适合转发，此时将数据分组存入等待区，直到任一路径恢复为非红灯状态后发出。ELB算法和TLR算法的分流策略不具有全局视野，容易陷入局部最优。2018年，刘沛龙等又进一步提出了一种基于混合分流策略的负载均衡路由策略(Hybrid Traffic Detour LoadBalancing Routing，HLBR)，该策略将长程绕行与分布式分流两种方式相结合以实现高效自适应负载均衡。但HLBR算法的分流策略较为复杂，牺牲了一定的时间复杂度及空间复杂度。

综上所述，已有的路由算法都没有针对性地解决地面信关站就近下行引起的漏斗型拥塞问题，而此类拥塞会严重影响低轨卫星通信系统空间段端到端通信的负载均衡及服务质量。

发明内容