一种基于时间片的星上标签转发方法

1.本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于时间片的星上标签转发方法。


背景技术：

2.卫星通信网络系统具有覆盖范围广、组网灵活、通信质量高的优点，逐渐成为目前的主流通信方式，使用卫星网络便于实现全球覆盖，被认为是未来6g通信时代最受瞩目的新星，拥有广阔的应用前景和极大的发展潜力。随着卫星网络技术的应用和发展，低地球轨道(low earth orbit，简称leo)卫星网络具有传播时延短、传输损耗低、发射成本低等优点，逐渐成为各个国家在卫星领域的研究重点，许多国家都公布了有关建设低轨星座的新计划。
3.在leo卫星网络中，用户对于通信的端到端时延、丢包率、带宽资源等服务要求较高，网络支持的业务逐渐从传统简单的数据业务转变为多需求、多类型业务的方向发展。leo卫星网络是通过同轨道或相邻轨道之间的星间链路构成的，其网络拓扑以及星地拓扑结构具有高度的动态变化性。但是相比于地面的移动自组织网络，leo卫星星座中卫星的运动具有规律性和可预测性，利用这一特性，可以提高卫星网络的资源利用率和容量。
4.由于地理因素、经济水平和人口密度的影响，卫星网络的用户和流量分布并不均匀，增大了网络中流量和业务的分布不均匀性，导致更加难以保证卫星业务的服务质量qos。除此之外，随着多媒体业务的快速发展，网络支持的业务逐渐从传统简单的数据业务转变为多需求、多类型业务的方向发展。因此，卫星网络中保障qos业务这一问题值得深入的研究。针对这一研究，现有提出方案有：
5.蒋文娟等人提出了一种流量分类路由算法(traffic classification routing，简称tcr)：该算法对全球流量分布进行建模，并将网络中的业务划分为三类，每类业务都有不同的qos指标；该算法为每种业务根据其qos指标计算不同的链路代价，通过计算链路阻塞概率阈值进行拥塞控制；tcr算法该在一定程度上保证了多业务的qos要求，并且可以进行拥塞控制，但该算法需要每个leo卫星都具有感知网络所有链路状态的能力和较强的实时计算能力；dong y等人提出了一种基于网络状态自适应的qos动态路由算法(status adaptive qos dynamic routing，简称sadr)：sadr算法使用蚁群优化算法来及进行动态路径搜索和动态路由表更新，在拓扑和网络状态发生变化的情况下，sadr可以实现较好的qos保证；但是星上计算复杂度同样较高，并且蚁群算法带来的信令开销较大；donner等人提出了将mpls思想应用于leo卫星网络中，并将相关mpls的功能进行划分，根据路由和管理标签转发路径(label switch path，简称lsp)的角度分为三种mpls卫星方案，分别是分布式路由和lsp管理、集中式路由分布式lsp管理以及集中式路由和lsp管理，但是文中仅提出了网络架构和初步的定性分析，并没有考虑信令开销、lsp的频繁建立和转发流程等问题。
6.但是，上述现有方案存在以下几个问题：
7.第一，无法良好的适应leo卫星网络的拓扑动态性，带来较大的信令和计算开销；
8.第二，仅适用于单一种类或需求的qos需求，从一定程度上难以提供良好的qos保
障；
9.第三，对于卫星的计算能力和感知能力要求高，算法的计算复杂度高。


技术实现要素：

10.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于时间片的星上标签转发方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
11.本发明实施例提供了一种基于时间片的星上标签转发方法，包括以下步骤：
12.步骤(1)、采用倾斜轨leo卫星星座，在正常运行下，卫星拓扑结构稳定不变；采用地球固定覆盖域的思想，将地面区域划分为多个覆盖域，一段时间内，每个覆盖域均由一颗leo卫星星座提供服务；
13.步骤(2)、根据步骤(1)中划分的覆盖域，随着卫星的运动与地球自转，卫星会从当前覆盖域切换到下一覆盖域，根据卫星在覆盖域之间的切换时间，划分为多个时间片；
14.步骤(3)、地面控制中心根据各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑确定覆盖域与卫星的映射关系；同时，每个卫星节点利用最短路径算法计算出到卫星网络虚拟拓扑中其余节点的默认路由表，该默认路由表用于无连接转发和链路故障处理；
15.步骤(4)、地面控制中心根据全球地区流量分布模型、卫星网络虚拟拓扑以及业务种类和qos需求，为各个时间片的覆盖域之间计算并建立多条lsp路径；
16.步骤(5)、地面控制中心根据计算出的lsp路径生成每个时间片对应的相关表项，该相关表项包括地面控制中心为用户生成的fec标签映射表，以及地面控制中心为leo卫星星座生成的lsp标签转发表和覆盖域映射表；
17.步骤(6)、若到达lsp标签转发表的上注时间或由于卫星网络虚拟拓扑变化触发的默认路由表计算与更新，则地面控制中心将新生成的lsp标签转发表上注给卫星节点，将新生成的fec标签映射表与覆盖域映射表发送给终端；
18.步骤(7)、用户源终端发送业务时，根据其fec标签映射表得知是否使用标签转发方式，若是，则根据fec标签映射表查询业务的对应标签，构造数据分组并添加对应的标签字段，并发送给当前覆盖域服务的卫星节点；
19.步骤(8)、卫星节点收到数据分组后，在每个时间片使用不同的lsp标签转发表查询标签转发字段，选择相应的转发机制进行分组转发；
20.步骤(9)、若卫星网络虚拟拓扑中出现链路故障或卫星节点失效的情况，则将当前故障信息告知给地面控制中心，执行步骤(3)～步骤(6)过程，并继续执行正常的业务发送过程；若卫星网络虚拟拓扑中所有卫星节点均正常运行时，则卫星仍周期性的统计网络状态再汇总给地面控制中心；
21.步骤(10)、目的终端收到数据分组后，拆除分组头，提取载荷字段，得到传输的业务，并将业务发送给上层进行处理。
22.在本发明的一个实施例中，步骤(1)中多个覆盖域的划分实现过程如下：
23.采用地球固定足印模式，卫星控制其波束，在一段时间内固定为某一覆盖域提供服务。
24.在本发明的一个实施例中，步骤(2)中时间片的划分实现过程如下：
25.步骤(2a)、根据所选的卫星，计算其轨道内的切换时间间隔，计算公式如下：
[0026][0027]
其中，t
intra
为轨道内的切换时间间隔，t为卫星轨道周期，sate_per_orbit为每条轨道上的卫星数目；
[0028]
步骤(2b)、计算轨道间的切换时间间隔，计算公式如下：
[0029][0030]
其中，t
inter
为轨道间的切换时间间隔，φ为覆盖域的经度跨度角度，ω
earth
为地球自转角速度；
[0031]
步骤(2c)、采用同步切换的方式，一颗卫星切换到下一个覆盖域，则所有其他卫星都必须进行相同的动作；地面控制中心根据步骤(2a)～步骤(2b)得到的轨道内的切换时间间隔和轨道间的切换时间间隔计算卫星的切换时间，根据切换时间划分多个时间片；其中，每个时间片内星地网络拓扑关系看作静态不变。
[0032]
在本发明的一个实施例中，步骤(3)中地面控制中心确定卫星网络虚拟拓扑的实现过程如下：
[0033]
步骤(3a-1)、设n为卫星网络虚拟拓扑中卫星节点数量，不同的时间片记为t1,t2,...,tk,...,tm，tk为第k个时间片，m为时间片的数量，对于第k个时间片tk，将卫星网络虚拟拓扑用有向图表示；其中，v＝{v1,v2,...,vn}为卫星网络虚拟拓扑中卫星节点集合，n表示卫星网络虚拟拓扑中卫星节点数量，为可用星间链路集合；
[0034]
步骤(3b-1)、设e
ij
为从第i个卫星到第j个卫星的星间链路，当e
ij
为可用星间链路时，取值为1，否则，取值为0，即
[0035]
步骤(3c-1)、根据e
ij
计算有向图的邻接矩阵得到第k个时间片tk的卫星网络虚拟拓扑；
[0036]
步骤(3d-1)、重复步骤(3a-1)～步骤(3c-1)共m次，得到所有时间片的卫星网络虚拟拓扑。
[0037]
在本发明的一个实施例中，步骤(3)中根据各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑确定卫星与地面覆盖区域映射关系，实现过程如下：
[0038]
设n为卫星网络虚拟拓扑中卫星节点数量，根据卫星网络虚拟拓扑中轨道数量和每条轨道的卫星数量，将地面依据经纬度均匀划分为不同的地面覆盖区域：r＝{r1,r2,...,rn}，ri表示卫星网络虚拟拓扑中第i个卫星节点对应的地面覆盖区域；
[0039]
根据卫星在各时间片内运动的经纬度，确定其在各个时间片映射的地面覆盖区域，得到各时间片卫星和地面覆盖区域的映射关系。
[0040]
在本发明的一个实施例中，步骤(3)中每个卫星节点利用最短路径算法计算到卫星网络虚拟拓扑中其余卫星节点的默认路由表实现过程如下：
[0041]
步骤(3a-2)、每个卫星节点统计链路状态信息并进行交互，定义实时链路成本度量，计算公式如下：
[0042]
l
cost
(t)＝t
prop
+t
queue
(t)；
[0043]
其中，lco
st
(t)为t时刻的实时链路成本度量，t
prop
为链路的传播时延，t
queue
(t)为t时刻链路的排队时延；
[0044]
步骤(3b-2)、以实时链路成本度量作为路径权重；
[0045]
步骤(3c-2)、选取卫星网络虚拟拓扑中的某个卫星节点s，并为该卫星节点s设立两个集合：源节点集合a和目的节点集合b；
[0046]
步骤(3d-2)、初始时，源节点集合a只包含卫星节点s，目的节点集合b包含卫星网络虚拟拓扑中除卫星节点s外的其他卫星节点；
[0047]
步骤(3e-2)、从目的节点集合b中选出路径权重最小的卫星节点k，并将该卫星节点k加入到源节点集合a中，同时，从目的节点集合b中移除卫星节点k；
[0048]
步骤(3f-2)、更新目的节点集合b中各个卫星节点到卫星节点s的路径权重，即对于(s,v)》(s,k)+(k,v)的情况，将(s,v)更新为(s,k)+(k,v)，其中，(s,v)为卫星节点s到卫星节点v的路径权重，(s,k)为卫星节点s到卫星节点k的路径权重，(k,v)为卫星节点k到卫星节点v的路径权重；
[0049]
步骤(3g-2)、重复步骤(3e-2)～(3f-2)，直到遍历完卫星网络虚拟拓扑中所有卫星节点，得到卫星节点s到卫星网络虚拟拓扑中其他卫星节点的最短路径；
[0050]
步骤(3h-2)、将最短路径中的卫星节点从目的节点集合b中删除，重新执行步骤(3e-2)～(3g-2)，得到卫星网络虚拟拓扑中的备选路径；
[0051]
步骤(3i-2)、对卫星网络虚拟拓扑中所有卫星节点都执行步骤(3c-2)～步骤(3h-2)的过程，得到卫星网络虚拟拓扑中所有卫星节点到其他卫星节点的最短路径和备选路径，并根据最短路径和备选路径在对应卫星节点生成并存储默认路由表。
[0052]
在本发明的一个实施例中，步骤(4)中计算lsp路径时，根据qos需求将业务划分为几类，每类业务采用bellman-ford或遗传算法计算出满足qos需求的lsp路径。
[0053]
在本发明的一个实施例中，步骤(5)中地面控制中心根据计算出的lsp路径生成每个时间片对应的相关表项实现过程如下：
[0054]
步骤(5a)、地面控制中心为用户生成fec标签映射表；fec标签映射表为多元组和标签之间的映射关系；之后发送到每个覆盖域中的终端；其中，多元组包括源终端、目的终端、qos需求、协议类型；标签由地面控制中心全局统一分配且具有分配唯一性，标签的分配唯一性是指多个卫星节点中不应出现同一“输入端口+输入标签”；
[0055]
步骤(5b)、地面控制中心为leo卫星生成lsp标签转发表和覆盖域映射表；之后将各个时间片的lsp标签转发表，以及fec标签映射表与覆盖域映射表上注给卫星节点；其中，lsp标签转发表为“输入标签+输入端口”到“输出端口”的映射关系；覆盖域映射表为卫星节点和覆盖域之间的映射关系。
[0056]
在本发明的一个实施例中，步骤(7)中构造的数据分组包括目的覆盖域、源覆盖域、目的终端标识和源终端标识；其中，目的覆盖域标识用于无连接转发时查询目的卫星的标识，目的终端标识用于到达目的卫星后发送给目的终端的标识。
[0057]
在本发明的一个实施例中，步骤(8)中在每个时间片使用不同的lsp标签转发表查询标签转发字段，选择相应的转发机制进行分组转发实现过程如下：
[0058]
步骤(8a)、如果标签转发字段是采用标签转发方式，查询其lsp标签转发表，得到
对应输出端口，转发给下一跳卫星；
[0059]
步骤(8b)、如果标签转发字段是不采用标签转发方式，则查询默认路由表和覆盖域映射表，转发给下一跳卫星；
[0060]
步骤(8c)、如果当前卫星为目的卫星，则将业务转发给目的终端。
[0061]
本发明的有益效果：
[0062]
本发明提出的基于时间片的星上标签转发方法，采用时间片的思想，利用地面固定覆盖域和卫星切换时间来划分时间片，在每个时间片内星地网络的拓扑结构看作固定不变，将星地网络的动态拓扑转化为静态拓扑，便于路由计算，因此能够良好的适应星地网络的拓扑动态性；本发明由于使用地面控制中心采用集中式离线计算每对覆盖域之间的lsp路径并按时间片上注，因此无需卫星节点计算标签转发的路由路径，从而降低了星上计算的复杂度；在星上标签交换过程中，卫星节点只需要查询数据分组的标签字段以及标签转发表，降低了星上转发处理的复杂度；本发明在地面控制中心离线计算标签转发路径时，通过卫星反馈的链路状态和全球地区流量分布模型进行计算路由，这样规划出的路径路由能够更好的保障用户qos和提高星间链路的利用率；本发明在地面控制中心离线计算标签转发路径时，针对每对覆盖域之间进行建立粗粒度管道，并不是面向每个业务都计算出一条lsp，因此，多个业务可以使用同一条lsp进行传输，从而能够减少lsp建立的复杂度与信令开销。lsp的生存时间与时间片相同，随着当前时间片结束则采用下一时间片的有效lsp转发表，从而能够避免由于业务结束或者用户移动导致的lsp的频繁建立和拆除问题。可见，本发明通过地面控制中心预先计算不同时间片的lsp标签转发路径并预留星上资源，在各卫星节点分别保存不同时间片的多个lsp标签转发表，在星上进行业务转发时，根据当前时间片数据分组的标签字段内容查询转发表中的相关表项，在提前建立好的lsp标签转发路径上转发数据分组，该方法能够为多类面向连接的业务提供qos保障，降低了星上的计算复杂度，良好的适应星地网络拓扑的高度动态性，并减少路由信令开销。
[0063]
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
[0064]
图1是本发明实施例提供的星地网络系统示意图；
[0065]
图2是本发明实施例提供的一种基于时间片的星上标签转发方法的流程示意图；
[0066]
图3是本发明实施例提供的地球表面覆盖域划分的示意图；
[0067]
图4是本发明实施例提供的终端构造数据分组的流程示意图；
[0068]
图5是本发明实施例提供的构造的数据分组的数据格式示意图；
[0069]
图6是本发明实施例提供的卫星转发数据分组的流程示意图；
[0070]
图7是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0071]
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0072]
经发明人研究发现，由于地理因素、经济水平和人口密度的影响，卫星网络的用户和流量分布并不均匀，增大了网络中流量和业务的分布不均匀性，导致更加难以保证卫星
业务的服务质量qos。除此之外，随着多媒体业务的快速发展，网络支持的业务逐渐从传统简单的数据业务转变为多需求、多类型业务的方向发展。因此，卫星网络中保障qos业务这一问题值得深入的研究。除此之外，如果采用类似于mpls技术的思想，将标签转发机制应用于卫星网络上，由于星地网络拓扑的高度动态性，会导致终端的头顶星不断发生切换，频繁的建立/拆除标签转发路径(lsp)无法保障用户的qos并且信令开销巨大。但是，通过地面控制中心提前集中式的计算出标签转发路径和预留星上资源，能够降低星上的计算复杂度。可以看出，现在应当解决以下几个问题
[0073]
(1)、良好的适应星地网络拓扑的动态性
[0074]
标签转发机制应该能够良好的适应星地网络拓扑的高度动态性，这包含两方面，一是卫星网络的拓扑变化，这是由于在近极轨星座中卫星进入极地地区断开轨间链路导致的；二是星地网络的拓扑变化，由于leo卫星并不是对地同步运行，导致卫星的覆盖区域会发生频繁变化。因此需要星上网络的标签转发机制能够适应这一特性，避免带来lsp的频繁建立与拆除、信令开销大等不良影响。
[0075]
(2)、考虑不同业务的qos需求
[0076]
用于卫星通信网络技术的高速发展，网络中能够容纳更多种类的业务，同时也提出了更高的服务需求。针对leo卫星网络其传输业务类型多、数据流量大、需求多样化的特点，考虑不同业务的有效路径是十分重要的，因此标签转发方法应当充分考虑这一点。
[0077]
(3)、降低星上的计算复杂度
[0078]
由于太空中电磁干扰与电离辐射较多，技术水平的限制和太空环境的特殊性，限制了卫星的体积和资源，导致星上计算能力和存储资源等有限。在设计标签转发方法时应当在星上具有简单和易实施的特点，这样才能将该技术更好的应用于卫星网络中。
[0079]
基于上述分析，本发明基于图1所示星地网络系统，实现了基于时间片的星上标签转发方法。图1中星地网络系统包含leo卫星网络、地面控制中心和用户终端三部分。leo卫星网络采用倾斜轨leo卫星星座为场景，leo卫星星座中包括若干卫星节点，后续描述的卫星为leo卫星星座中卫星节点，同一轨道的相邻两颗卫星之间建立星间链路，相邻轨道的两颗卫星之间建立星间链路，每颗卫星最多有4条星间链路，其卫星网络拓扑结构保持不变。本发明实施例中选取了目前在轨运行的globalstar星座构型，包含8条轨道，每个轨道上有6颗卫星，轨道倾斜角度为52
°
，可以覆盖南北纬70
°
的区域，运行周期为114min。卫星网络主要的功能为汇总链路状态信息上报给地面控制中心、数据转发以及计算默认路由表；用户终端主要包括地面用户终端和大型设备等，通常作为业务的源和目的，具有标签管理和组帧/拆帧的功能；地面控制中心主要负责计算标签转发路径、上注表项等功能。对应地，基于图1所示星地网络系统，请参见图2，本发明实施例提供了一种基于时间片的星上标签转发方法，具体包括以下步骤：
[0080]
步骤(1)、采用倾斜轨leo卫星星座，在正常运行下，卫星拓扑结构稳定不变；采用地球固定覆盖域的思想，将地面区域划分为多个覆盖域，一段时间内，每个覆盖域均由一颗leo卫星星座提供服务。
[0081]
在本发明的一个实施例中，步骤(1)中多个覆盖域的划分实现过程如下：采用地球固定足印模式，卫星控制其波束，在一段时间内固定为某一覆盖域提供服务。具体地：
[0082]
地球划分区域数量同leo卫星星座中卫星节点的个数，并且区域划分形式为m*n，
其中，m是leo卫星星座中轨道的数量，n为每个轨道上的卫星节点个数，每个覆盖域赋予一个逻辑编号。每个覆盖域都有一个卫星节点为其进行服务，因此卫星和覆盖域都是一一映射。在本发明实施例中，将地面区域划分为48个覆盖域，每个区域经度跨度为45
°
，每个区域纬度跨度为23
°
，划分的覆盖域编号图3所示。
[0083]
这里需要说明的是，若存在leo卫星星座构型中纬度难以平均划分的情况，高纬度地区的用户本身较少，所以可以适当将高纬度区域划分较小些，根据实际情况做适当调整。
[0084]
步骤(2)、根据步骤(1)中划分的覆盖域，随着卫星的运动与地球自转，卫星会从当前覆盖域切换到下一覆盖域，根据卫星在覆盖域之间的切换时间，划分为多个时间片。
[0085]
如图3所示，划分的地球固定覆盖域，由于卫星的周期性运动与地球自转的影响，卫星服务的覆盖域会发生轨道内切换和轨道间切换的过程。则在本发明的一个实施例中，步骤(2)中时间片的划分实现过程如下：
[0086]
步骤(2a)、根据所选的卫星，计算其轨道内的切换时间间隔，计算公式如下：
[0087][0088]
其中，t
intra
为轨道内的切换时间间隔，t为卫星轨道周期，sate_per_orbit为每条轨道上的卫星数目；
[0089]
步骤(2b)、计算轨道间的切换时间间隔，计算公式如下：
[0090][0091]
其中，t
inter
为轨道间的切换时间间隔，φ为覆盖域的经度跨度角度，ω
earth
为地球自转角速度；
[0092]
步骤(2c)、采用同步切换的方式，一颗卫星切换到下一个覆盖域，则所有其他卫星都必须进行相同的动作；地面控制中心根据步骤(2a)～步骤(2b)得到的轨道内的切换时间间隔和轨道间的切换时间间隔计算卫星的切换时间，根据切换时间划分多个时间片；其中，每个时间片内星地网络拓扑关系看作静态不变。
[0093]
假设以globalstar星座为例，包含8条轨道，每个轨道上有6颗卫星，卫星轨道周期为114min，则在轨道间切换的时间可以通过步骤2(a)中公式(1)计算，轨道内切换的时间为19min，计算为
[0094]
由于地球的自转，因此卫星也会发生覆盖域的轨间切换，首先计算出地球自转的角速度因为本发明实例中覆盖域的经度跨度为45
°
，则通过步骤2(b)中公式(2)计算轨道间切换的时间为180min，计算为
[0095][0096]
采用地球固定覆盖域的思想有同步切换的优点，也就是卫星上的时钟同步。一旦一颗卫星切换到下一个覆盖域，所有其他卫星都必须进行相同的动作。因此一段时间内，卫星节点会固定为某个覆盖域进行服务，星地网络拓扑关系看作静态不变，从而简化了卫星的移动性所带来的拓扑变化，该方法能够良好的适应星地网络的拓扑动态变化。地面控制
中心根据卫星移动的周期性和可预测性，可以提前计算出卫星切换的时间，然后划分成多个时间片。根据步骤(2a)和步骤(2b)可知，每个时间片维持的时间较长。
[0097]
步骤(3)、地面控制中心根据各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑确定覆盖域与卫星的映射关系；同时，每个卫星节点利用最短路径算法计算出到卫星网络虚拟拓扑中其余节点的默认路由表，该默认路由表用于无连接转发和链路故障处理。
[0098]
在本发明的一个实施例中，步骤(3)中地面控制中心确定卫星网络虚拟拓扑的实现过程如下：
[0099]
步骤(3a-1)、设n为卫星网络虚拟拓扑中卫星节点数量，不同的时间片记为t1,t2,...,tk,...,tm，tk为第k个时间片，m为时间片的数量，对于第k个时间片tk，将卫星网络虚拟拓扑用有向图表示；其中，v＝{v1,v2,...,vn}为卫星网络虚拟拓扑中卫星节点集合，n表示卫星网络虚拟拓扑中卫星节点数量，为可用星间链路集合；
[0100]
步骤(3b-1)、设e
ij
为从第i个卫星到第j个卫星的星间链路，当e
ij
为可用星间链路时，取值为1，否则，取值为0，即
[0101]
步骤(3c-1)、根据e
ij
计算有向图的邻接矩阵得到第k个时间片tk的卫星网络虚拟拓扑；
[0102]
步骤(3d-1)、重复步骤(3a-1)～步骤(3c-1)共m次，得到所有时间片的卫星网络虚拟拓扑。
[0103]
在本发明的一个实施例中，步骤(3)中根据各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑确定卫星与地面覆盖区域映射关系，实现过程如下：
[0104]
设n为卫星网络虚拟拓扑中卫星节点数量，根据卫星网络虚拟拓扑中轨道数量和每条轨道的卫星数量，将地面依据经纬度均匀划分为不同的地面覆盖区域：r＝{r1,r2,...,rn}，ri表示卫星网络虚拟拓扑中第i个卫星节点对应的地面覆盖区域；
[0105]
根据卫星在各时间片内运动的经纬度，确定其在各个时间片映射的地面覆盖区域，得到各时间片卫星和地面覆盖区域的映射关系。
[0106]
在本发明的一个实施例中，步骤(3)中每个卫星节点利用最短路径算法计算到卫星网络虚拟拓扑中其余卫星节点的默认路由表实现过程如下：
[0107]
步骤(3a-2)、每个卫星节点统计链路状态信息并进行交互，定义实时链路成本度量，计算公式如下：
[0108]
l
cost
(t)＝t
prop
+t
queue
(t)；
[0109]
其中，lco
st
(t)为t时刻的实时链路成本度量，t
prop
为链路的传播时延，t
queue
(t)为t时刻链路的排队时延；
[0110]
步骤(3b-2)、以实时链路成本度量作为路径权重；
[0111]
步骤(3c-2)、选取卫星网络虚拟拓扑中的某个卫星节点s，并为该卫星节点s设立两个集合：源节点集合a和目的节点集合b；
[0112]
步骤(3d-2)、初始时，源节点集合a只包含卫星节点s，目的节点集合b包含卫星网络虚拟拓扑中除卫星节点s外的其他卫星节点；
[0113]
步骤(3e-2)、从目的节点集合b中选出路径权重最小的卫星节点k，并将该卫星节
点k加入到源节点集合a中，同时，从目的节点集合b中移除卫星节点k；
[0114]
步骤(3f-2)、更新目的节点集合b中各个卫星节点到卫星节点s的路径权重，即对于(s,v)》(s,k)+(k,v)的情况，将(s,v)更新为(s,k)+(k,v)，其中，(s,v)为卫星节点s到卫星节点v的路径权重，(s,k)为卫星节点s到卫星节点k的路径权重，(k,v)为卫星节点k到卫星节点v的路径权重；
[0115]
步骤(3g-2)、重复步骤(3e-2)～(3f-2)，直到遍历完卫星网络虚拟拓扑中所有卫星节点，得到卫星节点s到卫星网络虚拟拓扑中其他卫星节点的最短路径；
[0116]
步骤(3h-2)、将最短路径中的卫星节点从目的节点集合b中删除，重新执行步骤(3e-2)～(3g-2)，得到卫星网络虚拟拓扑中的备选路径；
[0117]
步骤(3i-2)、对卫星网络虚拟拓扑中所有卫星节点都执行步骤(3c-2)～步骤(3h-2)的过程，得到卫星网络虚拟拓扑中所有卫星节点到其他卫星节点的最短路径和备选路径，并根据最短路径和备选路径在对应卫星节点生成并存储默认路由表。具体格式如表1所示。
[0118]
表1默认路由表格式
[0119]
目的卫星主选最短路径备选路径卫星标识输出端口1输出端口2
[0120]
步骤(4)、地面控制中心根据全球地区流量分布模型、卫星网络虚拟拓扑以及业务种类和qos需求，为各个时间片的覆盖域之间计算并建立多条lsp路径。
[0121]
在本发明的一个实施例中，步骤(4)中计算lsp路径时，根据qos需求将业务划分为几类，每类业务采用bellman-ford或遗传算法，但不局限于这些方法，计算出满足qos需求的lsp路径。
[0122]
可见，每条lsp路径可以容纳一类或几类业务，采用粗粒度管道传输的思想，从而简化的lsp路径的建立数目。因此，将lsp路径从终端之间的实际路径转化为覆盖域之间的虚拟逻辑通道，解决了由于终端移动或当前覆盖域服务的卫星节点切换带来的lsp路径频繁更改的问题。
[0123]
步骤(5)、地面控制中心根据计算出的lsp路径生成每个时间片对应的相关表项，该相关表项包括地面控制中心为用户生成的fec标签映射表，以及地面控制中心为leo卫星星座生成的lsp标签转发表和覆盖域映射表。
[0124]
在本发明的一个实施例中，步骤(5)中地面控制中心根据计算出的lsp路径生成每个时间片对应的相关表项实现过程如下：
[0125]
步骤(5a)、地面控制中心为用户生成fec标签映射表；fec标签映射表为多元组和标签之间的映射关系；之后发送到每个覆盖域中的终端；其中，多元组包括源终端、目的终端、qos需求、协议类型，但不局限于这些信息；标签由地面控制中心采用全局分配标签的方法全局统一分配且具有分配的唯一性，标签的分配唯一性是指多个卫星节点中不应出现同一“输入端口+输入标签”。fec标签映射表格式如表2所示。
[0126]
表2fec标签映射表
[0127]
多元组输入标签多元组1标签1
[0128]
步骤(5b)、地面控制中心为leo卫星生成lsp标签转发表和覆盖域映射表；之后将
各个时间片的lsp标签转发表，以及fec标签映射表与覆盖域映射表上注给卫星节点；其中，lsp标签转发表为“输入标签+输入端口”到“输出端口”的映射关系；覆盖域映射表为卫星节点和覆盖域之间的映射关系。当卫星发生覆盖域的切换时，只需要根据新时间片的lsp标签转发表进行转发即可，lsp标签转发表的格式如表3所示。
[0129]
表3lsp标签转发表
[0130]
时间片序号输入端口输入标签输出端口1端口1标签1端口2
[0131]
步骤(6)、若到达lsp标签转发表的上注时间或由于卫星网络虚拟拓扑变化触发的默认路由表计算与更新，则地面控制中心将新生成的lsp标签转发表上注给卫星节点，将新生成的fec标签映射表与覆盖域映射表发送给终端。
[0132]
可见，本发明实施例在lsp标签转发表的上注时间或卫星网络虚拟拓扑变化时，重新计算并更新了默认路由表，同时根据新生成的lsp标签转发表，以及fec标签映射表与覆盖域映射表，继续后续的过程，比如在这里是根据步骤(4)为各个时间片的覆盖域之间重新计算并建立多条lsp路径。
[0133]
步骤(7)、用户源终端发送业务时，根据其fec标签映射表得知是否使用标签转发方式，若是，则根据fec标签映射表查询业务的对应标签，构造数据分组并添加对应的标签字段，并发送给当前覆盖域服务的卫星节点。
[0134]
在本发明的一个实施例中，步骤(7)中构造的数据分组包括目的覆盖域、源覆盖域、目的终端标识和源终端标识；其中，目的覆盖域标识用于无连接转发时查询目的卫星的标识，目的终端标识用于到达目的卫星后发送给目的终端的标识。对应地，请参见图4，本发明实施例步骤7实现的步骤如下：
[0135]
步骤(7a)、终端查询自身的目的终端表，表中包含了目的终端和所在覆盖域信息。若表中没有相关表项，则向地面控制中心查询目的终端位置，待地面控制中心回复后添加相关表项。目的终端表的格式如表4所示，当更新倒计时减为0，则当前用户向地面控制中心站发送位置查询，当生存时间减为0(一定时间没有向这个用户终端发包)，则删除这条表项。
[0136]
表4目的终端表
[0137]
目的终端覆盖域地址生存时间更新倒计时终端1覆盖域1t1u1
[0138]
步骤(7b)、终端构造参照图5所示数据分组的数据格式，填写数据分组中的源覆盖域和目的覆盖域。该数据分组中各字段含义如表5所示。
[0139]
表5数据分组的各字段含义
[0140][0141][0142]
步骤(7c)、终端查询自身的fec标签映射表，查看是否存在多元组和标签的映射关系。
[0143]
步骤(7d)、如果存在标签映射，则将标签转发字段设置为1，采用标签转发机制，将查询到的标签填写到对应的标签字段中。如果没有存在标签映射，则将标签转发字段设置为0，采用无连接转发机制。
[0144]
步骤(7e)、终端将封装好的数据分组发送给当前覆盖域服务的卫星节点。
[0145]
步骤(8)、卫星收到数据分组后，在每个时间片使用不同的lsp标签转发表查询标签转发字段，选择相应的转发机制进行分组转发。
[0146]
在本发明的一个实施例中，步骤(8)中在每个时间片使用不同的lsp标签转发表查询标签转发字段，选择相应的转发机制进行分组转发机制实现过程如下：
[0147]
步骤(8a)、如果标签转发字段是采用标签转发方式，查询其lsp标签转发表，得到对应输出端口，转发给下一跳卫星；
[0148]
步骤(8b)、如果标签转发字段是不采用标签转发方式，则查询默认路由表和覆盖域映射表，转发给下一跳卫星；
[0149]
步骤(8c)、如果当前卫星为目的卫星，则将业务转发给目的终端。
[0150]
例如，请参见图6，卫星收到数据分组后，在每个时间片使用不同的lsp标签转发表查询标签转发字段，具体地：
[0151]
若标签转发字段为1时，表明可以采用标签转发方式，提取帧格式中的标签字段，并查询其lsp标签转发表，找到对应标签的输出端口，转发给下一跳卫星，继续判断当前卫星是否为目的卫星，若是，则将业务转发给目的终端，若不是，则将业务转发给下一跳卫星。
[0152]
若标签转发字段为0时，表明可以不采用标签转发方式，星上转发采用无连接机制，提取数据分组中的目的覆盖域字段，根据覆盖域与卫星的映射关系得到目的卫星，并查询默认路由表，查找目的卫星的吓一跳地址，继续判断当前卫星是否为目的卫星，若是，则将业务转发给目的终端，若不是，则将业务转发给下一跳卫星。
[0153]
步骤(9)、若卫星网络虚拟拓扑中出现链路故障或卫星节点失效的情况，则将当前故障信息告知给地面控制中心，执行步骤(3)～步骤(6)过程，并继续执行正常的业务发送过程，比如步骤(7)～步骤(8)、步骤(10)；若卫星网络虚拟拓扑中所有卫星节点均正常运行时，则卫星仍周期性的统计网络状态再汇总给地面控制中心。这里，网络状态的周期性统计可以控制地面控制中心选择正常运行的星上执行本发明方法。
[0154]
步骤(10)、目的终端收到数据分组后，拆除分组头，提取载荷字段，得到传输的业务，并将业务发送给上层进行处理。这里，上层可以是最终业务分发的流向，比如应用层。
[0155]
综上所述，本发明实施例提出的基于时间片的星上标签转发方法，采用时间片的思想，利用地面固定覆盖域和卫星切换时间来划分时间片，在每个时间片内星地网络的拓扑结构看作固定不变，将星地网络的动态拓扑转化为静态拓扑，便于路由计算，因此能够良好的适应星地网络的拓扑动态性；本发明实施例由于使用地面控制中心采用集中式离线计算每对覆盖域之间的lsp路径并按时间片上注，因此无需卫星节点计算标签转发的路由路径，从而降低了星上计算的复杂度；在星上标签交换过程中，卫星节点只需要查询数据分组的标签字段以及标签转发表，降低了星上转发处理的复杂度；本发明实施例在地面控制中心离线计算标签转发路径时，通过卫星反馈的链路状态和全球地区流量分布模型进行计算路由，这样规划出的路径路由能够更好的保障用户qos和提高星间链路的利用率；本发明实施例在地面控制中心离线计算标签转发路径时，针对每对覆盖域之间进行建立粗粒度管道，并不是面向每个业务都计算出一条lsp，因此，多个业务可以使用同一条lsp进行传输，从而能够减少lsp建立的复杂度与信令开销。lsp的生存时间与时间片相同，随着当前时间片结束则采用下一时间片的有效lsp转发表，从而能够避免由于业务结束或者用户移动导致的lsp的频繁建立和拆除问题。可见，本发明实施例通过地面控制中心预先计算不同时间片的lsp标签转发路径并预留星上资源，在各卫星节点分别保存不同时间片的多个lsp标签转发表，在星上进行业务转发时，根据当前时间片数据分组的标签字段内容查询转发表中的相关表项，在提前建立好的lsp标签转发路径上转发数据分组，该方法能够为多类面向连接的业务提供qos保障，降低了星上的计算复杂度，良好的适应星地网络拓扑的高度动态性，并减少路由信令开销。
[0156]
请参见图7，本发明实施例提供了一种电子设备，包括处理器701、通信接口702、存
储器703和通信总线704，其中，处理器701、通信接口702、存储器703通过通信总线704完成相互的通信；
[0157]
存储器703，用于存放计算机程序；
[0158]
处理器701，用于执行存储器703上所存放的程序时，实现上述基于时间片的星上标签转发方法的步骤。
[0159]
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于时间片的星上标签转发方法的步骤。
[0160]
对于装置/电子设备/存储介质实施例而言，由于其基本相近于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0161]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0162]
尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看说明书及其附图，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在说明书中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。相互不同的实施例中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
[0163]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于时间片的星上标签转发方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)、采用倾斜轨leo卫星星座，在正常运行下，卫星拓扑结构稳定不变；采用地球固定覆盖域的思想，将地面区域划分为多个覆盖域，一段时间内，每个覆盖域均由一颗leo卫星星座提供服务；步骤(2)、根据步骤(1)中划分的覆盖域，随着卫星的运动与地球自转，卫星会从当前覆盖域切换到下一覆盖域，根据卫星在覆盖域之间的切换时间，划分为多个时间片；步骤(3)、地面控制中心根据各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑确定覆盖域与卫星的映射关系；同时，每个卫星节点利用最短路径算法计算出到卫星网络虚拟拓扑中其余节点的默认路由表，该默认路由表用于无连接转发和链路故障处理；步骤(4)、地面控制中心根据全球地区流量分布模型、卫星网络虚拟拓扑以及业务种类和qos需求，为各个时间片的覆盖域之间计算并建立多条lsp路径；步骤(5)、地面控制中心根据计算出的lsp路径生成每个时间片对应的相关表项，该相关表项包括地面控制中心为用户生成的fec标签映射表，以及地面控制中心为leo卫星星座生成的lsp标签转发表和覆盖域映射表；步骤(6)、若到达lsp标签转发表的上注时间或由于卫星网络虚拟拓扑变化触发的默认路由表计算与更新，则地面控制中心将新生成的lsp标签转发表上注给卫星节点，将新生成的fec标签映射表与覆盖域映射表发送给终端；步骤(7)、用户源终端发送业务时，根据其fec标签映射表得知是否使用标签转发方式，若是，则根据fec标签映射表查询业务的对应标签，构造数据分组并添加对应的标签字段，并发送给当前覆盖域服务的卫星节点；步骤(8)、卫星节点收到数据分组后，在每个时间片使用不同的lsp标签转发表查询标签转发字段，选择相应的转发机制进行分组转发；步骤(9)、若卫星网络虚拟拓扑中出现链路故障或卫星节点失效的情况，则将当前故障信息告知给地面控制中心，执行步骤(3)～步骤(6)过程，并继续执行正常的业务发送过程；若卫星网络虚拟拓扑中所有卫星节点均正常运行时，则卫星仍周期性的统计网络状态再汇总给地面控制中心；步骤(10)、目的终端收到数据分组后，拆除分组头，提取载荷字段，得到传输的业务，并将业务发送给上层进行处理。2.根据权利要求1所述的基于时间片的星上标签转发方法，其特征在于，步骤(1)中多个覆盖域的划分实现过程如下：采用地球固定足印模式，卫星控制其波束，在一段时间内固定为某一覆盖域提供服务。3.根据权利要求1所述的基于时间片的星上标签转发方法，其特征在于，步骤(2)中时间片的划分实现过程如下：步骤(2a)、根据所选的卫星，计算其轨道内的切换时间间隔，计算公式如下：其中，t
intra
为轨道内的切换时间间隔，t为卫星轨道周期，sate_per_orbit为每条轨道上的卫星数目；步骤(2b)、计算轨道间的切换时间间隔，计算公式如下：
其中，t
inter
为轨道间的切换时间间隔，φ为覆盖域的经度跨度角度，ω
earth
为地球自转角速度；步骤(2c)、采用同步切换的方式，一颗卫星切换到下一个覆盖域，则所有其他卫星都必须进行相同的动作；地面控制中心根据步骤(2a)～步骤(2b)得到的轨道内的切换时间间隔和轨道间的切换时间间隔计算卫星的切换时间，根据切换时间划分多个时间片；其中，每个时间片内星地网络拓扑关系看作静态不变。4.根据权利要求1所述的基于时间片的星上标签转发方法，其特征在于，步骤(3)中地面控制中心确定卫星网络虚拟拓扑的实现过程如下：步骤(3a-1)、设n为卫星网络虚拟拓扑中卫星节点数量，不同的时间片记为t1,t2,...,t
k
,...,t
m
，t
k
为第k个时间片，m为时间片的数量，对于第k个时间片t
k
，将卫星网络虚拟拓扑用有向图表示；其中，v＝{v1,v2,...,v
n
}为卫星网络虚拟拓扑中卫星节点集合，n表示卫星网络虚拟拓扑中卫星节点数量，为可用星间链路集合；步骤(3b-1)、设e
ij
为从第i个卫星到第j个卫星的星间链路，当e
ij
为可用星间链路时，取值为1，否则，取值为0，即步骤(3c-1)、根据e
ij
计算有向图的邻接矩阵得到第k个时间片t
k
的卫星网络虚拟拓扑；步骤(3d-1)、重复步骤(3a-1)～步骤(3c-1)共m次，得到所有时间片的卫星网络虚拟拓扑。5.根据权利要求1所述的基于时间片的星上标签转发方法，其特征在于，步骤(3)中根据各个时间片对应的卫星网络虚拟拓扑确定卫星与地面覆盖区域映射关系，实现过程如下：设n为卫星网络虚拟拓扑中卫星节点数量，根据卫星网络虚拟拓扑中轨道数量和每条轨道的卫星数量，将地面依据经纬度均匀划分为不同的地面覆盖区域：r＝{r1,r2,...,r
n
}，r
i
表示卫星网络虚拟拓扑中第i个卫星节点对应的地面覆盖区域；根据卫星在各时间片内运动的经纬度，确定其在各个时间片映射的地面覆盖区域，得到各时间片卫星和地面覆盖区域的映射关系。6.根据权利要求1所述的基于时间片的星上标签转发方法，其特征在于，步骤(3)中每个卫星节点利用最短路径算法计算到卫星网络虚拟拓扑中其余卫星节点的默认路由表实现过程如下：步骤(3a-2)、每个卫星节点统计链路状态信息并进行交互，定义实时链路成本度量，计算公式如下：l
cost
(t)＝t
prop
+t
queue
(t)；其中，l
c
o
st
(t)为t时刻的实时链路成本度量，t
prop
为链路的传播时延，t
queue
(t)为t时刻链路的排队时延；
步骤(3b-2)、以实时链路成本度量作为路径权重；步骤(3c-2)、选取卫星网络虚拟拓扑中的某个卫星节点s，并为该卫星节点s设立两个集合：源节点集合a和目的节点集合b；步骤(3d-2)、初始时，源节点集合a只包含卫星节点s，目的节点集合b包含卫星网络虚拟拓扑中除卫星节点s外的其他卫星节点；步骤(3e-2)、从目的节点集合b中选出路径权重最小的卫星节点k，并将该卫星节点k加入到源节点集合a中，同时，从目的节点集合b中移除卫星节点k；步骤(3f-2)、更新目的节点集合b中各个卫星节点到卫星节点s的路径权重，即对于(s,v)>(s,k)+(k,v)的情况，将(s,v)更新为(s,k)+(k,v)，其中，(s,v)为卫星节点s到卫星节点v的路径权重，(s,k)为卫星节点s到卫星节点k的路径权重，(k,v)为卫星节点k到卫星节点v的路径权重；步骤(3g-2)、重复步骤(3e-2)～(3f-2)，直到遍历完卫星网络虚拟拓扑中所有卫星节点，得到卫星节点s到卫星网络虚拟拓扑中其他卫星节点的最短路径；步骤(3h-2)、将最短路径中的卫星节点从目的节点集合b中删除，重新执行步骤(3e-2)～(3g-2)，得到卫星网络虚拟拓扑中的备选路径；步骤(3i-2)、对卫星网络虚拟拓扑中所有卫星节点都执行步骤(3c-2)～步骤(3h-2)的过程，得到卫星网络虚拟拓扑中所有卫星节点到其他卫星节点的最短路径和备选路径，并根据最短路径和备选路径在对应卫星节点生成并存储默认路由表。7.根据权利要求1所述的基于时间片的星上标签转发方法，其特征在于，步骤(4)中计算lsp路径时，根据qos需求将业务划分为几类，每类业务采用bellman-ford或遗传算法计算出满足qos需求的lsp路径。8.根据权利要求1所述的基于时间片的星上标签转发方法，其特征在于，步骤(5)中地面控制中心根据计算出的lsp路径生成每个时间片对应的相关表项实现过程如下：步骤(5a)、地面控制中心为用户生成fec标签映射表；fec标签映射表为多元组和标签之间的映射关系；之后发送到每个覆盖域中的终端；其中，多元组包括源终端、目的终端、qos需求、协议类型；标签由地面控制中心全局统一分配且具有分配唯一性，标签的分配唯一性是指多个卫星节点中不应出现同一“输入端口+输入标签”；步骤(5b)、地面控制中心为leo卫星生成lsp标签转发表和覆盖域映射表；之后将各个时间片的lsp标签转发表，以及fec标签映射表与覆盖域映射表上注给卫星节点；其中，lsp标签转发表为“输入标签+输入端口”到“输出端口”的映射关系；覆盖域映射表为卫星节点和覆盖域之间的映射关系。9.根据权利要求1所述的基于时间片的星上标签转发方法，其特征在于，步骤(7)中构造的数据分组包括目的覆盖域、源覆盖域、目的终端标识和源终端标识；其中，目的覆盖域标识用于无连接转发时查询目的卫星的标识，目的终端标识用于到达目的卫星后发送给目的终端的标识。10.根据权利要求1所述的基于时间片的星上标签转发方法，其特征在于，步骤(8)中在每个时间片使用不同的lsp标签转发表查询标签转发字段，选择相应的转发机制进行分组转发实现过程如下：步骤(8a)、如果标签转发字段是采用标签转发方式，查询其lsp标签转发表，得到对应
输出端口，转发给下一跳卫星；步骤(8b)、如果标签转发字段是不采用标签转发方式，则查询默认路由表和覆盖域映射表，转发给下一跳卫星；步骤(8c)、如果当前卫星为目的卫星，则将业务转发给目的终端。

技术总结
本发明公开了一种基于时间片的星上标签转发方法，通过地面控制中心预先计算不同时间片的LSP标签转发路径并预留星上资源，在各卫星节点分别保存不同时间片的多个LSP标签转发表，在星上进行业务转发时，根据当前时间片数据分组的标签字段内容查询转发表中的相关表项，在提前建立好的LSP标签转发路径上转发数据分组。本发明方法能够为多类面向连接的业务提供QoS保障，降低了星上的计算复杂度，良好的适应星地网络拓扑的高度动态性，并减少路由信令开销。令开销。令开销。


技术研发人员：张冰 魏乐乐 齐晓鑫 张奭
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.03.03
技术公布日：2023/7/12