[发明专利]基于区域划分的卫星网络星间链路故障恢复方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低轨卫星之间链路故障恢复的方法，属于卫星通信网络领域。特别是涉及一种低轨道卫星在运行过程中的链路故障问题，通过引入链路代价计算公式，调控网络流量的选路，尽量避开故障率较高的链路；通过实施区域划分，在较小范围内为故障链路进行重路由以查找替代路径，降低对经过故障链路的业务的影响。

背景技术

卫星网络因其灵活的全球通信能力已经成为下一代网络和星际网络不可或缺的一部分。作为未来通信的关键，卫星网络无论是在通信研究、太空探索，还是军事应用上，都具有非常重要的地位。卫星网络具有高动态拓扑、处理设施有限、存储空间有限等特性，这些限制使得现有的地面网络的一些理论方法无法在卫星网络中得到应用，并使得设计高效的路由算法具有很大的困难。此外，在情况复杂的外太空，硬件损坏、电磁干扰、军事破坏、距离变化、能源携带有限等，都很有可能导致卫星的损坏或故障，这些都会对卫星网络的通信造成很大的影响。低轨卫星一般运行在500-2000千米高的轨道上，其修复的成本很高，且修复耗时较长。因此，为了能够降低卫星故障对于卫星通信的影响，快速恢复链路故障，对于卫星的星间链路的故障恢复工作的研究是非常重要的。

目前对于星间链路故障的恢复研究中，有研究提出用洪泛法解决问题，但是由于洪泛法发送的洪泛信息没有限制，其开销较大，会对网络资源造成浪费，且仅对于故障链路较少的情况比较适用。而且当故障链路附近没有能够到达目的节点的路径时，其所查找到的路径存在时延过大的现象。通过文献调研发现，星间链路故障与卫星节点的硬件性能以及所处外太空环境有关，因此链路发生故障是存在一定的概率的，目前还没有路由算法将链路故障的概率考虑进去。

因此，我们需要针对链路的故障，提出开销较小、适应多条链路故障的链路故障恢复策略。同时，提出一种链路故障的概率模型，针对此模型改进路由算法。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于区域划分的卫星网络星间链路故障恢复方法，用以解决卫星网络中的星间链路故障对通信带来的影响。并提出链路的故障率模型，针对该模型改进路由代价计算公式，以尽量避开故障率较高的链路。与其他星间链路故障解决方案相比，本方案注重在较小区域内完成对链路故障的恢复，信令开销小、适应性强，可有效降低丢包率，并解决链路故障所造成的时延问题。

技术方案：本发明的方法是通过提出故障率模型，将故障率添加到路由寻路的代价公式中，尽量避开为业务选择故障率较高的链路。并通过对卫星网络进行区域划分，从而在链路发生故障时，在区域内进行重路由，为故障链路查找可行的替代路径。当区域内重路由不可行时，启动带有限制条件的洪泛法，通过为洪泛信令添加跳数限制来减少资源开销、提高通信效率。

一、体系结构

本方法主要分为两个部分，一是故障链路避免：故障未发生时，按照故障概率，尽量选择故障率低的链路进行信息传输；二是故障链路恢复：链路发生故障后，在较小的区域内进行故障恢复。

故障链路避免：假设有n个卫星节点，为卫星网络中的卫星节点从1到n进行编号，用Link_i,j表示卫星i和卫星j之间的链路，该段链路的故障概率为P_i,j。为卫星网络进行路由计算时，普遍采用的是以时延为链路的权值，用Delay_i,j表示星间链路Link_i,j的时延，则路径代价公式为：

为了避免所计算出的路径上的链路经常发生故障，所以应当在路由计算时，尽量的避开故障链路。

设k为任意大于0的常数，在计算路由时，更改路径代价公式为：

根据公式(2)计算路由时，按照具体的需要，调整故障概率系数k的大小，以此增大故障率较高的链路的权值，从而避开故障率较高的链路。

链路故障恢复：本方法中的区域划分，是指以地球球心为原点，建立直角坐标系。由原点指向北极点的方向为Z轴方向，由原点指向纬度为0、经度为0的点的方向为Y轴方向，由原点指向纬度为0、经度为东经90度的点的方向为X轴。这样可以将整个卫星网络将分布在八个象限中，分别为区域编号为1到8。对于低轨卫星，将同一个象限内的卫星认为是在同一个区域中。同一个区域中的卫星节点中除了存储路由表之外，还存储本区域的卫星节点间的链路状态，以便于发生链路故障时，能够快速反应，本地重路由以恢复链路故障。其区域划分示意图如图1所示。本方法中，无链路故障时，卫星不启用链路故障修复策略，仅按照原有路由方案进行数据包发送，这样可以降低卫星网络的信令开销。