[发明专利]一种基于分簇的卫星网络故障诊断方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种卫星网络节点故障诊断的方法，属于卫星通信网络领域。特别是涉及一种基于分簇的低轨卫星网络故障诊断的问题。

背景技术

卫星网络是由高、中、低轨卫星所构成的，空间运行环境恶劣，对电子元器件有较大影响，卫星会因此出现故障。对于低轨卫星，轨道位置离地球很近，很容易被敌人窃听、干扰与注入假报文，甚至摧毁，再加上各种反卫星武器和空间对抗技术的发展，使得低轨卫星更容易遭受攻击。卫星网络中卫星节点的损坏将会导致网络性能的急剧下降。因此，卫星网络故障诊断技术有着十分重要的意义。

目前对于卫星网络故障诊断的研究中，主要是对卫星节点端口的软故障(其特征是端口通信正常，数据可能出现计算错误)和硬故障(其特征是端口无法与其它节点通信)的诊断。故障类型根据故障诊断过程是否集中进行分类，可将故障诊断方式分为集中式和分布式两种，集中式故障诊断策略首先假设一个正常的诊断中心，通过掌握整个网络的全局信息，实现对网络的实时检测。集中式故障诊断要求诊断中心的计算处理能力非常强，另外，每个节点的测试结果都需要汇集到一个统一的诊断中心，测试结果的路由转发会造成诊断时延过长。分布式故障诊断的原理是节点与相邻节点多次通信，根据相邻节点的信息决定自身状态，再根据自身状态对相邻节点进行诊断，这样会对同一节点多次诊断，会产生较高的通信负载。因此，本文提出基于分簇的卫星网络故障诊断方法，对卫星网络进行分簇，选择合理的簇首，通过簇首对簇内节点进行故障检测和诊断，可以减少故障信息在网络中的传递次数和诊断时延，无故障的簇首可以提高簇内成员的故障诊断率。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于分簇的卫星网络故障诊断方法，用来诊断和发现卫星网络中节点的软、硬故障，以便降低卫星网络故障所带来的损失，可以提高卫星网络的稳定性和容错性。低轨卫星的移动会造成网络拓扑的变化，但是在一个时间片内，卫星网络的拓扑结构会保持不变。如何在拓扑结构稳定的时间片内，用较少的通信时延和较短的诊断时延诊断出卫星网络的故障是个关键问题。因此，有必要引入分簇的技术到卫星网络节点的软、硬故障诊断中，可以有效的降低故障检测和诊断过程中的通信负载、计算负载和诊断时延。

技术方案：本发明的方法是对于卫星网络进行分簇，每个簇内通过系统级故障诊断技术进行故障诊断。首先对卫星网络进行分簇，根据综合通信负载、通信时延和节点度等信息的加权公式求得每个簇内节点的权值，再根据权值的大小选择簇首和备份簇首，使簇有较高的传输效率和稳定性；然后，通过髙轨卫星(GEO)用系统级故障诊断算法对每个簇首和备份簇首进行故障诊断，当簇首出现故障时，启用备份簇首或使簇内成员加入其它簇；对于簇内诊断，簇内每个成员向相邻卫星节点发送测试信息，接收返回信息后，根据系统级故障诊断的测试模型得到测试结果，并把测试结果发送给簇首进行故障诊断，对于簇首无法诊断的卫星节点，簇首通过髙轨卫星和其它簇首基于信息交换的结果进行诊断，可以提供较高的故障诊断率。

一、体系结构

基于分簇的卫星网络故障诊断方法是由高轨卫星(GEO)和低轨卫星(LEO)双层卫星星座结构组成的，如图1所示。高轨卫星层由3个同步的高轨卫星构成，可为多颗低轨卫星提供近连续覆盖。低轨卫星层以单个卫星星座构成，星座采用极轨道星座。在具有星间链路的低轨卫星网络中，卫星节点一般只与邻居节点直接建立星间链路，卫星采用星际链路(ISL)或轨间链路(IOL)直接连接。

本方法主要分为两个部分，一是卫星网络的分簇：在某个低轨卫星网络拓扑稳定的时间片内，对卫星网络进行分簇和簇首选择；二是卫星网络的故障诊断：分簇结束后开始对整个卫星网络进行故障的检测和诊断。

本方法假设卫星网络具有以下特征：

(1)卫星节点的端口都有接收和发送的功能，卫星节点有计算和处理测试结果的功能。

(2)不考虑链路故障，链路故障表现的症状可以由节点故障表示出来。

(3)故障检测和诊断阶段，网络拓扑不变。卫星网络的拓扑并非时刻都在变化，而是在一个时间间隔内可以保持稳定，因此故障检测可在此拓扑稳定期间进行。

(4)在每次检测和诊断期间，端口的故障状态不发生变化。

(5)端口的通信状态分为三种：正常、软故障或硬故障。

(6)高轨卫星的状态是正常的。

(7)在某拓扑稳定的时间内，每个卫星节点已知到其它卫星的最短路径。