一种基于卫星通信网络设计的双层拓扑路由方法技术领域
本发明涉及卫星网络通信领域，尤其涉及一种基于卫星通信网络设计的双层拓扑
路由方法。
背景技术
卫星网络以其全球覆盖性及数据传输高效性，在军事、商业及个人通信领域得到
广泛应用。利用卫星网络进行数据传输能够减轻地面节点的通信负担，卫星具有良好的星
上数据处理及转发能力，利用星间链路可以完成数据业务快速、准确的传送。卫星通信网络
面临的一个最大挑战便是由卫星自身轨道运行形成的时变网络拓扑，卫星网络拓扑结构的
时变性直接导致了星间链路的不稳定性以及网络通信时延的增加，同时也增大了时延抖
动。
卫星的运行轨道纷繁复杂，地球同步卫星轨道与低地球轨道、中地球轨道的融合
在增加了卫星网络拓扑结构复杂程度的同时，因其能够结合不同轨道卫星的独特优势，可
以构建出多层卫星网络以提高卫星通信网络的多方面性能。由于卫星网络中转节点的距离
远，且低轨道卫星运行至极区上空时星间链路存在断续的变化，因此卫星网络的路由算法
需要综合考虑卫星本身的轨迹运动、数据流量自身特征以及网络当前拥塞情况等关键因
素。通过对源端与目的端节点的地理位置考察、对网络当前排队时延的捕捉分析以及对于
路径复杂程度的综合考量，需要在数据流量与传播时延两者之间达到平衡，从而得到满足
业务需求的路由路径，对卫星网络的通信性能进行优化。
发明内容
本发明提出了一种基于卫星通信网络设计的双层拓扑路由方法，包括如下步骤：
步骤一：构建双层卫星网络结构，所述双层卫星网络结构包括低地球轨道和地球
同步轨道，根据不同卫星轨道对LEO卫星节点和GEO卫星节点进行分组，在地球同步轨道与
低地球轨道中计算路由路径，通过对经由所述路由路径发送数据的端到端时延、丢包率评
估星间链路路由的性能；
步骤二：根据卫星节点所处的地理位置、源端节点到目的端节点路径所需经历的
跳数、星间链路的拥塞情况来计算卫星网络的有效链接及可用度权值；
步骤三：结合低轨道卫星初始计算链路的可用度权值以及源端节点和目的端节点
的可用度权值，计算星间链路数据传送的总代价，以总代价最小、可用度最高的路径建立数
据传送；
步骤四：根据低地球轨道卫星的忙碌度、路由路径的复杂度，筛选满足业务需求的
地球同步轨道卫星参与数据传送，得到双层卫星网络的拓扑路由。
本发明提出的所述基于卫星通信网络设计的双层拓扑路由方法中，步骤一中对卫
星节点分组包括如下步骤：
步骤1a：GEO卫星建立一个分组，位于同一平面内的LEO卫星以地球自转轴为界限
分为两组；
步骤1b：当一颗LEO卫星仅与一枚GEO卫星通信时，则所述LEO卫星与所述GEO卫星
建立通信，并传送路由表信息；
步骤1c：当一颗LEO卫星与两枚GEO卫星彼此可见时，选择经度差较小的GEO卫星建
立通信，并传送路由表信息；
步骤1d：GEO卫星统一维护双层卫星网络的路由表信息。
本发明提出的所述基于卫星通信网络设计的双层拓扑路由方法中，筛选满足业务
需求的地球同步轨道卫星参与数据传送包括如下筛选步骤：
步骤4a：源端节点与目的端节点是否均不位于极区内，若否则仅LEO卫星参与路
由；
步骤4b：计算路径中参与路由的单层低轨道卫星数目是否超过阈值；若否则仅LEO
卫星参与路由；
步骤4c：计算低轨道卫星网络当前排队时延；若时延高于时间阈值则仅LEO卫星参
与路由；
步骤4d：GEO卫星与LEO卫星公共参与路由，得到双层卫星网络的拓扑路由。
本发明提出的所述基于卫星通信网络设计的双层拓扑路由方法中，步骤4b中阈值
是根据对单层低轨道卫星网络和双层卫星网络中的端到端时延的对比计算得到，两种卫星
轨道中各卫星节点的端到端时延，以如下公式表示：
TGEO＝DUDL+D′ISL+DP
上式中，TTotal和TGEO分别表示低轨道卫星网络与双层卫星网络的端到端路由时延，
DUDL表示从地面节点到卫星节点的往返时延，DISL表示低轨道卫星之间的传播时延，DP表示
星上处理数据所需时间，D′ISL表示低轨道卫星与地球同步轨道卫星之间的数据传播时延。
本发明提出的所述基于卫星通信网络设计的双层拓扑路由方法中，仅LEO卫星参
与的单层低轨道卫星路由方式遵从临时按序路由，包括如下步骤：
步骤a：初始化目的节点的路由高度始终为Hdid＝(0,0,0,0,did)，其他节点的路由
高度值被初始化为Hi＝(-,-,-,-,i)；
步骤b：当源端发起一个向目的端节点的路由请求时，其广播一个QRY传送请求包，
收到QRY传送请求包的节点i向其下游节点继续广播这个QRY传送请求包，如此往复，直到目
的端节点接收到当前数据流的QRY传送请求包；
步骤c：当目的端节点接收到QRY传送请求包，目的端节点的邻居将其路由高度置
为Hi＝(τi,oidi,ri,1,i)，并向其上游节点广播UPD状态更新包；
步骤d：当中继节点j收到UPD状态更新包，则将其自身路由高度置为Hi＝(τi,oidi,
ri,δi+1,j)，其中Hi＝(τi,oidi,ri,δi,i)表示向其发送UPD状态更新包的当前下游节点的路
由高度；
步骤e：中继节点j设定自身路由高度后，继续向其邻居节点广播当前数据流的UPD
状态更新包，重复这个步骤直到源端节点收到其所有邻居节点的UPD状态更新包；
步骤f：源端节点根据所接收到的UPD状态更新包，对其自身路由高度进行更新，并
且得到一个最终确定的路由高度值，单层卫星网络根据路由高度值排序，确定传输路径，开
始业务传输；
步骤g：结束当前数据流的传送后，更新网络状态，等待下一次业务请求。
本发明提出的所述基于卫星通信网络设计的双层拓扑路由方法中，路由路径代价
的计算以当前路径的传播时延权值为度量，星间链路的传播时延权值即数据在相邻两个卫
星节点之间传播所需时间，由卫星节点的空间距离确定，在计算星间链路传播时延权值时，
星间链路的空间距离以如下公式表示：
Lh＝α×cos(lat)
上式中，Lv表示处在同一轨道平面内的低轨道卫星星间链路的距离，R表示地球半
径，Lh表示处在不同低轨道平面内的卫星节点所建立的星间链路的空间距离，lat表示两个
相邻卫星节点的纬度差，α表示相邻低轨道平面中处于同一纬度上的卫星节点之间的距离，
R表示地球半径。
本发明通过对卫星网络构架的分析，结合对于当前网络拥塞的排队时延计算，针
对由低轨道卫星及地球同步轨道卫星组成的双层卫星网络进行路由性能的优化，本算法以
星间链路的端到端传输时延和丢包率作为网络性能的评价指标。在本算法中，按照低轨道
卫星的运行轨迹对其进行分组划分，而后结合网络的排队时延、初始路径的复杂程度，同时
考虑极区与缝隙区卫星的运行情况，对不同的数据应用不同的卫星网络体系进行传送，从
而提高卫星网络的吞吐量及传送效率。
附图说明：
图1表示GEO/LEO双层卫星网络拓扑结构图。
图2表示卫星网络分组管理方法。
图3表示卫星网络路由算法。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、
条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发
明没有特别限制内容。
本发明的核心内容是根据GEO/LEO双层卫星网络的特性，结合地球同步轨道的地
理覆盖性及低轨道的传播时延低等特性，在时变的卫星网络拓扑中对数据业务进行传送，
综合考虑地域、网络性能及卫星属性，从而得到满足业务需求的路由路径，对卫星通信网络
的性能进行优化。
本算法应用的双层卫星网络设计模型如图1所示，其中内层为LEO低轨道卫星，外
层为3颗GEO地球同步轨道卫星，轨道平面具体参数详见以下表1：
表1双层卫星网络的参数配置
卫星轨道
GEO
LEO
轨道高度(km)
35800
780
卫星数目
3
66
轨道数目
1
6
轨道倾角
0°
86.4°
据此设计的双层卫星网络将产生两种星间链路，即层内星间链路及层间星间链
路，其中层内星间链路又细分为轨道内星间链路及轨道间星间链路。对于LEO层内星间链
路，由于评价网络性能需要对其传输延迟进行计算，因此涉及到LEO层内星间链路距离的计
算，详见公式如下：
Lh＝α×cos(lat)；
上式中，Lv表示处在同一轨道平面内的低轨道卫星，其星间链路的距离，R表示地
球半径，Lh表示处在不同低轨道平面内的卫星节点所建立的星间链路的空间距离，lat表示
两个相邻卫星节点的纬度差，α表示相邻低轨道平面中处于同一纬度上的卫星节点之间的
距离。
在路由计算之前，需对双层卫星网络进行分组管理，管理方法如图2所示。每个GEO
卫星建立一个分组，位于同一平面内的LEO卫星以地球自转轴为界限分为两队，每队中纬度
最低的卫星节点负责与上层GEO卫星进行通信。当LEO卫星与两枚GEO卫星彼此可见时，选择
经度差较小的一颗GEO卫星建立通信。当通信链路建立之后，LEO卫星向GEO传送其所在分队
的路由信息，双层卫星网络的路由表信息由上层GEO卫星进行统一维护。
按照如上分组，针对网络和通信节点的不同情况，本算法的路由路径计算方法如
图3所示。数据默认经由低轨道卫星网络进行通信，当且仅当以下3个条件被同时满足时，地
球同步轨道卫星将参与到数据转发的队列之中：
条件1：源节点和目的节点都不在极区之中。受到地球同步轨道卫星在极区的覆盖
性能限制，其不适于参与极区附近的数据传输。
条件2：初始计算路径中参与路由的单层低轨道卫星数目超过阈值。其中该阈值是
根据对单层低轨道卫星网络和双层卫星网络中的端到端时延的对比计算而得，其计算公式
如下：
TGEO＝DUDL+D′ISL+DP
上式中，TTotal和TGEO分别表示低轨道卫星网络与双层卫星网络的端到端路由时延，
DUDL＝51ms，DUDL表示从地面节点到卫星节点的往返时延，DISL＝30ms，DISL表示低轨道卫星之
间的传播时延，DP＝5ms，DP表示星上处理数据所需时间，D′ISL＝235ms，D′ISL表示低轨道卫星
与地球同步轨道卫星之间的数据传播时延。将数据代入以上公式进行计算，可得路由路径
中包含一颗地球同步轨道卫星时所需的传输时延为TGEO＝291ms，该值恰好处于单层低轨道
卫星7-8跳路径的传输时延区间内。因此，本算法选定此单层低轨道卫星数目阈值为7。
条件3：低轨道卫星网络当前存在拥塞，即排队时延大于100ms。
据此，本算法所述的路由路径计算分为两种情况，即经由单层低轨道卫星网络的
路由与经由双层卫星网络的路由方法。
1)经由双层卫星网络路由的方法主要遵从单源最短路径算法。
算法主要是通过在节点中保留目前所得从源端到目的端的最短路径得以实现。初
始时，源端节点的路径长度值被置为0，同时网络中其他节点的路径长度值均被置为无穷
大，该算法维护两个顶点集合S与Q，顶点集合S中存储着所有已知路径长度值在最短路径上
的顶点，而顶点集合Q中则保留网络上其他任一顶点，路由计算每进行一步都将有一个节点
从集合Q中移动至集合S中，其中集合S初始化为空。路由计算的过程就是将当前节点的路由
长度值与当前链路的可用度权值相加比较的过程，路由计算的目的是计算得到从源端节点
到目的端节点路由长度最短的一条路径。双层拓扑路由路径的选择过程亦即各路由路径总
代价的计算过程，各LEO卫星分组中纬度最小的卫星节点通过收集各路由路径的可用度权
值并对其排序，进而选择总代价最小、可用度最高的路径完成数据传送。
由于地球同步轨道卫星覆盖范围广，因此通常在双层卫星网络的路由中，仅需要
一颗地球同步轨道卫星参与路由队列，而且在网络初始化时，地球同步轨道卫星掌握着整
个网络构架的路由表信息，则此时利用单源最短路径算法可以快速准确地找到从源端到目
的端的最短路径，提高网络传输数据的性能。
2)经由单层低轨道卫星路由的方法主要遵从临时按序路由算法。
每个卫星节点被赋予一个路由高度值Hi＝(τi,oidi,ri,δi,i)，它代表其距离目标
节点的跳数值。其中τi表示创建参考等级的逻辑时间，oidi表示创建参考等级的节点的ID，
ri用于标识参考等级划分为两个子等级，δi为传播计数参数，而i则表示当前节点的唯一ID。
步骤a：本算法的初始化过程中，目的节点的路由高度始终为0，即Hdid＝(0,0,0,0,
did)，其他节点的路由高度值被初始化为空，即Hi＝(-,-,-,-,i)。
步骤b：当源端发起一个向目的端节点的路由请求时，其广播一个QRY传送请求包，
收到QRY传送请求包的节点i向其下游节点继续广播这个QRY传送请求包，如此往复，直到目
的端节点接收到当前数据流的QRY传送请求包。
步骤c：当目的端节点接收到QRY传送请求包，目的端节点的邻居将其路由高度置
为Hi＝(τi,oidi,ri,1,i)，并向其上游节点广播UPD状态更新包。
步骤d：当中继节点j收到UPD状态更新包，则将其自身路由高度置为Hi＝(τi,oidi,
ri,δi+1,j)，其中Hi＝(τi,oidi,ri,δi,i)表示向其发送UPD状态更新包的当前下游节点的路
由高度。
步骤e：中继节点j设定自身路由高度后，继续向其邻居节点广播当前数据流的UPD
状态更新包，重复这个步骤直到源端节点收到其所有邻居节点的UPD状态更新包。
步骤f：源端节点根据所接收到的UPD状态更新包，对其自身路由高度进行更新，并
且得到一个最终确定的路由高度值，单层卫星网络根据路由高度值排序，确定传输路径，开
始业务传输。
步骤g：结束当前数据流的传送后，更新网络状态，等待下一次业务请求。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本
领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保
护范围。