CN113179213A - 一种卫星通信延时优化方法和智能网关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星通信领域，公开了一种卫星通信延时优化方法和智能网关，其技术方案要点是包括如下步骤：获取本地IP业务数据报文，得到对应的IP地址；根据IP地址，确定对应的报文转发目标区域；根据报文发出起始区域和报文转发目标区域，通过选取最短时延路径，在卫星路由每一次跳转时，都确定优先路由路径和备选路由路径；在跳转时查询优先路由路径的转发节点缓冲区排队情况，若存在排队则对比优先路由路径和备选路由路径的排队个数，选取排队个数少的作为实际路由路径并切换。

Description

一种卫星通信延时优化方法和智能网关

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，更具体地说，它涉及一种卫星通信延时优化方法和智能网关。

背景技术

由于卫星通信网络的复杂性，动态性，常规路由算法不能适应卫星通信网络，分配和建立链路资源时效性不强，造成在卫星网络通信环境下，网络质量差。所以，使用卫星通信时，路由转发次数过多，通信效率低等问题一直困扰着卫星通信的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种卫星通信延时优化方法和智能网关，能够选择最优报文转发路径，提高宽带业务信道的数据的传输效率。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种卫星通信延时优化方法，包括如下步骤：

获取本地IP业务数据报文，得到对应的IP地址；

根据IP地址，确定对应的报文转发目标区域；

根据报文发出起始区域和报文转发目标区域，通过选取最短时延路径，在卫星路由每一次跳转时，都确定优先路由路径和备选路由路径；

在跳转时查询优先路由路径的转发节点缓冲区排队情况，若存在排队则对比优先路由路径和备选路由路径的排队个数，选取排队个数少的作为实际路由路径并切换。

作为本发明的一种优选技术方案，获取本地IP业务数据报文，得到对应的IP地址的具体步骤如下：通过终端智能网关实时获取本地IP业务数据报文，读取IP业务数据报文对应的IP地址。

作为本发明的一种优选技术方案，根据IP地址，确定报文转发目标区域的具体步骤如下：根据IP地址子网段和卫星所在逻辑区域的对应关系，找出IP地址对应的卫星所在逻辑区域，即为报文转发目标区域。

作为本发明的一种优选技术方案，IP地址子网段和卫星所在逻辑区域的对应关系，包括：卫星所在逻辑区域根据经纬度将地球表面等份划分为

，其中i，j为整数计数值，则所有的卫星所在逻辑区域可以表示为：

；

并且每一个卫星所在逻辑区域分配有且只有一个IP地址子网段。

作为本发明的一种优选技术方案，确定优先路由路径和备选路由路径的过程包括：根据卫星所在逻辑区域的划分，从报文发出起始区域出发，在卫星路由每一次跳转时，都向着报文转发目标区域的方向，选择相邻的卫星所在逻辑区域作为优先路由路径和备选路由路径的集合；在优先路由路径和备选路由路径的集合中，选择与报文转发目标区域距离最近的卫星所在逻辑区域作为优先路由路径，其余为备选路由路径。

作为本发明的一种优选技术方案，查询优先路由路径的转发节点缓冲区排队情况，若存在排队则对比优先路由路径和备选路由路径的排队个数，选取排队个数少的作为实际路由路径的步骤，包括：

通过终端智能网关与卫星所在逻辑区域的转发节点之间的窄带控制链路长连接进行查询缓冲区排队个数信令的传输，查询优先路由路径的转发节点缓冲区排队个数；

若优先路由路径不存在排队，则将优先路由路径作为实际路由路径；

若优先路由路径存在排队，则查询备选路由路径的转发节点缓冲区排队个数，同优先路由路径的转发节点缓冲区排队个数进行对比，选择排队个数少的作为实际路由路径并切换。

作为本发明的一种优选技术方案，卫星所在区域的转发节点缓冲区排队个数的计算方法为：

设卫星所在区域的转发节点缓冲区排队个数为m，卫星通信链路速率为v，数据报文长度为s，排队时延t，则m=t*v/s。

一种卫星通信智能网关，包括：处理器；

IP报文截获复制处理单元；用于获取本地IP业务数据报文，得到对应的IP地址；

卫星逻辑区域识别判断单元：用于提供IP地址子网段和卫星所在逻辑区域的对应关系，还用于根据报文发出起始区域和报文转发目标区域，通过选取最短时延路径，在卫星路由每一次跳转时，都确定优先路由路径和备选路由路径；

窄带控制链路通信单元：用于向优先路由路径和备选路由路径的转发节点查询和接收缓冲区排队个数；

排队避免处理单元：用于将优先路由路径和备选路由路径的转发节点缓冲区排队个数对比，选取排队个数少的作为实际路由路径。

作为本发明的一种优选技术方案，窄带控制链路通信单元，还包括业务数据接口，用于连接IP报文截获复制处理单元，并用于接收和转发用户的业务信息。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

能够通过终端智能网关得到本地IP业务数据报文对应的IP地址，并根据IP地址子网段和卫星所在逻辑区域的对应关系得到报文转发目标区域，确定报文发出起始区域和报文转发目标区域，从而能够方便的在路由每一次跳转时，对于最短时延路径的规划，都有明确的前进方向，并得出最短路程的优先路由路径和备选路由路径；

在实际跳转时，在优先路由路径不排队的情况下，直接选取；在优先路由路径存在排队的情况下，再对比优先路由路径和备选路由路径的排队个数，选择排队个数少的；从而在每一次路由跳转时都能够选取到最快的路由路径，在整体的路由转发路径上进行了对于路程和时间的综合考量，实现了最优报文转发路径的选取，能够适应卫星通信的高动态特性，提高宽带业务信道的数据的传输效率。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明的卫星所在逻辑区域示意图；

图3是本发明的智能网关结构框图；

图4是本发明的卫星通信系统示意图；

图5是本发明的卫星通信延时优化仿真图。

具体实施方式

下面将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

本发明提供一种卫星通信延时优化方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1、获取本地IP业务数据报文，得到对应的IP地址；具体包括：通过终端智能网关实时获取本地IP业务数据报文，读取IP业务数据报文对应的IP地址，一般的IP地址可以通过IP业务数据报文的协议头来确定。

S2、根据IP地址，确定对应的报文转发目标区域；具体包括：根据IP地址子网段和卫星所在逻辑区域的对应关系，找出IP地址对应的卫星所在逻辑区域，即为报文转发目标区域。

如图2所示，IP地址子网段和卫星所在逻辑区域的对应关系为：卫星所在逻辑区域根据经纬度将地球表面等份划分为

，其中i，j为整数计数值，则所有的卫星所在逻辑区域可以表示为：

；

并且每一个卫星所在逻辑区域分配有且只有一个IP地址子网段，即每个卫星所在逻辑区域都对应了唯一的IP地址子网段。

通过上述的对应关系，就能够在知道IP地址的情况下，对应找出对应的卫星所在逻辑区域，即报文转发目标区域。

S3、根据报文发出起始区域和报文转发目标区域，通过选取最短时延路径，在卫星路由每一次跳转时，都确定优先路由路径和备选路由路径；具体包括如下步骤：

S31、根据卫星所在逻辑区域的划分，从报文发出起始区域出发，在卫星路由每一次跳转时，都向着报文转发目标区域的方向，选择相邻的卫星所在逻辑区域作为优先路由路径和备选路由路径的集合；即在每一次的跳转时，都会再次综合当前的卫星所在逻辑区域与报文转发目标区域的距离，从而在最短距离的基础上，选择出相邻的卫星所在逻辑区域作为优先路由路径和备选路由路径的集合。

S32、在优先路由路径和备选路由路径的集合中，选择与报文转发目标区域距离最近的卫星所在逻辑区域作为优先路由路径，其余为备选路由路径。

S4、在跳转时查询优先路由路径的转发节点缓冲区排队情况，若存在排队则对比优先路由路径和备选路由路径的排队个数，选取排队个数少的作为实际路由路径。

具体包括：通过终端智能网关与卫星所在逻辑区域的转发节点之间的窄带控制链路长连接进行查询缓冲区排队个数信令的传输，查询优先路由路径的转发节点缓冲区排队个数；转发节点缓冲区排队情况就是卫星所在逻辑区域的转发节点应答当前缓冲区排队的数据报文的个数。

若优先路由路径不存在排队，则将优先路由路径作为实际路由路径；

若优先路由路径存在排队，则查询备选路由路径的转发节点缓冲区排队个数，同优先路由路径的转发节点缓冲区排队个数进行对比，选择排队个数少的作为实际路由路径。

具体的，卫星所在区域的转发节点缓冲区排队个数的计算方法为：

设卫星所在区域的转发节点缓冲区排队个数为m，卫星通信链路速率为v，数据报文长度为s，排队时延t，则m=t*v/s，其中卫星通信链路速率为v、数据报文长度为s，排队时延t都可以通过简单得到，就能够通过已知数据得到卫星所在区域的转发节点缓冲区排队个数为m。

下面给出一个实例，对所提出的方法进行进一步分析：

采用仿真模拟方法对本发明的一种卫星通信延时优化方法进行仿真验证，假设星座构型采用低地球轨道星座，轨道高度1200km，卫星数为64，信关站数目设为64，仿真时间为110分钟。随机划分64个逻辑区域，则所有卫星的逻辑区域可表示为：

并且每一个卫星所在逻辑区域分配有且只有一个IP地址子网段:

本发明的一种卫星通信延时优化方法和智能网关与现有技术提供的卫星通信路由方法的仿真结果如附图5所示，最下面一条曲线表示一种卫星通信延时优化方法和智能网关的卫星通信延时仿真数据，可以看出，延时时间最短且整个延时周期保持延时稳定；从下往上数第二条曲线为无排队查询的优先路由路径和备选路由路径选择算法，可以看出，虽然，仿真开始通信延时较短，但随着仿真时间增加，信关节点排队增加，卫星通信延时逐步增加；从下往上第三条曲线为现有卫星通信路由技术，一般采用最小传输时延路由算法，该算法进行数据传输时首先选择特定的信关站作为数据转发的目的节点，确定目的节点后，通过分析星间链路距离特性，寻找最短时延路径作为从源节点到目的节点的最优路径，该方法虽然仿真周期内延时相对稳定，但由于没采用优先路由路径和备选路由路径选择和排队查询，所以整体延时水平较高。从下往上第四条曲线为无优先路由路径和备选路由路径选择排队查询算法，虽然整个仿真周期，延时保持稳定，但是通信延时时间过高；最上面的曲线表示无任何优化算法的卫星通信延时，可以看出，随着仿真时间的增加，卫星通信的整体延时不可控。通过上述的仿真结果对比，能够明显看出本发明的一种卫星通信延时优化方法和智能网关，平均传播时延差异较小，而网络整体负载均衡性与丢包率性能有较大提升，在卫星通信延时方面得到了明显的优化。

本发明对应于上述的一种卫星通信延时优化方法，还提供了一种卫星通信智能网关，如图3所示，包括：处理器，其主频为3.0GHz及以上，可运行Linux操作系统；

IP报文截获复制处理单元；用于获取本地IP业务数据报文，得到对应的IP地址；IP报文截获复制处理单元开始工作后，捕获IP业务数据报文，经判断后将IP协议包放至发送队列，抓包线程就是满足这一功能需要。

发送线程中的抓包线程抓取网络中的数据包，进行协议分析，然后将需要传送的IP协议包中的tcp协议包和udp协议包放入发送队列txfifo。启动线程后，为了抓取所有经过网卡的数据包，首先将网卡设置为混杂模式，然后读取抓获的网络数据包并进行判断，如果抓获到的数据为有效数据，进而识别数据传输协议；如果网络数据为无效数据，程序将输出一个错误指示（error）。识别数据传输协议，如果传输协议为arp协议，将数据包丢弃，继续读取抓获的数据包；如果传输协议不是arp协议，继续判断是否为IP传输协议。如果传输协议不是IP传输协议，将数据包丢弃，继续读取抓获的数据包；如果传输是IP协议，继续判断传输的源、目的端口是否正确。如果端口错误，将数据包丢弃，继续读取抓获的数据包；如果端口正确，继续判断传输协议是否为tcp协议和udp协议。如果不是tcp协议或udp协议，丢弃数据包，继续读取抓获的网络数据；如果是tcp协议或udp协议，将数据放入发送队列txfifo等待发送，然后调用leave程序判断是否结束线程。

卫星逻辑区域识别判断单元：用于提供IP地址子网段和卫星所在逻辑区域的对应关系，还用于根据报文发出起始区域和报文转发目标区域，通过选取最短时延路径，在卫星路由每一次跳转时，都确定优先路由路径和备选路由路径；

窄带控制链路通信单元：用于向优先路由路径和备选路由路径的转发节点查询和接收缓冲区排队个数；

排队避免处理单元：用于将优先路由路径和备选路由路径的转发节点缓冲区排队个数对比，选取排队个数少的作为实际路由路径。

具体的，窄带控制链路通信单元，还包括业务数据接口，用于连接IP报文截获复制处理单元，并用于接收和转发用户的业务信息。

如图4所示，卫星通信系统包含1个卫星中央站，n个卫星和n个卫星终端站。卫星中央站包含一个中心网管，n个卫星终端站包含n台调制解调器和智能网关。进一步， n个终端站的智能网关与1个中央站的中心网管以及所有的转发节点通过窄带共用控制信道长连接，确保控制信令随时发送。

本发明采用的一种卫星通信延时优化方法和智能网关，通过基于卫星通信智能网关业务感知的排队查询，能够适应卫星通信的高动态特性，选择最优报文转发路径，提高宽带业务信道的数据的传输效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种卫星通信延时优化方法，其特征是：包括如下步骤：

获取本地IP业务数据报文，得到对应的IP地址；

根据IP地址，确定对应的报文转发目标区域；

根据报文发出起始区域和报文转发目标区域，通过选取最短时延路径，在卫星路由每一次跳转时，都确定优先路由路径和备选路由路径；

在跳转时查询优先路由路径的转发节点缓冲区排队情况，若存在排队则对比优先路由路径和备选路由路径的排队个数，选取排队个数少的作为实际路由路径并切换。

2.根据权利要求1所述的一种卫星通信延时优化方法，其特征是：获取本地IP业务数据报文，得到对应的IP地址的具体步骤如下：通过终端智能网关实时获取本地IP业务数据报文，读取IP业务数据报文对应的IP地址。

3.根据权利要求2所述的一种卫星通信延时优化方法，其特征是：根据IP地址，确定报文转发目标区域的具体步骤如下：根据IP地址子网段和卫星所在逻辑区域的对应关系，找出IP地址对应的卫星所在逻辑区域，即为报文转发目标区域。

4.根据权利要求3所述的一种卫星通信延时优化方法，其特征是：IP地址子网段和卫星所在逻辑区域的对应关系，包括：卫星所在逻辑区域根据经纬度将地球表面等份划分为

，其中i，j为整数计数值，则所有的卫星所在逻辑区域可以表示为：

；

并且每一个卫星所在逻辑区域分配有且只有一个IP地址子网段。

5.根据权利要求4所述的一种卫星通信延时优化方法，其特征是：确定优先路由路径和备选路由路径的过程包括：根据卫星所在逻辑区域的划分，从报文发出起始区域出发，在卫星路由每一次跳转时，都向着报文转发目标区域的方向，选择相邻的卫星所在逻辑区域作为优先路由路径和备选路由路径的集合；在优先路由路径和备选路由路径的集合中，选择与报文转发目标区域距离最近的卫星所在逻辑区域作为优先路由路径，其余为备选路由路径。

6.根据权利要求5所述的一种卫星通信延时优化方法，其特征是：查询优先路由路径的转发节点缓冲区排队情况，若存在排队则对比优先路由路径和备选路由路径的排队个数，选取排队个数少的作为实际路由路径的步骤，包括：

通过终端智能网关与卫星所在逻辑区域的转发节点之间的窄带控制链路长连接进行查询缓冲区排队个数信令的传输，查询优先路由路径的转发节点缓冲区排队个数；

若优先路由路径不存在排队，则将优先路由路径作为实际路由路径；

若优先路由路径存在排队，则查询备选路由路径的转发节点缓冲区排队个数，同优先路由路径的转发节点缓冲区排队个数进行对比，选择排队个数少的作为实际路由路径并切换。

7.根据权利要求1所述的一种卫星通信延时优化方法，其特征是：卫星所在区域的转发节点缓冲区排队个数的计算方法为：

设卫星所在区域的转发节点缓冲区排队个数为m，卫星通信链路速率为v，数据报文长度为s，排队时延t，则m=t*v/s。

8.一种卫星通信智能网关，其特征是：包括：处理器；

IP报文截获复制处理单元；用于获取本地IP业务数据报文，得到对应的IP地址；

卫星逻辑区域识别判断单元：用于提供IP地址子网段和卫星所在逻辑区域的对应关系，还用于根据报文发出起始区域和报文转发目标区域，通过选取最短时延路径，在卫星路由每一次跳转时，都确定优先路由路径和备选路由路径；

窄带控制链路通信单元：用于向优先路由路径和备选路由路径的转发节点查询和接收缓冲区排队个数；

排队避免处理单元：用于将优先路由路径和备选路由路径的转发节点缓冲区排队个数对比，选取排队个数少的作为实际路由路径。

9.根据权利要求8所述的一种卫星通信智能网关，其特征是：窄带控制链路通信单元，还包括业务数据接口，用于连接IP报文截获复制处理器，并用于接收和转发用户的业务信息。

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