一种基于IBN的物联网卫星系统及其路由方法

摘要

本发明公开了一种基于IBN的物联网卫星系统及其路由方法，系统包括应用层，用于把用户请求的意图提交给控制层；控制层，用于接收并将应用层的业务意图转译为可实施的方案下发至数据层；数据层，用于进行数据转发；维护层，包括感知模块和自愈模块，其中感知模块用于根据数据层和其他各个网元上的状态信息与流量信息对网络状态进行感知，根据链路负载和流量大小维护网络的畅通；自愈模块用于检测网络异常状况、建立防火墙，以及预测安全问题。本发明既保证了物联网卫星中的安全自动化维护，也解决了物联网设备的异构性问题，有效降低了网络配置引起网络不通畅的概率。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，具体涉及一种基于IBN的物联网卫星系统及其路由方法。

背景技术

卫星通信系统已经发展成整个通信系统重要的组成部分，同时也是人们生活中不可或缺的一部分。传统的地面网络对于山区、海面以及地面基站难以建到的地方进行覆盖，卫星通信可以随时随地解决这些问题。未来的网络，人们期望不论他们的位置如何，不论是在市中心还是在偏远农村，都可以任意得到他们所期望的服务，因此卫星网络必将是5G网络中极为重要的部分。但是，随着卫星接入的服务越来越复杂，需要更高效、更安全、更友好地处理这些业务。在传统的卫星网络中，卫星仅在飞过站点时由地面配置，如果需要变更或者取消要手动操作，并且这些命令必须精细和规范，任何差错会导致网络无法运行，这些低效的手动方式使网络增加了成本和安全风险。地面网络中配置错误也是非常容易出现的。例如，在BGP路由器中观察到超过1000个配置错误。从配置错误的一个设备，可能导致整个网络的不通畅，损害整个网络的运行。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于IBN的物联网卫星系统及其路由方法解决了现有卫星通信系统容易被网络配置引起网络不通畅的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于IBN的物联网卫星系统，其特征在于，包括

应用层，用于把用户请求的意图提交给控制层；

控制层，包括意图控制器，用于接收并将应用层的业务意图转译为可实施的方案下发至数据层；

数据层，用于进行数据转发；

维护层，包括感知模块和自愈模块，其中感知模块用于根据数据层和其他各个网元上的状态信息与流量信息对网络状态进行感知，根据链路负载和流量大小维护网络的畅通；自愈模块用于检测网络异常状况、建立防火墙，以及预测安全问题。

进一步地，意图控制器设置于地球同步轨道卫星上。

进一步地，数据层包括接入网和核心网，其中接入网包括由中低轨道卫星组成的卫星网络，用于收集流量数据；核心网包括交换机，用于进行数据汇聚与路由。

进一步地，卫星网络包括N个轨道平面，每个轨道平面包括K颗卫星，第i个轨道平面上的第j颗卫星的逻辑地址为S_i，j；其中i∈(1，2，…，N)，j∈(1，2，…，K)，2≤N，3≤K。

提供一种基于IBN的物联网卫星的路由方法，其包括以下步骤：

S1、通过应用层获取用户请求的意图，并将该意图发送至控制层；

S2、通过控制层将获取的意图转译为可实施的方案下发至数据层；

S3、通过数据层的接入网和核心网进行数据转发，实现物联网。

进一步地，步骤S2的具体方法包括以下步骤：

S2-1、通过控制层获取意图携带的用户ID，并根据用户ID将该意图进行转发优先级划分；

S2-2、采用感知模块根据公式

获取卫星链路的平均负载L_avg，其中C_k为第k条卫星链路的容量，n为卫星链路的总数；

S2-3、采用感知模块根据公式

T_h＝min{C_k}，k∈[1，n]

获取卫星链路的负载阈值T_h；

S2-4、采用感知模块判断卫星链路的平均负载是否小于等于负载阈值，若是则将所有意图所对应的可实施方案发送至数据层并进入步骤S3，否则进入步骤S2-5；

S2-5、采用感知模块按照转发优先级从高到低的顺序依次将意图对应的可实施方案发送至数据层，直至卫星链路的平均负载小于等于负载阈值，并将剩下的意图对应的可实施方案一起发送至数据层并进入步骤S3。

进一步地，步骤S3的具体方法包括以下步骤：

S3-1、通过控制层从意图中获取源卫星的逻辑地划和纬度L_s、目的卫星的逻辑地址和纬度L_d；

S3-2、若L_S和L_d均大于70°，则进入步骤S3-3；若L_S和L_d均小于等于70°，则进入步骤S3-5；若L_S和L_d有且仅有一个大于70°，则进入步骤S3-7；

S3-3、判断源卫星和目的卫星是否处于相同的轨道平面，若是则朝着目的卫星垂直转发可实施方案，并通过目的卫星向目的核心网进行转发，完成物联网数据转发，否则进入步骤S3-4；

S3-4、先沿着垂直方向转发可实施方案到达近极地平面卫星，然后水平转发到与目的卫星同一平面的卫星，在垂直转发至目的卫星，并通过目的卫星向目的核心网进行转发，完成物联网数据转发；

S3-5、判断源卫星和目的卫星是否处于相同轨道平面，若是则朝着目的卫星垂直转发可实施方案，并通过目的卫星向目的核心网进行转发，完成物联网数据转发，否则进入步骤S3-6；

S3-6、判断源卫星的纬度是否大于目的卫星的纬度，若是则先水平转发可实施方案至目的卫星所在轨道平面，再垂直转发至目的卫星，完成物联网数据转发；否则先垂直转发至与目的卫星同纬度的近极地平面卫星，再水平转发至目的卫星，并通过目的卫星向目的核心网进行转发，完成物联网数据转发；

S3-7、判断源卫星和目的卫星是否处于相同轨道平面，若是则朝着目的卫星垂直转发可实施方案，并通过目的卫星向目的核心网进行转发，完成物联网数据转发，否则进入步骤S3-8；

S3-8、先垂直转发可实施方案至近极地平面卫星，然后水平转发至目的卫星所在轨道平面，再垂直转发至目的卫星，并通过目的卫星向目的核心网进行转发，完成物联网数据转发。

进一步地，还包括步骤

S4、采用自愈模块检测网络异常状况、建立防火墙，并预测安全问题。

本发明的有益效果为：

1、通过意图(IBN)的引入，解决了传统物联网卫星架构复杂性的问题。同时由于IBN中的意图转译和全局状态感知的特点，这样既保证了物联网卫星中的安全自动化维护，也解决了物联网设备的异构性问题，有效降低了网络配置引起网络不通畅的概率。

2、本发明根据用户ID将流量类型分类进行处理，引入了退避的方法，有效保证了各类优先级数据包的传递以及显著减少丢包率。

3、通过最短路由转发方法，将数据包通过卫星逻辑地址表示，并对逻辑地址进行区域划分，以及卫星网络拓扑的特点，有效地降低了时延，增加了吞吐量，确定了最短路由。

附图说明

图1为本发明的系统构架示意图；

图2为本发明的使用流程示意图；

图3为本发明数据层的卫星模拟示意图；

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该基于IBN的物联网卫星系统包括

应用层，用于把用户请求的意图提交给控制层；

控制层，包括意图控制器，用于接收并将应用层的业务意图转译为可实施的方案下发至数据层；

数据层，用于进行数据转发；

维护层，包括感知模块和自愈模块，其中感知模块用于根据数据层和其他各个网元上的状态信息与流量信息对网络状态进行感知，根据链路负载和流量大小维护网络的畅通；自愈模块用于检测网络异常状况、建立防火墙，以及预测安全问题。

其中意图控制器设置于地球同步轨道卫星上。数据层包括接入网和核心网，其中接入网包括由中低轨道卫星组成的卫星网络，用于收集流量数据；核心网包括交换机，用于进行数据汇聚与路由。卫星网络包括N个轨道平面，每个轨道平面包括K颗卫星，第i个轨道平面上的第j颗卫星的逻辑地址为S_i，_i；其中i∈(1，2，…，N)，j∈(1，2，3，…，K)；N不小于2，K不小于3，N优先取值为6，K优先取值为11。

如图2所示，该基于IBN的物联网卫星的路由方法包括以下步骤：

S1、通过应用层获取用户请求的意图，并将该意图发送至控制层；

S2、通过控制层将获取的意图转译为可实施的方案下发至数据层；

S3、通过数据层的接入网和核心网进行数据转发，实现物联网。

步骤S2的具体方法包括以下步骤：

S2-1、通过控制层获取意图携带的用户ID，并根据用户ID将该意图进行转发优先级划分；

S2-2、采用感知模块根据公式

获取卫星链路的平均负载L_avg，其中C_k为第k条卫星链路的容量，n为卫星链路的总数；

S2-3、采用感知模块根据公式

T_h＝min{C_k}，k∈[1，n]

获取卫星链路的负载阈值T_h；

S2-4、采用感知模块判断卫星链路的平均负载是否小于等于负载阈值，若是则将所有意图所对应的可实施方案发送至数据层并进入步骤S3，否则进入步骤S2-5；

S2-5、采用感知模块按照转发优先级从高到低的顺序依次将意图对应的可实施方案发送至数据层，直至卫星链路的平均负载小于等于负载阈值，并将剩下的意图对应的可实施方案一起发送至数据层并进入步骤S3。

步骤S3的具体方法包括以下步骤：

S3-1、通过控制层从意图中获取源卫星的逻辑地址和纬度L_s、目的卫星的逻辑地址和纬度L_d；

S3-2、若L_S和L_d均大于70°，则进入步骤S3-3；若L_S和L_d均小于等于70°，则进入步骤S3-5；若L_S和L_d有且仅有一个大于70°，则进入步骤S3-7；

S3-3、判断源卫星和目的卫星是否处于相同的轨道平面，若是则朝着目的卫星垂直转发可实施方案，并通过目的卫星向目的核心网进行转发，完成物联网数据转发，否则进入步骤S3-4；

S3-4、先沿着垂直方向转发可实施方案到达近极地平面卫星，然后水平转发到与目的卫星同一平面的卫星，在垂直转发至目的卫星，并通过目的卫星向目的核心网进行转发，完成物联网数据转发；

S3-5、判断源卫星和目的卫星是否处于相同轨道平面，若是则朝着目的卫星垂直转发可实施方案，并通过目的卫星向目的核心网进行转发，完成物联网数据转发，否则进入步骤S3-6；

S3-6、判断源卫星的纬度是否大于目的卫星的纬度，若是则先水平转发可实施方案至目的卫星所在轨道平面，再垂直转发至目的卫星，完成物联网数据转发；否则先垂直转发至与目的卫星同纬度的近极地平面卫星，再水平转发至目的卫星，并通过目的卫星向目的核心网进行转发，完成物联网数据转发；

S3-7、判断源卫星和目的卫星是否处于相同轨道平面，若是则朝着目的卫星垂直转发可实施方案，并通过目的卫星向目的核心网进行转发，完成物联网数据转发，否则进入步骤S3-8；

S3-8、先垂直转发可实施方案至近极地平面卫星，然后水平转发至目的卫星所在轨道平面，再垂直转发至目的卫星，并通过目的卫星向目的核心网进行转发，完成物联网数据转发。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，将纬度超过70°的地区作为极地地区，将每个轨道平面中最接近极地地区的卫星作为近极地平面卫星。卫星间链路包括轨道平面间星际链路和轨道平面内星际链路，每颗卫星都有四条卫星间链路，分别为两条轨道平面间星际链路和两条轨道平面内星际链路。由于在极地地区内，卫星高速运行，天线系统不能实时跟踪卫星的位置，则轨道间链路需要断开再连接，因而在极地地区内的卫星只有两条轨道平面内星际链路。卫星网络还存在一条反向旋转缝，反向旋转缝存在于两个反向运行的轨道平面之间。在紧邻反向旋转缝的两个轨道平面间星际链路是不能用于链路采集的，所以这两个轨道平面只有三条星际链路。轨道平面内星际链路的长度是一定的，而轨道平面间星际链路的长度是不一样的，纬度越高的轨道平面间链路越短。

综上所述，本发明通过意图(IBN)的引入，解决了传统物联网卫星架构复杂性的问题。同时由于IBN中的意图转译和全局状态感知的特点，这样既保证了物联网卫星中的安全自动化维护，也解决了物联网设备的异构性问题，有效降低了网络配置引起网络不通畅的概率。