基于分层自治域的空间信息网络异构动态组网方法

摘要

本发明公开一种基于分层自治域的空间信息网络异构动态组网方法，包括：根据整个空间信息网络中各部分的组成及功能，建立空间信息网体系架构的步骤；根据属性、功能、区域位置及需求将网络中所有节点划分为采用独立组网路由策略的不同的分层自治域的步骤；选取边界节点，将控制链路与业务链路相分离，将域间与域内控制信息传输相分离的步骤；建立与国际标准接轨的域内子层及在所有节点上具有相同协议和功能的域间子层，形成分层自治域模型网络协议栈架构的步骤。本发明的空间信息网络异构动态组网方法，耦合化小、网络节点“即插即用”、网络管理控制效率高。

说明书

技术领域

本发明属于空间信息网络的组网技术领域，特别是一种基于分层自治域的空间信息 网络异构动态组网方法。

背景技术

随着航天技术的发展，越来越多的卫星被布置到太空，使得通信范围得到了极大拓 展。然而，传统的以单个卫星作为中继采用星地链路的通信方式已经难以满足实际应用， 而涵盖卫星、升空平台及地面网络的空天地一体的空间信息网络成为空间通信网络的发 展趋势。

空间信息网络是以空间平台（如同步卫星或中、低轨道卫星、平流层气球和有人或 无人驾驶飞机等）为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。空间信息网络 建立在天基、空基和地基三层网络的基础上，将空天地网络进行有效的结合，发挥各层 网络的优势，拓展网络的覆盖范围，简化信息交换的手段，具有信息容量大、覆盖范围 广等优点；同时各层网络协同工作，优势互补，能够很好地实现空天地网络资源的合理 配置，达到最大的网络资源利用率。

作为国家重要基础设施，空间信息网络在服务远洋航行、应急救援、导航定位、航 空运输、航天测控等重大应用的同时，向下可支持对地观测的高动态、宽带实时传输， 向上可支持深空探测的超远程、大时延可靠传输，从而将人类科学、文化、生产活动拓 展至空间、远洋、乃至深空，是全球范围的研究热点。

虽然具有以上很多优点，但空间信息网络与其他通信系统相比，需要面对以下挑战：

●节点种类多，属性、能力不同，网络具有异构性；

●节点属性随时空变化，网络行为复杂；

●链路动态变化，连接具有间断性；

●空间节点动态运动，网络拓扑动态变化；

●业务种类多，需求差异性大；

●频谱、轨道、功率、存储空间、处理能力等资源受限。

由于其组网方式复杂、通信平台种类繁多、任务需求多样化等特点，空间信息网具 有较高的研究价值与较大的研发难度，是当前空间通信网络的研究热点。目前对空间信 息网络的研究主要包括：体系结构、网络协议、网络拓扑、路由算法、仿真与评估等方 面。

空间信息系统节点属性差异较大，涉及通信平台繁多，因此其体系结构设计一直是 一个难题。葛晓虎等人提出了一种基于三维MESH网络的体系结构（葛晓虎,刘应状,董 燕,等.一种基于MESH结构的空天信息网络模型[J].微电子学与计算机,2008,25(5): 39-42.；张登银,刘升升.基于Mesh的空间信息网体系结构研究[J].计算机技术与发展, 2009,19(8):69-73.）。MESH结构网络是一种“多跳（multi-hop）”网络，该网络中任何 节点都可以同时作为接入点(Access Point，AP)和路由器，每个节点都可以发送和接收信 号，这种设计保证了网络的鲁棒性。其中，GEO(Geostationary Earth Orbit)卫星、高空气 球和地面通信平台由于相对运行稳定，可以认为处于对地静止，以这些平台为骨干节点 构成空天信息网络中的骨干网；LEO(Low Earth Orbit)卫星、高空飞机和其他航天器处于 对地高速运动中，则以这些平台为非骨干节点构成空天信息网络中的非骨干网，非骨干 网中的通信平台通过接入骨干网形成与其它通信平台的互连。三维MESH空天信息网络 的核心思想是将通信平台按行为模式和功能特点组成骨干网和非骨干网，对于骨干节点 以数据转发、路由和高速通信为主要功能(包括高速数据转发、高速网络路由和传输保 障、异构通信终端的兼容、终端节点的快速接入、授权、认证和加密等功能)，对于非 骨干节点以信息采集和网络接入为主要功能。吕本伟等人在将网络构架分为骨干网及非 骨干网的基础上，提出主服务小区（Primary Service Area,PSA）的概念（吕本伟,刘元 安,胡鹤飞,等.AIR:基于QoS保障的空天信息网络路由算法[J].2010.

），作为面向用户接入的基本单位，对用户进行接入控制与数据转发等。同时，每 个PSA通过其边界节点接入到骨干网中，从而实现接入到不同PSA中的用户之间的远 距离相互通信。

关于空间信息网络的网络拓扑方面，学者们在构建天基信息系统网络要素节点与链 接模型的基础上，通过静态建模与动态建模两种方式来描述天基信息系统网络拓扑结构 的运行规律。提出了星形、环形、网状等拓扑结构模型（王振永.多层卫星网络结构设 计与分析[D].哈尔滨工业大学,2007.），并分析了各种模型的优缺点及应用场合。

根据网络体系结构设计合理的网络协议构架是保证空天信息网高效运行的基础。葛 晓虎等人基于三维MESH网络的体系结构设计了一种和TCP／IP协议模式以及 CCSDS(Consultative Committee for Space Data System)标准兼容的网络协议（葛晓虎,刘 应状,董燕,等.一种基于MESH结构的空天信息网络模型[J].微电子学与计算机, 2008,25(5):39-42.）。在上述协议栈中高空飞机作为非骨干节点支持的协议层最少可 以仅仅包括业务链路层和物理层，从而减轻非骨干节点的通信负载；高空气球和GEO 卫星作为骨干节点可以同时支持两种不同的通信系统之间的互连，并通过采用不同的业 务链路层和物理层兼容这种异构性。

由上可见，目前对空间信息网络体系结构方面的研究已经取得了初步成果。然而， 在空间信息网络中，各种卫星、升空平台以及各类地面终端等网络节点被赋予不同的功 能和属性，处于不同的高度，工作在不同的环境中，具有不同的通信、计算、存储能力 以及复杂的时空行为，异构特性明显，如果将所有节点集合到一个单一系统中考虑，将 使网络管理和路由计算等变得异常复杂。

总之，现有技术存在的问题是：网络各平台之间的相对运动引起的拓扑结构动态变 化产生耦合，单个自治域内拓扑的动态变化会对全网构造成影响，网络节点无法“即插 即用”，网络管理控制效率低下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于分层自治域模型的空间信息网络异构动态组网方 法，耦合化小、网络节点“即插即用”、网络管理控制效率高。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于分层自治域的空间信息网络异构动态 组网方法，包括如下步骤：

10）建立体系架构：根据整个空间信息网络中各部分的组成及功能，建立空间信息 网体系架构；

20）建立分层自治域模型：根据属性、功能、区域位置及需求将网络中所有节点划 分为采用独立组网路由策略的不同的分层自治域；

30）分离控制链路与业务链路：选取边界节点，将控制链路与业务链路相分离，将 域间与域内控制信息传输相分离；

40）建立网络协议栈架构：建立与国际标准接轨的域内子层和在所有节点上具有相 同协议和功能的域间子层，形成分层自治域模型网络协议栈架构。

与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

1、去耦合化：通过将整个空间信息网进行分层处理，使网络各平台之间的相对运 动引起的拓扑结构动态变化去耦合化为各域内部平台之间的弱动态拓扑变化，使耦合度 变小；

2、便于“即插即用”：把每个自治域(Autonomous System,AS)内部的拓扑变化相互 屏蔽，一个AS域内的节点增减不影响全网拓扑，从而实现了网络节点的“即插即用”；

3、网络管理和控制效率高：通过控制链路和业务链路的分离，降低控制链路的信 息传输负荷和网络拥塞的概率，并通过在各节点设置相同的域间子层，屏蔽控制和路由 信息在不同平台、不同域之间的传输时的协议转换，从而提高控制和路由信息发布的效 率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是本发明基于分层自治域模型的空间信息网络异构动态组网方法流程图。

图2是图1中建立体系架构步骤流程图。

图3是本发明所建立的空间信息网体系架构示意图。

图4是运控段的组成结构示意图。

图5是运控段各部分业务关系连接示意图。

图6是用户典型应用场景示意图。

图7是图1中建立分层自治域模型步骤流程图。

图8是空间信息网络拓扑结构示意图。

图9是图1中分离控制链路与业务链路步骤流程图。

图10空间信息网络集中路由生成和分发示意图。

图11是图1中建立网络协议栈架构步骤流程图。

图12空间信息网络典型协议栈架构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于分层自治域的空间信息网络异构动态组网方法，包括如下 步骤：

10）建立体系架构：根据整个空间信息网络中各部分的组成及功能，建立空间信息 网体系架构；

如图2所示，所述建立体系架构（10）步骤包括：

11）建立空间段：建立由卫星和升空平台组成的空间段，作为整个天基信息系统传 输与交换的核心；

本发明所建立的空间信息网络体系架构如图3所示。

空间段是整个空间信息网络系统的传输和交换的核心，空间段的建立不仅决定了整 个系统的复杂度，而且对系统的整体造价和运行管理费用有极大的影响。根据本发明设 计构想，系统的空间段由卫星（包含3～5颗GEO卫星以及根据任务、覆盖需求增发的 其它类型卫星）和升空平台（包含临近空间平台、飞艇和系留艇等）组成，所完成的主 要功能如下：

1）GEO卫星相对地面静止，覆盖范围大，GEO卫星间通过星间链路组成环路，构 成一个常态化空间通信网络，保障地面终端、低轨航天器和深空探测器的通信服务需求。

2）根据任务需要，可视情况增加发射其它类型卫星（如IGSO(Inclined  Geosynchronous Satellite Orbit)卫星、LEO卫星等），改善高纬度地区和极区时空覆盖， 也可作为快速响应通信节点应用。

3）升空平台布设在应急救援或热点区域，不同的升空平台间可通过平台间链路连 接组网，解决应急通信和大容量通信服务需求。

12）建立运控段：建立由网络控制分系统、应用管理分系统、遥测遥控站和信关站 等组成的运控段，用于维持各类空间平台的正常可靠运行，为用户提供业务支持，满足 各类用户的使用需求；

运控段的主要任务是维持各类空间平台的正常可靠运行，为用户提供业务支持，满 足各类用户的使用需求。本发明所涉及的空间信息网络中，运控段主要由网络控制分系 统、应用管理分系统、遥测遥控站和信关站等组成，图4给出了运控段的组成示意图。

其中，网络控制分系统负责系统的工程测控、业务测控、平台位置预报、网络拓扑 控制、路由生成、信关站资源分配及动态调度等；应用管理分系统负责通信组织和控制、 资源调整、网络管理（包括配置、故障、性能、安全等功能）、信息检索、统计分析、 业务受理、用户管理等功能；遥测遥控站(TT&C,Tracking Telemetry and Command)主要 用于平台位置保持、空间平台设备状态监视，接收来自空间平台的遥测信息、发送遥控 指令给空间平台等；信关站完成的功能为馈电链路通信（多平台跟踪、信息收发处理）、 呼叫处理、移动性管理、用户通信控制和管理、信息交换、与地面网接口等功能；运行 支持网络是连接运控系统各组成单元的一个专用通信网，具备资源分配、性能监测、故 障处理、安全管理等功能；配置有网络控制分系统和应用管理分系统的信关站就是一个 运控中心站。

如图5所示为运控段各组成部分之间的业务连接关系。当空间平台经过测控站覆盖 区域时，遥测遥控站在平台操作控制子系统的控制下，对空间平台进行测控，并获得测 控数据，从而由平台操作控制子系统产生平台位置预报和网络拓扑结构，并通过网络操 作控制子系统分发到各信关站。同时，网络操作控制子系统负责给各空间平台和信关站 分配和调度资源，并把资源分配情况分发到各空间平台和信关站。当空间平台在信关站 的覆盖区域时，信关站在网络操作控制子系统的控制下，对空间平台进行业务接入，对 地面网络进行连接。各用户管理子系统主要负责各自管辖范围内各类用户终端的管理， 包括入网注册、功能设置、状态控制等。组织应用子系统主要完成通信网络的组织应用， 对用户管理子系统进行应用支持。

13）建立用户段：建立由满足各类用户使用需求的所有类型用户终端组成的用户段。

系统的用户段的建立包含满足各类用户使用需求的所有类型用户终端：

1）地面及低空用户终端。包含各类手持终端、便携站、固定站、车载站、舰载站、 潜艇站、无人或有人飞机等。

2）中低轨航天器。包括各类对地观测卫星、导航卫星、导弹、火箭等。中低轨航 天器覆盖范围较小，对地移动速度快，难以直接与地面信关站建立稳定的通信链路。而 空间信息网络中的GEO卫星平台与各类航天器可见关系良好，中低轨航天器能以GEO 卫星平台为中继，实现宽带实时的数据传输。

3）深空探测器。由于地球的自转，深空探测器每天到一座地面测控通信站的观测 时间只有平均约8小时，而空间信息网络系统中的GEO卫星间地心夹角足够大，可获 取深空探测的全天候、全方位观测。利用空间信息网络系统作为深空探测器与地面测控 通信站之间的中继点，深空探测通信中可以采用2跳的通信模式进行——第一跳是从深 空探测器到GEO卫星平台，可以不受大气传播效应的影响，能采用较高的频段，从而 降低对GEO卫星和深空探测器通信天线口径的要求；第二跳是从GEO卫星平台到地面 通信站，可利用现有成熟的通信技术。同时，也可利用GEO卫星平台作为深空探测器 导航定位测量站，由于GEO卫星到地面测控站的距离、时延和多普勒可以严格测定， 利用GEO卫星平台实现对深空探测器的伪码测距、多普勒测速和超长基线的测角都是 可行的。

图6所示为系统的一种典型应用场景示意图，热点地区或GEO覆盖缝隙的空间网 用户通过升空平台或其它种类卫星接入空间信息网，而信关站无法覆盖该升空平台或卫 星，业务信息通过GEO卫星转发到目标信关站，并通过地面网络将业务信息送达地面 网络用户。

20）建立分层自治域模型：根据属性、功能、区域位置及需求将网络中所有节点划 分为采用独立组网路由策略的不同的分层自治域；

在空间信息网络中，GEO卫星和地面节点的拓扑较稳定；其它类型卫星（如IGSO、 LEO卫星）的拓扑具有动态性和可预测性；升空平台的滞空时间较短，其拓扑具有较强 的随机性和动态性。如果把这三类通信平台作为一个整体看，其拓扑的动态性非常大， 给路由选择带来极大的困难。

本发明的分层自治域的网络模型，将所有节点根据平台属性划分为不同的自治域 （AS），每个AS内采用独立的组网路由策略；不同AS之间通过边界节点实现路由控 制信息的交换；各AS可根据需要再进行下一级自治域的划分，从而建立分层的自治域 结构。

如图7所示，所述建立分层自治域模型（20）步骤包括：

21）建立骨干网自治域：将大容量、高传输速率、动态性小的空间节点和地面运控 段节点划分为一个自治域，作为骨干网自治域；

22）建立其它卫星星座自治域：将运动具有规律性，轨道、拓扑可以预测，节点间 相对位置关系固定或周期性变化的非同步卫星轨道卫星星座划分为一个自治域，作为其 它卫星星座自治域；

23）建立升空平台自治域：将动态性、随机性较大、滞空时间较短的升空平台划分 为一个自治域，作为升空平台自治域；

24）建立地面网自治域：将非运控段的地面网节点划分为一个自治域，作为地面网 自治域；

25）建立子自治域：根据节点属性、位置和连接关系，将各域中的节点进一步划分 为不同的子自治域。

这种分层自治域结构能够隔离单个AS内拓扑动态变化对全网的影响，将给网络的 管理、维护、重构和扩展带来极大的方便。

图8是空间信息网络建立分层自治域拓扑结构举例，将空间信息网分为4种不同的 自治域：

1、GEO卫星星座和地面运控站所组成骨干网连接起来建立自治域AS1；

2、IGSO卫星星座和LEO卫星星座设置为自治域AS2；

3、临近空间平台和系留艇/飞艇等组成的升空平台所有节点组成的自治域AS3；

4、地面网自治域AS4。

还可将AS1、AS2和AS3中的节点根据节点属性、位置、距离和连接关系划分为 更多的子自治域，例如：

1、将AS1划分为GEO卫星星座子自治域和运控段子自治域；

2、将AS2划分为IGSO卫星星座子自治域和LEO卫星星座子自治域；

3、将AS3划分为临近空间平台子自治域和系留艇/飞艇子自治域等。

在该网络拓扑中，GEO卫星和地面运控段构成一个常态化保障网络，拓扑比较稳 定；IGSO和LEO卫星可根据需要应急发射，其拓扑是动态的，但运动具有规律性，轨 道可以预测，且同层卫星之间的相对位置关系是固定或周期性变化的；而升空平台没有 轨道，可以根据需要在热点和应急区域临时布设，具有很大的灵活性，但由于滞空时间 有限，其拓扑的随机性和动态性较大。如果把这三层通信平台放在一起，作为一个整体 看，其拓扑的动态性非常大。

本发明通过将整个空间信息网络进行分层处理，使网络各平台之间的相对运动引起 的拓扑结构动态变化去耦合化为各域平台内部的弱动态拓扑，其拓扑变化相对较慢，且 有规律性、可预测性。各域之间的拓扑结构、路由关系和控制信息通过边界节点进行交 换，并最终发送到地面运控中心站，地面运控中心站根据整个网络的拓扑结构和网络状 态进行全网最优路由计算和选择，从而实现更加有效的网络管理和控制。

30）分离控制链路与业务链路：选取边界节点，将控制链路与业务链路相分离，将 域间与域内控制信息传输相分离；

空间信息网络业务和节点类型多样，构成复杂，动态性强。因此，如何进行有效的 网络管理是一个重大挑战。本发明拟通过将控制链路和业务链路分离，集中生成骨干网 路由的方式进行网络的管理和路由的分发，以提高网络信息和路由信息分发的可靠性。

如图9所示，所述分离控制链路与业务链路（30）步骤包括：

31）边界节点选取：选取自治域中传输和计算能力较强、工作环境较好、与其它自 治域连接方便的节点作为边界节点；

32）控制链路与业务链路分离：在骨干网和各域的边界节点之间选取高效可靠信道， 建立专门的控制信息传输链路，用于传输网络管理和路由交换信息，将控制链路与业务 链路分离；

在骨干网和各域的边界节点之间选取高效可靠信道建立专门的控制信息传输链路， 用于传输网络管理和路由交换信息，从而实现控制信息和数据信息传输的分离，隔离海 量数据信息传输对控制信息传输的影响，减小网络拥塞概率，提高控制信息传输可靠性 和效率。

33）域间与域内控制信息传输分离：控制信息通过骨干网传输到各域的边界节点， 然后各域的边界节点根据域内路由分发给域内其它节点，将域间与域内控制信息传输分 离。

运控段发出的控制信息通过骨干网传输到各域的边界节点，然后各域的边界节点根 据域内路由分发给域内其它节点，从而实现各自治域内部结构和全网路由的分离。

通过控制业务链路和域内域间路由的分离，降低控制链路的信息传输负荷和网络拥 塞的概率，隔离了域内网络结构和路由对整个网络路由的影响，确保有效的网络管理和 路由信息的分发，从而提高全网运行效率和可靠性。

图10是将控制链路和业务链路分离后空间信息网络集中路由生成和分发示例图。 在该示例中：

1、地面运控中心站所发出的控制和路由信息通过控制链路发送到边界节点；

2、边界节点再根据各自治域内部路由分发给域内其它节点，根据节点间连接关系建 立业务链路。

40）建立网络协议栈架构：建立与国际标准接轨的域内子层和在所有节点上具有相 同协议和功能的域间子层，形成分层自治域模型网络协议栈架构。

所设计的空间信息网络系统中，边界节点负责全网控制管理信息的分发及业务信息 的交换，从而实现了控制信息和数据信息传输的分离，因此边界节点之间在协议栈上需 要相互兼容，同时又要和本身所承担的功能相匹配。考虑到未来的空间信息网络需要和 国际标准接轨，同时会成为陆地信息网络的一部分，因此，建立基于分层自治域的空间 信息网络系统协议架构需要参考陆地信息网络协议模式以及CCSDS标准。

如图11所示，所述建立网络协议栈架构（40）步骤包括：

41）建立域内子层：将网络层进行分离，建立协议标准和功能都与Internet五层协 议标准中的网络层相似的域内子层，用于实现业务信息的传输；

为了与国际标准接轨，所建立的空间信息网络协议栈架构是在现有Internet网络协 议栈架构的基础上，将网络层进行了分离，建立域内子层，该子层的协议标准和功能都 与Internet五层协议标准中的网络层相似，域内子层根据各域节点的属性和功能，在每 一个节点中设置都有所不同，该层在本发明中主要用于实现业务信息的传输。

42）建立域间子层：在所有的节点上具有相同的协议和功能的域间子层，用于传输 网络管理和路由等控制信息。

为了体现和适应分层自治域网络模型，在空间信息网络协议栈架构中加上一个统一 的域间子层来传输网络管理和路由等控制信息，该层在所有的节点上具有相同的协议和 功能。

图12根据空间信息网络体系架构和网络模型，给出了一个完整的网络协议架构图。 在该架构图中，网络层被分离为并行的域间子层和域内子层，通过在各节点设置相同的 域间子层，屏蔽控制和路由信息在不同平台、不同域之间的传输时的协议转换，从而提 高控制和路由信息发布的效率。