CN105743717B - 基于sdn技术的天地一体化空间信息网络***及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SDN技术的天地一体化空间信息网络***及通信方法，主要用于提高卫星通信网络资源的利用率和网络服务质量。包括卫星地面站（STA），地面数据中心（DC），地球同步轨道卫星（GEO），低轨道卫星（LEO）以及彼此之间的无线通信链路。通过在地面站和GEO上部署的低层SDN控制器（D‑controller），在LEO上部署SDN交换机来组成一种基于SDN的分布式空间信息网络，利用多轨道的多颗LEO对整个地球表面进行全覆盖，在GEO的覆盖范围内，通过GEO上的控制器进行全局控制，形成一张覆盖全球的空间信息网络，同时GEO通过地面卫星地面站STA接入地面网络，利用地面数据中心中部署的SDN超级控制器（S‑controller）进行对D‑controller的集中管控，从而实现卫星网络与地面固定网络的融合。

Description

基于SDN技术的天地一体化空间信息网络***及通信方法

技术领域

本发明属于卫星网络技术领域，特别涉及一种多层次卫星组网技术以及卫星网络资源的管理与调度方法。

背景技术

空间信息网对于国防，遥感探测，航海等领域具有重要意义，可以跨地域，跨运营商实现全球范围内不间断通信。天地一体化是指将天基信息***融入地面应用为地面用户提供服务，包括以卫星为中心和融合了卫星通信的各类应用服务。从最初的卫星实现跨洋通信，到卫星数字多媒体广播，或是各类对地观测卫星***，天地一体化已经成为与卫星相关的各类应用***的基本要求。

天地一体化信息网络不仅能保证人烟稀少、地理偏远等地面基础设施较薄弱地区用于接入互联网，而且能支持深空探测、对地观测、航天测控、卫星导航、航空运输、远洋航行、应急救援、维稳处突、智慧城市等多种特殊应用。

SDN具有控制和转发分离、设备资源虚拟化、通用硬件及软件可编程三大特性，不仅将整个网络在水平方向更加统一化、标准化，而且在垂直方向上让网络开放化、标准化、可编程，让网络资源更容易、更有效的被使用。

将多层次的SDN网络技术运用于天地一体化空间信息网络中，采用新的网络架构来改善天地一体化信息网络性能，降低建设成本和维护难度，达到显著改善网络资源利用率的目的。

发明内容

为了解决空间信息网的全局网络拓扑管理，星间链路资源的灵活调度和分配，本发明提出了一种基于SDN技术的天地一体化空间信息网络***及通信方法。

本发明的***所采用的技术方案是：一种基于SDN技术的天地一体化空间信息网络***，其特征在于：包括数据层，控制层和应用层；

所述数据层由多个轨道面上的多颗低轨道卫星LEO上部署SDN交换机组成，利用LEO之间的无线通信链路进行组网；

所述控制层由地球同步轨道卫星GEO和地面数据中心上的超级控制器构成；

所述应用层由地球同步轨道卫星GEO和地面数据中心中的超级控制器上运行的应用程序构成，对整个基于SDN的卫星通信网络进行灵活地管理和控制。

作为优选，所述数据层中的多颗低轨道卫星LEO按照一定倾角分布在多个轨道面上，其飞行轨迹对整个地球实现包括两极在内的完全覆盖。

作为优选，所述控制层中设置有三颗赤道上空的地球同步轨道卫星GEO，三颗地球同步轨道卫星GEO上均部署有垂直型控制架构中的低层SDN控制器(D-Controller)，每颗地球同步轨道卫星GEO与某时刻自己覆盖范围内且可以建立通信连接的低轨道卫星LEO组成SDN网络；三颗地球同步轨道卫星GEO与各自覆盖范围内的地球地面站STA进行无线连接，通过地球地面站STA接入网关接入地面网络，利用地面有线网络接入数据中心；数据中心上部署有顶层的超级SDN控制器(S-Controller)，利用超级控制器来管理地球同步轨道卫星GEO中的低层控制器，实时获取全局网络拓扑和网络状态信息，进行高效的管理和调度。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种基于SDN技术的天地一体化空间信息网络***的通信方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：信源A发出数据包，接入通信质量最优的低轨道卫星LEO；

步骤2：低轨道卫星LEO根据SDN交换机内所存储的转发表与此数据包的目的地址是否匹配来判断能否由低轨道卫星LEO直接转发；

若是，则信宿B接收目的信号，本流程结束；

若否，则执行下述步骤3；

步骤3：移交给此低轨道卫星LEO所属的低层SDN控制器(D-Controller)；

步骤4：低层SDN控制器根据其掌握的网络状态信息，根据其存储的转发表判断此数据包的目的地址能否转发给其控制范围内的另一颗低轨道卫星LEO；

若是，则低层SDN控制器转发给目标低轨道卫星LEO，信宿B接收目的信号，本流程结束；

若否，则执行下述步骤5；

步骤5：低层SDN控制器将数据包发送给地面SDN超级控制器；

步骤6：地面超级SDN控制器根据其掌握的全局网络视图判断数据包的目的地址是否可以通过不同的低层SDN控制器(D-Controller)转发低轨道卫星LEO送达；

若是，则发给目标低层SDN控制器，接着执行下述步骤7；

若否，则将数据包重新定向或丢弃，本流程结束；

步骤7：发给低层SDN控制器，由低层SDN控制器发给目标低轨道卫星LEO，信宿B接收目的信号，本流程结束。

本发明的创新点在于：

(1)利用SDN的网络架构，将现有卫星网络分为三个抽象层面，数据平面(SDN交换机)、控制平面(SDN控制器)、应用平面(SDN应用程序)。

(2)通过在LEO(低轨道卫星)、GEO(地球同步轨道卫星)、STA(地球地面站)上部署控制器或者交换机来实现卫星网络的全球覆盖和地面站对于整个网络的全局控制。

(3)利用SDN技术灵活可编程的特点，实现星上资源的灵活处理。比如，根据不同业务的实时性要求，带宽要求，计算和存储资源等要求，利用SDN控制器的全局控制能力为不同业务分配不同的响应优先级，计算和存储资源等。

(4)利用SDN的全局视图进行网络拓扑管理。比如，卫星网络的拓扑结构变化速度较快，可以利用SDN控制器的全局视图能力对网络的链路状况进行监控，随时获取最新的拓扑状态。

附图说明

图1：本发明实施例的***构架图；

图2：本发明实施例的网络拓扑图；

图3：本发明实施例的SDN分层结构图；

图4：本发明实施例的***部署图；

图5：本发明实施例的通信流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1、图2和图3，本发明提供的一种基于SDN技术的天地一体化空间信息网络***，根据SDN的分层设计思想，将卫星通信网络与地面的固定网络进行了逻辑上的整合，将其抽象为三个层面，数据层、控制层和应用层。多个轨道面上的多个LEO上部署SDN交换机组成数据层，地球同步轨道卫星GEO和地面数据中心上的超级控制器构成控制层，GEO和数据中心中的超级控制器上运行的应用程序构成应用层。

(1)数据层：按照一定倾角的多个轨道面上分布多颗LEO，其飞行轨迹对整个地球实现包括两极在内的完全覆盖。在LEO上部署SDN交换机，利用LEO之间的无线通信链路进行组网。

(2)控制层：三颗赤道上空的GEO卫星可以实现除地球两极之外的所有区域的全覆盖。将垂直型控制架构中的低层控制器部署在三颗GEO上，每颗GEO与某时刻自己覆盖范围内且可以建立通信连接的LEO组成SDN网络。由于不同时刻LEO与GEO的相对位置不同，所以此网络结构属于具有一定规律性的动态结构。同时，三颗GEO与各自覆盖范围内的地面站STA进行无线连接，通过STA接入网关接入地面网络，利用地面有线网络接入数据中心，同时在数据中心上部署顶层的超级控制器，利用超级控制器来管理GEO中的低层控制器，实时获取全局网络拓扑和网络状态信息，进行高效的管理和调度。

(3)应用层：在三颗GEO的控制器和地面数据中心的超级控制器上部署应用层软件，对整个基于SDN的卫星通信网络进行灵活地管理和控制。

本实施例按照图3的结构对各个层面进行划分。按照图4的方式进行具体部署。其中A1、A2、A3是A轨道面上的三颗LEO，B1、B2、B3是B轨道面上的三颗LEO，C1、C2、C3是C轨道面上的三颗LEO，在这九颗LEO组成数据层，在其上部署SDN交换机。D-Con1，D-Con2，D-Con3是三颗GEO，本实施例在上面部署SDN底层控制器，STA1，STA2，STA3，是三个卫星地面站，作为接入网连接卫星网络与地面网络。他们彼此之间通过地面固定网络连接至地面DC(数据中心)，在DC中部署超级控制器(S-Con)。由这四个控制器组成控制层。安装在控制层上的网络应用程序APP构成应用层。

通信流程以图5为例。首先，用户终端与通信质量最优的LEO建立连接，发起会话，此LEO根据呼叫请求的目的地址判断能够直接转发消息，如果能够直接转发则直接发送给接收端，完成本次通信，如果不能直接转发则会将此数据包转发给此LEO所属的GEO(D-Con)，此时D-Con会根据其掌握的网络信息来判断目的地址是否在其余两颗GEO(D-Con)所控制范围内，如果可以找到目的地址所属的另一颗GEO，则转发，由另一颗GEO(D-Con)转发给目的地址上空的LEO，完成通信。如果找不到目的地址所属的GEO，则将此数据包通过STA发给地面S-Con，由超级控制器来进行判断此目的地址是否可达，如果不可达则选择重新定向或者丢弃此数据包，如果可达则通过STA发送给对应GEO(D-Con)再转发给对应的LEO完成通信。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种基于SDN技术的天地一体化空间信息网络***，其特征在于：包括数据层，控制层和应用层；

所述数据层由多个轨道面上的多颗低轨道卫星LEO上部署SDN交换机组成，利用LEO之间的无线通信链路进行组网；

所述控制层由地球同步轨道卫星GEO和地面数据中心上的超级控制器构成；

所述应用层由地球同步轨道卫星GEO和地面数据中心中的超级控制器上运行的应用程序构成，对整个基于SDN的卫星通信网络进行灵活地管理和控制；

所述控制层中设置有三颗赤道上空的地球同步轨道卫星GEO，三颗地球同步轨道卫星GEO上均部署有垂直型控制架构中的低层SDN控制器，每颗地球同步轨道卫星GEO与某时刻自己覆盖范围内且可以建立通信连接的低轨道卫星LEO组成SDN网络；三颗地球同步轨道卫星GEO与各自覆盖范围内的地球地面站STA进行无线连接，通过地球地面站STA接入网关接入地面网络，利用地面有线网络接入数据中心；数据中心上部署有顶层的超级SDN控制器，利用超级控制器来管理地球同步轨道卫星GEO中的低层控制器，实时获取全局网络拓扑和网络状态信息，进行高效的管理和调度。

2.根据权利要求1所述的基于SDN技术的天地一体化空间信息网络***，其特征在于：所述数据层中的多颗低轨道卫星LEO按照一定倾角分布在多个轨道面上，其飞行轨迹对整个地球实现包括两极在内的完全覆盖。

3.一种基于SDN技术的天地一体化空间信息网络***的通信方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：信源A发出数据包，接入通信质量最优的低轨道卫星LEO；

步骤2：低轨道卫星LEO根据SDN交换机内所存储的转发表与此数据包的目的地址是否匹配来判断能否由低轨道卫星LEO直接转发；

若是，则信宿B接收目的信号，本流程结束；

若否，则执行下述步骤3；

步骤3：移交给此低轨道卫星LEO所属的低层SDN控制器；

其中，控制层中设置有三颗赤道上空的地球同步轨道卫星GEO，三颗地球同步轨道卫星GEO上均部署有垂直型控制架构中的低层SDN控制器，每颗地球同步轨道卫星GEO与某时刻自己覆盖范围内且可以建立通信连接的低轨道卫星LEO组成SDN网络；

步骤4：低层SDN控制器根据其掌握的网络状态信息，根据其存储的转发表判断此数据包的目的地址能否转发给其控制范围内的另一颗低轨道卫星LEO；

若是，则低层SDN控制器转发给目标低轨道卫星LEO，信宿B接收目的信号，本流程结束；

若否，则执行下述步骤5；

步骤5：低层SDN控制器将数据包发送给地面SDN超级控制器；

步骤6：地面超级SDN控制器根据其掌握的全局网络视图判断数据包的目的地址是否可以通过不同的低层SDN控制器转发低轨道卫星LEO送达；

若是，则发给目标低层SDN控制器，接着执行下述步骤7；

若否，则将数据包重新定向或丢弃，本流程结束；

步骤7：发给低层SDN控制器，由低层SDN控制器发给目标低轨道卫星LEO，信宿B接收目的信号，本流程结束。