DE60218275T2

DE60218275T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Leitweglenkung von Informationen in Satellitenkommunikationsnetzen

Info

Publication number: DE60218275T2
Application number: DE60218275T
Authority: DE
Inventors: Albert Oakland Futernik
Original assignee: ITT Manufacturing Enterprises LLC
Current assignee: Exelis Inc
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2022-12-06
Also published as: EP1324515B1; DE60218275D1; ATE354890T1; US7075886B2; EP1324515A2; US20030137930A1; EP1324515A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Satelliten-Kommunikationsnetze. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Niederorbitsatelliten-Kommunikationsnetze, die a priori-Kenntnisse der Netztopologie (z. B. als eine Funktion der Zeit oder der geographischen Satellitenposition) nutzen, um die Effizienz der Leitweglenkung und die gesamte Netzleistung wesentlich zu steigern.
2. Erörterung des Standes der Technik
Dynamische Leitweglenkung in einem einzelnen autonomen System eines auf dem Internetprotokoll (IP) basierenden Kommunikationsnetzes wird typischerweise durch Verwendung eines Interior Gateway Protocol (IGP), wie etwa des Open Shortest Path First (OSPF) Leitweglenkungsprotokolls vollzogen. Das OSPF-Protokoll ist grundsätzlich ein Internet-Vernetzungs- oder Netzübergangs-Protokoll, das die Kommunikation mit externen Netzen erleichtert. Für Beispiele der Implementierung des OSPF-Protokolls wird auf RFC 1583, Moy, "OSPF Version 2", März 1994 Bezug genommen, dessen Offenbarung in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin integriert ist.
Die Leitweglenkung wird in dem OSPF-Protokoll dadurch vollzogen, dass jeder Netzknoten eine Leitweglenkungs-Datenbank hat, die auf die Netztopologie bezogene Informationen (z. B. Verbindungen zwischen Netzknoten) enthält. Die Leitweglenkungs-Datenbank wird von jedem Knoten verwendet, um einen Pfad zur Übertragung einer Mitteilung zu einem Bestimmungsort zu bestimmen. Die Leitweg- oder Pfad-Informationen werden typischerweise in einer Leitweglenkungstabelle gespeichert. Die Leitweglenkungs-Datenbanken werden durch Austausch von Verbindungsstatusanzeigepaketen (LSA) zwischen benachbarten Knoten aktualisiert. Diese Pakete enthaltenen allgemein auf aktuelle Verbindungen der Netzknoten bezogene Informationen und werden typischerweise periodisch und/oder im Fall einer Modifikation der Netztopologie übertragen. Das OSPF-Protokoll bestimmt eine bestimmte Leitweglenkvorrichtung, um in Netzen des Rundfunktyps LSA-Pakete in großer Zahl an Nachbarn zu senden, während in Netzen des Nicht-Rundfunktyps LSA-Pakete über Punkt-zu-Punkt- und/oder Rundfunkpakete übertragen werden. Auf diese Weise ist das OSPF-Protokoll in der Lage, die Topologie eines Internetprotokoll-Kommunikationsnetzes festzustellen und von dem Internetprotokoll zu verwendende Leitwege zu bestimmen.
Das OSPF-Protokoll kann ferner funktionsunfähige Kommunikationsverbindungen durch die periodische Übertragung und den Empfang von Nachbarentdeckungs- und -erhaltungspaketen beziehungsweise Paketen des "Hallo"-Typs zwischen Netzknoten erfassen. Diese Pakete werden von jedem Knoten periodisch gesendet, um benachbarte Knoten zu entdecken und die Kommunikation zwischen diesem Knoten und den benachbarten Knoten sicherzustellen. Des weiteren kann das OSPF-Protokoll alternative Leitwege für gegenwärtige Leitwege bestimmen, die betriebsunfähige Verbindungen nutzen und die nicht länger existenzfähig sind. Das OSPF-Leitwegprotokoll weist jedoch verschiedene Nachteile auf. Insbesondere nimmt das Protokoll einen finiten Zeitintervall, um einen unterbrochenen oder betriebsunfähigen Leitweg zu erfassen und zu reparieren. Obgleich dies in den Fällen unvermeidbar ist, in denen der Leitweg aufgrund eines unvorhergesehenen Ereignisses funktionsunfähig wird, ist die Protokolleffizienz suboptimal, wenn a priori-Kenntnisse hinsichtlich Veränderungen der Netztopologie zur Verfügung stehen, die sich auf die Existenzfähigkeit von Leitwegen auswirken. In diesem Fall kann die Protokolleffizienz verbessert werden, indem alternative Leitwege vor einer Veränderung der Netztopologie bestimmt werden.
In einem Versuch, auf Veränderungen der Netztopologie zu reagieren, bietet der Stand der Technik verschiedene Systeme, die alternative Leitwege basierend auf Modifikationen der Netztopologie bestimmen. Beispielsweise zeigt das US-Patent Nr. 5,365,520 (Wang et al.) eine dynamische Signal-Leitweglenkung auf. Datenpakete werden durch eine Konstellation von Knoten oder Satelliten zu einer Endeinheit geschickt. Der Knoten, an dem ein Paket die Konstellation verlässt, ist ein Endknoten. Jedes Paket enthält einen Leitweglenkungscode. Wenn ein Knoten ein Paket empfängt, prüft der Knoten den Leitweglenkungscode, um zu bestimmen, ob dieser Knoten ein Endknoten für dieses Paket sein könnte. Ein Tabellennachschlagvorgang wird unter Verwendung des Leitweglenkungscodes als Index für eine Leitweglenkungstabelle durchgeführt. Die Tabelle identifiziert eine Verbindung, die bei der Leit weglenkung des Pakets zu einem Nachbarknoten zu verwenden ist. Eine Anzahl von verschiedenen Tabellen wird für jeden Orbit verwendet, wobei die Tabellen erzeugt werden können, um die Bewegung von Knoten über Raumbereiche nachzuverfolgen. Das Paket wird auch geprüft, um die Kompatibilität zwischen dem Pakettyp und einer ausgewählten Verbindung zu verifizieren. Wenn ein Knoten den Schluss zieht, dass der Knoten ein Endknoten sein könnte, wertet der Knoten eine Kanalkennung aus, um zu bestimmen, ob der Knoten gegenwärtig die Partei bedient, an die das Paket gerichtet ist.
Das US-Patent Nr. 5,999,797 (Zancho et al.) zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bereitstellung von privaten globalen Netzen in einem Satellitenkommunikationsnetz auf. Die privaten Netze zwischen Kommunikationsendgeräten werden innerhalb eines Satellitenkommunikationssystems eingerichtet. Jedes private Netz stellt Benutzern ein Netz von dedizierten Kommunikationswegen zur Verfügung, die eine Dauer haben, die die Dauer des einzelnen Anrufs übersteigt. Ein dedizierter Kommunikationsweg wird geschaffen, indem Gesprächsübergabepläne für Satelliten-Endgerät-Verbindungen sowohl für ein Quell- als auch Bestimmungs-Endgerät bestimmt werden und indem Satelliten-Querverbindungspläne bestimmt werden, die erforderlich sind, und den dedizierten Weg für eine den einzelnen Anruf übersteigende Dauer aufrechtzuerhalten.
Das US-Patent Nr. 6,157,624 (Zancho) zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbindung von Endgeräten unter Verwendung von privaten Sekundärdienstwegen in einem Satellitenkommunikationssystem auf. Die Sekundärwege zwischen kompatiblen oder nicht kompatiblen Kommunikationsendgeräten werden unter Verwendung von terrestrischen Stationen innerhalb eines Satellitenkommunikationssystems eingerichtet. Jeder Sekundärweg bietet Benutzern die Möglichkeit, Kommunikationswege zwischen kompatiblen oder nicht kompatiblen Endgeräten einzurichten. Ein Sekundärweg wird unter Verwendung von terrestrischen Stationen eingerichtet, die terrestrisch basierte Verbindungen und Satellitenkommunikationsverbindungen einrichten und aufrechterhalten. Terrestrische Stationen führen auch die Frequenzübersetzung und die Umformatierung von Daten durch, um es nicht kompatiblen Endgeräten zu ermöglichen, miteinander zu kommunizieren. Da die Topologie des Satellitenkommunikationssystems sich konstant verändert, umfasst das Auf rechterhalten eines Sekundärweges Gesprächsübergaben zwischen dem Satelliten und terrestrischen Stationen und das Einrichten von verschiedenen Querverbindungen zwischen Satelliten. Eine Vorhersage der Systemtopologie während der Dauer des Sekundärweges oder eines Abschnitts davon wird verwendet, um die Satelliten-Querverbindungen zu bestimmen.
Das US-Patent Nr. 5,430,729 (Rahnema) zeigt ein globales Kommunikationssystem auf, das eine Konstellation von Satellitenknoten enthält, die sich relativ zueinander bewegen, wobei Datenpakete über Kommunikationsverbindungen in gleichmäßig verteilter Weise geleitet werden. Eine gleichmäßige Nutzung von Verbindungen wird innerhalb zulässiger Leitwege erzielt, die durch End-zu-End-Transportverzögerungskriterien bestimmt werden. Das Leitweglenkungsverfahren berechnet Leitwege im Voraus unter Verwendung eines iterativen Prozesses, der Leitwege für jedes Quelle-Bestimmungsort-Paar aus einem zulässigen anwendbaren Satz von alternativen Minimal-Hop-Leitwegen auswählt, indem versucht wird, die Verbindungsnutzungswahrscheinlichkeiten für Verbindungen, die in jedem Schritt des Leitweg-Bestimmungsprozesses beteiligt sind, anzugleichen. Das Leitweglenkungsverfahren berücksichtigt Verbindungsausfälle und Stilllegungen von Verbindungen und Knoten. Minimum-Hop-Leitwege werden auf der Grundlage der Maximierung der Netz-Leitweglenkungs-Entropie ausgewählt, was zu einer gleichförmigen Nutzung der Kommunikationsverbindungen des Systems führt. Eine gerichtete Randomisierung von Leitwegen zwischen Quelle-Bestimmungsort-Knotenpaaren wird implementiert, um eine Überbelastung von Verbindungen zu verhindern, während die Pakettransportverzögerung minimiert wird. Individuelle Leitweglenkungstabellen werden in jedem Satellitenknoten erzeugt und aufrechterhalten. Die Tabellen können regelmäßig aktualisiert werden, um Veränderungen der Verkehrsnachfrageverteilung und der physischen Knoten-Anschließbarkeit innerhalb der Konstellation wiederzugeben, die als Resultat der Satellitenbewegung und von Ausfällen im Netz auftreten.
Die Systeme nach dem Stand der Technik weisen verschiedene Nachteile auf. Im einzelnen erzeugt das System von Wang et al. Nachschlagetabellen für jeden Orbit, um die Leitweglenkung in Bezug auf Topologieveränderungen zu bestimmen, was beträchtliche Verarbeitungsleistung und eine erhöhte Systemkomplexität erfor dert. Die Systeme von Zancho et al. und Zancho bestimmen Querverbindungspläne, die von Satelliten verwendet werden, um die Einrichtung von und den Verzicht auf Querverbindungen zu steuern. Somit sind diese Systeme erforderlich, um die Pläne unter den Satelliten zu verteilen, wodurch zusätzliche Aufgaben und zusätzliche Kommunikation geschaffen werden. Da diese Systeme ferner die Querverbindungen in Übereinstimmung mit den verteilten Plänen steuern, kann sich die Verbindungssteuerung störend auf von den Systemen verwendete Kommunikationsprotokolle auswirken und deren Leistung verschlechtern.
Die vorliegende Erfindung beseitigt grundsätzlich die vorstehend beschriebenen Probleme, indem dem OSPF oder einem anderen Leitweglenkungsprotokoll erlaubt wird, Leitwege vor einer bekannten Veränderung der Netztopologie neu zu berechnen. Dies wird erreicht, indem verhindert wird, dass die Nachbarentdeckungs- und -erhaltungspakete beziehungsweise Pakete des "Hallo"-Typs über eine Verbindung gesendet und empfangen werden, deren Funktionsunfähigkeit aufgrund einer Änderung der Netztopologie kurz bevorsteht. Die Einstellung dieser Pakete verursacht, dass ein "Tot"-Zeitgeber des Protokolls für die Verbindung abläuft, wodurch das Protokoll veranlasst wird, die Verbindung als funktionsunfähig zu betrachten und Leitwege in Übereinstimmung mit dieser Überlegung neu zu berechnen. Somit werden neue Leitwege bestimmt, bevor frühere Leitwege aufgrund der funktionsunfähigen Verbindung ungültig werden.
AUFGABEN UND KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Leitwege innerhalb eines Netzes in Übereinstimmung mit Kenntnissen von bekannten Topologieveränderungen zu bestimmen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Leitwege innerhalb eines Netzes neu zu berechnen, bevor aktuelle Leitwege aufgrund von Änderungen der Netztopologie funktionsunfähig werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Leitwege innerhalb eines Netzes neu zu berechnen, bevor gegenwärtige Leitwege funktionsunfähig werden, indem Bedingungen innerhalb des Netzes eingerichtet werden, die ein Leitweglenkungsprotokoll veranlassen, diese Leitwege neu zu berechnen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Leitweglenkungsprotokoll zu befähigen, Leitwege innerhalb eines Netzes neu zu berechnen, bevor gegenwärtige Leitwege funktionsunfähig werden, indem die Übertragung und der Empfang von Nachbarentdeckungs- und -erhaltungspaketen über Verbindungen blockiert wird, deren Funktionsunfähigkeit kurz bevorsteht.
Die vorstehend genannten Aufgaben können einzeln und/oder in Kombination gelöst werden, und die vorliegende Erfindung soll nicht so ausgelegt werden, dass sie die Kombination von zwei oder mehr Aufgaben erfordert, sofern dies nicht durch die beigefügten Patentansprüche ausdrücklich gefordert ist.
Gemäß vorliegender Erfindung wird eine Kommunikationseinheit zum Übertragen und Empfangen von Mitteilungen in einem Kommunikationsnetz, in dem Kommunikationsverbindungen zeitweilig funktionsunfähig werden, geschaffen, wobei die Kommunikationseinheit eine Kommunikationsvorrichtung zum Übertragen einer abgehenden Mitteilung zu mindestens einer anderen Kommunikationseinheit in dem Netz und zum Empfangen einer ankommenden Mitteilung von mindestens einer anderen Kommunikationseinheit in dem Netz; und eine Leitweglenkvorrichtung enthält, um abgehende Mitteilungen in dem Netz zu entsprechenden Bestimmungsorten zu leiten. Die Leitweglenkvorrichtung enthält ein Protokollmodul (36), um die Leitweglenkung von Mitteilungen in dem Netz in Übereinstimmung mit einem Leitweglenkungsprotokoll (40) zu erleichtern, wobei das Protokollmodul ein Netzmodul enthält, um Leitwege innerhalb des Netzes für die Übertragung der abgehenden Mitteilungen zu den entsprechenden Bestimmungsorten zu bestimmen, und wobei das Leitweglenkungsprotokoll die Neuberechnung der Leitwege innerhalb des Netzes durch das Netzmodul ansprechend auf das Auftreten eines bestimmten Zustands, der die Funktionsunfähigkeit einer Kommunikationsverbindung anzeigt, erleichtert; und ein Leitwegerzeugungsmodul (38, 42), um den bestimmten Zustand in dem Netzzustand, der die Funktionsunfähigkeit einer Kommunikationsverbindung anzeigt, vor der tatsächlichen Funktionsunfähigkeit dieser Kommunikationsverbindung einzurichten, um das Netzmodul in die Lage zu versetzen, die Leitwege auf der Basis der und vor der Funktionsunfähigkeit der Kommunikationsverbindung in Übereinstimmung mit dem Leitweglenkungsprotokoll neu zu berechnen. Das Kommunikationsnetz enthält eine oder mehrere Bodenstationen und eine Vielzahl von Satelliten, vorzugsweise in nied rigen Umlaufbahnen. Die Bodenstationen und die Satelliten dienen grundsätzlich als Netzknoten.
Die Leitweglenkvorrichtungen verwenden typischerweise das OSPF-Leitweglenkungsprotokoll, um Informationen durch das Netz zu leiten. Da sich die Netztopologie aufgrund von bekannten Bewegungen der Satelliten ändert, veranlasst die vorliegende Erfindung das OSPF-Protokoll, Leitwege neu zu berechnen, bevor bestimmte Leitwege funktionsunfähig werden. Die vorliegende Erfindung nutzt Kenntnisse der bekannten Satellitenbewegungen und Topologieänderungen, um die Übertragung und den Empfang von derartigen Paketen zu blockieren, bevor ein Leitweg funktionsunfähig wird. Auf diese Weise werden von dem Protokoll neue Leitwege bestimmt, bevor die vorherigen Leitwege aufgrund einer Topologieänderung funktionsunfähig werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Satellitenkommunikationsnetzes oder -systems, das von der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
2 ist ein Blockschaltbild einer Leitweglenkvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung.
3 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften, von der vorliegenden Erfindung verwendeten Satellitenkommunikationsnetzes oder -systems, wie es von einem Simulationstool dargestellt wird.
4 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Modells einer Leitweglenkvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung, wie sie von einem Simulationstool dargestellt wird.
5A–5C sind Diagramme des Durchsatzes des simulierten Satellitenkommunikationsnetzes aus 3.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFOR-MEN
Ein von der vorliegenden Erfindung verwendetes, beispielhaftes Satellitenkommunikationsnetz ist in 1 dargestellt. Genauer ausgedrückt enthält das Netz eine Vielzahl von Satelliten 10, vorzugsweise auf niedrigen Umlaufbahnen, und eine oder mehrere Bodenstationen 12. Die Bodenstationen und die Satelliten dienen grundsätzlich als Netzknoten, um die Kommunikation durch das Netz zu erleichtern. Das Netz kann für verschiedene Anwendungen genutzt werden. Beispielsweise können die Satelliten Informationen zur Übertragung zu anderen Satelliten oder einer bestimmten Bodenstation über das Kommunikationsnetz sammeln und verarbeiten. Ferner können Informationen zwischen Bodenstationen über die Satelliten (z.B. für die allgemeine Kommunikation) übertragen werden.
Die Satelliten und die Bodenstationen enthalten jeweils eine Leitweglenkvorrichtung 14 (2), die mit anderen Leitweglenkvorrichtungen des Netzes über Punkt-zu-Punkt-Funkquerverbindungen (z. B. zwischen Satelliten-Leitweglenkvorrichtungen) oder Uplink- und Downlink-Funkverbindungen (z. B. zwischen Leitweglenkvorrichtungen in den Satelliten und Bodenstationen) verbunden sind. Jeder Satellit 10 enthält eine Vielzahl von Querverbindungen 16, 18 zur Kommunikation mit anderen Satelliten. Die Querverbindungen 16 (Vorwärts- und Rückwärts-Querverbindungen in der Ansicht in 1) ordnen die Satelliten grundsätzlich in einer Ringtopologie an und ermöglichen die Kommunikation zwischen einem bestimmten Satelliten und dem unmittelbar nachfolgenden (z. B. Vorwärts-Querverbindung) und vorausgehenden (z. B. Rückwärts-Querverbindung) Satelliten innerhalb der Ringtopologie. Diese Verbindungen sind während des Systembetriebs gewöhnlich immer aktiviert. Querverbindungen 13 (z. B. Ost-West-Querverbindungen in der Ansicht in 1) erleichtern die Kommunikation zwischen Satelliten, die gegenseitige Sichtverbindung haben (z. B. ermöglichen die geographischen Positionen der Satelliten in Bezug auf die Erde die Existenz von Kommunikationswegen zwischen den Satelliten). Mit anderen Worten sind die Satelliten so positioniert, dass die Erde oder andere Satelliten Übertragungen zwischen Satelliten nicht stören. Diese Querverbindungen sind aktiviert, wenn die geographische Anordnung von Satelliten den Satelliten ermöglicht, miteinander in Sichtverbindung zu stehen (z. B. die Existenz eines Kommunikationsweges zwischen den Satelliten ermöglicht). Die Satelliten enthalten ferner eine oder mehrere Downlink-Funkverbindungen 20 zur Bodenstation 12, während die Bodenstation eine oder mehrere Uplink-Verbindungen 22 zu den Satelliten 10 enthält. Die Verbindungen 20, 22 sind aktiviert, wenn entsprechende Satelliten in einer Position sind, in der sie Sichtverbindung mit der Bodenstation haben (zum Beispiel die Existenz eines Kommunikationsweges möglich ist).
Das Kommunikationsnetz verwendet ein Leitweglenkungsprotokoll, um die Leitweglenkung von Informationen durch das Netz zu erleichtern. Nur als Beispiel verwendet das Netz das Open Shortest Path First (OSPF) Internetprotokoll (IP), um dynamische Leitwege zu entdecken. Das Netz kann jedoch jedes herkömmliche oder auch andere Leitweglenkungsprotokolle verwenden. Gemäß dem OSPF-Protokoll unterhält jeder Knoten (z. B. Satellit und Bodenstation) innerhalb des Netzes eine Leitweglenkungs-Datenbank (nicht dargestellt), die Informationen enthält, die den Knoten in die Lage versetzen, einen geeigneten Weg zum Leiten einer Mitteilung zu bestimmen. Die in der Knotendatenbank enthaltenen Informationen betreffen typischerweise Verbindungen (z. B. Querverbindungen, Uplink-Verbindungen und Downlink-Verbindungen) zwischen den verschiedenen Netzknoten, während Leitweglenkungs-Informationen typischerweise in einer Leitweglenkungs-Tabelle bereitgehalten werden. Das OSPF-Protokoll ist ein Leitweglenkungsprotokoll des Verbindungsstatus-Typs und sieht die Synchronisierung von Knotendatenbanken durch die Übertragung von Paketen des Verbindungsstatusanzeige-Typs oder Datenbank-Aktualisierungspaketen zu jedem Netzknoten vor. Diese Pakete werden herkömmlicherweise über mehrere Punkt-zu-Punkt-Mitteilungen (z. B. Mitteilungen von einem Quellknoten zu einen bestimmten Bestimmungs-Netzknoten) ansprechend auf Modifikationen am Netz, die Veränderungen in einer Knotendatenbank erleichtern, übertragen. Wenn ein Datenbank-Aktualisierungspaket empfangen wird, wird im allgemeinen ein Punkt-zu-Punkt-Bestätigungspaket (ACK) des OSPF-Typs von dem Bestimmungsknoten zu dem Quellknoten übertragen, um den Empfang des Pakets anzuzeigen. Das OSPF-Protokoll kann ferner funktionsunfähige Kommunikationsverbindungen durch die periodische Übertragung und den Empfang von Nachbarentdeckungs- und -erhaltungspaketen beziehungsweise Paketen des "Hallo"-Typs zwischen Netzknoten erfassen. Diese Pakete werden von jedem Knoten periodisch übertragen, um benachbarte Knoten zu entdecken und die Kommunikation zwischen diesen Knoten und den benachbarten Knoten sicherzustellen. Zusätzlich kann das OSPF-Protokoll alternative Leitwege für aktuelle Leitwege bestimmen, die funktionsunfähige Verbindungen nutzen und nicht länger existenzfähig sind.
Das OSPF-Protokoll ist wie vorstehend beschrieben ein Protokoll des Verbindungsstatus-Typs und bietet verschiedene Vorteile in Bezug auf Protokolle des Distanzvektor-Typs, wie z. B. RIP, bei welchem Leitweglenkvorrichtungen Vektoren von Distanzen von bevorzugten Wegen zu bekannten Bestimmungsorten austauschen. Beispielsweise entdeckt das OSPF-Protokoll rasch funktionsunfähige oder unterbrochene Verbindungen im gesamten Netz und verbreitet diese betreffende Informationen. Ferner haben Verbindungsstatusprotokolle allgemein eine schnellere Konvergenzzeit als Distanzvektorprotokolle. Darüber hinaus tritt bei Distanzvektorprotokollen das "Zählen-bis-Unendlich-Problem" auf, wobei diese Protokolle langsam auf Verbindungen reagieren, die funktionsunfähig werden. Obgleich der herkömmliche "Split Horizon"-Algorithmus dieses Problem teilweise abmildert, bietet dieser Algorithmus mehrere andere Nachteile. Diese Arten von Konvergenzproblemen treten bei Verbindungsstatusprotokollen nicht auf. Da jede Leitweglenkvorrichtung eine Datenbank der kompletten Netztopologie unterhält, können eine funktionsunfähige Verbindung betreffende Informationen rasch über das gesamte Netz verbreitet werden. Die Leitweglenkvorrichtungen berechnen Leitweglenkungs-Tabellen neu, die die aktualisierte Topologiedatenbank wiedergeben. Somit ist ein Verbindungsstatus-Leitweglenkungsprotokoll für Topologiedynamik besser geeignet als ein Distanzvektorprotokoll. Obgleich Verbindungsstatusprotokolle gewöhnlich einen größeren Overhead einschließen, ist der mit dem OSPF-Protokoll verbundene Overhead deutlich geringer als die Netzbandbreite, wie nachfolgend beschrieben wird.
Die vorliegende Erfindung nutzt grundsätzlich die Merkmale des OSPF-Leitweglenkungsprotokolls und a priori-Kenntnisse der Netztopologie (z. B. als eine Funktion der Zeit oder der geographischen Position der Satelliten), um die Leitweglenkungsleistung zu verbessern. Die Kenntnisse der Netztopologie befähigen das OSPF-Protokoll, eine Leitweglenkungstabelle anzupassen, bevor Verbindungen aufgrund von sich verändernden Satellitenpositionen funktionsunfähig werden. Die Anpassung der Leitweglenkungstabelle verhindert im wesentlichen, dass das Internetprotokoll Datenpakete zu funktionsunfähigen Verbindungen leitet, wodurch der Verlust dieser Datenpakete vermieden wird.
Eine Netz-Leitweglenkvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung ist in 2 gezeigt. Zunächst enthält jeder Satellit 10 (1) eine Leitweglenkvorrichtung 14, um Datenpakete durch das Netz zu leiten und die Kommunikation zu erleichtern. Genauer ausgedrückt enthält die Leitweglenkvorrichtung 14 ein Anwendungsmodul 30, Transportprotokollmodule 32 (z. B. TCP), 34 (z. B. UDP), Internetprotokollmodule 36, Topologievorhersagefunktionsmodule (TPF) 38, OSPF-Module 40, Paketfiltermodule 42 und Ports 44, 46, 58, 50, 52 und 54. Die verschiedenen Leitweglenkvorrichtungsmodule oder -komponenten sind typischerweise als Softwaremodule implementiert, die auf einem Leitweglenkvorrichtungsprozessor (nicht dargestellt) ausgeführt werden, aber die Module können auch durch beliebige Software- und/oder Hardware-Module in beliebigen Kombinationen implementiert sein.
Die Leitweglenkvorrichtungsports sind mit Funk-Transoeivern (nicht dargestellt) innerhalb der Satelliten gekoppelt, um die Kommunikation über Querverbindungen 16, 18, Downlink-Verbindungen 20 und Uplink-Verbindungen 22 zu ermöglichen. Die Transceiver codieren, modulieren und übertragen typischerweise Signale von einem bestimmten Satelliten und empfangen ferner Signale von anderen Satelliten oder der Bodenstation. Die Ports 48, 50 sind typischerweise Querverbindungen 16 zugeordnet, die den Satelliten mit unmittelbar nachfolgenden und vorausgehenden Satelliten innerhalb der Ringtopologie koppeln. Die Ports 44, 46 sind typischerweise Querverbindungen 18 zugeordnet, die den Satelliten mit einem anderen Satelliten in Sichtverbindung koppeln, während der Port 52 Downlink-Verbindungen 20 zugeordnet ist, die den Satelliten mit der Bodenstation 12 koppeln. Der Port 54 ist Uplink-Verbindungen 22 zugeordnet, die die Bodenstation mit Satelliten 10 koppeln.
Die Ports sind jeweils mit dem IP-Modul 36 gekoppelt. Dieses Modul implementiert grundsätzlich das Internetprotokoll und dient als ein Schalter, um abgehende Datenpakete zu den richtigen Ports zu leiten und ankommende Datenpakete zu dem ordnungsgemäßen Leitweglenkvorrichtungsmodul zur Verarbeitung zu leiten. Das IP-Modul 36 ist ferner mit Transportprotokollmodulen 32, 34 gekoppelt. Diese Module ermöglichen grundsätzlich den Austausch von Informationen zwischen Satelliten und anderen Anwendungen über das Netz. Die Module 32, 34 können durch verschiedene Transportprotokolle implementiert sein, sind jedoch nur als Beispiel durch das Transmission Control Protocol (TCP) bzw. das User Datagram Protocol (UDP) implementiert. Das Anwendungsmodul 30 ist mit dem Transportprotokollmodul gekoppelt und erleichtert die Ausführung von bestimmten Leitweglenkvorrichtungs-, Satelliten- oder anderen Anwendungen. Das Paketfiltermodul 42 ist mit dem IP-Modul 36 gekoppelt, wobei das Topologievorhersagefunktionsmodul 38 und das OSPF-Modul 40 mit dem Paketfiltermodul 42 gekoppelt sind. Das OSPF-Modul 40 implementiert grundsätzlich das OSPF-Leitweglenkungsprotokoll, während die Module 38, 42 das OSPF-Protokoll modifizieren, so dass es die Leitweglenkung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wie nachfolgend beschrieben durchführt.
Die Bodenstation enthält eine Leitweglenkvorrichtung, die im wesentlichen der vorstehend beschriebenen Leitweglenkvorrichtung ähnlich ist, mit der Ausnahme, dass die Ports der Leitweglenkvorrichtung der Bodenstation Ports 52, 54 einschließen. Die Ports sind mit Funk-Transceivern (nicht dargestellt) in der Bodenstation gekoppelt, um die Kommunikation über Downlink-Verbindungen 20 und Uplink-Verbindungen 22 zu ermöglichen. Die Transceiver codieren, modulieren und senden typischerweise Signale von der Bodenstation und empfangen Signale von den Satelliten.
Die Module 38, 42 modifizieren das OSPF-Protokoll, um die Leitweglenkung gemäß vorliegender Erfindung wie in der nachfolgenden Tabelle I angegeben durchzuführen.
Tabelle I: Dynamische Systemwiederherstellung mit der Unterstützung von TPF
Im einzelnen bestimmt das Topologievorhersagemodul 38 auf der Grundlage von a priori-Kenntnissen von Satellitenpositionen, dass eine Querverbindung 16, 18, eine Downlink-Verbindung 20 oder eine Uplink-Verbindung 22 demnächst an einem Zeitpunkt t funktionsunfähig wird. Dieser Zeitpunkt folgt einem Zeitpunkt t – τ nach, an dem das OSPF-Modul ein Nachbarentdeckungs- und -erhaltungspaket von einem anderen Satelliten oder der Bodenstation erhalten hat und einen "Totzeit"-Zeitgeber ausgelöst hat. Die Totzeit D entspricht einem Intervall, innerhalb dessen ein periodisch übertragenes Nachbarpaket über eine bestimmte Verbindung empfangen wer den muss, um die Existenzfähigkeit der Verbindung anzuzeigen. Die Zeit τ stellt grundsätzlich den Intervall zwischen dem Empfang des Nachbarpakets und der Vorhersagezeit t da, wobei τ eine Zeitdauer im Bereich von null bis zu dem periodischen Übertragungsintervall des Nachbarpakets ist. Die Topologievorhersagefunktion benachrichtigt nachfolgend das Paketfiltermodul 42, dass eine Querverbindung, Downlink-Verbindung oder Uplink-Verbindung demnächst innerhalb eines nachfolgenden Intervalls funktionsunfähig wird. Dieser Intervall wird durch D + T dargestellt, was die Summe der OSPF-Totzeit D und einer Zeit T ist, die die höchste Zeitdauer darstellt, die das OSPF-Modul 40 benötigt, um eine Leitweglenkungstabelle nach dem Ablauf der Totzeit neu zu berechnen. Mit anderen Worten informiert das Topologievorhersagemodul das Paketfiltermodul über eine funktionsunfähige Verbindung zu einem Zeitpunkt vor der Funktionsunfähigkeit der Verbindung, der ausreicht, um das Ablaufen der Totzeit (z. B. wenn das OSPF-Protokoll die Verbindung als funktionsunfähig betrachtet) und die Berechnung von neuen Leitwegen zu erlauben. Dies ermöglicht es, neue Leitwege zu bestimmen und für gegenwärtige Leitwege zu verwenden, die aufgrund der funktionsunfähigen Verbindung wie nachfolgend beschrieben funktionsunfähig werden. Das Paketfiltermodul 42 fährt fort, ankommende und abgehende Nachbarpakete an einem Zeitpunkt t für die Verbindung, deren Funktionsunfähigkeit vorhergesagt ist, ansprechend auf die Benachrichtigung von dem Topologievorhersagemodul 38 zu verwerfen.
Die auf die Funktionsunfähigkeit von Verbindungen bezogenen a priori-Kenntnisse sind typischerweise in einer Nachschlagetabelle gespeichert, auf die das Topologievorhersagemodul zugreifen kann. Die Tabelle enthält allgemein Informationen, die sich auf die geographische Satellitenposition, die Zeit und den Verbindungsstatus (z. B. funktionsfähig oder funktionsunfähig) beziehen. Die Nachschlagetabelle kann jedoch jede gewünschte Information enthalten. Die Informationen werden allgemein für einen vorbestimmten Zeitintervall (z. B. zwei Stunden) bereitgestellt, der Satellitenorbits entspricht, und werden wiederholt für nachfolgende Intervalle genutzt. Das Topologievorhersagemodul greift auf die Nachschlagetabelleninformationen zu, um die Funktionsunfähigkeit von Verbindungen zur Leitwegberechnung durch das OSPF-Protokoll wie nachfolgend beschrieben vorherzusagen.
Wenn der Totzeit-Zeitgeber für die vorhergesagte Verbindung an einem Zeitpunkt t – τ + D abläuft (z. B. die Summe der Zeit t – τ, zu der ein Nachbarpaket empfangen wird, und eine Totzeit D), berechnet das OSPF-Modul eine neue Leitweglenkungstabelle in dem Zeitintervall T und überträgt eine Verbindungsstatus-Aktualisierungsmitteilung an benachbarte Netzknoten (z. B. Satelliten und/oder Bodenstationen), um die entsprechenden Datenbanken zu aktualisieren. Auf diese Weise bestimmt das OSPF-Modul, dass eine Verbindung innerhalb der Totzeit D funktionsunfähig ist, und verbreitet diese Information über das gesamte Netz über den Protokoll-Verbindungsstatus-Datenbankaustausch. Das OSPF-Modul vollendet die Leitweglenkungstabellenberechnungen nach dem Ablauf der Totzeit an einem Zeitpunkt t – τ + D + T (z. B. die Summe des Ablaufs der Totzeit t – τ + D und einer Zeit T zum Berechnen der Leitweglenkungstabelle) und sendet die neue Leitweglenkungstabelle an das IP-Modul 36. Die vorhergesagte Verbindung wird nach der Berechnung der Leitweglenkungstabelle an einem Zeitpunkt t + D + T (z. B. die Summe der Vorhersagezeit t, der Totzeit D und der Berechnungszeit T) funktionsunfähig und nach dem Ablauf einer nachfolgenden Totzeit D an einem Zeitpunkt t + 2D + T weist das Topologievorhersagemodul das Paketfiltermodul an, das Verwerfen der Nachbarpakete zu beenden. Dies befähigt das OSPF-Modul, Nachbarpakete über die Verbindung von einer benachbarten Leitweglenkvorrichtung zu empfangen und dadurch die Existenzfähigkeit dieser Verbindung zu erfassen. Das OSPF-Modul passt ferner die Leitweglenkungstabellen entsprechend an. Die zusätzliche Totzeit D dient als ein Puffer, um geringfügige Ungenauigkeiten in dem vorhergesagten Zeitablauf zu beheben und die Erfassung einer Verbindung, unmittelbar bevor diese Verbindung funktionsunfähig wird, zu verhindern. Mit anderen Worten stellt der zusätzliche Zeitintervall sicher, dass der Intervall, in dem die Verbindung tatsächlich funktionsunfähig wird, mit der Nutzung von alternativen Leitwegen zusammenfällt, die von dem OSPF-Protokoll bestimmt wurden.

Das Netz gemäß vorliegender Erfindung wurde unter Verwendung des OP-NET-Simulationstools modellhaft dargestellt. 3 zeigt die OPNET-Modelldarstellung der beispielhaften Netztopologie. Im einzelnen ist jeder Satellit 10 als eine Leitweglenkvorrichtung unter Verwendung eines Simulationstool-Knotenmodells modellhaft dargestellt. Dieses Knotenmodell ist beispielhaft in 4 dargestellt. Das Knotenmodell simuliert grundsätzlich die in der vorstehend beschriebenen Leitweglenkvorrichtung 14 (2) implementierten Protokollschichten und enthält mehrere Module, die nur als Beispiel in der nachfolgenden Tabelle II beschrieben sind. Die Module sind typischerweise als Software zur Ausführung durch das Simulationstool implementiert. Tabelle II: Beispielhafte Leitweglenkvorrichtungs-Knotenmodule

Modulname	Modulbeschreibung
add_assign	Das add_assign-Modul weist dem von den eingebauten Verkehrsgeneratoren erzeugten Verkehr oder dem aus einer Datei eingelesenen Verkehr die Quell- und Bestimmungsort-IP-Adressen zu.
port_man	Das port_man-Modul leitet die Pakete von der oberen Schicht zu dem geeigneten Transportprotokoll (UDP oder TCP) in der unteren Schicht weiter. Dies erfolgt in beiden Richtungen.
udp	Das udp-Modul implementiert das UDP-Protokoll.
tcp	Das tcp-Modul implementiert das TCP-Protokoll.
ip_encap	Das ip_encap-Modul implementiert den Teil des IP-Protokolls, der von der Transportschicht empfangene Pakete mit den IP-Headern einkapselt, bevor sie zu der Intranet-Schicht geschickt werden. Bei von der unteren Schicht empfangenen Paketen zieht das ip_encap-Modul die IP-Header von den Paketen ab
ip	Das ip-Modul implementiert den Leitweglenkungsteil des IP-Protokolls.
route_maint	Das route_maint-Modul hält die von dem IP-Protokoll verwendete Leitweglenkungstabelle.
icmp	(Nicht für die Simulationen verwendet).
LinkOutPred	Das LinkOutPred-Modul ist die Topologievorhersagefunktion (TPF).
ospf_encap	Das ospf_encap-Modul implementiert die Einkapselung und die Einkapselung von Paketen, die von dem ospf_mod-Modul erzeugt werden. Zusätzlich implementiert das ospf_ encap-Modul den Paketfilter.

Modulname	Modulbeschreibung
ospf_mod	Das ospf_mod-Modul implementiert das OSPF Version 2 (RFC 1583) adaptive Leitweglenkungsprotokoll.
Eth_SNDCF	Das Eth_SNDCF ist die Konvergenzfunktion, die die IP-Adressen auf die Ethernet-Adressen abbildet.
mac	Das mac-Modul ist die OPNET Standard Ethernet Medium Access Control (MAC) Schicht.
hub_tx1	Das hub_tx1-Modul ist der Punkt-zu-Punkt-Sender von der Ethernet-MAC-Schicht zu dem Ethernet-Hub.
hub_rx1	Das hub_rx1-Modul ist der Punkt-zu-Punkt-Empfänger von dem Ethernet-Hub zu der Ethernet-MAC-Schicht.
PPP_SNDCF_(2- 7)	Die PPP_SNDCF_(2-7) sind Konvergenzfunktionen zwischen IP- und den Punkt-zu-Punkt-Protokoll-Verbindungen (PPP).
Pp_xmit(2-7)	Die Pp_xmit(2-7)-Module sind die Punkt-zu-Punkt-Sender von einer PPP_SNDCF_(2-7)-Modulgruppe zu einer anderen PPP_SNDCF_(2-7)-Modulgruppe, um Pakete mit 20 Megabits pro Sekunde (Mbps) zu übertragen.
Pp_rcv(2-7)	Die Pp_rcv(2-7)-Module sind die Punkt-zu-Punkt-Empfänger von einem PPP_SNDCF_(2-7)-Modul zu einem anderen PPP_SNDCF_(2-7)-Modul, um Pakete mit 20 Megabits pro Sekunde (Mbps) zu empfangen.
Cvs	Das Cvs-Modul wird von der Versionskontrolle verwendet, um die Modellversionsnummer nachzuverfolgen.

Die simulierten Bedingungen umfassten ein dynamisches Szenario mit einer Datenverkehrslast, dem OSPF-Protokoll und Verbindungen 18, die mit Unterbrechungen funktionsfähig und funktionsunfähig wurden. Dieses Szenario wurde ferner ohne die Datenverkehrslast verwendet, um den mit der Leitweglenkung gemäß der vorliegenden Erfindung im Kommunikationsnetz verbundenen Overhead zu bestimmen. Die Werte der OSPF-Parameter für die Simulation wurden so ausgewählt, dass die Leitweglenktechnik verifiziert wurde, und haben nicht unbedingt optimale Werte. Die Schnittstellen, die das OSPF-Protokoll in der Simulation implementieren, waren für Punkt-zu-Punkt- im Gegensatz zu Rundfunk-Übertragungen konfiguriert. Die verschiedenen OSPF-Parameter und die entsprechenden Werte, die für die Simulation verwendet wurden, sind nur als Beispiel nachfolgend in Tabelle III beschrieben.
Tabelle III: Beispielhafte OSPF-Parameter
Jeder Satellit 10 in dem Simulationsszenario übertrug eine Gruppe von Mitteilungen zu anderen Satelliten innerhalb des Netzes. Die Quelle und der Bestimmungsort jeder Mitteilung waren unter den Netzsatelliten gleichmäßig verteilt. Die Mitteilungsspeicherkapazität betrug annähernd 500 Bytes, wobei die Mitteilungen in Übereinstimmung mit dem User Datagram Protocol (UDP) übertragen wurden. Die Mitteilungslast für jeden Satelliten betrug annähernd 24 Mitteilungen pro Minute. Eine Bestätigung mit annähernd 40 Byte wurde durch eine Satellitenanwendungsschicht in Reaktion auf jede erfolgreich empfangene Mitteilung übertragen. Die simulierte Last ist ausreichend, um den Betrieb der Netz-Leitweglenkung für die erfolgreiche Vollendung aller Mitteilungen zu verifizieren.
Das Simulationsszenario steuerte Querverbindungen 16, 18, um die Satellitenbewegungen zu simulieren. Im einzelnen wurden die Querverbindungen 16 während der Simulation freigegeben, während die Querverbindungen 18 als eine Funktion der Simulationszeit gesteuert (z. B. funktionsfähig und funktionsunfähig gemacht) wurden. Die Netz-Anschlussfähigkeit als Funktion der Zeit ist im Rahmen eines Beispiels in der nachfolgenden Tabelle IV beschrieben.
Tabelle IV: Netz-Anschlussfähigkeitsmatrix
Die oberste Zeile der Tabelle bezeichnet die Zeit und die Verbindungskennungen. Beispielsweise bezeichnet die Verbindungskennung "01-09" die Verbindung zwischen Satelliten IP_1 und IP_9 in der vorstehend beschriebenen 3. Die erste Tabellenspalte bezeichnet die Simulationszeit, während die Tabelleneinträge den Status (z. B. funktionsfähig oder funktionsunfähig) der der entsprechenden Verbindungskennung zu der angegebenen Simulationszeit zugewiesenen Verbindung bezeichnen (z. B. bezeichnet eine "1" die Funktionsfähigkeit einer Verbindung, während eine "0" anzeigt, dass die Verbindung funktionsunfähig ist).
Die Topologievorhersagefunktion wurde in der Simulation so konfiguriert, dass sie Nachbarpakete über den Paketfilter annähernd 6 Sekunden, bevor eine Querverbindung 18 funktionsunfähig wurde, blockierte. Der Paketfilter verwarf diese Pakete, bis er von der Topologievorhersagefunktion annähernd 5 Sekunden, nachdem die Verbindung funktionsunfähig wurde, angewiesen wurde, diese Aktivität zu beenden. Der Zeitraum von sechs Sekunden stellt die Summe einer Totzeit D von fünf Sekunden und eines Intervalls T von einer Sekunde zur Berechnung von Leitwegen wie vorstehend beschrieben dar. Ein Beispiel dieser Wechselwirkung ist in der nachstehenden Tabelle V dargelegt.
Tabelle V: TPF-Dynamik
Genauer ausgedrückt zeigt die Tabelle an, dass vorhergesagt wird, dass die Verbindung (z. B. an IP-Kanal fünf verbunden) zwischen den Satelliten IP_1 und IP_18 in Kürze funktionsunfähig wird. Diese Vorhersage wird zu der Zeit 594,0 Sekunden bestimmt, womit angegeben wird, dass die Verbindung zur Summe der Vorhersagezeit (z. B. 594,0 Sekunden), der Totzeit (z. B. fünf Sekunden) und des Berechnungsintervalls (z. B. eine Sekunde) wie vorstehend beschrieben, oder zu einer Zeit 600,0 Sekunden (Tabelle IV) funktionsunfähig wird. Die Topologievorhersagefunktion wartet auf den Ablauf einer nachfolgenden Totzeit (z. B. die Summe von 600,0 Sekunden und eine Totzeit von fünf Sekunden) oder bis zu einer Zeit 605,5 Sekunden, um die Paketfilter der Satelliten IP_1 und IP_18 anzuweisen, dass Verwerfen der Nachbarpakete zu beenden (z. B. eine "0" in der Schalter-Spalte für die Satelliten IP_1 und IP_18 zu der Zeit 594,0 Sekunden zeigt den Empfang und die Übertragung von Paketen an, während eine "1" in der Schalter-Spalte für diese Satel liten zu einer Zeit 605,0 Sekunden anzeigt, dass die Pakete unmittelbar vor dem Empfang von Anweisungen, diese Aktivität zu beenden, verworfen werden).
Die Simulationsergebnisse ergaben Overhead-Informationen der Leitweglenkung gemäß vorliegender Erfindung in dem Kommunikationsnetz. Die Lastinformationen von der Simulation sind in 5A–5C grafisch dargestellt. Diese Figuren zeigen im wesentlichen eine Kurve der OSPF-Verkehrslast auf Querverbindungen zwischen Satelliten IP_1 und IP_18 (z. B. mit 01-18 bezeichnet), zwischen Satelliten IP_17 und IP_25 (z. B. mit 17-25 bezeichnet) und zwischen Satelliten IP_25 und IP_1 (z. B. mit 25-01 bezeichnet) des Kommunikationsnetzes. Die Verbindung 25-01 stellt eine Querverbindung 16 innerhalb der Ringtopologie dar, während die Verbindungen 01-18 und 17-25 Verbindungen 18 der Satelliten in Sichtverbindung darstellen. Tabelle IV gibt an, dass die Querverbindung 17-25 zu der Zeit 595,0 Sekunden funktionsfähig ist, während die Querverbindung 01-18 zu der Zeit 600,0 Sekunden funktionsunfähig wird. Dies wird in 5A und 5B durch den fehlenden Durchsatz während der Verbindungs-Funktionsunfähigkeit bestätigt. Da die Verbindung 25-01 eine Ringtopologieverbindung ist, bleibt die Verbindung funktionsfähig und ergibt Durchsatz während der Simulation, wie 5C zeigt.
Der in 5A–5C angegebene Durchsatz wird in Übereinstimmung mit einem Zehn-Sekunden-Fenster bestimmt und wird zu einer Zeit t Sekunden wie folgt berechnet:
worin Δt die Fensterdauer (z. B. auf 10 Sekunden eingestellt) ist, N(t) die Menge der Mitteilungen in einem Fenster bei t Sekunden ist und S_n(t) die Speicherkapazität (z. B. in Bits) der n^ten Mitteilung in einem Fenster bei t Sekunden ist.
Die Kurven geben den Durchsatz auf einer einzigen Seite einer Duplex-Verbindung an. Beispielsweise zeigt 5A den OSPF-Durchsatz vom Satelliten IP_1 zum Satelliten IP_18, während 5B den OSPF-Durchsatz vom Satelliten IP_17 zum Satelliten IP_25 angibt. 5C gibt den OSPF-Durchsatz vom Satelliten IP_25 zum Satelliten IP_1 an. Der in den Kurven angegebene maximale Durchsatz ist annähernd 3000 Bits pro Sekunde (bps), was annähernd 0,015% der verfügbaren Bandbreite einer Querverbindung mit 20 Millionen Bits pro Sekunde beträgt, wie nachfolgend gezeigt wird.
Prozentsatz der Overhead-Bandbreite = 100 X 3000 bps/20.000 bps = 0,015% Die Simulationsresultate zeigten an, dass dann, wenn die Topologievorhersagefunktion funktionsfähig war, das Netz eine vollständige Mitteilungsvollendung erreichte. Somit arbeitete die Leitweglenkung gemäß vorliegender Erfindung so, dass Mitteilungen auf neue Leitwege geleitet wurden, bevor Verbindungen funktionsunfähig wurden, wodurch verhindert wurde, dass das IP-Protokoll Pakete auf funktionsunfähige Verbindungen leitet. Wenn die Topologievorhersagefunktion außer Funktion war, erlitt das Netz Paketverluste mit einer Mitteilungsvollendungsrate von annähernd 98%. Die Mitteilungen wurden verloren, da das IP-Protokoll Pakete auf funktionsunfähige Verbindungen leitete, bevor das OSPF-Protokoll die funktionsunfähige Verbindung erfasste, und zwar über den herkömmlichen Totzeit-Zeitgeber und das Aktualisieren der IP-Leitweglenkungstabelle.
Das OSPF oder ein anderes Leitweglenkungsprotokoll in Kombination mit der Topologievorhersage und dem Paketfilter gemäß vorliegender Erfindung bietet einen Leitweglenkmechanismus, der in angemessener Weise der dynamischen Natur eines Systems gerecht wird. Die vorliegende Erfindung nutzt vorteilhaft a priori-Kenntnisse der Netztopologie als eine Funktion der Zeit oder der geographischen Satellitenpositionen, um die Leitweglenkungsleistung zu verbessern. Die Leitweglenkungsleistung wurde durch eine Analyse der Ereignis-Zeitgebung und ein Simulationstool verifiziert. Die Simulation zeigte an, dass der OSPF-Overhead in dem Netz in einem dynamischen Szenario deutlich geringer (z. B. ein geringer Prozentsatz) als die verfügbare Bandbreite ist und dass die Leitweglenkung gemäß vorliegender Erfindung verhindert, dass das IP-Protokoll Pakete während des Systembetriebs (z. B. ohne Systemausfälle) zu funktionsunfähigen Schnittstellen leitet. Wenn ein Systemausfall auftritt, leitet die vorliegende Erfindung Pakete über das OSPF-Protokoll um die Ausfälle herum. Dies führt zu einer verbesserten Leitweglenkung, die das OSPF-Protokoll mit einer Funktionalität kombiniert, die verfügbare und bekannte Netztopologieinformationen vorteilhaft nutzt.
Es versteht sich, dass die vorstehend beschriebenen und in den Zeichnungen erläuterten Ausführungsformen nur einige wenige der vielen Arten der Implementierung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Leitweglenkung von Informationen in Satellitenkommunikationsnetzen darstellen.
Das Netz kann durch jede Art von Netz implementiert werden, in dem Ausfallzeiten oder Topologieveränderungen vorhergesagt werden können. Das Netz kann eine beliebige Menge von beliebigen herkömmlichen oder anderen Satelliten (z. B. in niedriger Umlaufbahn etc.), Bodenstationen oder anderen Netzknoten umfassen, die in jeder gewünschten Art und an beliebigen Stellen angeordnet sind. Die Satelliten und die Bodenstationen können jede beliebige Menge beliebiger Arten von Verbindungen (z. B. Uplink-Verbindungen, Downlink-Verbindungen, Querverbindungen etc.) umfassen, um die Kommunikation zu erleichtern. Die Verbindungen können jedes geeignete Kommunikationsmedium (z. B. Funk oder eine andere Signalenergie jeder gewünschten Frequenz, verschiedene Übertragungsmedien etc.) verwenden. Die vorliegende Erfindung kann auf jedes herkömmliche oder andere Leitweglenkungsprotokoll angewandt werden, das eine Sondierung durchführt (z. B. die Topologie und die Existenzfähigkeit von Verbindungen bestimmt).
Die Leitweglenkvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung kann eine beliebige Quantität aufweisen und kann durch jede herkömmliche oder andere Leitweglenkvorrichtung oder -einheit implementiert werden. Die Leitweglenkvorrichtungen können über die verschiedenen Verbindungen über jedes beliebige Kommunikationsmedium (z. B. Funk oder andere Energiesignale der gleichen oder verschiedener Frequenzen) kommunizieren. Die Leitweglenkvorrichtung kann jedes geeignete Leitweglenkungsprotokoll (z. B. OSPF, Verbindungsstatus, Distanzvektor etc.) verwenden. Die vorliegende Erfindung kann jede gewünschte Information und Kenntnisse hinsichtlich der Netztopologie verwenden, wobei die Information auf beliebigen geeigneten Kriterien basieren kann (z. B. Zeit, Position etc.). Die Leitweglenkungs-Datenbanken und die Leitweglenkungstabelle können durch jede Quantität jeder herkömmlichen oder anderen Speicherstruktur implementiert sein (z. B. Datenbank, Tabelle, Datei, Aufzeichnung, Anordnung, Datenstruktur etc.). Die Nachschlagetabelle zum Speichern der a priori-Kenntnisse kann durch jede Quantität herkömmlicher oder anderer Spei cherstrukturen (z. B. Datenbank, Tabelle, Datei, Aufzeichnung, Anordnung, Datenstruktur etc.) implementiert sein.
Die Leitweglenkvorrichtungsmodule können in Software oder Hardware oder in beliebigen Kombinationen daraus implementiert sein. Die Leitweglenkvorrichtungsmodule können in jeder beliebigen Weise angeordnet sein, während in Software implementierte Module in jeder beliebigen Computersprache implementiert sein können. Die Leitweglenkvorrichtung kann jede Quantität jedes herkömmlichen oder anderen Prozessors (z. B. Mikroprozessor, Controller etc.) oder Schaltung umfassen, um in Software implementierte Module auszuführen und/oder Hardwaremodule zu verwirklichen. Die Funktionen der Leitweglenkvorrichtungsmodule können in jeder Weise unter jeder Quantität von Software- und/oder Hardwaremodulen innerhalb oder außerhalb der Leitweglenkvorrichtung verteilt sein. Beispielsweise kann eine separate Einheit in Kommunikation mit der Leitweglenkvorrichtung verwendet werden, um die Topologievorhersage- und Filterfunktionen zu implementieren. Es versteht sich, dass der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Computertechnik die in Software implementierten Module gemäß vorliegender Erfindung auf der Grundlage der hierin enthaltenen Zeichnungen, Tabellen und Funktionsbeschreibungen entwickeln könnte. Ferner können die Leitweglenkungsfunktionen und verschiedene Leitweglenkvorrichtungs- oder Modulfunktionen gemäß vorliegender Erfindung in beliebiger Weise modifiziert werden, um die hierin beschriebenen Funktionen zu erhalten.
Die Leitweglenkvorrichtung kann jede Quantität jeder Art von Anwendungen (z. B. Satellit, Leitweglenkvorrichtung, Bodenstation, Protokolle etc.) oder Anwendungsmodulen und jede Quantität jeder Art von Transportprotokollen (z. B. TCP, UDP etc.) enthalten. Die Leitweglenkvorrichtung kann jede Quantität von Ports für jede Quantität oder jede Art von Kommunikation oder andere Einrichtungen (z. B. Empfänger, Sender, Transceiver etc.) enthalten. Die Transceiver können durch jede Quantität von herkömmlichen oder anderen Transceivern oder Kombinationen von Empfängern und Sendern implementiert sein und können in jeder gewünschten Art und Weise Informationen codieren, modulieren, senden und/oder empfangen.
Die Topologievorhersagefunktion kann jede gewünschte Information oder Kenntnis nutzen, um die Funktionsunfähigkeit von Verbindungen vorherzusagen (z. B. geographische Position, Zeit, Orbit etc.). Die vorstehend angegebenen verschie denen Zeiten oder Zeitintervalle (z. B. Vorhersage, Totzeit, Berechnungszeit etc.) können in jeder gewünschten Einheit oder Teilen davon eingestellt oder genutzt werden (z. B. Stunden, Minuten, Sekunden, Mikrosekunden, Nanosekunden etc.). Diese Zeiten oder Intervalle können auf jeden gewünschten Wert eingestellt sein, der zur Durchführung der Leitweglenkung ausreichend ist. Die Zeitlinie für die Leitweglenkung kann in jeder gewünschten Weise modifiziert werden, die den hierin beschriebenen Leitweglenkungsfunktionen gerecht wird. Die verschiedenen Zeitgeber (z. B. Totzeit-Zeitgeber) können durch jede Quantität von herkömmlichen oder anderen Zeitgebern implementiert werden und können durch Software- und/oder Hardwaremodule oder beliebige Kombinationen daraus implementiert werden.
Die Nachschlagetabelle oder andere Speicherstruktur, die die Vorhersagekenntnisse speichert, kann jede gewünschte Information für jeden gewünschten Zeitintervall (z. B. Stunden, Tage, Monate etc.) enthalten. Die Topologievorhersagefunktion kann den Paketfilter über das Verwerfen und Akzeptieren von Paketen über jedes geeignete Benachrichtigungsschema (z. B. Mitteilungen, Unterbrechungen etc.) benachrichtigen. Der Intervall zwischen der Funktionsunfähigkeit einer Verbindung und der Freigabe des Paketfilters für das Akzeptieren von Paketen kann auf jeden gewünschten Intervall eingestellt sein (z. B. Totzeit oder jeder andere gewünschte Zeitintervall), um mögliche Inkonsistenzen der Zeitgebung auszugleichen.
Der Paketfilter kann Pakete auf der Grundlage jeder gewünschten Information (z. B. Paket-Headerinformation, Informationen innerhalb von Paketdaten etc.) identifizieren und verwerfen. Der Paketfilter kann Pakete für jede beliebige Menge von Verbindungen verwerfen und akzeptieren. Die von dem Netz übertragenen Pakete können jede beliebige Art, jedes Format oder jede Größe haben.
Die Simulation kann durch jedes herkömmliche oder andere Simulationstool durchgeführt werden. Die Simulation kann unter Verwendung von beliebigen Szenarien (z. B. Topologieveränderung), Modellen, Leitweglenkungs- oder anderen Parametern, Lasten (z. B. Mitteilungen pro Zeitintervall) und/oder Verteilungen von Quelle und Bestimmungsorten unter den Knoten durchgeführt werden. Der simulierte oder tatsächliche Durchsatz kann auf der Grundlage jedes gewünschten Fensters jeder beliebigen Dauer gemessen werden. Die Simulation kann mit Mitteilungen und/oder Bestätigungen jeder Art, jedes Formats oder jeder Größe und/oder mit jedem gewünschten Protokoll (z. B. OSPF, UDP etc.) durchgeführt werden.
Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die hierin aufgezeigten Anwendungen beschränkt ist, sondern auf verschiedene Kommunikationsnetze und -protokolle angewandt werden kann, um die Leitweglenkung zu verbessern. Ferner kann die vorliegende Erfindung beliebige geeignete Bedingungen (z. B. Beendigung von Übertragung und Empfang von bestimmten Paketen, Veranlassen des Ablaufs von Zeitgebern etc.) innerhalb des Netzes herstellen, um ein Leitweglenkungsprotokoll zu veranlassen, Leitwege neu zu berechnen, um der Funktionsunfähigkeit von Verbindungen aufgrund von Topologieveränderungen oder anderen Netzbedingungen Rechnung zu tragen.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu erkennen, dass der Erfindung ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung zur Leitweglenkung von Informationen in Satellitenkommunikationsnetzen verfügbar macht, bei welchen die Funktionsunfähigkeit von Verbindungen auf der Grundlage von bekannten Topologieinformationen vorhergesagt wird und Bedingungen eingerichtet werden, die ein Leitweglenkungsprotokoll veranlassen, alternative Leitwege vor der Funktionsunfähigkeit der Verbindungen zu bestimmen.
Nachdem bevorzugte Ausführungsformen eines neuen und verbesserten Verfahrens sowie einer Vorrichtung zur Leitweglenkung von Informationen in Satellitenkommunikationsnetzen beschrieben wurden, wird davon ausgegangen, dass unter Berücksichtigung der hierin dargelegten Lehre dem Durchschnittsfachmann weitere Modifikationen Variationen und Veränderungen nahe gelegt werden. Daher versteht es sich, dass alle derartigen Variationen, Modifikationen und Veränderungen als in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung gemäß der Definition in den beigefügten Patentansprüche fallend betrachtet werden.

Claims

Kommunikationseinheit zum Übertragen und Empfangen von Mitteilungen in einem Kommunikationsnetz, in dem Kommunikationsverbindungen (16, 18, 20, 22) zeitweilig funktionsunfähig werden, welche Kommunikationseinheit enthält: eine Kommunikationsvorrichtung zum Übertragen einer abgehenden Mitteilung zu mindestens einer anderen Kommunikationseinheit (12, 10) in dem Netz und zum Empfangen einer ankommenden Mitteilung von mindestens einer anderen Kommunikationseinheit (12, 10) in dem Netz; und eine Leitweglenkvorrichtung (14), um abgehende Mitteilungen in dem Netz zu entsprechenden Bestimmungsorten zu leiten, wobei in die Leitweglenkvorrichtung enthält: ein Protokollmodul (36), um die Leitweglenkung von Mitteilungen in dem Netz in Übereinstimmung mit einem Leitweglenkungsprotokoll (40) zu erleichtern, wobei das Protokollmodul ein Netzmodul enthält, um Leitwege innerhalb des Netzes für die Übertragung der abgehenden Mitteilungen zu den entsprechenden Bestimmungsorten zu bestimmen, und wobei das Leitweglenkungsprotokoll die Neuberechnung der Leitwege innerhalb des Netzes durch das Netzmodul ansprechend auf das Auftreten eines bestimmten Zustands, der die Funktionsunfähigkeit einer Kommunikationsverbindung anzeigt, erleichtert; und ein Leitwegerzeugungsmodul (38, 42), um den bestimmten Zustand in dem Netzzustand, der die Funktionsunfähigkeit einer Kommunikationsverbindung anzeigt, vor der tatsächlichen Funktionsunfähigkeit dieser Kommunikationsverbindung einzurichten, um das Netzmodul in die Lage zu versetzen, die Leitwege auf der Basis der und vor der Funktionsunfähigkeit der Kommunikationsverbindung in Übereinstimmung mit dem Leitweglenkungsprotokoll neu zu berechnen.
Kommunikationseinheit nach Anspruch 1, bei welcher das Netz mehrere Kommunikationseinheiten enthält, wobei mindestens zwei der Kommunikati onseinheiten Satelliten (10) sind und mindestens eine der Kommunikationseinheiten eine Bodenstation (12) ist.
Kommunikationseinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welcher das Protokollmodul periodisch Nachbarpakete überträgt, um die Kommunikationsverbindungen mit anderen Kommunikationseinheiten (12, 10) zu verifizieren, und bei welcher der bestimmte Zustand das Fehlen der Übertragung und des Empfangs der Nachbarpakete innerhalb eines entsprechenden Intervalls ist.
Kommunikationseinheit nach Anspruch 3, bei welcher das Leitwegerzeugungsmodul enthält: ein Vorhersagemodul (38) zum Prüfen von Informationen im Zusammenhang mit bekannten Veränderungen einer Netztopologie und zum Vorhersagen des Auftretens einer Funktionsunfähigkeit einer Kommunikationsverbindung aufgrund einer bekannten Veränderung der Netzwerktopologie vor der tatsächlichen Funktionsunfähigkeit dieser Kommunikationsverbindung; und ein Filtermodul (42), das auf das Vorhersagemodul anspricht und die von der vorhergesagten Kommunikationsverbindung empfangenen oder zur Übertragung über die vorhergesagte Kommunikationsverbindung vorgesehenen Nachbarpakete verwirft, wobei das Verwerfen der Nachbarpakete den bestimmten Zustand herstellt und das Netzmodul veranlasst, Leitwege in dem Netz in Reaktion auf das Leitweglenkungsprotokoll neu zu berechnen.
Verfahren zum Übertragen und Empfangen von Mitteilungen in einem Kommunikationsnetz, das eine Vielzahl von Kommunikationseinheiten (10, 12) enthält, wobei Kommunikationsverbindungen (16, 18, 20, 22) zwischen Kommunikationseinheiten zeitweilig funktionsunfähig werden, enthaltend die Schritte: (a) Leitweglenkung von abgehenden Mitteilungen in dem Netz zu entsprechenden Bestimmungsorten in Übereinstimmung mit einem Leitweglenkungsprotokoll, wobei die Leitweglenkung das Bestimmen von Leitwe gen in dem Netz einschließt und das Leitweglenkungsprotokoll die Neuberechnung der Leitwege in dem Netz ansprechend auf das Auftreten eines bestimmten Zustands, der die Funktionsunfähigkeit einer Kommunikationsverbindung anzeigt, erleichtert; und (b) Herstellen des bestimmten Zustands in dem Netz, der die Funktionsunfähigkeit einer Kommunikationsverbindung anzeigt, vor der tatsächlichen Funktionsunfähigkeit dieser Kommunikationsverbindung, um die Neuberechnung der Leitwege auf der Basis der und vor der Funktionsunfähigkeit der Kommunikationsverbindung in Übereinstimmung mit dem Leitweglenkungsprotokoll zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das Kommunikationsnetz ein Satellitenkommunikationsnetz ist und bei welchem eine Vielzahl der Kommunikationseinheiten Satelliten (10) sind und mindestens eine der Kommunikationseinheiten eine Bodenstation (12) ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei welchem die Kommunikationseinheiten (10, 12) periodisch Nachbarpakete übertragen, um Kommunikationsverbindungen mit anderen Kommunikationseinheiten zu verifizieren, wobei der bestimmte Zustand das Fehlen der Übertragung und des Empfangs der Nachbarpakete innerhalb eines entsprechenden Intervalls ist, und Schritt (b) ferner enthält: (b.1) Sperren der Übertragung und des Empfangs der Nachbarpakete durch die Kommunikationseinheiten vor dem Auftreten der Funktionsunfähigkeit einer Kommunikationsverbindung, um die Neuberechnung der Leitwege basierend auf der Funktionsunfähigkeit der Kommunikationsverbindung in Übereinstimmung mit dem Leitweglenkungsprotokoll zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem Schritt (b.1) ferner enthält: (b.1.1) Prüfen von Informationen, die mit bekannten Veränderungen der Netztopologie in Zusammenhang stehen, und Vorhersagen des Auftretens der Funktionsunfähigkeit einer Kommunikationsverbindung aufgrund einer bekannten Veränderung der Netztopologie vor der tatsächlichen Funktionsunfähigkeit dieser Kommunikationsverbindung; und (b.1.2) Verwerfen der von der vorhergesagten Kommunikationsverbindung empfangenen oder zur Übertragung über die vorhergesagte Kommunikationsverbindung vorgesehenen Nachbarpakete ansprechend auf die Vorhersage, wobei das Verwerten der Nachbarpakete den bestimmten Zustand herstellt und die Neuberechnung der Leitwege in dem Netz in Übereinstimmung mit dem Leirweglenkungsprotokoll verursacht.
Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem Schritt (b.1) ferner enthält: (b.1.3) Verarbeiten der von der vorhergesagten Kommunikationsverbindung empfangenen oder zur Übertragung über die vorhergesagte Kommunikationsverbindung vorgesehenen Nachbarpakete ansprechend auf das Ablaufen eines Intervalls nach der Funktionsunfähigkeit der vorhergesagten Kommunikationsverbindung, um das Erfassen der Wiederherstellung der vorhergesagten Kommunikationsverbindung durch das Leitweglenkungsprotokoll zu erleichtern.