本發(fā)明屬于數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于geo/leo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法。

背景技術(shù)：

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，空間衛(wèi)星技術(shù)在國(guó)防和民用領(lǐng)域也得到了快速的發(fā)展。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在地理勘測(cè)、氣象預(yù)警、自然災(zāi)害救援以及通信等方面有廣泛的應(yīng)用。同地面網(wǎng)絡(luò)相比，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不受高山、河流以及建筑物等地理環(huán)境的限制，能夠在廣闊的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。衛(wèi)星間進(jìn)行通信時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸介質(zhì)可視為真空，傳輸環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊戄^小，同時(shí)空間網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的距離較遠(yuǎn)，傳輸時(shí)延對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊戄^為顯著。在空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，leo衛(wèi)星距地面較近，繞地循環(huán)周期較短，能夠很好的進(jìn)行地理、氣象信息的收集。同時(shí)，leo衛(wèi)星的循環(huán)周期短、移動(dòng)速度快以及覆蓋面積小等特點(diǎn)也導(dǎo)致了向地面發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間很短，通常只有幾分鐘，因此在短時(shí)間內(nèi)leo衛(wèi)星很難將收集的數(shù)據(jù)傳向地面。地球同步軌道衛(wèi)星在數(shù)據(jù)傳輸、覆蓋區(qū)域等方面具有良好的性能，只需要三顆衛(wèi)星即可對(duì)地球中低緯地區(qū)實(shí)現(xiàn)覆蓋，通過(guò)地球同步軌道衛(wèi)星與leo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合通信，采用合適的無(wú)線中繼策略能夠?qū)eo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。當(dāng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用于通信時(shí)，通信的信息具有多樣性，對(duì)傳輸鏈路情況有著不同的需求。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化比較快，采用基于靜態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)路由算法選取的路徑，放眼于在全局時(shí)，則不一定是最優(yōu)的路徑。一種基于geo中繼網(wǎng)絡(luò)的dtn路由算法，該算法通過(guò)對(duì)下一跳路由的實(shí)時(shí)更新，并根據(jù)預(yù)計(jì)交付時(shí)間和預(yù)計(jì)交付成本來(lái)獲取傳輸?shù)淖顑?yōu)路徑。在geo/leo雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的路由算法，該路由算法通過(guò)流量傳輸均衡和區(qū)域劃分的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，在該算法中由軌道頭結(jié)點(diǎn)對(duì)本軌道的路由進(jìn)行管理。然而，由于衛(wèi)星的移動(dòng)性，使得軌道頭結(jié)點(diǎn)無(wú)法一直處于geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)。結(jié)合leo衛(wèi)星的實(shí)時(shí)傳輸信息的優(yōu)點(diǎn)與geo衛(wèi)星較強(qiáng)計(jì)算能力的優(yōu)點(diǎn)，提出了sara(自治路由算法)算法。利用isl(星間鏈路)的連通性規(guī)則來(lái)劃分網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜陀?jì)算路由。算法具有自治性，具有更好的抗毀性，可以減少信息負(fù)載，增加數(shù)據(jù)包的正確傳輸率，提高了網(wǎng)絡(luò)處理故障節(jié)點(diǎn)的能力。一種基于流量預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)路由算法—tpdr算法，該算法具有雙層架構(gòu)，包括leo層和geo層，tpdr算法支持新的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)基于流量的預(yù)測(cè)防止管理節(jié)點(diǎn)超負(fù)荷。主要解決2個(gè)問(wèn)題：處理動(dòng)態(tài)接入新節(jié)點(diǎn)問(wèn)題、解決管理節(jié)點(diǎn)負(fù)載問(wèn)題。tpdr算法可以支持新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)中，可以保證高實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)完整性，可以減少端到端的時(shí)延，可以減少丟包率。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題是：leo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間短。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于geo/leo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于geo/leo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法，所述基于geo/leo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法包括以下步驟：

步驟一，geo衛(wèi)星定期地向外發(fā)送hello數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中包含有g(shù)eo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的id以及其他字段；

步驟二，當(dāng)leo接收到geo發(fā)送的hello數(shù)據(jù)包后，計(jì)算數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中的時(shí)延值，若leo收到多個(gè)hello數(shù)據(jù)包，則比較不同geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延，傳輸時(shí)延小，則表明geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)距l(xiāng)eo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)較近；傳輸時(shí)延大，則表明geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)距l(xiāng)eo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)；

步驟三，當(dāng)leo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)沒(méi)有g(shù)eo接入衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)時(shí)，則通過(guò)同軌道衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼傳輸；傳遞過(guò)程中以跳數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的傳輸距離；

步驟四，當(dāng)geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)接收到leo衛(wèi)星傳來(lái)的數(shù)據(jù)包，判斷l(xiāng)eo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)包中的接入衛(wèi)星字段：acc_geo是否為本衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，若不是，則將數(shù)據(jù)包刪除；若是，進(jìn)入步驟五；

步驟五，判斷本衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的id是否為3或4節(jié)點(diǎn)，若id_self＝3或4，則將數(shù)據(jù)包向地面轉(zhuǎn)發(fā)，若id_self＝1，則將數(shù)據(jù)包傳輸向4節(jié)點(diǎn)，若id_self＝2，則將數(shù)據(jù)傳向3節(jié)點(diǎn)；

步驟六，地面站接受geo傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

進(jìn)一步，所述步驟二中傳輸時(shí)延的計(jì)算公式如下式所示：

di＝ttemp-tcreat(pkt)(1)

di為leo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)收到geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延，geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的id為i，ttemp為當(dāng)前仿真時(shí)間，tcreat(pkt)為數(shù)據(jù)包的創(chuàng)建時(shí)間。

最小傳輸時(shí)延dmin的獲取如下所示：

dmin＝min{di,dj,......}(2)

d為選擇傳輸時(shí)延最小的geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)作為leo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕尤牍?jié)點(diǎn)。

進(jìn)一步，所述步驟三中在傳遞的數(shù)據(jù)包中，有跳數(shù)字段num_hop，當(dāng)數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)，num_hop＝0，數(shù)據(jù)包每經(jīng)過(guò)一個(gè)leo節(jié)點(diǎn)，判斷該leo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)是否有g(shù)eo接入衛(wèi)星，若有g(shù)eo接入衛(wèi)星，則將數(shù)據(jù)包發(fā)往geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，如沒(méi)有g(shù)eo接入衛(wèi)星，num_hop加1，繼續(xù)向同軌道衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼。當(dāng)num_hop＝3時(shí)，依舊沒(méi)有向geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則將數(shù)據(jù)包丟棄。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述基于geo/leo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法使用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，所述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ蜑間eo/leo雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型；通過(guò)geo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲荆辉诰W(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ椭校琹eo衛(wèi)星數(shù)量為11*2顆，采用兩條低軌衛(wèi)星軌道，每條衛(wèi)星軌道上的衛(wèi)星個(gè)數(shù)為11顆，geo衛(wèi)星則使用地球同步軌道衛(wèi)星，數(shù)量為4顆。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述基于geo/leo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法使用的業(yè)務(wù)傳輸模型，所述業(yè)務(wù)傳輸模型使用low、mid、high三種數(shù)據(jù)發(fā)送速率來(lái)模擬三種業(yè)務(wù)類(lèi)型。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述基于geo/leo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法使用的路由機(jī)制，所述路由機(jī)制采用固定路由的方式。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種應(yīng)用所述基于geo/leo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法的通信衛(wèi)星。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及積極效果為：提出了一種基于geo/leo雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型。將地球同步衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了對(duì)leo衛(wèi)星中產(chǎn)生數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，并針對(duì)多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)了一種路由機(jī)制，在該路由機(jī)制中，考慮了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓?，?shí)現(xiàn)了對(duì)接入衛(wèi)星的實(shí)時(shí)更新與檢測(cè)。對(duì)提出的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)模型在數(shù)據(jù)傳輸上的可靠性，并對(duì)多業(yè)務(wù)模式進(jìn)行了仿真。針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)易受攻擊的特點(diǎn)，以常見(jiàn)的飽和攻擊為例，仿真了對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行攻擊的情況，可以得到不同節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響的評(píng)估。本發(fā)明則基于geo/leo雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)定期地更新leo的接入geo衛(wèi)星來(lái)保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于geo/leo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法流程圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的leo衛(wèi)星數(shù)據(jù)的傳輸選擇示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的geo衛(wèi)星層中的數(shù)據(jù)傳輸示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的兩種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率示意圖；

圖中：(a)均勻產(chǎn)生速率；(b)泊松分布的產(chǎn)生速率。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型中的數(shù)據(jù)包吞吐率示意圖。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的丟包率示意圖。

圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延示意圖。

圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的時(shí)延抖動(dòng)示意圖。

圖9是本發(fā)明實(shí)施例提供的地面節(jié)點(diǎn)接受數(shù)據(jù)量變化示意圖。

圖10是本發(fā)明實(shí)施例提供的傳輸時(shí)延的變化示意圖。

圖11是本發(fā)明實(shí)施例提供的丟包率變化示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的基于geo/leo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法包括以下步驟：

s101：geo衛(wèi)星定期地向外發(fā)送hello數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中包含有g(shù)eo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的id以及其他字段；

s102：當(dāng)leo接收到geo發(fā)送的hello數(shù)據(jù)包后，計(jì)算數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中的時(shí)延值，若leo收到多個(gè)hello數(shù)據(jù)包，則比較不同geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延，傳輸時(shí)延小，則表明geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)距l(xiāng)eo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)較近；傳輸時(shí)延大，則表明geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)距l(xiāng)eo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)；

s103：當(dāng)leo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)沒(méi)有g(shù)eo接入衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)時(shí)，則通過(guò)同軌道衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼傳輸；傳遞過(guò)程中以跳數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的傳輸距離；

s104：當(dāng)geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)接收到leo衛(wèi)星傳來(lái)的數(shù)據(jù)包，判斷l(xiāng)eo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)包中的接入衛(wèi)星字段：acc_geo是否為本衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，若不是，則將數(shù)據(jù)包刪除；若是，進(jìn)入步驟s105；

s105：判斷本衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的id是否為3或4節(jié)點(diǎn)，若id_self＝3或4，則將數(shù)據(jù)包向地面轉(zhuǎn)發(fā)，若id_self＝1，則將數(shù)據(jù)包傳輸向4節(jié)點(diǎn)，若id_self＝2，則將數(shù)據(jù)傳向3節(jié)點(diǎn)；

s106：地面站接受geo傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步的描述：

1網(wǎng)絡(luò)模型

1.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?/p>

在本研究中采用geo/leo雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型，模型建立的意義是：leo收集相應(yīng)的地面數(shù)據(jù)，通過(guò)geo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿覈?guó)境內(nèi)的地面站。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ椭?，leo衛(wèi)星數(shù)量為11*2顆，采用兩條低軌衛(wèi)星軌道，每條衛(wèi)星軌道上的衛(wèi)星個(gè)數(shù)為11顆，geo衛(wèi)星則使用地球同步軌道衛(wèi)星，數(shù)量為4顆。

1.2業(yè)務(wù)傳輸模型

在現(xiàn)實(shí)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系中，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)類(lèi)型是多種多樣的，如：消息、文本、聲音、圖像以及視頻等。不同業(yè)務(wù)類(lèi)型的數(shù)據(jù)傳輸所要求的服務(wù)質(zhì)量則有很大的不同，文本、消息則對(duì)傳輸?shù)目煽啃杂泻芨叩囊螅瑢?duì)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性則要求不高，聲音、視頻則對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求很高。另外，不同類(lèi)型業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量也不相同。

在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型中，使用low、mid、high三種數(shù)據(jù)發(fā)送速率來(lái)模擬三種業(yè)務(wù)類(lèi)型，進(jìn)而來(lái)反映系統(tǒng)對(duì)三種業(yè)務(wù)類(lèi)型的處理能力。另外在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中將數(shù)據(jù)的產(chǎn)生速率分為均勻類(lèi)型與符合泊松分布類(lèi)型，均勻類(lèi)型用來(lái)模擬leo衛(wèi)星用于數(shù)據(jù)收集時(shí)，在正常的環(huán)境下，每個(gè)固定時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量；泊松分布類(lèi)型則用于模擬leo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)量在有波動(dòng)情況下，每個(gè)固定時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包量。

三種業(yè)務(wù)的產(chǎn)生速率如表1所示：

表1數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類(lèi)型

1.3衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的路由機(jī)制

(1)衛(wèi)星的傳輸選擇

在設(shè)計(jì)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型中，leo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)則主要負(fù)責(zé)信息數(shù)據(jù)的收集與發(fā)送，leo數(shù)據(jù)的收集過(guò)程則以數(shù)據(jù)的產(chǎn)生進(jìn)行模擬。當(dāng)leo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)后，則有兩種傳輸選擇，當(dāng)有接入geo衛(wèi)星時(shí)，向geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸；沒(méi)有g(shù)eo接入衛(wèi)星，則向leo衛(wèi)星進(jìn)行傳輸。如圖2所示。

geo層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星數(shù)量相對(duì)較為有限，因此采用固定路由的方式降低衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的傳輸開(kāi)銷(xiāo)。固定的傳輸過(guò)程如圖3所示。

如圖3所示，geo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的位置已經(jīng)確定。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中路由的情況如圖1所示，geo1的數(shù)據(jù)通過(guò)geo4進(jìn)行中繼傳輸，geo2的數(shù)據(jù)通過(guò)geo4進(jìn)行中繼傳輸，再由geo3和geo4發(fā)網(wǎng)絡(luò)地面站。

(2)數(shù)據(jù)傳輸方法

step1:geo衛(wèi)星定期地向外發(fā)送hello數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中包含有g(shù)eo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的id以及其他字段。

step2:當(dāng)leo接收到geo發(fā)送的hello數(shù)據(jù)包后，計(jì)算數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中的時(shí)延值，若leo收到多個(gè)hello數(shù)據(jù)包，則比較不同geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延，傳輸時(shí)延小，則表明geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)距l(xiāng)eo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)較近；傳輸時(shí)延大，則表明geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)距l(xiāng)eo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)。傳輸時(shí)延的計(jì)算公式如下所示：

di＝ttemp-tcreat(pkt)(1)

di為leo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)收到geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延，geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的id為i，ttemp為當(dāng)前仿真時(shí)間，tcreat(pkt)為數(shù)據(jù)包的創(chuàng)建時(shí)間。

最小傳輸時(shí)延dmin的獲取如下所示：

dmin＝min{di,dj,……}(2)

d為選擇傳輸時(shí)延最小的geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)作為leo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕尤牍?jié)點(diǎn)。

step3:當(dāng)leo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)沒(méi)有g(shù)eo接入衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)時(shí)，則通過(guò)同軌道衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼傳輸。傳遞過(guò)程中以跳數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的傳輸距離。在傳遞的數(shù)據(jù)包中，有跳數(shù)字段num_hop，當(dāng)數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)，num_hop＝0，數(shù)據(jù)包每經(jīng)過(guò)一個(gè)leo節(jié)點(diǎn)，判斷該leo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)是否有g(shù)eo接入衛(wèi)星，若有g(shù)eo接入衛(wèi)星，則將數(shù)據(jù)包發(fā)往geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，如沒(méi)有g(shù)eo接入衛(wèi)星，num_hop加1，繼續(xù)向同軌道衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼。當(dāng)num_hop＝3時(shí)，依舊沒(méi)有向geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則將數(shù)據(jù)包丟棄。

step4:當(dāng)geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)接收到leo衛(wèi)星傳來(lái)的數(shù)據(jù)包。首先，判斷l(xiāng)eo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)包中的接入衛(wèi)星字段：acc_geo是否為本衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，若不是，則將數(shù)據(jù)包刪除；若是，進(jìn)入步驟5。

step5:判斷本衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的id是否為3或4節(jié)點(diǎn)，若id_self＝3或4，則將數(shù)據(jù)包向地面轉(zhuǎn)發(fā)，若id_self＝1，則將數(shù)據(jù)包傳輸向4節(jié)點(diǎn)，若id_self＝2，則將數(shù)據(jù)傳向3節(jié)點(diǎn)。

step6:地面站接受geo傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

通過(guò)以上步驟，實(shí)現(xiàn)了將leo衛(wèi)星中收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲?。然而由于衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性導(dǎo)致leo衛(wèi)星的接入geo衛(wèi)星經(jīng)常發(fā)生變化。因此需要定期地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更新。具體情況為：geo衛(wèi)星需要定期地向外發(fā)送hello數(shù)據(jù)包，leo衛(wèi)星中每隔相同時(shí)間更新一次相應(yīng)的geo接入衛(wèi)星。

下面結(jié)合仿真與性能分析對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用效果做詳細(xì)的描述。

1仿真與性能分析

1.1網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估指標(biāo)

在本研究中使用的geo/leo雙層網(wǎng)絡(luò)模型，主要用于進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集與傳輸，在網(wǎng)絡(luò)模型中評(píng)價(jià)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的性能主要從吞吐量、時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延抖動(dòng)和丟包率來(lái)進(jìn)行評(píng)估。網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的定義如下：

(1)數(shù)據(jù)吞吐率

在本網(wǎng)絡(luò)中使用的網(wǎng)絡(luò)模型中，數(shù)據(jù)包吞吐率主要用來(lái)衡量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。網(wǎng)絡(luò)包吞吐率則為網(wǎng)絡(luò)總接收量與網(wǎng)絡(luò)發(fā)送量的比值，即σ＝out/in。其中out為網(wǎng)絡(luò)接收量，是單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包數(shù)，單位為packet/s(包/秒)。網(wǎng)絡(luò)發(fā)送量是單位時(shí)間內(nèi)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的總和in，單位packet/s。對(duì)整個(gè)或局部穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，其輸入和輸出速率是相等的。

(2)端到端時(shí)延

在該研究中使用的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延是端到端的時(shí)延，即數(shù)據(jù)包從在源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生到在目的節(jié)點(diǎn)接收到。時(shí)延的計(jì)算如式(1)所示。在仿真中統(tǒng)計(jì)的時(shí)延則是每個(gè)數(shù)據(jù)收集點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)是在過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)收到數(shù)據(jù)包單向時(shí)延的均值，而被丟棄數(shù)據(jù)包的時(shí)延沒(méi)有考慮在內(nèi)，因?yàn)閬G包意味著時(shí)延無(wú)窮。

(3)時(shí)延抖動(dòng)

數(shù)據(jù)包在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸時(shí)，時(shí)延的變化情況。本文中時(shí)延抖動(dòng)通過(guò)端到端時(shí)延計(jì)算所得，在某一時(shí)刻ti的時(shí)延均值di，下一時(shí)刻ti+1的時(shí)延均值di+1為，時(shí)延抖動(dòng)為(di+1-di)/(ti+1-ti)。

(4)丟包率

數(shù)據(jù)包在源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生，通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包數(shù)目。丟包率用r表示,自然r越低就表示其丟包越少，其中z為丟失數(shù)據(jù)包數(shù)目，w為產(chǎn)生數(shù)據(jù)包總數(shù)：

r＝z/w

1.2網(wǎng)絡(luò)攻擊

空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由于位置相對(duì)公開(kāi)，因此，容易受到外部的干擾與惡意攻擊。在設(shè)計(jì)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型中的，leo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)主要功能在于數(shù)據(jù)的收集，因此在leo層中的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)受到攻擊并且失效對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能影響不大。geo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型中數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓歉删W(wǎng)絡(luò)，geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的性能對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能影響相對(duì)較大。在仿真的過(guò)程中，對(duì)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的攻擊主要集中于geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)攻擊的指標(biāo)則為飽和攻擊。飽和攻擊的功能，是針對(duì)于衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，希望通過(guò)飽和攻擊占用衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的資源，是衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)處于不能工作的狀態(tài)。通過(guò)將要發(fā)送數(shù)據(jù)包的進(jìn)行復(fù)制，通過(guò)這樣的方法來(lái)占用衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的信道。使衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的吞吐量增大，但是數(shù)據(jù)包基本為無(wú)效數(shù)據(jù)包。通過(guò)設(shè)置的飽和攻擊強(qiáng)度(1/10/100/1000)，使衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)包被復(fù)制1(10/100/1000)個(gè)，將所有的數(shù)據(jù)包發(fā)往相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。飽和強(qiáng)度越大，數(shù)據(jù)包數(shù)目更大，更能占用衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的資源。

1.3實(shí)驗(yàn)仿真

1.3.122leo+4geo的雙層衛(wèi)星星座模型

在stk軟件中完成22leo+4geo雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)星座的搭建，星座具體參數(shù)如表2所示，其中22顆leo衛(wèi)星分布于兩個(gè)軌道內(nèi)，每個(gè)軌道上均勻分布于兩顆衛(wèi)星。此外設(shè)定每個(gè)leo衛(wèi)星都可作為數(shù)據(jù)包的發(fā)送的源節(jié)點(diǎn)，地面站作為數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點(diǎn)，geo衛(wèi)星主要用于數(shù)據(jù)包中轉(zhuǎn)。

表2衛(wèi)星星座參數(shù)

其中，geo衛(wèi)星的定點(diǎn)位置為：120°w、0°、100°e、140°e。

1.3.2opnet仿真與結(jié)果分析

在網(wǎng)絡(luò)模型的設(shè)計(jì)中使用stk仿真軟件進(jìn)行衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行模擬，并生成相應(yīng)的軌道文件，在opnet中導(dǎo)入的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)軌道文件，建立整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型，使用opnet網(wǎng)絡(luò)仿真工具模擬衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部數(shù)據(jù)處理過(guò)程。使用opnet進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真的時(shí)間設(shè)置為5min，geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)向外發(fā)送hello數(shù)據(jù)包的時(shí)間間隔為61s。

(1)數(shù)據(jù)均勻分布的產(chǎn)生速率與符合泊松分布的產(chǎn)生速率

通過(guò)上述圖4中數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率的對(duì)比，可以得到兩種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率都相對(duì)穩(wěn)定，說(shuō)明設(shè)計(jì)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型能夠完成對(duì)數(shù)據(jù)收集的模擬功能。為簡(jiǎn)化統(tǒng)計(jì)仿真，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)中均以數(shù)據(jù)的均勻分布為例。

(2)均勻產(chǎn)生速率下衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)

在模型中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行吞吐率統(tǒng)計(jì)時(shí)，以leo層衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)生之和作為數(shù)據(jù)發(fā)送量，其中每個(gè)leo衛(wèi)星產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為tci，數(shù)據(jù)包發(fā)送總量為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包接收量以地面節(jié)點(diǎn)11所接收到的數(shù)據(jù)量作為統(tǒng)計(jì)值。網(wǎng)絡(luò)中的吞吐率如圖5所示。

圖5中數(shù)據(jù)包接收量與總發(fā)送量的比值比較接近，近乎為1，這說(shuō)明leo發(fā)送的數(shù)據(jù)包最終到達(dá)地面節(jié)點(diǎn)。在圖中每個(gè)一段時(shí)間就會(huì)存在的吞吐率下降則是由于leo衛(wèi)星的geo接入衛(wèi)星定期更新導(dǎo)致。當(dāng)leo的更新其接入geo衛(wèi)星時(shí)，則整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)短時(shí)間內(nèi)無(wú)法上傳數(shù)據(jù)，使得衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接受量較少。

從圖6中可以看到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼w丟包率相對(duì)較低，只有在leo進(jìn)行g(shù)eo接入衛(wèi)星更新時(shí)數(shù)據(jù)包丟失率會(huì)變得很高。圖7、圖8顯示衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中整體表現(xiàn)相對(duì)較為穩(wěn)定，在leo進(jìn)行g(shù)eo接入衛(wèi)星更新時(shí)會(huì)有較大的變化。

(3)受到攻擊時(shí)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)性能的變化

在設(shè)計(jì)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型中，geo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)擔(dān)負(fù)著主要的通信任務(wù)，geo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸如圖3所示。如圖所示，根據(jù)geo衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)功能的不同可以將節(jié)點(diǎn)分為兩種類(lèi)型，一種節(jié)點(diǎn)類(lèi)型為邊緣節(jié)點(diǎn)，主要用于leo衛(wèi)星的數(shù)據(jù)收集，如節(jié)點(diǎn)1、2，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)收集后，傳向同層衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)；另一種節(jié)點(diǎn)類(lèi)型為核心節(jié)點(diǎn)，功能有l(wèi)eo衛(wèi)星數(shù)據(jù)的收集、同層衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的中繼與對(duì)地?cái)?shù)據(jù)的傳輸，如節(jié)點(diǎn)3、4。

為準(zhǔn)確得到不同類(lèi)型的geo衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)受到攻擊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中性能的下降情況。分別對(duì)geo1和geo3進(jìn)行攻擊，分析不同類(lèi)型節(jié)點(diǎn)失效對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響。由于在飽和攻擊的情況下衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量有較大變化，這時(shí)網(wǎng)絡(luò)中吞吐率將會(huì)超過(guò)1，這時(shí)對(duì)其研究已沒(méi)有價(jià)值。飽和攻擊強(qiáng)度為10的情況下，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)主要對(duì)地面節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包接受量、丟包率與時(shí)延變化進(jìn)行比較。如下圖9、圖10、圖11所示。

如圖9所示，當(dāng)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)受到飽和攻擊時(shí)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包發(fā)送量則會(huì)有一個(gè)較大的提高，geo3受到攻擊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包量比geo1受到攻擊時(shí)更大。當(dāng)受到攻擊時(shí)，geo1的傳輸時(shí)延與正常情況下相差不大，geo3的傳輸時(shí)延有一定程度的減少，這是由于geo3的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)受到飽和攻擊時(shí)，飽和攻擊產(chǎn)生數(shù)據(jù)包傳輸?shù)降孛婀?jié)點(diǎn)降低了傳輸時(shí)延的平均值。如圖11所示，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的丟包率都會(huì)增大，增大幅度相差不大，這表示受到飽和攻擊時(shí)，正確接受的數(shù)據(jù)包量都會(huì)受到較大影響。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。