CN1099177C - 充分连接通信网自适应导向随机和分布路由的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

在通信系统(10)中，数据包平均分配在链路(21、23)上进行路由选择。在端对端传输时延标准所决定的允许路由内实现均匀的链路使用。利用迭代过程预先计算出路由，使每一路由判决过程涉及的链路的使用概率相等，从一组允许的可选最短跳跃路由中为每一源—目的地对选择路由。在卫星节点(12)中产生并维持路由表。该表周期性更新以反应业务要求分配的变化和因卫星运动及网络故障造成的星座内的物理节点连接的变化。

Description

充分连接通信网自适应导向 随机和分布路由的方法和装置
本发明涉及通信系统。具体涉及在通信系统中节点之间确定数据包路由的系统。
传统的蜂窝通信系统采用了一种为系统各节点之间的通信信息选择路由的方法。通信网(例如，电信的传递、各计算机之间的互连等)包括无数的节点。各网可在两点之间通过网内从节点到节点的通信路由传递电子信息。随着一个网络中节点数目增加和每个网络节点可用通信路径数目增加，为传递任何单个通信的潜在可用路径数也增加，因此，就出现了选择合适的路径通过网络的问题。
曲型地，在传递通信过程中，网络试图选择最短的可能路径以减少延时、消耗小量的网络资源以及增加可靠性。同时，一个网络必需在这些因素与需要避免通信业务阻塞以及需要将通信传递到其目的地得到最高可能性之间取得平衡。
在全球通信系统中，其内节点以空间为基础(space based)并且彼此之间可移动，涉及简单处理和在节点中进行决定的路由结构(routing mechanisms)是所希望的。此外，为了减少节点的复杂性和增加可靠性、降低成本、简化路由管理，减少网络中任何路由信息交换也是所希望的。通信系统的节点包括卫星，而卫星节点和链路可能失灵，为此希望有自适应路由选择在运动的卫星节点上改变交叉链路(cross-link)容量来平衡来务负载。自适应路由选择由对平衡业务负载的变化和在整个时间上的呼叫流程图(flow pattern)也是希望的。
当以分配的形式完成自适应路由选择时，先有技术要求在网络节点之间交换路由更新信息还要求在节点内处理。因这些先有技术存在较长的卫星传播时延而产生在卫星为基础的网络中的同步问题。另外，这些先有技术耗费珍贵的无线带宽资源。这些先有技术还要求节点中保存和管理占用空间的路由表，并且还增加差错的概率。
实现自适应路由选择的另一种手段包括中心化型式(centralizedversions)，在中心位置进行更新路由计算，其信息以表格的形式传送到每个节点，或者分配给每个呼叫处理的网间连接器(网关)，以便在建立呼叫时选择最佳路由。这种自适应路由选择称为源路由选择，并且通过一些现有的包交换网(例如Tymnet)完成。然而在诸如Tymnet的基础通信网中，所有的呼叫通常由一个中心管理器处理，该中心管理器在网络中为每个可能的源—目的对计算和保持更新的路由信息。由于单个源为每个呼叫选择路由并为每个呼叫分配所谓“虚拟电路”识别符，所以，对于整个网络中的所有呼叫，这种路由识别的独特性均被保留，因此，当多个呼叫在他们通过网络途径一个中间节点时，并不会出现混淆。
这种情况在基于卫星的全球通信网中是完全不同的。在这种通信网中，多达20个网间连接器共享该呼叫处理负载。每个呼叫有可能由不同的网间连接器指配路由和进行处理。每个网关需要对由其它网间连接器指配给呼叫的虚拟电路识别符实时地保持跟踪，以便同一虚拟电路在该网关处理新呼叫识别路由中不被其它网关重复使用。在全球通信网中，一些处在远处的网间连接器之间，路由识别信息的复杂和低效的实时交换是不希望的。
鉴此，现在需要有一种在通信系统中在各节点间为数据包选择路由方法和装置，其中节点彼此间是互相移动的，各节点之间的连接或链路是作为节点位置的函数变化的。又需要有一种由每个节点自动地完成的高级分配路由的方法。还需要有一种路由选择的方法，可望用于路由的每个路径有限数量的网络链路达到均匀使用。再需要有一种路由选择的方法在避免链路阻塞时，达到均匀使用网络链路。另外需要有一种在实际上防止阻塞而不是对它作出反应的路由选择方法。又还需要一种保证链路以及链路周围的路由数据包不出错的路由选择方法。
据此，本发明的一个优点是提供一种网络，该网络以分布的方式发送通信信号。
本发明的另一个优点是用于发送通信信号的网络资源最少。
本发明再一个优点在于在各种通信链路中分布数据包的路由，
本发明又一个优点是使网络的各进出点之间的通信信号的传递延时减小。
本发明还有一个优点是弥补了通信业务的阻塞。
本发明又有一个优点是对节点和链路的差错进行了补偿。
本发明还有一优点是允许更新通信节点中反映网络错误和改变业务要求模式的路由表。
本发明的另有一个优点是消除了语音包的延时抖动，并且通过分散负载提供了一种防止阻塞的措施。
本发明的上述及其它优点落实在由多个节点组成、各节点经链路彼此通信的通信系统中。本发明提供了一种在众多节点中发送数据包的方法，该方法包括在源节点和目标节点之间寻找最小跳跃路由的步骤。每个最小跳跃路由由一连串的链路组成，通过它传送数据包。该方法还包括为有关最小跳跃路由的每个链路计算链路使用的概率(LUP)。该方法还包括根据有关最小跳跃路由的每个链路的LUP，从多个最小跳跃路由中选择一个首选的最小跳跃路由，以及经第一选择最小跳跃路由从源节点向目标节点发送数据包。
在一个优选实施例中，该方法包括利用每个LUP计算网络路由平均信息量(熵)(NRE)的步骤，并且还包括根据NRE选择首选最小跳跃路由的步骤。
在另一优选实施例中，该方法包括为每个最小跳跃路由确定具有LUP最大值的链路，和选择具有带最大值中一个最低值的链路的首选最小跳跃路由的步骤。
本发明还提供一种  通信系统，该系统经导致通信链路分布使用的最小跳跃路由发送数据包。最小跳跃路由包括一个在源节点和目标节之间传送数据包的通信链路清单。该系统包括彼此相互间移动的众多节点，这些节点由通信链路连接在一起。该系统还包括与每个节点相关联的多信道收发信机、用于经使用最小跳跃路由的通信链路传送数据包。该系统还包括连接每个多信道收发信机的处理器。该系统还包括连接各节点的控制设备，它在预定时间期限内决定哪一条通信链路可用；在节点之间寻找最小跳跃路由；计算最小跳跃路由的每个通信链路的链路使用概率(LUP)；根据LUP计算网络的路由熵(NRE)；根据NRE，为源节点和目标节点从各最小跳跃路由中选择一个首选的最小跳跃路由。
图1示出一个简化的以卫星为基础的通信系统电路图，本发明可构成该系统的一部分。
图2示出一个用于传递通信的数据包的例子；它适合于在本发明优选实施例中使用。
图3示出一个适合于在本发明优选实施例中使用的卫星无线电通信节点的简化方框图。
图4示出一部分系统控制站以及一个适合于在本发明优选实施例中使用的地球终端站的简化方框图。
图5示出适合于在本发明优选实施例中使用的路由表数据结构的一个例子。
图6示出通过链路连接的卫星节点配置的一小部分。
图7示出适合于在本发明优选实施例中使用的一部分节点路由表。
图8示出适合于本发明优选实施例中使用的、在星座中决定数据包路由的过程。
图9示出适合于在本发明优选实施例中使用的一个原发节点内包路径逻辑的并行硬件实现。
图10示出适合于在本发明优选实施例的一个非原发节点内包路径逻辑的并行硬件实现。
“卫星”在这里是定义为沿天体轨道(例如地球)运行的人造目标或者飞行的意思。地球这个词是指包括通信卫星能沿其轨道运行的任何天体。“星座”在这里定义为  部分或者全部天体提供指定覆盖(例如无线电通信、摄影测量等)安排在轨道上卫星的总和的意思。“星座”典型地包括各卫星的多重平面(或轨道)，每个平面可以有相等数量的卫星，虽然这不是基本要求。这里用的“小区”和“天线方向图”等词并不局限于任何特定的产生模式，它包括通过陆地或卫星蜂窝通信系统及/或两者组合所产生的模式。“卫星”这个词包括静止卫星和轨道卫星和/或两者的组合，其中包括低轨(LEO)卫星。
图1说明了基于卫星通信系统10的大为简化的结构图，本发明可构成它的一部分。通信系统10显示了通过利用占据轨道14的轨道卫星12，分散地环绕着一个天体(例如地球)。本发明可用于包括低轨、中轨卫星和静止卫星的各种系统。此外，还可用于任何倾斜角的卫星系统(例如，极轨道、赤道或其它轨道形式)。
本例中的通信系统10使用了6个极轨道14，每个轨道14有11个卫星12，总共有66个卫星12。然而这些并非基本要求，卫星的数量可多可少，轨道数也可多可少。然而本发明有利于使用在大量应用卫星的情况，也可用在少到一个卫星的情况。为简明起见，图1仅用少量的卫星12加以说明。
例如，每个轨道14以大约780km的高度环绕地球，不过高度高些或低些的轨道亦可使用。由于所列举的卫星12是在较低的轨道，因此任何一颗卫星的视线电磁发射或被任何一颗卫星接收的信号在任何瞬时遍及或覆盖地球上相对小的区域。
所列举的例子表明，卫星12相对地球以大约25,000公里/小时的速度运行，这就使卫星12能看到陆地站的最大时间间隔大约为9分钟。
卫星12和陆地站的通信可以包括某些无线通信用户单元(SU)26以及接至系统控制部分(SCS)28的地球站终端(ET)24。ET24也可以和网间连接器(GW)22相连，以提供和公共交换电话网(PSTN)或其它通信设施的接口。为了简化和易于了解起见，图1中GW22、SCS28以及SU26各仅划了一个。各ET24可与SCS28或GW22放在一起，也可分放在不同的地方。与各SCS28有关的各ET24接收描述卫星12的跟踪数据以及中转控制信息包，而与各GW22有关的ET24仅仅中转数据包(例如有关呼叫过程的)。
SU26可放置在地球表面或地球上空的任何位置。SU26最好是能向卫星12发送数据和从卫星12接收数据的通信装置。作为例子，SU26可以是适合与卫星12通信的手机、便携蜂窝电话。通常，对通信系统10，SU26无需完成任何控制功能。
网络10可容纳任何数量的用户单元26，大约为数百万。本发明优选实施例中，各用户单元26经用户链路16和近端的卫星12进行通信。链路12占有被分成许多信道的电磁频谱的有限部分。链路16最好是L段频道的组合，并且包括频分多址(FDMA)和/或时分多址(TDMA)通信(下文采用的方式)或者两者的组合。作为最低要求，卫星12通过1个或多个广播信道18连续地进行发送。各用户单元26和广播信道18同步，并且监测广播信道18，用以检测可能向它们寻址的数据信息。用户26可通过一个或多个所获得的信道19向卫星12发送信息。广播信道18和所得到的信道19并非为一个用户单元26所专用，而是由卫星12当前所能看到的所有用户单元2G所共享。
另一方面，业务(话务)信道17是双向信道，它是由卫星12不时地向特定用户单元26进行分配的。在本发明优选实施例中，数字格式被用于通过信道17—19通信数据，业务信道17支持实时通信的。至少有一个业务信道17为每个呼叫所指配，每个业务信道17至少应具有足够的带宽支持双向话音通话。为了支持实时通信，时分多址(TDMA)的方法可望用于将时间分成大约60～90毫秒范围的许多帧。特别是业务信道17，指配了特别的收发时隙，它在每个帧中，占有大约3～10毫秒的时间。模拟音频信号被数字化，为的是在指配的时隙期间，整个帧信号能以一种短暂高速突发的形式进行发送和接收。每个卫星12更可取地支持1000或更多的业务信道17，以便每个卫星12能同时服务与此数量相同的独立呼叫。
卫星12通过平面内交叉链路21和交叉平面交叉链路23与附近的其它卫星12进行通信。于是，从处在地球任何点上或地球表面附近的一个用户单元26的通信，可通过卫星12的星座选择路由到地球表面上基本范围内的任何其它点。从卫星12利用用户链路16，可选择下行至地球表面或附近的用户单元26的路由进行通信。此外，通过地球链路15，从许多ET24(图1中仅划出了两个)的任何一个选择向下或向上的路由进行通信。各ET24最好根据地理政治边界分散在地球的表面。在优选实施例中，每颗卫星12可以和4个ET24进行通信，并且在任何瞬时拥有上千的用户单元26。
SCS28用以监视系统通信节点(例如GW22、ET24和卫星12)的安全和状态，并且管理通信系统10的操作。一个或多个ET24为SCS28和卫星12之间提供基本的通信接口。ET24包括天线和RF收发信机以及为卫星12星座提供遥测、跟踪和控制功能。
在通信系统10中，GW22和卫星12一起可完成呼叫处理功能，或者GW22能单独地处理呼叫过程以及进行呼叫处理容量的分配。各种陆地基础通信系统，例如PSTN，可通过GW22接入通信系统10。
举例中66个卫星12的星座在地球表面上至少有一颗卫星12始终能看得见(即地球的表面得到全部覆盖)。理论上，通过选择经由卫星12星座的数据路由，任何卫星12在任何时候能直接或间接与任何SU26或ET24进行数字通信。因此，通信系统10可为通过卫星12星座的任何两个SU26之间、SCS28和GW22之间、任何两个GW22之间或SU26和GW22之间的中继数据建立通信路径。
本发明也适用于地球没有全部被星座覆盖的情况(即由星座提供的通信覆盖范围中有“空洞”)以及地球部分地区被星座多重覆盖的情况(即地球表面某些点上多于1颗卫星)。
图2示出了数据包70的实例方框图，它可用于传输给用户单元26或来自用户单元26的通信。数据包70包括用以运载和包70有关的数据识别类型特征的头标72和包70有关的长度、以及通常包含在数据包报头中的任何其它信息。其类型特征可指明包70是否单独运载系统控制信息，或者它是否运载用户业务。路由码74指示网络10(图1)在哪里传递包70。
用户ID(标志)76包括独特地标志用户单元26的代码以及所标志的用户单元和给用户单元26提供业务信道17(图1)的任何卫星12(图1)的代码。如果数据包70需要，用户单元26监视通过广播信道18(图1)发送所决定的用户ID36。卫星12利用携带用户单元业务的包70的用户ID76将该包70发送给所识别的用户单元26的业务信道17。
头标72、路由选择码74和用户识别码ID76代表将包70送往目的地的附加数据(overhead data)。在数据包的目的地，有效负载(Payload)数据78被消耗。换句话说，传送包70至目的地的目的典型地是传递有效负载数据78，而不是头标72、路由选择码74或用户识别码ID76。有效负载数据78包括系统控制数据77或者该系统控制数据和用户业务79一起(例如话音和/或数据)。系统控制数据是用作命令和管理的，它通过用户单元26进行译码并按其指令行动。这些命令一般都很短。当系统控制数据通过广播信道18(图1)传输时，则用户业务79被省略，而且最终包很短，为的是有尽可能多的信息通过广播信道进行广播。用户业务79代表在呼叫过程中所传送的用户数据。当数据包70通过业务信道17(图1)传输时，则就会携带大量的用户业务。如同前面所讨论过的。数字化的对话语音信号的整个帧能通过用户业务79进行传输。
路由选择码74最好包括一个呼叫序列数(CSN)，用以区别网间连接器内或者一个用户单元至始发卫星或终端卫星的链路上的各种呼叫。CSN将一个包映入到该链路上其所分配的RF信道上。CSN也可包含在包70的其它部分中。路由选择码74还包括目的卫星号。目的卫星号最好通过呼叫控制网间连接器进行指配，当卫星运动时，网间连接器始终知道和每颗卫星12的覆盖区有关的星座和时间。目的卫星号由卫星1、2(图1)使用，以将数据包发送至它的目的卫星。在目的卫星处，该包通过下行链路(即用户单元链路16)送至用户单元26，或者送至网间连接器22。
与用户业务42的长短相比较，系统控制数据40的长度通常很短。于是，在呼叫进行之中，系统控制数据40可以和用户业务一起传送给用户单元26。可以和用户业务42经由业务信道17一起传递的系统控制信息的例子，包括呼叫对方摘机通知用户单元26的消息、另一呼叫正等待用户单元26的消息，以及任何数量的通知数据消息。这些消息包括出现在用户单元26的用户通知语音消息或其它形式的消息。
图3示出了一个适合于在本发明优选实施例中使用的卫星无线通信节点的简化方框图。卫星节点26通过卫星12提供。在环境10中(见图1)所有的卫星12最好包括如图3方框图说明的设备。卫星12包括交叉链路收发信机83以及相应的天线。收发信机83和天线81支持到其它附近的卫星12的交叉链路。地球链路收发信机85和相应的天线87支持与各地球终端24(图1)通信的地球链路。此外，用户单元收发信机80和相应的天线82支持用户单元26(图1)。最好，每颗卫星12可为多达数千或更多的用户单元26(图1)同时提供链路。当然，对于那些熟悉本技术的人来说，天线81、87和82既可以由单个多方向天线也可以由成排的分立天线来完成。最好，用户单元天线是一种能够同时接入许多蜂窝34(图1)的相位阵列天线。
控制器84和每个收发信机83、76和80以及和存储器86，定时器88接在一起。控制器84可使用一个或多个处理器实现。在其它事情中，控制器84利用定时器88保持当前的日期和时间。存储器86储存用于指令控制器84的数据、以及当由控制器执行指令时，使卫星12执行下面将讨论的程序。此外，存储器86包括卫星12操作时运算的变量、表格和数据库。
图4示出了适合于在用本发明优选实施例中使用的控制站65和地球终端68的部分简化方框图。控制站65和陆地站68最好分别是SCS28(图1)和ET24(图1)的一部分。控制站65由处理器60和经链路61的相关存储媒体60所组成(例如，随机存储器或RAM、其它半导体或磁读写记忆设备、光盘、磁带、软盘、硬盘等)。陆地站68包括天线63，它经链路69与发射机65和接收机67连在一起。发射机65和接收机67分别经过链路64和66与处理器60相连。处理器60执行以下举例的程序、并且在相应的正文中进行说明。例如，除了完成其它相应的任务以外，处理器60将存储在存储媒体62中的该程序的执行结果。发射机65传送信息给卫星12，或者接收机67从卫星12接收信息。
例如在美国专利4,783,779、4,144,412和5,097,499中描述了传统的蜂窝无线单元和系统。例如在美国专利4,722,083和4,819,227中描述了卫星通信系统。这些专利一起可作为参考。用户单元天线82(图4)、用户单元收发信机80(图4)、控制站28(图1)和地球终端站24(图1)完成那些功能，并且至少包括通常与陆地交换或卫星蜂窝通信系统有关的那些设备、加上附加功能和以下将更详细说明的设备。
处理器60通常是控制和管理用户的接入、信息的接收和传输、信道的建立、无线调谐、频率和时隙分配、以及其它通过控制器84(图4)不能进行管理和提供的蜂窝无线通信和控制功能。在其它事情中，处理器60和/或控制器84(图4)可望执行程序，以便使用户接入通信网10。
在本发明的一个优选实施例中，通信系统10(图1)由66颗低轨(LEO)卫星组成，它被安排在6个轨道上，每个轨道有11颗卫星12。参考图1，在同一轨道14或者由平面内交叉链路21所决定的轨道平面内，每个卫星12和两个其它的卫星12耦接在一起。平面内交叉链路21的容量维持不变。链路容量包括数据运载容量。在一个优选实施例中，交叉链路的容量在每帧时间里大约为100至200个包，在每9毫秒的帧时间里大约140个包。另外，交叉平面交叉链路23(例如左和右的交叉链路)的容量变化范围从卫星很远时的最大值到交叉平面链路23断路时的最小值。例如，参考图1，在不同轨道14上的卫星12当它们在赤道附近时相隔最远，而当在极点附近时相隔最近。在一个优选实施例中，交叉平面交叉链路23作为网孔管理(cell mangenment)过程的一部分而断路。适合于在本发明中使用的网孔管理过程已在题目为“卫星系统网孔管理”的美国专利5,227,802中讨论了。该专利已转记给本发明的同一受让人，并在此作为参考。
同时，图1的优选实施例中，在接缝处设有交叉平面交叉链路23，该接缝出现在地球相对边的轨道之间，在那里卫星12以彼此相反的方向运动。在接缝处，卫星的运动对适合的RF通信将产生很大的多鲁勒频移。由于地球在24小时里完成一次全转动，因此，接缝将每24小时扫过地球表面一次。
由于每个卫星12按照其轨道运动，因此在两个相邻轨道内的两个卫星之间的交叉平面交叉链路23其容量从在赤道的最大值变到当链路断开时的零值。交叉链路断开发生在离赤道大约68度的角度上。在其它情况下，交叉平面链路最好断开以维持TDMA同步。交叉平面链路23保持断开，直到有关的卫星通过极区并且返回到交叉链路获得容量的大约纬度(即180—63度)为止。当卫星到达另一极区时，将发生同样的循环。况且，当两个交叉平面连接的卫星运动到极区时，他们将切换至左右相邻节点所连接的那边。随着星座的旋转，就会发生相对节点的连通和拓扑的时间变化。储存在节点中的物理路由信息(即从那个节点到达其它节点)要求有规律的和可预测的时间更新。在星座中卫星节点连接的有规律循环时间变化希望量化成为星座的许多仔细定义的离散拓扑状态。在星座中各种卫星的周期性运动和位置是已知的，并且储存在系统中。
图5示出了适合于在本发明优选实施例中使用的路由表数据结构的一个例子。数据包进入一个卫星节点用以确定到出口的交叉链路所使用的路由信息将被编成利用该包目的地的一个检查表。在一个优选实施例中，检查表可以储存在以RAM为基础的存储器中，其内对于该表含有一个用于包目的地的7比特地址。每个地址位置上储存的信息包括最多三个链路指定。表90示出了第一选择链路指定96、第二选择链路指定98和第三选择链路指定99，它们都列在每颗目的卫星或网间连接器上。每个链路指定指明左、右、前或后的交叉链路。如前面讨论过的一样，每个卫星节点在任何时候通过这些链路和最多四颗其它相邻的卫星相连。
第一选择出口链路指定96指明向目的地最小跳跃路由的链路方向。第二选择出口链路指定98指明第二选择最小跳跃路由(如果存在该路由的话)的链路方向，否则该指定就指明朝向所指明的目的地最合理的链路方向。在路由表90中所列的第三选择出口链路指定99指明指向特定目的地其它最合理方向的另一链路。在一个优选实施例中，第二或第三选择的任何一个或两个都可指明“零”链路，即由于交叉平面交叉链路断开或链路故障没有其它可用的链路。
由于星座连接随着卫星的运动之连续变化(即卫星各节点之间的连接、卫星节点和地面上各个网间连接器之间的连接)，路由表90应恰当地反映必要的变化。在一个实施例中，每颗卫星储存许多不同的表(用于星座连接的每个状态)，并且当卫星通过星座连接的不同状态运动时，使用该可用的表。
在另一个实施例中，每颗卫星使用一个单独的路由表，该表的内容随着卫星通过星座连接的不同状态运动而被更新。一部分预期的路由信息通过上行链路从SCS28(图1)进行传输，并且在整个轨道中以固定的时间间隔储存在卫星12(图1)中。
无论使用哪一种实施例，以保持节点内相应于仅由于运动在星座连接方面的变化而更新的路由信息，需要对该路由信息更新，以反映和考虑可能出现在星座中的任何链路和节点故障。SCS28(图1)最好对每个节点的合适出口链路选择(例如用于到达任何其它的节点)再进行计算，并将该信息传送到各个节点。反映链路故障的系统组态的更新最好建立在门限的基础上(即当一定数量或样本的链路故障向SCS报告时)。系统组态的更新也可建立在周期性的基础上，更新周期和星座中各故障节点之间或各链路之间的平均时间有关。由于后一个实施例提供了为在卫星中存储最少路由信息的要求，减少存储器要求的优点，因此，为使用故障信息，SCS的卷入是需要的。路由信息是事前计算的，并且储存在卫星中，范围决定于各卫星中存储空间之间的权衡，以及对故障响应所减少的时间。
路由信息的计算包括对星座组态的每个独特状态(例如定义时间间隔)，为每个节点到达任何其它节点计算第一、第二和第三出口链路选择。这个过程最好通过SCS非实时地完成，并将其结果送至各卫星记录在路由表90中，如前面讨论过的那样。
例如，假设第一节点和第二节点之间的一条通路(其时间间隔(t1—t2)反映各别的星座的连接状态的持续时间)由卫星各节点之间一系列链路或跳跃组成。换句话说，为将数据包从第一个节点传送到第二个节点，第一、第二、第三和第四链路可用作跳跃3颗卫星之间的节点。如果这些链路的时间平均容量对第一链路为C1、第二链路为C2、第三链路为C3和第四链路为C4，则第一节点和第二节点之间的通路为最小平均容量，在那个时间间隔可定义C1、C2、C3和C4的最小值。
一条特定的路径由一对节点之间的链路序列所组成。当路径的最小平均容量为考虑上述一定的门限值条件下的时间间隔时，则这条路径是可用的。所述门限值是事先预置的。
第一出口选择的计算(即从一个节点有更多的可选链路用于传送数据包)指明从那个节点到目的地的最小跳跃路由。对于在时间间隔不可用的所有交叉链路将被排除(即路由进行计算过的星座状态)。任何故障链路也被排除。指明从所确定的节点到目的地的最小跳跃路由的链径被确定。在具有两条这种路由并且跳跃长度相同的情况，较高的一个最小路径容量在表90中被选用作为第一选择出口链路。而一个较小的最小路径由容量的链路被选作第二链路选择填入表90中。对于两种不同的最小跳跃路径、具有相同最小平均路径容量的场合，将它们列作第一或第二出口链路选择的次序并不重要，只要它们能到达特定的有关目的地。在至少每个相邻的节点组上，另外的等效选择最好同等地被表示在路由表中以到达星座中各目标节点。路由表有效地将链路中的负载分开和增加了路由对策的随机性。
图6示出了通过通信链路连接卫星节点的星座的一小部分。图6示出了3个相邻轨道的每一个的3个顺序节点。卫星节点12a、12b和12c在轨道平面14a中，卫星节点12d、12e和12f在轨道平面14b中，卫星节点12g、12h和12i在轨道平面14c中。各卫星节点通过平面内交叉链路21ab、21bc、21de、21ef、21gh和21hi连接在一起。各卫星节点还通过交叉平面交叉链路23ad、23be、23cf、23dg、23eh和23fi连接在一起。在本发明的一个优选实施例中，许多其它节点均是以类似的方法连接的。
图7示出了适合于在本发明一优选的实施例中使用的一部分节点路由表。图7示出了给定目标节点42、对于节点12d(图6)的第一选择出口节点44、第二选择出口节点46和第三选择出口节点48。参考图6，从节点12d到节点12h和12i的路由的第一选择出口链路已经决定。该决定是在交叉平面交叉链路23dg和交叉平面交叉链路23ch将具有相同的最小平均容量的一个特定时间间隔组合的状态作出的。在那个情况下，从节点12d到节点12i有两个相等的最小跳跃路径。一个最小的跳跃路径将使用同平面交叉链路21de，卫星节点12e，交叉平面交叉链路23eh，卫星节点12h和同平面交叉链路21hi。
卫星节点12d和12i之间的其它最小跳跃路径将使用交叉平面交叉链路23dg，卫星节点12g，同平面交叉链路21gh，卫星12h和同平面交叉链路21hi。这两种不同的最小跳跃路径都使用了三个交叉链路。同样，从节点12d到节点12h有两个等效的替换最小跳跃路径。一条路径使用交叉链路21de和23eh，而另一条则使用交叉链路23dg和21gh。在所考虑的系统状态下，节点12d的路由表中，如果链路23dg为到达节点12h被排在第一选择出口链路，则链路23dg将被列作到达节点21i的第一选择链路，其目的在于对四条链路：23dg，21gh，21de和23eh的总负载进行恰当分配。这些第一选择出口节点对于特定的目标节点42来说，列在表40中。
对一给定节点出口到达一目的地的第二选择列在表40中，如果存在的话，可作为第二条等效的可替换最小跳跃路径。否则就列出从那个节点至目的地方向的下一条最合适的链路选择。为到达目的节点，所推测路径上的其它链路的可用性被给予考虑。从随后的节点到目的地，经该链路所推测的路径最好使用最小跳跃路由(对该星座组合状态和链路的故障状态)。合理的链路选择是该链路不从离目的方向太远的地方提取数据包。例如，从其目的地相反方向选择数据包路由的一条链路将是合理的选择，而为此目的，稍微偏离目的地选择数据包路由的链路将是合理的另一种选择。
在具有两个等效的可替换合理选择排出作为从节点到目的地路由的第二选择的情况下，对于到达特定的目的地来说，排出一个或另一个作为第二出口选择并不重要。然而，至少在每个相邻的节点组中，另一种等效的选择最好表示在到达星座中各不同目的节点的路由表中。这种路由表的设计特点表现在通过路由策略实现有效的负载分解和定向随机化方面。
例如，假定星座处在这样一种状态中(例如某个时间间隔)，这时链路23ad、23dg、23be和23eh具有大约相同的最小平均容量。为从节点12d到节点12e选择一数据包的路由，则两个等效的第二选择路径分别使用链路23ad、21ab、和23be以及链路23dg、21gh和23eh。同样道理，从节点12d到节点12f路由的两个等效的第二选择路径分别使用链路23ad、21ab、23be和21ef以及链路23dg、21gh、23eh和21ef。如果链路23ad列在表40中作为朝节点12e路由的一个出口链路，则链路23dg必须列作朝节点12f的路由的出口链路，为的是在链路23ad、21ab、23be、23dg、21gh和23eh上，从节点12d到节点12f的总负载进行分解。对于节点12d(图6)，这些被列表作为部分路由表40的第二选择出口链路。
除了导致较小的最小平均容量路由之链路被选定外，第三条路由选择决定的过程同前面讨论过的一样。在具有一个等效路由没有列作第二选择的地方，该路由将被列在路由表40上作为第三选择出口路由。当不存在剩下的逐渐通向指向目的地的合理方向的链路时，则剩余链路被列作表40的第三选择出口链路48。注意，数据包将不通过它到达该节点的链路送回。从节点12d到节点12h和12i的路由在表40中进行了说明，其中对节点12a的第三选择出口链路已被列在节点12d上作路由判决过程的第三选择。
根据对节点12d(图6)在路由表40中出现的部分路由信息，对每个使用的出口链路(23ad，23dg，21de)均以相同的频率(即每个出口链路列出四次)列在该表中。为达到相等地使用网络中的每条链路，负载平衡通过分配负载网络上的业务负载图形的不确定性来达到。这是在满足传输延时的要求时完成的。在一个优选实施例中，路由表包括全部所列的具有相同频率的可用链路选择，并且最好被用作在SCS中完成的可替换链路选择的系统计算中的指示，以便从一给定节点到达各个目的地。
图8示出了过程100，用于在适于本发明一优选实施例中使用的星座内确定数据包的路由。最好，过程100在常规的基础上执行，在一优选实施例中，当链路出现故障或掉电时执行。在一个优选实施例中，过程100可能只执行一次。过程100预先计算每一星座配置中所有可能的源—目的地节点对的路由信息。如前面所讨论的，不同卫星节点的轨道位置造成了变化的链路容量和链路关闭，从而造成了不同的星座配置。进一步讲，不同的星座配置可能是由链路和节点故障造成的。过程100也可预先计算出对于从15秒到几分种范围内的不同时间间隔的所有可能的源—目的地节点对的路由信息。在这些时间间隔内，星座配置不会发生明显的变化。
任务102更新了网络的拓扑结构。下一个预定时间间隔内出故障的链路和关闭的链路不再进行路由计算。由于卫星靠近极区时天线图形重叠，链路可能由一个网孔管理过程关闭卫星链路和小区。
任务104找出所有可能的源—目的地对的所有最短跳跃路由。每一节点都可能是一个数据包的源，也可能是数据包的目的。源—目的地对包括卫星节点的源和目的节点。在66个卫星节点的优选实施例中，有4290(66×55)个可能的源—目的地对。不过，由于在源和目的节点间反向传输时数据包沿不同路径传送可能会是最好的，所以有4356(66×66)种可能的有向性源—目的地对。通过确定源和目的节点间最少数量的链路路由可以求出最短跳跃路由，同样数量的“跳跃”链路和卫星节点可能有几种最短跳跃路由，所有这些均由任务104算出。晨仅有一条最短跳跃路由的情况下，发现不同的跳跃路由其跳跃长度低于可接受的门限值。例如，一个可接受的门限值可能是建立在一特定类型数据包(即话音或数据)进行令人满意的通信所要求的可接受的时延基础上的。
对于每一星座配置可找到期望的最短跳跃路由。在一优选实施例中，每一星座配置的时间间隔被分成小的时间间隔，在此时间间隔内星座配置是比较令人满意的(也就是说，链路和链路容量相对稳定)。在该实施例中，所有源—目的地对组合是随机编号的。
任务105选择了任务104中找出的一个最短跳跃路由作为第一个源—目的地对。当有几条最短路由时，最短跳跃路由可任意选择，剩余最短跳跃路由保存起来作为前面所讨论的可选路由。当第一条最短跳跃路由无效时，例如，当该过程中更新路由信息之后第一条选中的最短跳跃路由中的一条链路出故障，则可使用可选的最短跳跃路由。
任务106计算第一个源—目的地(S—D)对及任务105中选中的最短跳跃路由的链路使用概率(LUP)每考虑一条路由时，所有与该路由有关的链路的LUP均被更新。在一个优选实施例中，任务106可计算或更新一选中的最短跳跃路由的每一链路的LUP。LUP可用下列表达式求出：
LUP＝(Fi/Nj)*Dj
其中Fi是本次计算中所考虑的源—目的地对的路径中链路“j”出现的次数，Nj是过程100中所考虑的源—目的地对“j”的总数，Dj表示用于计算网络路由信息的时间间隔内源—目的地对“j”所规划的业务量百分比。在本实施例的一个变形中，当由源—目的地对所承担的网络业务分配(也就是说，通信服务需求)不予考虑时，Dj设为“1”。
在确定路由中，对每一源—目的节点j递增所选路由的每一链路的LUP均进行更新。一旦计算出所选路由上每一链路的LUP，则任务108计算出网络路由熵(NRE)。NRE可由下式算出：
NRE＝-sumi[(LUP)i*log(LUP)i]
NRE是星座中每一链路的LUP与LUP的对数值乘积的总和取负值。每次执行任务108时(亦即，对于所考虑的每一源—目的地对)，任务108还将更新NRE值。
任务100从任务104在源—目的地对中找出的最短跳跃路由中按照最大NRE值的考虑选择一条最短跳跃路由作为网络的初始路由。下一个最大NRE值所对应的最短跳跃路由作为路由表中其它可选的或辅助路由。
在一个替换实施例中，任务110判断出每一最短跳跃路由的具有最大LUP的链路，然后任务110选择出一条最短跳跃路由，该路由包含这些最大的LUP值中最小值的链路。由于对所考虑的源—目的地对，考虑了不同最短跳跃路由的本地熵，所以该最小的最大LUP值可作为总网络熵的合理近似。
任务112更新由任务110选为首选路由的最短跳跃路由中每一链路的LUP值。未选中的最短跳跃路由按其LUP或NRE值列表，作为另外可选的最短跳跃路由。
任务114判断是否星座节点中所有的S—D对已纳入考虑之列、如未考虑完全，则返回到任务106中考虑下一S—D对组合(亦即，j增加1)。对所有其余源—目的地对，任务106—112进行重复操作。当所有S—D对均纳入考虑后，便为每一S—D对选出了最短跳跃路由。任务116判断是否所有知晓的星座配置和时间间隔已经考虑。例如，在一节点的轨道的某一部分，一些交叉平面交叉链路可以去掉。这种情况发生在选定轨道和不同可替换最短跳跃路由过程中的某些时间内。
当所有星座配置和时间间隔均考虑后，任务118存储路由信息。所存储的信息包括在预定时间内对于每一星座配置的每一S—D对中所选的最短跳跃路由的列表。在一个称为虚拟路径的实施例中，一套完整的路由信息(亦即，所选的最短跳跃路由)存放在呼叫控制中心内，如SCS28(图1)。在该虚拟路径实施例中，每一包里有一标志，当包在节点与节点之间传送时，该标志指示其传送的路由。该标志标识源—目的地对，由任务102—106决定其路由。
在该虚拟路径实施例中，任务120为所选的最短跳跃路由传送路由信息(亦即，第一、第二和第三选择的最短跳跃路由列表)到每一节点，所选的路由以该节点作为源或过渡节点。路由信息按表中的格式送往每一节点处。送往每一节点的路由表中列出了具有标识路由标志的每一路由。按这种方式，每一节点只具有每一标志相关路由的下一节点的信息。因此，对于所有源—目的地对组合的所有路由信息不必存储在星座中每一节点里。当一节点接收到一数据包时，该节点使用包的路由标志寻找发送该包数据的首选最短跳跃路由的下一节点。
精通本技术的人将知道虚拟路径实施方案其优点包括防止链路阻塞及提高路由选择性能。虽然虚拟路径实施方案提供了所述的及其它优点，但是其它实施方案也是可用的。
例如，在另一个称为数据报(datagram)的实施例中，每一数据包将目的节点视为包的ID的一部分，而不是象在虚拟路径实施例中那样标识为一个源—目的地对。数据报实施例中，为数据包选择路由并传送到目的节点、和数据包从哪个节点接收来的无关，也和包的源节点无关。在该数据报实施中，星座中每一节点的路由表由下面将讨论到的SCS 28(图1)确定。任务102—116确定的路由信息用于确定所选跳跃路由的数目，它将每一节点作为源节点或过渡节点，用于发送数据包到星座中每一其它目的节点。以造中的使用一个节点的跳跃路由数为基础，所选的使用有关该节点的每一链路的跳跃路由百分比便可确定。为星座中每一节点重复该过程。所确定的百分比用作一个节点使用其一条指定链路为一个数据包选择路由至一标识的目的节点的概率。
在数据报实施例中，任务118在这些百分比基础上为星座中每一节点产生一个表。对于每个节点，该表可以不同，并且包括对每一目的节点使用每一链路的概率也不同。在一个实施例中，一个节点可能有4条出口链路。对于一特定的节点，4条出口链路中的3条可以依赖选中的跳跃路由。在这种情况下，该表将通知该节点按照一百分比使用这3条链路之一，其百分比是以选中的跳跃路由中每一链路所包含的频率为基础的。于是，举例说，对于一特定节点一条链路可能在百分之七十的时间内列出，而其它两条链路可能分别在百分之二十和百分之十的时间内列出。在数据报实施例中，任务120将每一张表送往适当的节点，用于为数据表选择路由。
数据报实施例为数据包选择路由至目的节点，和该包的接收来自哪个节点无关，同时也和该包的源节点无关。精通本技术的人知道，尽管数据报实施方案未在全范围内使用，但与虚拟路径实施例中由任务102—106确定的路由信息相比，数据报实施例的一个优点是对于每一数据包所需传递的信息少些，因为每一数据包只传递所标识的目的节点。例如在66个卫星节点的优选实施例中，对于所有可能的目的节点仅需一个7比特地址便可标识，而在虚拟路由实施例中，则至少需要13比特地址以标识一个所有可能的源—目的节点对组合。
在卫星节点间为数据包选择路由需要做出路由逻辑的判决。在一优选实施例中，通过逻辑门来实现卫星节点中的判决，不过精通本技术的人知道其它办法也可实现判决。在一个实施例中，在每一数据包所指定的目的地址的基础上进行路由逻辑判决。根据节点是否为起始节点、过渡节点或目的节点，其路由判决会不同。
图9示出了适合于在本发明的一个优选实施例中使用的，在一起始节点内数据包路由逻辑的并行硬件实现过程。起始节点为接收包的卫星节点，可通过用户链路16(图1)从用户单元26(图1)接收或通过地球链路15(图1)从入口22(图1)接收。如前面所讨论的，起始节点根据其计数的最短跳跃路由对到包的目的节点的路程作了一个估算。最短跳跃计数路程是建立在一健全的星座(亦即没有故障的星座)中最短跳跃路由基础上的。所估算的路程只为起始节点用作判决的下限。路程估算参数被称为最短跳跃计数距离(MHCD)。在一优选实施例中，该信息可以通过来自呼叫处理通道的呼叫、设置消息传送到并保存在起始节点中，或在包内的指定目的节点基础上实时计算(例如，通过纯硬件逻辑)。在另一个优选实施例中，包的目的节点可通过3比特的子字段来指示，例如，指定一轨道号并且通过3比特或4比特子字段指示该平面内的特定卫星。
起始节点将给出的MHCD与设置的门限对照检查，该门限此处称为最短跳跃计数门限(MHCF)，通过SCS将其编程到卫星节点中。起始节点根据MHCD是低于还是高于指定的MHCT门限，通过路由表给出的第二或第一出口链路为包选择路由。因此，在跳跃计数时延允许时，包可以通过更多间接路径(距离长些)传送，而让那些需要到达很遥远的目的节点的包使用更直接的路由(具有最短跳跃路由)。这种引导的随机特征通过负载分解防止了链路阻塞。负载分解在单一呼叫基础上可有效地实现，因为来自同一呼叫的所有包通常属于相同的源—目的跳跃计数距离。精通本技术的人知道这将消除有关话音数据的时延抖动。图9中给出了起始节点中路由逻辑的一个实施例，从简单和速度上考虑，用硬件中并行使用的形式实现。
参照图9，任务202判决一个包是否寻址到当前节点，任务204沿着下行链路特包传送到地球终端站或用户单元。当包未寻址到当前节点时，在任务206中从路由表中读出三条出口链路选择。如果第二选择的出口链路无故障，则任务208将沿该链路传送数据包。在一优选实施例中，如果第二选择出口链路未出故障且MHCD小于MHCT，则任务208将沿该链路传送数据包。
当第二选择出口链路出故障时，任务201将包沿第一选择出口链路传送。在一推荐实施例中，当第二选择出口链路出故障且MHCD小于MHCT时，则任务210沿第一选择出口链路传送包。当第一和第二选择出口链路均出故障时，则任务212将包沿第三选择出口链路传送。如果第一条链路未出故障，则任务214沿该链路传送包。在一优选实施例中，如果第一条链路未出故障且MHCD大于或等于MHCT，则任务214沿第一条链路传送包。如果第二条链路未出故障，则任务216沿该链路传送包。在一优选实施例中，如果第二条链路未出故障且MHCD大于或等于MHCT，则任务216测该链路传送包。如果所有表中列出的出口链路选择均出故障，则任务218放弃该包。
图10示出了适合于在本发明一优选实施例中使用的在非起始节点内包路由逻辑以并行硬件应用图。过程300中描述了用在任何非起始节点的节点上变换包的路由逻辑。如果路由表中的第一出口链路未出故障的话，则卫星节点沿该链路传送包(对于该状态下的卫星配置)。如该链路有故障，则检查指出的(如有的话)第二条出口链路是否出故障。如果有故障，则检查所给出的第三条出口链路(如存在的话)，如未出故障，则将包沿该链路传送。当所有出口链路选择均出故障，则放弃该包，并且结束该节点内的交换过程。图10中给出了该逻辑的并行快速硬件应用的一个实施例。
参考图10，任务302判断包是否寻址到当前节点，如果“是”，则任务304在下行链路中将包传送到地球终端站或用户单元。当包未寻址到当前节点时，则任务306从路由表中读出三条出口链路选择。如果第一选择出口链路未出故障，则任务308沿该链路传送包。当第一选择出口链路出故障时，任务310沿第二选择出口链路传送包。当第一和第二选择链路均出故障时，任务312沿第三选择出口链路传送包。当列在表中的所有出口链路均出故障时，任务314放弃该包。
虽然本发明以特定的实施例和特定的优选实施例为基础进行描述，虽然，对于精通本技术的人来说，根据此处所作的描述许多变化和修改将是显而易见的，并且在权利要求中意在包括这些变化和修改。
如本文所讲述的，对于精通本技术的人来说，本发明的优点是很明显的，在一个通信系统的节点之间为数据包路由选择提供一种改进的方法和设备，该系统中节点相互之间是移动的，并且节点之间的连接或链路作为节点位置的函数，和由于链路故障而变化。这些优点包括每一节点自发使用高度分布的路由选择方法。该路由选择方法的另一优点是实现了网络链路的均匀使用，同时限制路由选择中每一路径的跳跃数目。本发明另一优点是其路由选择方法实现了均匀化，从而有助于防止链路阻塞。另一优点是不需要在SCS或GWS中维持或更新路由信息。另一优点是其路由选择方法实际上防止了阻塞，而不是象以往系统那样对其进行响应。另一优点是该路由选择方法排除了链路故障的可能，对每一节点采用预先计算好的可选链路，从而使数据包路由选择绕过了故障的链路。

Claims (7)

1.一种用以在由多个节点相互之间通过链路进行通信的通信系统中在该多个节点间为数据包制定路由的方法，其特征在于，包括以下步骤：
更新所述链路的拓扑结构；
在源节点-目的节点地对之间寻找最短跳跃路由，每个所述的最短跳跃路由具有一系列链路，在这些链路上传送数据包；
从所述的最短跳跃路由中为每个所述的源节点-目的地节点对选择一条首选的最短跳跃路由，从所述的最短跳跃路由中为每个所述的源节点-目的地节点对选择首选路由的步骤包括以下步骤：
为与所述的最短跳跃路由相关联的每个链路计算链路使用概率(LUP)；
利用每个链路的所述LUP值为所述的最短跳跃路由计算一个网络路由熵(NRE)；
根据所述NRE选择所述的首选最短跳跃路由，所述的首选最短跳跃路由具有所述的NRE的最大NRE值；和
更新所述的首选最短跳跃路由的每个链路的LUP值；
存储每个所述的源节点-目的地节点对的所述最短跳跃路由的所述首选最短跳跃路由；及
为所述的数据包确定经所述的首选最短跳跃路由从所述的源节点到所述的目的地节点的路由。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的更新所述链路的拓扑结构的步骤包括：确定在一个预定的时间段内哪些链路不能用于传送所述数据包的步骤，在所述的节点改变轨道位置时所述链路被切断。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：确定在一个预定时间段内可得到的链路是可用的步骤，所述的寻找步骤还包括：只考虑所述的有用链路来寻找所述的最短跳跃路由的步骤，其中所述的预定时间段的根据是所述的多个节点的不同的星座配置结构，所述的星座配置结构包含：在每个所述的预定时间段内每个所述节点的轨道位置和在每个所述的预定时间段内计划关闭的链路。
4.一种通信系统，用以为数据包制定经由造成通信链路分配使用的最短跳跃路由的路由，所述的最短跳跃路由拥有一个所述通信链路的表，用于在源节点与目的地节点之间传送数据包，其特征在于，所述的系统包括：
相互移动的多个节点，所述的节点由所述的通信链路相耦连；
多信道收发信机，与所述的多个节点的每个节点相关联，用于利用所述的最短跳跃路由经所述的通信链路传送数据包；
一个处理器，与每个所述的多信道收发信机相耦连；和
一个控制设备，与所述的节点相耦连，用于确定在一个预定时间段内所述的通信链路中哪个是可以得到的，在所述的节点之间寻找所述最短跳跃路由，为所述的最短跳跃路由的每个通信链路计算链路使用概率(LUP)，根据所述的LUP值计算一个网络路由熵(NRE)，和根据所述NRE值从所述最短跳跃路由中为所述的源节点和所述的目的地节点选择一条首选的最短跳跃路由。
5.根据权利要求4所述的通信系统，其特征在于，所述的首选最短跳跃路由包括：一个过渡节点，在所述的系列链路内，所述的过渡节点是在所述的首选最短跳跃路由上的一个节点，其中所述的控制设备还包括：
用于计算与所述的过渡节点相关的所述多个通信链路中的每条通信链路的百分比的装置，所述的过渡节点由使用该过渡节点的所述首选最短跳跃路由来标识；
用于指令与所述过渡节点相耦连的所述收发信机根据所述的百分比从所述过渡节点经一个与所述过渡节点相关的所述通信链路发送所述数据包的装置。
6.根据权利要求4所述的通信系统，其特征在于，一个存储媒体，在与所述处理器相耦连的每个节点上，所述的存储媒体用于存放一个表，该表内含所述的首选最短跳跃路由，该表从所述的控制装置通过一个上行链路送往所述多个节点中的每个节点。
7.根据权利要求4所述的通信系统，其特征在于，所述的控制装置包括：用于只在找到一条最短跳跃路由时寻找可替换的跳跃路由的装置，所述的可替换的跳跃路由包括多个路由，这些路由对一种类型的所述数据包而言跳跃长度低于可接受的门限，所述的可接受的门限是建立在与所述的可替换跳跃路由相关的一个时延基础上的。
CN95104323.4A 1994-04-04 1995-03-30 充分连接通信网自适应导向随机和分布路由的方法和装置 Expired - Lifetime CN1099177C (zh)

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