一种存算融合的天基承载网组网传输架构及方法与流程

本发明涉及卫星网络，尤其涉及一种天基承载网组网传输架构及方法。

背景技术：

1、随着商业航天的快速发展和移动通信技术、地面互联网技术不断向太空领域的拓展，全球范围内低轨卫星网络星座计划呈现出爆发式增长的态势，以趋凭借其广域覆盖和广播分发的优势，解决全球信息服务的问题。

2、卫星网络主要由三部分组成：天基接入网、天基承载网和核心网。其中，天基承载网可以被视为卫星网络的“脉络”或“互联”基座，负责组网传输相关的网络功能。天基承载网的结构参考地面互联网、移动通信网中的承载网以及卫星通信系统架构，主要由部署在卫星上的天基路由器、地基路由器、网络控制器等组成，这些组件通过星间(卫星与卫星之间)和星地(卫星与地面站之间)链路临时自组织起来。由于卫星的运动和轨道变化，天基承载网的拓扑结构是动态时变的，这意味着网络中的节点和连接会不断地变化。此外，由于卫星和地面站之间的相对运动，星间和星地链路也会频繁切换。这些特性使得在天基承载网中提供稳定的寻址和路由变得非常具有挑战性。解决拓扑时变场景下如何提供稳定的寻址和路由问题常见路由策略如：

3、集中式路由：天基承载网中的卫星节点统一接收地面控制器上注的计算好的路由表，并据此进行路由转发。

4、分布式路由：天基承载网中的每个卫星节点都维护一张包含全网所有节点的路由表，卫星节点通过探测机制检测与邻居节点之间的关系，并在此基础上更新和计算路由。

5、集中式与分布式相结合路由：地面控制中心根据卫星的运行规律预先计算星间、星地链路的切换关系，并生成一张路由表。在正常情况下，卫星节点根据这张预计算的路由表进行路由转发。同时，每个卫星节点还运行一套分布式探测机制，对网络拓扑进行实时探测。当出现链路异常或故障时，卫星节点可以立即修正原路由表，实现快速响应。

6、随着航天电子技术的快速发展，得益于商用货架器件的广泛应用，卫星已经具备了更强的计算和存储能力，这种技术进步使得卫星不再仅仅是网络中的一个节点，而是逐渐转变为具有“服务节点”能力的实体。新型服务，如数据实时在轨处理和天基云计算，对天基承载网的高效性和可靠性提出了更高的要求。

7、然而，发明人所知的传统天基承载网组网传输技术主要关注的是如何在卫星网络拓扑时变的情况下提供稳定的路由，确保端到端的“互联互通”。这仅仅是解决了网络连接的基本问题，但没有考虑到卫星现在具有的强大计算和存储能力。随着卫星计算和存储能力的提升，需要重新思考和设计天基承载网，使其能够更好地利用这些资源，并提供更高质量的服务，以满足新型应用的需求。

技术实现思路

1、为克服上述天基承载网组网传输架构及方法所存在的缺陷，本发明提供一种存算融合的天基承载网组网传输架构及方法，为天基云计算、天基数据中心、数据在轨处理等新型应用提供一个更高质量的组网传输服务。

2、就天基承载网组网传输架构而言，本发明为解决所述技术问题的天基承载网组网传输架构包括：

3、用于实现卫星节点之间网络通信的星间链路，所述卫星节点均配置有部署在星上的天基路由器，所述天基路由器通过所述星间链路互相实现卫星节点间数据的路由和转发；

4、用于实现卫星节点与地面站之间网络通信的星地链路，所述地面站配置有部署在地面的地基路由器，所述天基路由器与所述地基路由器通过所述星地链路实现天基承载网与地面互联网的数据交换；

5、用于天基承载网全局管理和控制的网络控制器，所述网络控制器通过所述星间链路和/或所述星地链路与所述卫星节点和/或所述地面站连接通信，实时获取网络状态信息，并根据所述网络状态信息调整网络配置和路由策略；

6、部署在星上的星载计算模块，用于在对应的卫星节点上执行星上的计算任务并通过所述星间链路将处理后的数据转发给其他卫星节点；

7、部署在地面站的地面计算模块，用于执行地面的计算任务，通过所述星地链路与卫星节点进行通信，配合所述星载计算模块参与天基承载网的组网传输过程。

8、作为天基承载网组网传输架构的改进，所述星载计算模块和所述地面计算模块通过所述星间链路和/或所述星地链路与所述网络控制器、所述天基路由器和所述地基路由器以临机自组织的方式连接，所述星载计算模块和所述地面计算模块可选择地请求网络的数据或计算资源，执行相应的计算任务并将结果返回所述网络。

9、作为天基承载网组网传输架构的改进，经过所述星载计算模块处理后的数据，通过天基路由器在星间链路上传输给下游的卫星节点；网络控制器根据需要调整路由策略，优化数据传输路径；

10、所述地面计算模块配合所述星载计算模块进行任务处理，提供额外的计算能力。

11、作为天基承载网组网传输架构的改进，所述星载计算模块配置有网络编码机制，所述星载计算模块从各条信道上收到的信息进行基于网络编码的线性或非线性的处理，所述网络编码包括固定编码和/或可变长编码。

12、作为天基承载网组网传输架构的改进，所述组网架构配置有多路径传输机制，源节点将数据信息复制，通过所述天基路由器以不同路径向目的节点传输，所述目的节点收到数据信息后进行去重后存储；

13、所述地面计算模块用于与网络控制器协同工作进行多路径传输策略的计算和优化。

14、作为天基承载网组网传输架构的改进，所述组网架构配置有分布式存储机制，星载计算模块配置有分布式编码算法，通过引入纠删码和/或再生码生成冗余数据，将所述数据进行星内存储单元间、多星之间相结合的分布式存储。

15、作为天基承载网组网传输架构的改进，所述星载计算模块用于对原始数据进行边缘计算和处理。

16、就天基承载网组网传输方法而言，本发明为解决所述技术问题的天基承载网组网传输方法基于上述的组网架构进行组网传输包括如下步骤：

17、源节点卫星接收数据报文；

18、启动网络编码机制，对所述数据报文进行基于网络编码的线性或非线性的处理；

19、启动多路径传输机制，对数据报文进行复制，从路由表中为数据报文选择多条路径，通过不同路径向目的节点传输；

20、卫星节点收到数据报文后，判断本节点是否为所述数据报文的目的节点，如果是所述目的节点，则进行去重处理；否则，继续查找路由表，并根据路由表指示的下一跳进行数据传输。

21、作为天基承载网组网传输方法的改进，在所述启动网络编码机制步骤之前，进行如下步骤：

22、所述源节点根据所述数据报文的目的地址以及相应的标识来判断数据是否需要在本地存储和/或是否为高价值数据；

23、如果数据需要在本地存储且是高价值数据，则在所述源节点卫星上启动分布式存储机制，使用编码技术对数据进行编码，根据所述源节点卫星的本地存储能力，将数据分布式地存储在卫星内部的不同存储单元之间，或与其他卫星进行分布式冗余存储；

24、根据数据报文在轨处理需求，对数据启动星上边缘计算和处理。

25、作为天基承载网组网传输架构的改进，所述源节点根据接收到的数据报文包括用于判断价值等级的定义的标识，根据所述标识的阈值定义是否为高价值数据。

26、与发明人所知的技术相比，本发明在传统的天基承载网传输架构解决基本互联互通的基础上，通过充分统筹使用分布在卫星上的计算、存储资源，形成的更加高效可靠的天基承载网组网传输架构。采用网络编码机制，卫星节点对接收到的信息进行编码传输来，有效提升网络传输容量，“存算换传输容量”；采用多路径传输机制，源节点通过多条路径向目的节点传输同一份信息，目的节点对信息进行去重，有效提升传输可靠性，“存算换传输可靠提升”；采用分布式存储机制，通过将存储在卫星上的高价值数据进行星内存储单元间、多星之间相结合的分布式编码存储方式，避免存储单元乃至单星存储数据失效的问题，有效提升天基存储效率，“存算换存储可靠提升”；采用星上计算机制，在星上对原始数据进行边缘计算和处理，有效降低数据回传带来的星间、星地传输链路的带宽需求，节约星间星地传输带宽，满足实时性服务要求，实现“计算换传输带宽”；采用上述四种优化机制可以联合运用，或单独使用，构建了一个更加高效、更加可靠的天基承载网组网传输架构，为天基云计算、天基数据中心、数据在轨处理等新型应用提供一个更高质量的组网传输服务。