一种基于星上处理的通信卫星中多控制器并发管控方法

本发明涉及通信技术领域，特别是指一种天基通信网的卫星通信资源分布式管控方法，属于卫星通信技术领域。

在卫星通信领域，随着星上处理技术、激光链路以及中低轨高容量卫星的引入，天基高速卫星通信网开始出现,如Starlink星座、OneWeb星座、中国航天科工集团的虹云星座等等。在本发明中，约定下行为从卫星侧到终端侧，上行则是指终端侧到卫星侧；卫星通信的传输体制包括调制方式、编码方式、多址方式和信道分配方式等。卫星终端使用一种下行传输体制用于数据接收、一种返向传输体制进行数据发送。一个终端所使用的下行传输体制和返向传输体制可以相同，也可以不同。卫星上的每个波束覆盖地球上一定的区域。星上交换的流程通常为：卫星终端发送的信息，由卫星的天线接收后，经星上解调、处理和交换后，从目的波束以目的设备的接收传输体制将信息重新调制后发送出去。不同的传输体制通常需要不同的调制解调器控制技术(资源分配策略等)。不同类型的用户，通常需要不同的传输体制接入天基高速卫星通信网。例如，直升机需要的传输体制要应对旋翼遮挡问题、军事应用的传输体制需要高抗干扰能力、低轨卫星接入时需要应对的多普勒频移问题等等。

传统的星上交换系统对通信资源的管控策略通常采用集中式管理:

所有的调制解调器由一个网控程序进行管理，该程序部署在星上的一个或者若干CPU中，用于集中处理各种传输体制下卫星终端的资源请求，统一进行频域、时域、空域、功率等卫星通信资源的分配和规划调度。这种方式适用于传输体制少、在线终端数量少、业务量较少等所需计算资源少的情况。随着传输体制和用户数量的增加，集中式资源分配策略难以满足业务申请和资源分配所需的计算资源。

本发明所要解决的技术问题是提出一种基于星上处理的通信卫星中多控制器并发管控方法。

本发明采用的技术方案为：

一种基于星上处理的通信卫星中多控制器并发管控方法，包括以下步骤：

(1)每个卫星内分别配置唯一的骨干网交换设备和唯一的管控模块，并按照设定的规则对卫星的调制和解调设备以及卫星资源进行分组，每组设置一个Modem控制器，每个Modem控制器管理分组内的调制和解调设备以及卫星资源；

(2)同一颗卫星下的发送终端A到目的终端B建链业务申请时，判断发送终端A到卫星的接收Modem控制器与卫星到目的终端B的发送Modem控制器是否相同，如果相同则进行步骤(3)，如果不同，则进行步骤(4)；

(3)卫星的Modem控制器收到发送终端A到目的终端B的业务申请时，Modem控制器直接给发送终端A与目的终端B分配调制和解调设备以及卫星资源，并分别通知发送终端A和目的终端B以及卫星中的解调设备和调制设备；

(4)卫星的接收Modem控制器收到发送终端A到目的终端B的业务申请时，向卫星的发送Modem控制器发送申请，卫星的发送Modem控制器分配卫星到目的终端B的下行卫星资源；

(5)卫星的发送Modem控制器将分配结果反馈给卫星的接收Modem控制器，并将资源分配结果通知目的终端B；

(6)卫星的接收Modem控制器分配发送终端A到卫星的上行卫星资源，并将分配结果通知发送终端A；

(7)卫星的接收Modem控制器和卫星的发送Modem控制器分别配置各自的业务适配模块，以及接收发送终端A数据的解调设备和向目的终端B发送数据的调制设备；并分别通知卫星中的解调设备和调制设备。

(8)不同卫星下的发送终端A到目的终端B建链业务申请时，卫星的接收Modem控制器收到发送终端A到目的终端B的业务申请后，向所在的卫星内的第一管控模块发送申请；

(9)第一管控模块与目的终端B所在的卫星的第二管控模块协商星间链路，第二管控模块分配卫星到目的终端B的下行卫星资源，并通知第一管控模块允许连接目的目的终端B；

(10)第一管控模块和第二管控模块分别配置各自的骨干网交换设备；

(11)第一管控模块将分配结果反馈给卫星的接收Modem控制器后，卫星的接收Modem控制器分配上行卫星资源以及接收发送终端A数据的解调设备，并配置业务适配模块，将分配结果通知发送终端A以及接收发送终端A数据的解调设备。

本发明采用上述分布式技术方案的有益效果在于：

(1)降低集中管控对单CPU处理能力的要求；

(2)避免集中管控所存在的单点故障问题；

(3)提高系统的并发处理能力。

图1是本发明天基骨干网和接入网关系示意图。

图2是本发明实施例中系统的结构示意图。

图3是本发明各实体的组织关系示意图。

图4是卫星上Modem控制器收到终端业务请求的处理流程示意图。

图5是控制器内处理的业务请求流程示意图。

图6是卫星内控制器间处理业务区的流程示意图。

图7是终端发起跨星业务请求的流程示意图。

图8是一种卫星内Modem控制器的组织应用模式示意图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，整个天基通信网分为天基骨干网和天基接入网两部分，天基骨干网由通过激光或者高速微波链路互联的卫星节点和地面信关站组成，并通过地面信关站接入地面骨干网。每个负责业务接入的卫星有一种或多种下行传输体制、一种或多种上行传输体制。每种下行传输体制对应一个或者多个调制器，每种上行传输体制对应一个或者多个解调器。每个卫星终端通常只使用一种下行卫星传输体制、一种上行传输体制。天基骨干网中卫星的各种业务接入体制以及通过这些业务接入体制进行数据收发的卫星通信终端组成天基接入网。

如图2所示，卫星内配置唯一的管控模块，负责星间链路的资源管理及星内Modem控制器管理。星内通信不需要集中管理，而星间通信则需要集中的管控模块完成。

以一定规则(如按照波束或者传输体制)对卫星的调制解调资源进行分组，每一组设置一个Modem控制器。每个Modem控制器管理分组内的调制/解调设备和一定量的卫星资源，根据卫星终端的业务请求情况，分配卫星资源，并将分配结果通知终端和调制/解调设备。Modem控制器可以由一或多个软件进程组成。当调制解调器的数据封装模式和卫星骨干网交换机的封装模式不同时，还需要在两者间增加业务适配模块，以进行数据封装格式的转换。

星内的管控模块、Modem控制器、业务适配、调制解调设备的组织关系如图3所示。管控模块管理星内的所有Modem控制器，每个Modem控制器管理零到多个业务适配模块，每个业务适配模块用于适配一种或多个调制/解调器的业务数据到骨干网交换机。

管控设备涉及多项功能，包括星间链管理、星内接入资源管理(分配频谱资源给Modem控制器)、接入设备管理(通过配置中频矩阵和Modem实现冗余控制、进行设备状态监控)、骨干网设备管理。

如图4所示，Modem控制器对所管理的终端A的业务申请进行判断，如果终端A的发送和终端B的接收归属于同一个Modem控制器管理，则终端A到B的传输申请及分配直接在控制器内完成；如果不属于同一Modem控制器，但是两终端归属于同一卫星，则在两控制器间协商完成资源分配；如果目的地址跨星可达，则需要由控制器向管控模块申请星间链路资源或者星地资源；如果目的不可达，则拒绝申请。

对于任意卫星终端,数据接收在同一时刻归属于的一个Modem控制器管理,数据发送在同一时刻也归属于一个Modem控制器管理。在本发明中称为卫星终端的接收Modem控制器和发送Modem控制器。同一卫星终端的发送Modem控制器和接收Modem控制器可以相同，也可以不同。卫星终端的接收或者发送在不同时间段可以归属于不同Modem控制器。

Modem控制器需要获知接入到该卫星的卫星终端的接收Modem控制器，以此在控制器收到请求时，确定下一步需要进行的流程。获知的方式可以是终端注册时在Modem控制器间进行广播、由管控模块集中存储，或者在Modem控制器间组织分布式哈希表等方式完成。

对于终端A到终端B的建链业务申请时，如果终端A与终端B在同一颗卫星下，且终端A到卫星的接收Modem控制器与卫星到终端B的发送Modem控制器相同，则由该Modem控制器直接分配资源，完成终端A到终端B的业务通信。基本控制流程如图5所示，

1)终端A向接收Modem控制器1发送到终端B的业务申请；

2)卫星的接收Modem控制器1发现卫星到终端B的通路归属于本控制器管理，则该Modem控制器直接给终端A与终端B分配调制和解调设备以及卫星资源，并分别通知终端A和终端B以及卫星中接收终端A数据的解调设备和向终端B发送数据的调制设备；

如果终端A和卫星B都接入到同一颗卫星，但是终端A到卫星与卫星到终端B链路的Modem控制器不同，则如图6所述，基本流程如下：

1)卫星的接收Modem控制器1收到终端A到终端B的业务申请，判断出卫星到终端B归属卫星的发送Modem控制器2管理；

2)接收Modem控制器1向发送Modem控制器2发送申请，由发送Modem控制器2分配卫星到终端B的下行卫星资源；

3)发送Modem控制器2将分配结果反馈给接收Modem控制器1，并将资源分配结果通知终端B；

4)接收Modem控制器1分配终端A到卫星的上行卫星资源，并将分配结果通知终端A；

5)接收Modem控制器1和发送Modem控制器2分别配置各自的业务适配模块；

6)接收Modem控制器1配置解调设备，发送Modem控制器2配置调制设备。

如图7所示，如果终端A与其他卫星下的终端B通信，则基本流程如下：

1)卫星的接收Modem控制器1收到终端A的业务申请，判断发现目的地址不在本星。

2)则接收Modem控制器1需要向卫星1内的第一管控模块1发送申请；

3)由第一管控模块1与终端B所在的卫星2的第二管控模块2协商星间链路，第二管控模块2还需要分配卫星2到终端B的下行卫星资源以及向终端B发送数据的调制设备；

4)第二管控模块2通知第一管控模块1允许连接目的终端B；

5)第一管控模块1和第二管控模块2分别通过诸如标签分配协议的方式，配置各自的骨干网交换设备，建立星间链路；

6)第一管控模块1将结果反馈给接收Modem控制器1；

7)如果第一管控模块1返回的为成功，则接收Modem控制器1分配上行卫星接入资源，以及接收终端A数据的解调设备，并配置业务适配模块，通过到终端A的下行信令发送给终端A；将分配结果通知终端A以及接收终端A数据的解调设备；

如果终端A需要接入地面网，则类似于跨星业务，通过地面信关站的管控程序建立星地LSP连接，终端A的业务数据通过地面信关站的业务适配进入地面网。

业务数据的处理流程，如图2所示，假定骨干网中每个节点的骨干网交换设备为基于AOS(Advanced Orbit System,高级在轨系统)帧的标签交换设备。终端到卫星的业务数据为IP包。

骨干网标签交换设备的功能是根据AOS帧帧头的获取入标签inLabel，替换为outLabel，从outPort发送出去。当超出限定的带宽bandWidth时，则丢弃。因此骨干网标签交换设备需要配置的表为LFIB(Label Forwarding Information Base)，内容为inLabel到outPort,outLabel,bandWidth的映射。骨干网交换机由两个端口类型，业务接入和交换类。与业务适配设备连接的为业务接入类型：对于从该端口收到的数据帧，会直接提取outPort值，发往该outPort端口。对于用于和其他卫星节点或者地面信关站连接的端口，则将收到的数据帧中的inLabel，查LFIB表，将帧中的inLabel替换为outLabel，并从outPort端口转发出去。

业务适配模块将接入网调制设备收到的帧解析为IP数据包，并根据FIB表将IP数据包封装入AOS帧。FIB(Forwarding Information Base)表的内容为FEC->outPort,outLabel,bandWidth(可选)，dstNode(仅当连接为1对多模式)。将具有相同特征(目的地相同或具有相同服务等级等)的报文归为一类，称为FEC(Forwarding Equivalence Class，转发等价类)。属于相同FEC的报文在标签交换网络中将获得完全相同的处理。当收到骨干网标签交换设备发来的AOS帧时，则将AOS解析为IP数据包，并封装为调制解调器需要的数据帧格式，按照终端接收与调制器的映射表，发往对应的调制器。

在系统中，分为需要带宽保障的业务(如电话)和非带宽保障类业务(如普通IP数据业务)。保障类业务需要先建立端到端的连接，卫星资源采用预留的方式，在拆除链接后卫星资源才可以释放。

一种可行的星内功能组织形式如图8所示，对于每个卫星，有唯一的骨干网交换设备，唯一的管控模块。骨干网交换设备使用跨星统一的数据帧格式，用于跨星传输或通过信关站接入地面骨干网。管控模块可以接收地面网管中心的配置命令，并在地面网管中心失能时，具有自主管理卫星网运行的能力。

对于卫星上每种传输体制，配置一个传输体制内交换设备、一个Modem控制器、一个业务适配设备。

Modem控制器管理一个或者多个调制/解调设备和一定量的卫星资源，根据终端的业务请求情况，分配卫星资源，并将分配结果通知终端和调制/解调设备。在一种传输体系内，Modem控制器可以由多个软件进程组成。

体制内交换设备用于该传输体制内各调制解调器以及业务适配模块的数据帧传输和交换。也可以用于Modem控制器与其管理的调制解调设备的控制消息通信。可以通过体制内交换设备连接同传输体制的所有调制解调资源。

业务适配模块在一侧通过体制内交换设备与各调制解调器连接，另一侧与骨干网交换设备的一个端口连接。其功能包括：(a)调制/解调设备所需的数据帧格式与骨干网交换设备的数据帧格式进行转换。例如，从解调器的数据帧中解析出IP数据包，再分装成AOS帧；对于下行数据，则需要从骨干网接收的AOS帧解析出IP数据包，然后再封装到调制器所需要的帧格式(b)进行QoS保障及流量控制。(c)对业务通信进行访问控制(d)如果核心网是标签交换网，则触发业务建立或拆除LSP(Label Switched Path，标签交换路径)操作。当调制/解调设备所需的数据帧格式与骨干网交换设备的数据帧格式相同，且上层数据，可以不在该传输体制内配置业务适配模块，而将体制内交换机与骨干网交换机直接连接。