一种基于切换路径图的预先判决方法和装置

1.本技术涉及天地一体化网络技术领域，更具体的说，是涉及一种基于切换路径图的预先判决方法和装置。


背景技术：

2.当前的天地一体化网络安全切换研究中，对于预先判决问题的处理，大多直接给定候选卫星集合进行选取，并确信两个卫星节点之间能够完成消息传递，没有对卫星节点间的复杂拓扑关系和运动情况进行考虑。然而，在现实的空间场景中，天地一体化网络中的卫星接入节点高速运动，导致网络拓扑不断变化，给信任传递带来了严峻挑战；而且，在如图1所示的立体化的网络空间中，由于卫星排列复杂、分布范围广，使得接入用户在发起安全切换时，存在多星冗余覆盖的情况，将严重影响用户的切换选择。因此，如何在轨道纵横交错、立体动态的网络空间，实现切换认证消息的预先传递是一个亟待解决的难题。


技术实现要素：

3.鉴于上述问题，提出了本技术以便提供一种基于切换路径图的预先判决方法和装置，在为处于复杂网络覆盖情况下的用户提供安全切换目标节点的选取参考，实现安全切换的精准性、最优化服务。
4.具体方案如下：
5.一种基于切换路径图的预先判决方法，包括以下步骤：
6.步骤s1、获取天地一体化网络中使用户安全切换目标节点的切换路径图；
7.步骤s2、根据所述切换路径图中节点关系，得到有效安全切换路径；
8.步骤s3、对所述有效安全切换路径进行综合评估打分，选取最佳安全切换方案。
9.作为优选，步骤s1，包括：
10.步骤11、用户的当前接入卫星通过获取本区域其他卫星的星历表，得到其他卫星的星下点轨迹；
11.步骤12、根据所述星下点轨迹，对未来时间内用户所处位置的卫星覆盖情况进行分析，得到用户的安全切换路径图。
12.作为优选，步骤s2中，根据所述切换路径图中当前接入节点与切换目标节点在链路间歇性连通环境下的信任预先传递信息，得到有效安全切换路径。
13.作为优选，步骤s3中，采用基于ewm和topsis进行效能评估，并根据用户的偏好，以最少切次数或最佳服务质量作为选取准则，选取最佳安全切换方案。
14.本发明还提供一种基于切换路径图的预先判决装置，包括：
15.获取模块，用于获取天地一体化网络中使用户安全切换目标节点的切换路径图；
16.第一处理模块，用于根据所述切换路径图中节点关系，得到有效安全切换路径；
17.第二处理模块，用于对所述有效安全切换路径进行综合评估打分，选取最佳安全切换方案。
18.作为优选，获取模块，包括：
19.第一处理单元，用于使用户的当前接入卫星通过获取本区域其他卫星的星历表，得到其他卫星的星下点轨迹；
20.第二处理单元，用于根据所述星下点轨迹，对未来时间内用户所处位置的卫星覆盖情况进行分析，得到用户的安全切换路径图。
21.作为优选，第一处理模块根据所述切换路径图中当前接入节点与切换目标节点在链路间歇性连通环境下的信任预先传递信息，得到有效安全切换路径。
22.作为优选，第二处理模块采用基于ewm和topsis进行效能评估，并根据用户的偏好，以最少切次数或最佳服务质量作为选取准则，选取最佳安全切换方案。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
24.本发明采用以切换路径图的生成、有效路径生成、切换路径效益评估三个技术手段，实现最佳安全切换路径的评估和选取，为快速无缝安全切换同时为切换信令的预先传递提供引导。
附图说明
25.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
26.图1为复杂轨道场景下的安全切换预先判决示意图；
27.图2为基于切换路径图的预先判决机制基本框架示意图；
28.图3为本发明实施例的基于切换路径图的预先判决方法流程示意图；
29.图4为卫星在球面上的星下点位置示意图；
30.图5为卫星对用户覆盖半径分析示意图；
31.图6为接入节点对用户连续覆盖时间分布示意图；
32.图7为用户切换路径图；
33.图8为星间链路间歇性连通示意图；
34.图9为信任传递链路的查找示意图，其中，图9(a)为选取的最佳切换目的节点为起点，查找其在(t
start
,t
end
)时间段内的邻居节点是否有用户的当前接入节点，如果不存在，则对这些邻居节点在时间段(t
start
,t
end
)内的邻居节点进行查找，直到在时间和跳数范围内查找到当前节点为止，并根据邻居关系确定由当前节点到目的节点的传递链路的示意图；图9(b)为在时间段或最大查找跳数范围内未查找到当前节点，则说明当前节点与目标节点不存在时间区间(t
start
,t
end
)内的传递链路，无法实现用户可信身份的预先传递，则从候选集中选取次优节点继续查找链路的示意图；
35.图10为切换路径节点的效益评估流程示意图；
36.图11为切换路径效益选择排序流程示意图。
具体实施方式
37.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
38.本技术提供了一种基于切换路径图的预先判决方法和装置，在为处于复杂网络覆盖情况下的用户提供安全切换目标节点的选取参考，实现安全切换的精准性、最优化服务。
39.本发明实施例提供一种基于切换路径图的预先判决方法，为了实现对用户未来时间安全事件提前预测和分析的需求，如图2所示，本框架中以位于高轨道的卫星为核心节点进行区域划分，每个核心节点卫星负以位于高轨道的卫星为核心节点进行区域划分，每个核心节点卫星负责协助地面控制中心，管辖其下覆盖的大量leo卫星节点，负责周期性更新和维护辖区内的leo卫星状态信息，并为leo卫星和用户提供信息查询、路由转发等服务。首先，当用户初次接入到核心节点覆盖区域时，用户将移动路线或当前运动方向上报至当前接入节点，当路线或方向发生改动时，上报至当前接入节点进行修正。接入节点可向核心节点发出请求，得到其他会经过此区域的接入卫星节点的信息，如星历表、属性状态等。由于用户的运动速度远小于leo卫星的运动速度，且用户运动时会沿道路或既定的航线移动，因此为便于轨迹分析，可将用户的移动路径看作一条或数条较大的曲率的曲线衔接而成。其次，用户的当前接入卫星通过获取本区域其他卫星的星历表，可预测出其他卫星的星下点轨迹，并结合用户的移动情况，对未来一段时间内用户的轨迹与被接入卫星覆盖情况进行分析，得到本区域卫星在未来时间内对用户的覆盖关系，继而生成用户的安全切换路径图，结合卫星节点之间的链路建立情况，筛选出路径图中的有效安全切换路径。最后，将核心节点处获取的接入卫星属性信息、对用户轨迹分析获得的覆盖时间信息等进行汇总，进行多属性综合评价，对可能的安全切换路径进行综合评估打分，并根据用户的偏好，以最少切次数或最佳服务质量作为选取准则，选取最佳安全切换方案。
40.如图3所示，本发明实施例提供一种基于切换路径图的预先判决方法，包括以下步骤：
41.步骤s1、获取天地一体化网络中使用户安全切换目标节点的切换路径图；
42.步骤s2、根据所述切换路径图中节点关系，得到有效安全切换路径；
43.步骤s3、对所述有效安全切换路径进行综合评估打分，并根据用户的偏好，以最少切次数或最佳服务质量作为选取准则，选取最佳安全切换方案。
44.作为本发明实施例的一种实施方式，步骤s1包括：
45.步骤11、用户的当前接入卫星通过获取本区域其他卫星的星历表，得到其他卫星的星下点轨迹；
46.步骤12、根据所述星下点轨迹，对未来时间内用户所处位置的卫星覆盖情况进行分析，得到用户的安全切换路径图。
47.进一步，为了实现对空间中的卫星定位和管理，系统管理者会对每颗卫星创建一个星历表并定期更新，星历表中包含了卫星的编号、发射时间、以及轨道参数等重要信息，通过卫星星历表中提供的轨道参数，可以推算出未来某一时刻卫星的速度和方位等重要信息。因此，为了实现用户安全切换的预先判决，需要分析卫星运动规律，对未来时间内用户所处位置的卫星覆盖情况进行预测和分析。
48.首先对用户的网络覆盖情况进行分析，在用户所处的移动区域中，对经过该区域的卫星进行星下点轨迹预测，从而通过卫星的星下点及覆盖半径推算出某颗卫星对用户实
现覆盖的起止位置及时间。此外，本发明实施例还考虑了地球自转对星下点轨迹的影响，结合卫星星历提供的轨道参数，提出了任意时刻卫星的星下点位置的计算方法。本发明实施例中所使用的卫星轨道参数及名称如表1所示：
49.表1
[0050][0051]
在如图4所示的wgs-84坐标系中，卫星在t0时刻经过升交点ω0且此时的经度为p0，s为卫星在t时刻的星下点位置且此时的经纬度坐标为(p,q)，ω是由t0至t时刻卫星轨道相对地球偏移后的升交点，α是通过星下点s的经线与赤道的交点。
[0052]
首先由已知参数计算出卫星的平均运动角速度ωs：
[0053][0054]
设卫星从ω0到s经过的时间为δt，则δt＝t－t0，从而可以知道这段时间卫星沿轨道移动路径长度为：
[0055]
ωs＝ωsδt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0056]
升交点的偏移长度为：
[0057]
ω0ω＝ωeδt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0058]
在直角球面三角形δωsα中，由于∠sωα是卫星的轨道倾角，因此∠sωα＝i，从而得到sinsα＝sinωssini，即：
[0059]
sinq＝sinωsδtsini
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0060]
由此可以知星下点s时的纬度为
[0061]
q＝arcsin(sinωsδtsini)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0062]
在直角球面三角形δω0sα中，分别由边的余弦公式及第一五元素公式可以得到：
[0063]
cossω0＝cosδpcosq
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0064]
sinsω0cos∠sω0α＝sinδpcosq
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0065]
继而由式(5)、(6)和球面三角形δω0ωs中的余弦关系可知：
[0066][0067]
由此可以知星下点s时的经度为：
[0068][0069]
因此卫星在t时刻的星下点经纬度坐标s(p,q)可以由式(1)、(5)、(9)进行表示。
[0070]
接下来，分析卫星对用户的覆盖半径，如图5表示了高度为h、对地覆盖半径为r的卫星对高度为h的用户的覆盖情况：
[0071]
图5中s为卫星的星下点，o为卫星的所在位置，e为卫星的对地覆盖边界，s
′
为用户所在平面与os的交点，f为用户所在平面与oe的交点。由此可知δose～δos’f，因此可知卫星对用户所在平面的覆盖半径为：
[0072][0073]
由于在上文中实现了对星下点轨迹的预测，再结合卫星与用户的相对位置及覆盖半径进行分析，便易得知用户在未来时段内被卫星覆盖情况。如图6所示，图中表示了一个用户在核心节点管辖区域中，被多个接入节点在未来一段时间内的覆盖的情况：
[0074]
从接入节点对用户连续覆盖时间分布中可以观察到，一些时间段中存在多个接入节点同时对用户提供覆盖的情况，而确保用户能够实施安全切换的基础，正是需要当前接入节点和目标节点同时对其实现覆盖。因此，对于能够在一定时间段内同时为用户提供覆盖的两个接入节点，可视为两节点间具有支持该用户安全切换的潜在条件，但是在实际场景中，能否顺利执行安全切换还受到用户需求、节点性能、节点间链路状态等因素的制约。为了能够有效地刻画出用户在接入节点间安全切换的轨迹，本发明实施例使用安全切换路径图对预测到的用户安全切换方案进行分析，同时为确保该安全切换路径图具有实际参考意义，对图的生成给出了如下定义和规则：
[0075]
定义1安全切换路径图(security handover graph)：每个能为用户提供覆盖的卫星在图中可用一个顶点v表示，能够同时为用户提供覆盖的两个卫星之间存在一条边e，因此用户的安全切换路径图可表示为g＝(v,e)。
[0076]
定义2起始节点(start)：用户在安全切换路径图生成时所在的接入节点，对于每个用户来说，只存在一个起始节点。
[0077]
定义3最远节点(farthest)：在用户每次生成的对用户连续覆盖时间分布图中对用户最晚结束覆盖的接入节点，可能会存在多个最远节点。
[0078]
定义4安全切换足迹(step)：用户从当前所在节点切换直接相连的下一接入节点的过程，在安全切换路径图中表示为一条有向边e。
[0079]
定义5安全切换路径(path)：由若干个安全切换足迹组成的，能够在从起点到达最远点的一条路径。
[0080]
定义6节点深度(depth)：每个接入节点在切换路径图上距离起始节点最短的跳数记作节点深度，其中起始节点的深度为0。
[0081]
定义7前置节点(previous)：如果接入节点j在切换路径图上被节点i直接指向，则称i为j的前置节点。
[0082]
定义8后置节点(next)：如果接入节点i在切换路径图上直接指向节点j，则称j为i
的后置节点。
[0083]
规则1核心节点对轨道经过本管辖区域的接入节点持续监测，规则描述如下：
[0084]
if orbit(leoi)cross area
x then
[0085]
leoi∈area
x
[0086]
area
x refresh state of leo
i periodically
[0087]
else ignore
[0088]
end if
[0089]
规则1描述了核心节点需要将哪些接入节点纳入管辖的界定方法。由于卫星的运动具有周期性，因此凡是会经过某一核心节点管辖区域内的接入节点，即使此时不在该核心节点的覆盖范围内，将来也有可能在过境时成为区域内用户的切换接入对象。同时，为保证用户的预先判决服务的质量，本区域核心节点应从其他核心节点处周期更新这些接入节点的状态信息。
[0090]
规则2两个接入节点在一段时间内对用户同时实现覆盖，是用户能够在两节点间进行安全切换的必要条件，规则描述如下：
[0091][0092]
mn can execute handover from(leoi→
leojleoj→
leoi)
[0093]
else mn can not execute handover between leo
i and leoj[0094]
end if
[0095]
规则2描述了用户能否在两个接入节点之前实现安全切换的判断方法。如图6中表示了单独的一颗接入节点对用户的连续覆盖时长，对于一次切换能够实现的前提条件是用户在执行切换时能够被切换前后的节点同时覆盖，因此对于用户切换前的卫星i和切换后的卫星j，需要确保用户在被i的覆盖结束前被j覆盖，即t
ib
＜t
jb
＜t
ie
。
[0096]
规则3一个被用户接入过的卫星节点，直到该节点离开并重新进入本区域前，用户不会再次以该卫星节点为安全切换目标，规则描述如下：
[0097]
if leo
i is previous node of mn then
[0098]
mn handover to leo
i is forbidden
[0099]
until leo
i leaves the area
x and return
[0100]
end if
[0101]
规则3描述了用户在安全切换选择过程中可能出现的乒乓效应，并针对用户在目标选择时折返回原接入节点的问题提出了规避的办法。因为在实际场景中，仅满足同时覆盖的条件是不够的，如在图6中leo5和leo6对用户的覆盖关系满足t
6b
＜t
5b
＜t
6e
，但是由于t
5e
＜t
6e
，这意味着用户如果执行从leo6切换到leo5上的操作后，结束被leo5的覆盖时刻t
5e
要早于其一直保持在leo6的覆盖结束时刻t
6e
，还有可能被迫切换回leo6，这种操作行为显然违背实际需求。因此应将规则2中的条件上升为t
ib
＜tjb＜t
ie
＜t
je
。因此，不存在一条能够从i
→j→
i的环路(接入节点i在结束对该用户覆盖后，待其绕轨再次返回时将i重新分析)。
[0102]
由上述定义和规则可知，由接入节点对用户连续覆盖时间关系生成的切换路径图是一个有向无环图(directed acyclic graph,dag)，并得到切换路径图生成算法如下：
[0103][0104]
由算法1对图2进行处理，生成的切换路径图如图7，切换路径图中的有向路径表示了前后两节点之间能够同时对用户提供网络覆盖，是用户的潜在接入对象，s表示了每个切换足迹step的效益，在不考虑成本和效益的情况下，这些路径所指向的节点都能成为用户的切换目标节点。但是在实际场景中，路径上箭头所指向的节点能否成为用户的切换目标节点，不仅要考虑其对用户的覆盖情况，还要考虑节点的性能、用户的需求等因素，从而选择出能为用户带来最佳收益的切换路径。
[0105]
作为本发明实施例的一种实施方式，步骤s2中，根据所述切换路径图中当前接入节点与切换目标节点在链路间歇性连通环境下的信任预先传递信息，得到有效安全切换路径。
[0106]
为了准确地分析用户切换路径图中节点间的关系，提取出有价值信息，对图7中的切换路径图进行分析，可以得到图7中的节点的连通关系如下表2所示：
[0107]
表2
[0108][0109]
对图7执行由起始节点至最远节点的深度优先遍历(depth first search,dfs)后，可输出如下的潜在切换路径：
[0110]
路径1：l1＝
①→②→⑤→⑦
[0111]
路径2：l2＝
①→②→⑥→⑦
[0112]
路径3：l3＝
①→②→④→⑤→⑦
[0113]
路径4：l4＝
①→②→⑤→⑥→⑦
[0114]
路径5：l5＝
①→②→④→⑤→⑥→⑦
[0115]
路径6：l6＝
①→③→②→⑤→⑦
[0116]
路径7：l7＝
①→③→②→⑥→⑦
[0117]
路径8：l8＝
①→③→④→⑤→⑦
[0118]
路径9：l9＝
①→③→②→④→⑤→⑦
[0119]
路径10：l
10
＝
①→③→②→⑤→⑥→⑦
[0120]
路径11：l
11
＝
①→③→④→⑤→⑥→⑦
[0121]
路径12：l
12
＝
①→③→②→④→⑤→⑥→⑦
[0122]
对输出的路径进行分析，以路径1和6作比较为例，路径1中可直接由节点
①
切换到节点
②
，而在路径6中，是先由节点
①
切换到节点
③
，再由节点
③
切换到节点
②
，两条路径的后续切换足迹相同。考虑到切换过程的开销，路径6相比路径1所多出的经过节点
③
的切换足迹是没有必要的。而对于路径1和路径7，虽然路径7比路径1的切换足迹多，可能会带来额外的切换开销，但是所构成两条路的足迹不同，路径7虽然增加了切换次数，但是有可能使用户得到更好的网络服务。因此，可由以下两条规则对切换路径图输出的路径进行进一步的筛选：
[0123]
规则4保留有效路径，剔除冗长路径，规则描述如下：
[0124]
if{step}x is set of pathx,then
[0125]
keep patha,delete pathb
[0126]
end if
[0127]
规则4分析了有效路径与冗长路径的甄别方法，具体实现方法描述如下：以表2中接入节点连通关系为描述对象，为了提取有效路径，避免无意义切换，对于depth值相同的i、j，若i为j的previous节点，则在i和j同时作为节点x的next节点时，不能以i为足迹输出一条有效路径。
[0128]
规则5根据用户偏好选取具有最少切换次数或最大平均效益的安全切换路径，规则描述如下：
[0129]
if mn needs minimumhandover times then
[0130]
select the path with the fewest steps
[0131]
else if mn needs maximumhandover benefit then
[0132]
select the path with the maximumaverage benefit
[0133]
end if
[0134]
规则5描述了由用户偏好确定的路径评估和选取准则，为了减少切换过程中对网络造成的扰动，可以以最少切换次数为准则；或者为了获得长期较好的网络服务质量，可以以最佳切换路径效益为准则。
[0135]
根据规则4，对图7行处理后得到的12条待选的路径进行再次筛选，输出的结果如下：
[0136]
路径1：l1＝
①→②→⑤→⑦
，
[0137]
路径2：l2＝
①→②→⑥→⑦
，
[0138]
路径8：l8＝
①→③→④→⑤→⑦
。
[0139]
由于以上三条切换路径是经过多项规则筛选后的候选路径，相对于其他潜在的切换路径而言，这些路径更能满足现实需求、具有实际的参考意义，因此可将筛选后得到的路径称为有效切换路径。对上述规则和过程进行整理，得到有效切换路径生成算法如下：
[0140][0141]
由于卫星轨道的错落分布，节点间的时空跨度大且存在高速相对运动，所属于不同轨道的卫星之间的链路通常会间歇性连通。
[0142]
图8中对可能导致星间链路间歇性连通的场景进行了描述，天基接入网的某区域存在交汇的三条轨道，卫星节点b和c在ta时刻存在一条星间链路，但是由于二者沿各自轨道高速运动，节点间的跨度超过一定限度将无法继续建立星间链路，因此在tb时刻，节点bc的星间链路处于断开状态；而节点a与d之间原本在ta时刻不存在星间链路，但是在tb时刻两个节点的位置满足建链条件，从而建立起一条新的链路。
[0143]
因此，为了实现安全切换方案中用户信任的预先传递，不仅需要对用户与接入节间的覆盖关系进行研究，还需要考虑当前接入节点与切换目标节点在链路间歇性连通环境下的信任预先传递问题。由于本章实现了卫星节点的轨迹预测，因此可以根据各卫星节点在时间和空间中的分布情况，由地面控制中心制定计划，规划节点建立星间链路的对象以及起止时间，从而形成星间邻接链路时刻表，如表3。
[0144]
表3
[0145][0146]
通过预设的星间邻接链路时刻表，寻找从当前接入节点到切换目的节点的信任推荐消息转发链路。查找方法如下：
[0147]
设t
start
和t
end
分别为用户安全切换准备阶段的最早开始时间和最晚结束时间，网络上的平均单跳时延为t
hop
，则在(t
start
,t
end
)这段时间里，能够实现从当前节点到目标节点
单向传播的最远跳数为：
[0148][0149]
此处的n
hop
是一个理想值，是由准备阶段的总时长与平均单跳时延的比值向下取整得到。由于节点间的链路建立可能存在等待时长，因此实际场景中，由当前节点到目标节点的最远单向传播跳数往往会小于n
hop
。因此以n
hop
作为最大查找跳数，能够有效地确定传递链路查找范围。
[0150]
如图9所示，选取的最佳切换目的节点为起点，查找其在(t
start
,t
end
)时间段内的邻居节点是否有用户的当前接入节点，如果不存在，则对这些邻居节点在时间段(t
start
,t
end
)内的邻居节点进行查找，直到在时间和跳数范围内查找到当前节点为止，并根据邻居关系确定由当前节点到目的节点的传递链路，此情况如图9的(a)中所示；若在时间段或最大查找跳数范围内未查找到当前节点，则说明当前节点与目标节点不存在时间区间(t
start
,t
end
)内的传递链路，无法实现用户可信身份的预先传递，则从候选集中选取次优节点继续查找链路，如图9的(b)所示。
[0151]
由上述方法得到的节点间转发链路查找算法表示如下：
[0152][0153]
作为本发明实施例的一种实施方式，步骤s3中，采用基于ewm和topsis进行效能评估，并根据用户的偏好，以最少切次数或最佳服务质量作为选取准则，选取最佳安全切换方案。
[0154]
进一步，为了评价路径方案，筛选出一条最适合用户的切换路径方案，用户的需求通常表现在以下几个方面：
[0155]
(1)网络性能：通常用来直接描述卫星无线网络性能的指标有带宽、信号强度、最大仰角、丢包率、传输时延。
[0156]
(2)通信保持：用户为了避免网络业务受到频繁切换的影响，需尽量确保能够从每颗卫星处获得单次较长的持续覆盖，也就是用户从切换进入到离开一颗卫星之间的剩余服务时间，这与其在切换到卫星覆盖区域时的相对位置有关。从此前的图6接入节点对用户连续覆盖时间分布可知，对于同一个切换目的节点，用户从不同的上一节点进入，剩余服务时间是不同的。
[0157]
(3)外部评价：用户对于网络服务的满意程度更能直接反映出一个卫星节点的保障能力，因此选取本区域用户群体对该节点的打分记录作为参考。同时为了保障用户业务在为网络中安全实施，有必要及时了解网络节点上存在的安全隐患，因此将接入节点的网络风险等级纳入评估属性集。
[0158]
因此，将带宽、信号强度、最大仰角、用户满意度、剩余服务时间归类为效益型属性，这些属性的数值越高，表现效果就越好；而将丢包率、传输时延、资源占用率、安全风险等级作为成本类属性，因为这些属性会为用户带来一些负面的影响，所以应尽量将这些属性数值保持在较低水平。通过上述分析，将切换足迹效能评估任务作为一个多属性决策问题来解决，并提出了如图10所示的切换路径上节点的效益评估流程。
[0159]
当对目标方案结合其在多种属性上的表现进行评估的时候，通常会面临着属性计量方式不统一、数值波动较大、难以权衡属性的重要程度等问题，影响决策方案的客观性和合理性。对此，本发明实施例采用基于ewm和topsis法相结合的方法对切换足迹的效能进行评估。
[0160]
熵权法(entropyweightmethod,ewm)是一种较为理想的客观赋权方法，这种赋权方法是基于信息熵的概念演变而来的，即用熵值代表系统的混乱程度，熵值越大，系统就越无序，其中所能够反映出的信息量就越多，在赋权时所占的权重就要越高。由此可以通过计算某个属性的数值离散程度，来确定该属性在综合评价中所占比重。优劣解距离法(techniquefororderpreferencebysimilaritytoanidealsolution,topsis)是通过挑选出各个属性的最优值和最劣值，从而形成理想情况下的优劣解，最终以评估对象距离最优解尽可能近，距离最劣解尽可能远的原则来筛选出最佳的方案。本发明实施例采用基于ewm和topsis法相结合的接入节点效能评估方法，具体步骤如下：
[0161]
step1：原始数据的收集与整理，假设有m条安全切换路径图上的边(安全切换足迹)，n项评价属性，则原始指标数据可以用矩阵表示为：
[0162][0163]
其中,x
i,j
表示第i个安全切换足迹的第j项属性的数值，i＝1,2,...,m，j＝1,2,...,n。
[0164]
step2：对于第j项属性，计算出第i个切换足迹样本中该属性所占比重：
[0165][0166]
step3：计算第j项属性的熵值：
[0167][0168]
其中，ej∈[0,1]，并可得到信息熵的冗余度为：
[0169]dj
＝1-ejꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0170]
step4：由信息熵冗余度可进一步确定属性j所占的权重为：
[0171][0172]
step5：由于属性集中包含丢包率pl、传输时延td、资源占用率ru、风险等级sr等成本型属性，这类属性的数值往往越低越好，无法和带宽bd、信号强度si等效益型属性同时处理，因此需要将成本型属性执行(x
max-x)操作，再进行归一化处理：
[0173][0174]
step6：继而可由式(5)和(6)可得出加权矩阵：
[0175][0176]
step7：从矩阵k中寻找出最优和最劣解：
[0177][0178][0179]
step8：对i个切换选项分别计算其与最优和最劣解的距离：
[0180]
[0181][0182]
step9：由于topsis法的目标是尽可能地远离最劣解、靠近最优解，因此安全切换足迹的效能评价值可以用与最优方案之间的接近度来表示：
[0183][0184]
由式(24)可以看出评价值的取值范围为[0,1]。
[0185]
最终，根据规则5进行安全切换路径的最终选取。设路径li上的切换次数为n(li)，切换足迹的效益为si。
[0186]
若用户的偏好为最小切换次数，则选取出两条最少切换次数的路径1和2，再将式(23)中的切换足迹评价值带入到每条路径上的每个安全切换足迹中，对路径1和2的效益进行打分和排序输出；若用户的偏好为最佳服务质量，先对关键切换路径进行效益计算并排序，在此用形成该路径的所有足迹的效能的平均值表示该路径的效益表现b(li)：
[0187][0188]
即可认为效益值最高的路径为最佳切换路径，当路径效益值相同时，优先选取切换次数最小的切换路径。同时，当用户遭遇所选切换路径因为网络故障无法实现预先切换时，可以按照路径评分高低，以递补的方式及时更换方案。最佳切换路径选择方法的流程如图11所示：
[0189]
通过构建切换路径图、并结合路径图上信息进行评估，可以为天地一体化网络中的用户提供更加精准、高效的决策方案。同时，这种预先判决的方法为用户后续的安全切换提供了必要的先决条件，用户可以凭借切换路径图以及各条路径的效益表现为指导，克服了空天节点中高动态复杂网络环境带来的不利影响，在下一次切换前预先向最优的切换目标节点卫星发起请求，实现资源预留、认证信息预先传递等准备工作，使得后续的切换流程能够无缝进行，从而为用户提供安全以及业务可持续的网络服务。
[0190]
本发明实施例有如下技术效果：
[0191]
(1)在基于可预测信任传递的安全切换架构条件下，对天基网络节点进行了划分，依据节点的功能和职责，构建了安全切换预先判决机制框架，以实现对接入卫星、接入用户状态信息的管控，为天基网络动态拓扑预测以及切换节点的选择提供支撑。
[0192]
(2)针对卫星网络的拓扑时变性所带来的切换目标难以预测的问题，提出了一种由卫星对用户覆盖时间关系生成的切换路径图的方案，将用户的切换问题转化为在核心节点管控区内的图论问题。结合天地一体化网络切换场景的实际需求，提出了对于切换路径图中有效路径的筛选准则，并针对链路的间歇性连通特点，提出了信任传递链路的查找算法，有效确保了信任预先传递的实施。
[0193]
(3)对于候选切换方案受多种属性制衡的问题，提出了一种ewm和topsis法相结合的安全切换效能综合评估方法，最终以评价结果和用户偏好相结合的方式，筛选出最佳切换路径，从而为切换信令的预先传递提供可行性支撑。
[0194]
本发明实施例还提供一种基于切换路径图的预先判决装置，包括：
[0195]
获取模块，用于获取天地一体化网络中使用户安全切换目标节点的切换路径图；
[0196]
第一处理模块，用于根据所述切换路径图中节点关系，得到有效安全切换路径；
[0197]
第二处理模块，用于对所述有效安全切换路径进行综合评估打分，选取最佳安全切换方案。
[0198]
作为本发明实施例的一种实施方式，获取模块，包括：
[0199]
第一处理单元，用于使用户的当前接入卫星通过获取本区域其他卫星的星历表，得到其他卫星的星下点轨迹；
[0200]
第二处理单元，用于根据所述星下点轨迹，对未来时间内用户所处位置的卫星覆盖情况进行分析，得到用户的安全切换路径图。
[0201]
作为本发明实施例的一种实施方式，第一处理模块根据所述切换路径图中当前接入节点与切换目标节点在链路间歇性连通环境下的信任预先传递信息，得到有效安全切换路径。
[0202]
作为本发明实施例的一种实施方式，第二处理模块采用基于ewm和topsis进行效能评估，并根据用户的偏好，以最少切次数或最佳服务质量作为选取准则，选取最佳安全切换方案。
[0203]
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0204]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间可以根据需要进行组合，且相同相似部分互相参见即可。
[0205]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种基于切换路径图的预先判决方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1、获取天地一体化网络中使用户安全切换目标节点的切换路径图；步骤s2、根据所述切换路径图中节点关系，得到有效安全切换路径；步骤s3、对所述有效安全切换路径进行综合评估打分，选取最佳安全切换方案。2.如权利要求1所述的基于切换路径图的预先判决方法，其特征在于，步骤s1，包括：步骤11、用户的当前接入卫星通过获取本区域其他卫星的星历表，得到其他卫星的星下点轨迹；步骤12、根据所述星下点轨迹，对未来时间内用户所处位置的卫星覆盖情况进行分析，得到用户的安全切换路径图。3.如权利要求2所述的基于切换路径图的预先判决方法，其特征在于，步骤s2中，根据所述切换路径图中当前接入节点与切换目标节点在链路间歇性连通环境下的信任预先传递信息，得到有效安全切换路径。4.如权利要求3所述的基于切换路径图的预先判决方法，其特征在于，步骤s3中，采用基于ewm和topsis进行效能评估，并根据用户的偏好，以最少切次数或最佳服务质量作为选取准则，选取最佳安全切换方案。5.一种基于切换路径图的预先判决装置，其特征在于，包括：获取模块，用于获取天地一体化网络中使用户安全切换目标节点的切换路径图；第一处理模块，用于根据所述切换路径图中节点关系，得到有效安全切换路径；第二处理模块，用于对所述有效安全切换路径进行综合评估打分，选取最佳安全切换方案。6.如权利要求5所述的基于切换路径图的预先判决装置，其特征在于，获取模块，包括：第一处理单元，用于使用户的当前接入卫星通过获取本区域其他卫星的星历表，得到其他卫星的星下点轨迹；第二处理单元，用于根据所述星下点轨迹，对未来时间内用户所处位置的卫星覆盖情况进行分析，得到用户的安全切换路径图。7.如权利要求6所述的基于切换路径图的预先判决装置，其特征在于，第一处理模块根据所述切换路径图中当前接入节点与切换目标节点在链路间歇性连通环境下的信任预先传递信息，得到有效安全切换路径。8.如权利要求7所述的基于切换路径图的预先判决装置，其特征在于，第二处理模块采用基于ewm和topsis进行效能评估，并根据用户的偏好，以最少切次数或最佳服务质量作为选取准则，选取最佳安全切换方案。

技术总结
本发明公开一种基于切换路径图的预先判决方法和装置，包括以下步骤：步骤S1、获取天地一体化网络中使用户安全切换目标节点的切换路径图；步骤S2、根据所述切换路径图中节点关系，得到有效安全切换路径；步骤S3、对所述有效安全切换路径进行综合评估打分，选取最佳安全切换方案。采用本发明技术方案，在为处于复杂网络覆盖情况下的用户提供安全切换目标节点的选取参考，实现安全切换的精准性、最优化服务。务。务。


技术研发人员：曹利峰 杜学绘 韩孟达 白金龙 吕恒毅 黄琳娜 张东巍 万季玲 李金辉 李兴臣
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/9/20