一种基于网络编码的双层卫星网络多径路由方法技术

本发明专利技术公开了一种基于网络编码的双层卫星网络多径路由方法，包括：构建具有双层卫星星座的卫星网络拓扑，根据卫星数目与卫星网络容量的关系确定卫星网络结构；根据卫星网络实时状态进行网络路由设置，在源端节点与目的端节点之间进行星间链路与沿途卫星节点的可用度权值计算，并据此获取响应路由请求的局部网络路由状态；结合网络编码与多径路由的方法优化卫星通信网络的性能，在网络中建立满足业务需求的有效链接；根据卫星网络的拥塞状况，网络中各卫星节点及其星间链路的可用度权值，提高卫星网络的吞吐量。本方法采用的MEO/LEO双层卫星网络拓扑结构提供了对地面用户广泛的覆盖特性，从而提升卫星网络的数据传输性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于网络编码的双层卫星网络多径路由方法
本专利技术涉及卫星网络通信领域，尤其涉及一种基于网络编码的双层卫星网络多径路由方法。
技术介绍
卫星通信网络为全球范围内分散分布的用户提供多样化的数据传送服务，其在全球通信服务领域中具有巨大的潜力。卫星通信网络不仅具有良好的全球覆盖性，而且能够提供高效实时的数据通信服务，因此卫星通信网络的应用对人迹罕至及地理环境恶劣的区域具有重大的意义。基于卫星通信网络的广阔应用前景，针对卫星通信网络而设计的具有高效能且兼顾服务质量的网络路由算法称为卫星网络通信领域的一大重要课题。卫星沿各自轨道平面不间断运行，按轨道高度的不同，卫星被划分为低地球轨道、中地球轨道与地球同步轨道卫星。卫星的轨迹运动导致了卫星通信网络拓扑的时变性，进而增加了卫星网络路由的复杂性；而真空中卫星节点之间高带宽低延时的星间链路的建立，又为卫星通信网络的通信提供了高容量、高吞吐量的潜质。卫星网络的拓扑结构决定着卫星网络中的星间链路数目以及数据包的传输路径等，目前依靠单一轨道上的卫星节点组成的单层卫星网络因其网络阻塞概率大、抗毁性差、节点时延积累等因素，已经难以满足日益增长的信息服务需求。相较之下，多层卫星网络的拓扑结构具有较高的连通度，增加了卫星网络的可靠性，在卫星节点之间存在可供选择的备用链路，其通过结合不同轨道平面的卫星，可更加充分地利用卫星网络资源。在双层卫星网络拓扑结构中，MEO/LEO双层卫星网络具备诸多优势，网络中LEO卫星与MEO卫星均具有数据交换功能，层内可建立稳定的永久星间链路，通过MEO卫星节点对LEO卫星节点的覆盖特性，可以在层间建立用以数据转发的星间链路，通过两层卫星节点的协作，对网络中的数据进行转发，从而提高网络的数据传输效率，也可实现多径路由方法的应用。MEO/LEO双层卫星网络拓扑结构能够实现对地面用户的广泛覆盖，并且相较于其他卫星网络拓扑结构，具备传输时延低、数据链路损耗小等特点，能够更好地满足数据传输服务对通信质量的需求。卫星网络的路由方法设计旨在充分利用丰富的网络资源，提升网络的传输性能与可靠性。针对卫星网络中无线信道所具有的广播、时变以及丢失等特性，相较于传统路由方法，多径路由通过应用在多个潜在中继节点中竞争、选择下一跳节点的方法，可以在数据转发的过程当中，通过路由算法的应用优先选择可用度更高的路径，提高了网络的吞吐量与传输的可靠性。与此同时，网络编码技术的提出似的网络中的节点能够相互协作转发数据包，充分地利用了双层卫星网络的空间关系及其丰富的网络资源，网络编码技术的应用允许节点对来自不同链路的数据包进行编码组合，当目的节点收到的编码数据包数达到一定数量，就可解码获得原始数据包，这相比原始的多径路由算法又进一步提高了网络的吞吐量。因此，在卫星网络路由方法的设计过程中，需要充分考虑卫星通信网络区别于其他网络的特性，并对其自身的显著优点加以利用，在时变的网络拓扑与高校的路由性能中寻求平衡，以期得到满足业务需求、具有优秀通信性能的卫星通信网络路由方法。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于网络编码的双层卫星网络多径路由方法，包括如下步骤：步骤一：构建具有双层卫星星座的卫星网络拓扑，结合中、低地球轨道的特性建立星间链路，根据卫星数目与卫星网络容量的关系确定卫星网络结构；步骤二：根据卫星网络实时状态进行网络路由设置，以路由请求为驱动，在源端节点与目的端节点之间进行星间链路与沿途卫星节点的可用度权值计算，并据此获取响应路由请求的局部网络路由状态；步骤三：结合网络编码与多径路由的方法优化卫星通信网络的性能，通过计算参与转发的卫星节点列表，结合数据传送过程中的编码操作与目的端完成数据传送后的解码操作，在网络中建立满足业务需求的有效链接；步骤四：根据卫星网络的拥塞状况，网络中各卫星节点及其星间链路的可用度权值，优先选择传送数据总代价较小的路由路径进行数据转发，提高卫星网络的吞吐量。本专利技术提出的所述基于网络编码的双层卫星网络多径路由方法中，步骤一中建立双层卫星网络拓扑包括如下步骤：步骤1a：分析不同运行轨道中卫星的特性，根据本算法中提高网络吞吐量的要求，选定中地球轨道与低地球轨道两者结合构建双层卫星通信网络拓扑；步骤1b：基于卫星通信网络中常用的轨道平面倾角，设定合理可行的卫星节点运行轨道平面，本算法中确定6个轨道倾角为86.4°的低地球轨道平面与3个轨道倾角为45°的中地球轨道平面；步骤1c：根据卫星通信网络中网络容量与在网卫星数目的关系，分析选定双层卫星网络中适用的卫星节点数目，本算法中选定66颗低地球轨道卫星与18颗中地球轨道卫星；步骤1d：在构建的双层卫星网络拓扑中，依据卫星仰角、天线角度、轨道平面夹角等参数，计算层间卫星之间的可见性，并据此建立星间链路，以实现数据通信功能。本专利技术提出的所述基于网络编码的双层卫星网络多径路由方法中，步骤1d中依据卫星仰角、天线角度、轨道平面夹角等参数，计算层间卫星之间的可见性，判定两卫星彼此可见的条件以如下公式表示：θ≤α上式中，θ表示两层间卫星分别所处的低地球轨道与中地球轨道平面夹角，α表示低地球轨道卫星可见中地球轨道卫星的视野范围，β表示低地球轨道卫星天线角度，hL与hM分别表示低地球轨道与中地球轨道平面的海拔高度，rE表示地球半径。则以上公式表示，当且仅当层间卫星所处平面的夹角小于等于两者中低地球轨道的视野范围时，两个层间卫星被判定为彼此可见，即此时可以建立有效的层间星间链路，可以在该两颗卫星节点之间实现数据通信。本专利技术提出的所述基于网络编码的双层卫星网络多径路由方法中，步骤二中结合卫星网络实时状态与路由请求信息进行路由设置包括如下步骤：步骤2a：当一个新批次的数据包开始传送，源端节点产生路由请求，向网络中广播RQS数据包，在RQS数据包中，设置TTL初始值为20；步骤2b：RQS数据包在网络中广播直到到达目的端节点，RQS包广播过程中，每到达一个中继节点，其TTL值即减1，TTL值小于或等于零的RQS数据包将被丢弃；步骤2c：当目的端节点收到RQS包时，其生成UPD数据包并向网络广播，在UPD数据包中，设置TTL初始值为20，Dc初始值为1；步骤2d：UPD数据包在网络中回传，更新并记录沿途卫星节点的路由信息，UPD数据包每到达一个中继节点，其TTL值即减1，更新Dc值为本数据包Dc值与本地节点ENT值之和，中继节点将自身节点ID与距离目的端节点的Dc值写入记录路由信息的节点列表，并对更新后的UPD数据包进行转发；步骤2e：源端节点收到UPD数据包时，UPD数据包中已包含在源端节点与目的端节点之间经由的卫星节点的路由信息，源端节点将据此信息生成参与数据转发的节点列表，将所有Dc值小于自身的节点写入转发节点列表，完成网络的路由设置阶段。本专利技术提出的所述基于网络编码的双层卫星网络多径路由方法中，步骤2d中卫星网络节点的ENT值的计算以如下公式表示：pr＝1-∏k＞j(1-μkλj)pd＝1-∏i＜j(1-μjλi)上式中，λj表示节点j成功接收一次数据传送的概率，λj由节点之间互相发送探测数据包计算而得，每个卫星节点以一定周期τ(本算法中设定为1s)广播探测数据包，count(t)表示在给定t时间内节点j接收到的探测数据包数目，则λj可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于网络编码的双层卫星网络多径路由方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：构建具有双层卫星星座的卫星网络拓扑，结合中、低地球轨道的特性建立星间链路，根据卫星数目与卫星网络容量的关系确定卫星网络结构；步骤二：根据卫星网络实时状态进行网络路由设置，以路由请求为驱动，在源端节点与目的端节点之间进行星间链路与沿途卫星节点的可用度权值计算，并据此获取响应路由请求的局部网络路由状态；步骤三：结合网络编码与多径路由的方法优化卫星通信网络的性能，通过计算参与转发的卫星节点列表，结合数据传送过程中的编码操作与目的端完成数据传送后的解码操作，在网络中建立满足业务需求的有效链接；步骤四：根据卫星网络的拥塞状况，网络中各卫星节点及其星间链路的可用度权值，优先选择传送数据总代价较小的路由路径进行数据转发，提高卫星网络的吞吐量。

【技术特征摘要】
1.一种基于网络编码的双层卫星网络多径路由方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：构建具有双层卫星星座的卫星网络拓扑，结合中、低地球轨道的特性建立星间链路，根据卫星数目与卫星网络容量的关系确定卫星网络结构；步骤二：根据卫星网络实时状态进行网络路由设置，以路由请求为驱动，在源端节点与目的端节点之间进行星间链路与沿途卫星节点的可用度权值计算，并据此获取响应路由请求的局部网络路由状态；步骤三：结合网络编码与多径路由的方法优化卫星通信网络的性能，通过计算参与转发的卫星节点列表，结合数据传送过程中的编码操作与目的端完成数据传送后的解码操作，在网络中建立满足业务需求的有效链接；步骤四：根据卫星网络的拥塞状况，网络中各卫星节点及其星间链路的可用度权值，优先选择传送数据总代价较小的路由路径进行数据转发，提高卫星网络的吞吐量。2.如权利要求1所述的基于网络编码的双层卫星网络多径路由方法，其特征在于，步骤一中建立双层卫星网络拓扑包括如下步骤：步骤1a：分析不同运行轨道中卫星的特性，根据本算法中提高网络吞吐量的要求，选定中地球轨道与低地球轨道两者结合构建双层卫星通信网络拓扑；步骤1b：基于卫星通信网络中常用的轨道平面倾角，设定合理可行的卫星节点运行轨道平面；步骤1c：根据卫星通信网络中网络容量与在网卫星数目的关系，分析选定双层卫星网络中适用的卫星节点数目；步骤1d：在构建的双层卫星网络拓扑中，依据卫星仰角、天线角度、轨道平面夹角参数，计算层间卫星之间的可见性，并据此建立星间链路，以实现数据通信功能。3.权利要求2所述的基于网络编码的双层卫星网络多径路由方法，其特征在于，步骤1d中依据卫星仰角、天线角度、轨道平面夹角等参数，计算层间卫星之间的可见性，判定两卫星彼此可见的条件以如下公式表示：θ≤α上式中，θ表示两层间卫星分别所处的低地球轨道与中地球轨道平面夹角，α表示低地球轨道卫星可见中地球轨道卫星的视野范围，β表示低地球轨道卫星天线角度，hL与hM分别表示低地球轨道与中地球轨道平面的海拔高度，rE表示地球半径；则以上公式表示，当且仅当层间卫星所处平面的夹角小于等于两者中低地球轨道的视野范围时，两个层间卫星被判定为彼此可见，即此时可以建立有效的层间星间链路，可以在该两颗卫星节点之间实现数据通信。4.如权利要求1所述的基于网络编码的双层卫星网络多径路由方法，其特征在于，步骤二中结合卫星网络实时状态与路由请求信息进行路由设置包括如下步骤：步骤2a：当一个新批次的数据包开始传送，源端节点产生路由请求，向网络中广播RQS数据包，在RQS数据包中，设置TTL初始值为20；步骤2b：RQS数据包在网络中广播直到到达目的端节点，RQS包广播过程中，每到达一个中继节点，其TTL值即减1，TTL值小于或等于零的RQS数据包将被丢弃；步骤2c：当目的端节点收到RQS包时，其生成UPD数据包并向网络广播，在UPD数据包中，设置TTL初始值为20，Dc初始值为1；步骤2d：UPD数据包在网络中回传，更新并记录沿途卫星节点的路由信息，UPD数据包每到达一个中继节点，其TTL值即减1，更新Dc值为本数据包Dc值与本地节点ENT值之和，中继节点将自身节点ID与距离目的端节点的Dc值写入记录路由信息的节点列表，并对更新后的UPD数据包进行转发；步骤2...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐文超，姜萌，杨艳琴，杨虹，刘彦博，庞雨欣，宁晓爽，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海,31