基于最小化时延的多层卫星网络最优业务分布路由方法技术

本发明专利技术公开了一种基于最小化时延的多层卫星网络最优业务分布路由方法，主要解决多层卫星通信网络路由方法中端到端时延大、吞吐量低、网络资源利用不充分的问题，其实现过程为：根据网络初始拓扑确立逻辑区域、虚拟节点编号、低轨卫星路由表；低轨卫星周期性更新节点编号以及路由表；中轨卫星按照快照时间序列集更新其虚拟卫星集及成员路由表，同时低轨卫星更新其管理者编号；业务到达时，若当前卫星所在区域的到达率小于基于最小化端到端时延本区域所能支持的地面业务到达率门限，则业务只在低轨卫星中传输，否则业务被转发到高层卫星中路由，最终发送到目的节点。本发明专利技术改善了多层卫星通信网络的性能，可用于多层卫星通信网络的路由过程。

【技术实现步骤摘要】
基于最小化时延的多层卫星网络最优业务分布路由方法
本专利技术涉及卫星通信
，具体的说是一种基于最小化时延的最优业务分布路由方法，可用于多层卫星通信网络。
技术介绍
相比单层卫星通信网络，多层卫星通信网络因为具有覆盖范围广、多播能力以及网络容量高等特性，近年来，得到人们的广泛关注，成为满足人们越来越多通信需求的一个不可或缺的通信设施体系。此外，通过多层卫星之间的协作，增加了通信系统的鲁棒性，使得网络在某些链路或者卫星故障的情况下，仍能保障网络业务的通信质量。但是由于多层卫星运动速度不同，导致卫星网络拓扑变化频繁、链路通断切换频繁发生，以及地面人口密度分布不均匀，赤道附近以及中纬度地区，属于人员密集区域，通信业务量相对高纬度及两极地区很大，导致某些卫星发生业务拥塞的同时，另外一些卫星还处于资源空闲的状态。尤其当网络的业务量显著增长时，为赤道附近及中纬度地区服务的卫星最先发生业务拥塞，导致网络的吞吐量下降，端到端时延增大，使得信息到达目的端时，已经成为无效信息。这些均增加了卫星网络中路由方法设计的挑战。为了有效利用多层卫星网络的丰富资源，急需设计一种高效的路由策略。针对多层卫星网络，要解决其路由问题，进而缓解某些卫星上的业务拥塞，当前研究者提出的比较前沿的方法有以下三种：第一种是Z.Yunhui等作者在InternationalJournalofSatelliteCommunicationsandNetworking上发表的“AnovelQoSroutingprotocolforLEOandMEOsatellitenetworks”中提到的HDRP算法，该算法通过拥塞检测、信息交互和拥塞处理三个步骤来解决网络中卫星拥塞问题；第二种是H.Nishiyama等作者在ProceedingsoftheIEEE上发表的“LoadbalancingandQoSprovisioningbasedoncongestionpredictionforGEO/LEOhybridsatellitenetworks”中提到的基于QoS保障的负载均衡路由协议，针对三种不同类型的业务分别设计路由策略，进而保障了在出现网络拥塞情况下高优先级业务的性能；第三种是Y.Kawamoto等作者在IEEETransactionsonVehicularTechnology上发表的“Towardoptimizedtrafficdistributionforefficientnetworkcapacityutilizationintwo-layeredsatellitenetworks”中提到的OTDR路由算法，该算法根据各层的网络容量分配业务，进而提高网络吞吐量。但是上述提出的三种路由方法均没有充分利用多层卫星网络的资源，使得网络业务在分布不均匀时，部分卫星仍会出现拥塞，进而降低网络的吞吐量和平均端到端时延性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对当前前沿的多层卫星网络路由方法的不足，提出一种基于最小化时延的多层卫星网络最优业务分布路由方法，以有效缓解低层卫星网络的业务拥塞，进而提升网络吞吐量，降低端到端时延。本专利技术的技术方案是这样实现的：一.技术原理：本专利技术通过卫星周期性地感知地面到其的业务量，估算得到当前网络中，到达该卫星的业务量，包括外部地面业务到达以及内部中继业务到达。结合排队时延和传播时延的分析，计算各个低层卫星所能承载的地面到达业务门限，进而判断当前到达该卫星的消息是否需要分流到高层卫星来缓解拥塞。网络的整体路由策略采用组管理模式。针对低层极轨卫星，由于卫星按照其所在轨道做周期性运动，且同一个轨道的两个卫星之间的距离是恒定的，因此采用虚拟节点的概念建模低层卫星网络，即将地面根据低层卫星的颗数及经纬度划分为固定的逻辑区域，每一逻辑区域对应一个固定的虚拟节点编号，在一个固定时间段，一颗卫星始终为某一区域提供服务，此时卫星的虚拟编号即该区域对应的虚拟节点编号。当卫星切换到新的区域时，必然有其后继卫星同时切换到其之前服务的区域，为此区域提供服务，此时，该卫星将其路由表发送给其后继卫星，同时更新其节点编号。因此在没有卫星故障的条件下，低层卫星网络的拓扑始终是恒定的。整体多层卫星网络拓扑采用快照的概念建模，即在每一个快照周期内，一个特定的中轨卫星覆盖一块儿固定的区域，该区域内有一个虚拟的低层卫星集，称之为该中轨卫星的成员。由于中轨卫星与低轨卫星运动的速度差异，中轨卫星覆盖的虚拟卫星集，即由虚拟节点构成的集合，变化时即产生了新的快照。在每一个快照初期，更新中轨卫星路由表，同时低轨卫星更新其管理者。位于中轨卫星覆盖的边界区域的低轨卫星可能同时可以连接两个以上中轨卫星，此时，选择能为它服务最长的高层卫星作为其管理者。二.技术方案根据上述原理，本专利技术的实现步骤包括如下：(1)网络初始化：网络中的低轨卫星节点根据当前所处的经纬度划分逻辑区域，并给定该逻辑区域对应的虚拟节点编号，同时中轨卫星根据其所能覆盖的区域，确定其虚拟卫星集，即确定其成员；(3)将该时间集T发送给能建立通信链路的低层卫星节点VS；(4)卫星节点VS收到网络拓扑快照变化时间集T后，转发给它的中轨卫星管理者，该中轨卫星管理者将收到时间集T发送给它的邻居；(5)所有收到时间集T的中轨卫星节点将该时间集T发送给它们的邻居节点，直至全网所有中轨卫星节点收到该信息，并保存该时间集T；(6)在网络初始拓扑形成时间点t0，建立低轨卫星节点路由表：(6a)所有低轨卫星检测自身到其邻居节点的时延信息，并将此信息发送给它的管理者；(6b)收到该信息的中轨卫星节点将该信息与邻居节点互相交换，直到所有中轨卫星节点获得所有低轨卫星节点与邻居的时延信息，并存储在节点中；(6c)中轨卫星利用存储的时延信息，基于最短路径路由为其成员计算到所有其它低轨卫星的路由表，并将该表发送给它的成员；(7)所有低轨卫星以周期更新其虚拟节点编号，其中SL是低轨卫星层中每个轨道上的卫星数，TL为低轨卫星的运动周期，即在时刻将低轨卫星切换到新的逻辑区域，并更新编号为该逻辑区域的编号，同时发送路由表给它的后继卫星；(8)基于最小化端到端时延，计算不同逻辑区域的地面业务到达率门限λth(p,s)：(8a)定义任一逻辑区域地面(p,s)的业务到达率：λ(p,s)＝λf(Φ(p,s))，其中λ是一个业务到达典型值，代表所有逻辑区域中地面业务到达的最大值，f(Φ(p,s))是关于逻辑区域(p,s)的维度Φ(p,s)的函数；(8b)针对不同的逻辑区域(p,s)，根据地面业务到达率λ(p,s)估算位于该区域的低轨卫星节点的总业务到达率：λL(p,s)＝λ·θL(p,s)式中当时，γ＝SL，否则γ＝1；当PL为奇数时，a＝4，反之，当PL为偶数时a＝3；对于给定的卫星网络结构，θL(p,s)是一个定值，其中外部的地面业务到达为：λf(Φ(p,s))，内部的中继业务到达为：λL(p,s)-λf(Φ(p,s))，λf(Φ(p,s))为逻辑区域地面(p,s)的业务到达率；(8c)计算中轨卫星到其成员低轨卫星的平均传播时延为：其中，S为中轨卫星覆盖低轨卫星的面积，r是中轨卫星在低轨卫星层覆盖区域的中心点到其某一成员的距离，H≡hM-hL为中轨卫星层和低轨卫星层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于最小化时延的多层卫星网络最优业务分布路由方法，包括如下步骤：(1)网络初始化：网络中的低轨卫星节点根据当前所处的经纬度划分逻辑区域，并给定该逻辑区域对应的虚拟节点编号，同时中轨卫星根据其所能覆盖的区域，确定其虚拟卫星集，即确定其成员；(2)中央地面基站根据卫星的可预测周期性运动特性，计算具体卫星网络拓扑在一个周期内的快照时间集T＝{t0,t1,...tN‑1}，该时间集T中的每一个元素都是快照变化的一个时间点，N是一个周期内的快照总个数，t0是网络初始拓扑形成时间点，且(3)将该时间集T发送给能建立通信链路的低层卫星节点VS；(4)卫星节点VS收到网络拓扑快照变化的时间序列集T后，转发给它的中轨卫星管理者，该中轨卫星管理者将收到时间集T发送给它的邻居；(5)所有收到时间集T的中轨卫星节点将该时间集T发送给它们的邻居节点，直至全网所有中轨卫星节点收到该信息，并保存该时间集T；(6)在网络初始拓扑形成时间点t0，建立低轨卫星节点路由表：(6a)所有低轨卫星检测自身到其邻居节点的时延信息，并将此信息发送给它的管理者；(6b)收到该信息的中轨卫星节点将该信息与邻居节点互相交换，直到所有中轨卫星节点获得所有低轨卫星节点与邻居的时延信息，并存储在节点中；(6c)中轨卫星利用存储的时延信息，基于最短路径路由为其成员计算到所有其它低轨卫星的路由表，并将该表发送给它的成员；(7)所有低轨卫星以周期更新其虚拟节点编号，其中SL是低轨卫星层中每个轨道上的卫星数，TL为低轨卫星的运动周期，即在时刻将低轨卫星切换到新的逻辑区域，并更新编号为该逻辑区域的编号，同时发送路由表 给它的后继卫星；(8)基于最小化端到端时延，计算不同逻辑区域的地面业务到达率门限λth(p,s)；(9)中轨卫星根据其存储的快照变化时间序列集T＝{t0,t1,...tN‑1}，在每一个快照变化时刻，更新其虚拟卫星集以及低轨卫星存储的管理者编号，同时收集并交换其与邻居节点的时延信息，基于此信息，利用最短路径路由算法计算到所有低轨卫星节点间的路由表；(10)地面站发送数据包给能建立连接的低轨卫星，该低轨卫星判断自身所在的逻辑区域与目的节点所在的逻辑区域编号是否相等：若编号相等，则将该数据包发送到目的节点，数据包路由过程结束；若编号不相等，则判断所在逻辑区域的地面业务到达率与该逻辑区域的业务到达门限的关系，若小于，执行步骤(11)，否则，执行步骤(12)；(11)收到数据包的低轨卫星节点查询路由表，将该数据包发送到下一跳卫星节点，直到找到与目的节点所在逻辑区域编号相等的下一跳卫星节点，将数据包发送到目的节点，路由结束；(12)将超过该区域到达率门限的数据包发送给该低轨卫星的中轨卫星管理者，该管理者判断目的地址所在逻辑区域是不是其成员；若是，将数据包发送到该成员卫星节点，该成员卫星节点将数据包发送到目的节点，路由结束；若不是，该中轨卫星管理者查询路由表，将数据包发送到路由表中下一跳节点，直到找到能覆盖目的节点逻辑区域的下一跳节点，并将数据包发送给覆盖目的节点的低轨卫星节点，该低轨卫星将数据包发送到目的节点，路由结束。...

【技术特征摘要】
1.一种基于最小化时延的多层卫星网络最优业务分布路由方法，包括如下步骤：(1)网络初始化：网络中的低轨卫星节点根据当前所处的经纬度划分逻辑区域，并给定该逻辑区域对应的虚拟节点编号，同时中轨卫星根据其所能覆盖的区域，确定其虚拟卫星集，即确定其成员；所述的划分逻辑区域，并给定该逻辑区域对应的虚拟节点编号，按如下步骤进行：(1a)给定卫星网络场景：网络中有NL＝PL×SL颗低轨卫星，其中PL是轨道数，SL是每个轨道上的卫星数；有NM＝PM×SM颗中轨卫星，PM和SM分别为中轨卫星层的轨道数和每个轨道上的卫星数；(1b)根据网络初始拓扑情况定义地球的逻辑区域，将逻辑区域编号及为该逻辑区域服务的卫星虚拟节点编号均设为(p,s)，其中p∈[1,PL],s∈[1,SL]；(1c)计算每一个逻辑区域的纬度为：其中Φ0为每一个卫星轨道从北纬到南纬第一颗卫星所在区域的纬度，ΔΦ＝2π/SL为同一个轨道上两个卫星的纬度差；(1d)每个中轨卫星根据其所能覆盖的区域确定其成员，即确定虚拟卫星集，并将此集合存储在自身节点中，该集合中每个低轨卫星采用虚拟节点编号，同时每个低轨卫星存储其管理者编号；(2)中央地面基站根据卫星的可预测周期性运动特性，计算具体卫星网络拓扑在一个周期内的快照变化时间集T＝{t0,t1,...tN-1}，该时间集T中的每一个元素都是快照变化的一个时间点，N是一个周期内的快照总个数，t0是网络初始拓扑形成时间点，且ti＜ti+1,(3)将该时间集T发送给能建立通信链路的低层卫星节点VS；(4)卫星节点VS收到网络拓扑快照变化时间集T后，转发给它的中轨卫星管理者，该中轨卫星管理者将收到时间集T发送给它的邻居；(5)所有收到时间集T的中轨卫星节点将该时间集T发送给它们的邻居节点，直至全网所有中轨卫星节点收到该时间集T，并保存该时间集T；(6)在网络初始拓扑形成时间点t0，建立低轨卫星节点路由表：(6a)所有低轨卫星检测自身到其邻居节点的时延信息，并将此信息发送给它的管理者；(6b)收到该时延信息的中轨卫星节点将该时延信息与邻居节点互相交换，直到所有中轨卫星节点获得所有低轨卫星节点与邻居的时延信息，并存储在节点中；(6c)中轨卫星利用存储的时延信息，基于最短路径路由为其成员计算到所有其它低轨卫星的路由表，并将该表发送给它的成员；(7)所有低轨卫星以周期更新其虚拟节点编号，其中SL是低轨卫星层中每个轨道上的卫星数，TL为低轨卫星的运动周期，即在时刻将低轨卫星切换到新的逻辑区域，并更新编号为该逻辑区域的编号，同时发送路由表给它的后继卫星；(8)基于最小化端到端时延，计算不同逻辑区域的地面业务到达率门限λth(p,s)：(8a)定义任一逻辑区域地面(p,s)的业务到达率：λ(p,s)＝λf(Φ(p,s))，其中λ是一个业务到达典型值，代表所有逻辑区域中地面业务到达的最大值，f(Φ(p,s))是关于逻辑区域(p,s)的维度Φ(p,s)的函数；(8b)针对不同的逻辑区域(p,s)，根据地面业务到达率λ(p,s)估算位于该区域的低轨卫星节点的总业务到达率：式中当时，γ＝S...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛敏，周笛，王玺钧，张琰，李建东，史琰，刘润滋，汪宇，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61