面向LEO卫星网络的分布式节点自适应路由算法制造技术

本发明专利技术公开了一种面向LEO卫星网络的分布式节点自适应路由算法，其技术特点是：构造一个类铱星星座的网格状LEO卫星通信系统；根据沿经纬线方向的星间链路设计，利用卫星星座的网状拓扑结构，每个卫星节点独立负责转发队列中的数据报文；通过在数据报中增加和传递额外的网络状态信息，实现卫星节点对于不同路由方向上网络状态的感知与预测，进而指导数据报出向链路的选择。本发明专利技术设计合理，其确定的自适应多路径路由机制，通过负载均衡手段平衡流量避免拥塞，并应用于低轨道类铱星星座卫星网络系统，网络性能指数优于其他传统路由算法；尤其是在少量增加路由跳数的前提下，可以显著提高网络负载均衡程度，算法性能比传统算法表现优异。

【技术实现步骤摘要】
面向LEO卫星网络的分布式节点自适应路由算法
本专利技术属于卫星网络路由
，具体涉及一种根据星间链路状态、网络节点的负载情况，面向LEO卫星网络的分布式节点自适应路由算法，每个卫星节点独立负责转发队列中的数据报文，通过在数据报中增加和传递额外的网络状态信息，实现单独节点对于不同路由方向上网络状态的感知与预测，进而指导数据报出向链路的选择，实现网络负载均衡、性能优化的自适应多路径路由算法。
技术介绍
以Intelsat-1实用商业通信卫星为开端，在经历了近半个世纪的发展后，通信卫星已经成为目前在轨数量第一的太空航天器，各类通信卫星作为空间通信基础设施，广泛应用于军事、经济与社会发展的方方面面。单个卫星受到轨道的约束和载荷能力的限制，在通信范围、探测能力、运行时间、系统稳定性上，都无法突破时空束缚进行全球、全方位、全时服务。随着航天技术的成熟与应用需求的发展，各类太空卫星分布在不同的轨道面上，以星座的形式相互配合，进行功能协作和数据共享，形成全新的全球通信模式。在现代信息技术、网络通信技术、控制技术的支撑下，不同轨道、种类、功能的卫星通过建立星间/星地数据链路和网络连接，实现数据传递中继、信息互联互通，形成一个可以满足“全球、全向、全时”需求的智能化综合网络，即天地一体化信息网络。在这样一个网络中，每颗卫星可以被抽象为独立的具有数据收发和中继能力的网络节点，相邻节点间建立通信链路，数据以数据报或消息的形式从发送节点沿着一定的路径向前传送，直至到达目标接收节点，即卫星网络路由。卫星网络路由技术的研究，对于促进空间信息技术的发展，优化空间信息资源的利用，具有重要的意义。在传统的TCP/IP网络体系中，路由是网络层的主要功能之一，而路由算法就是在网络中确定数据传递路径的决策机制。基于TCP/IP的地面互联网采用层级式的路由协议，通过选择不同的内部网关协议(例如RIP、OSPF)和外部网关协议(例如BGP)实现网络区域中所有节点的数据传输协作。然而，卫星网络拓扑的动态性和非对称性导致传统的TCP/IP协议无法在卫星网络上应用并取得令人满意的性能。另一方面，卫星网络的动态拓扑和无线通信链路特性，使得已经得到充分研究的无线移动自组织网络MANET(MobileAd-hocNetwork)成为合适的卫星网络路由借鉴，众多研究者以OLSR、AODV等Mesh路由协议为参考，针对卫星网络的特点，提出了各种多路径、动态、负载均衡的路由算法。然而与Mesh中移动节点的全向无线通信能力不同的是，卫星间的数据链路不只决定于通信范围，更依赖于节点间的相互运动和角度。星间链路是基于定向波束的固定的点对点的无线链路。剧烈变化的星间通信延迟，也是那些依赖于额外路由发现、维护、数据验证的Mesh路由协议在星上运行所面临的难以克服的困难。卫星路由策略目前并没有一个具有普遍适应性的标准化协议体系或技术框架。现有的各类解决方案适应性不强，未充分考虑网络应用场景和流量分布不平衡的问题，对于卫星系统的运算性能、存储能力、发射接收能力要求苛刻，对于卫星节点可靠性、网络抗毁性进行了过于过度简化忽略或乐观的场景假设。路由问题是以卫星为骨干节点的空间信息网络中的基本问题，对提高网络数据传输性能、服务质量、系统可靠性具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种设计合理、网络性能指数优且能够显著提高网络负载均衡程度的面向LEO卫星网络的分布式节点自适应路由算法。实现本专利技术目的的技术方案为：一种面向LEO卫星网络的分布式节点自适应路由算法，包括以下步骤：步骤1：构造一个类铱星星座的网格状LEO卫星通信系统；步骤2：根据沿经纬线方向的星间链路设计，利用卫星星座的网状拓扑结构，每个卫星节点独立负责转发队列中的数据报文；步骤3：通过在数据报中增加和传递额外的网络状态信息，实现卫星节点对于不同路由方向上网络状态的感知与预测，进而指导数据报出向链路的选择。所述步骤1构造一个类铱星星座的网格状LEO卫星通信系统的方法为：(1)将轨道高度设定为680公里，轨道倾角为86°，每颗卫星上有四条星间链路并与相邻四颗卫星相连接，相邻四颗卫星包含两条同轨星间链路和两条轨间星间链路。(2)同轨卫星之间的相对位置和角度基本保持不变，星间链路是可以稳定建立并长久保持的；不同轨道平面上的卫星由于在轨运动，相对角度、速度、距离都在时刻变化，因此星间链路需要特别的检测和维护过程，尤其是极轨道卫星运行到高纬度地区时，轨间星间链路会临时中断；当相邻两个轨道的卫星运行方向相反时，会形成轨间缝隙(seam)，建立并维护跨缝链路的系统开销极其昂贵，而跨缝链路对于网络性能影响较小，因此本专利技术中不考虑跨缝链路。在构建类铱星星座的网格状LEO卫星通信系统过程中，满足以下说明条件：(1)卫星节点有能力与相邻的同轨或异轨节点间建立可靠的数字链路，或者能够感知已经存在的链路的通断状态；每个卫星节点具有基本的数据处理、队列缓存能力；每个卫星节点知道星座中自己所处轨道内的节点个数、轨道面数量、运行参数。(2)每条星间链路的数据传输能力必须是双向的，虽然其传输速率可以是非对称的。也就是说，两个卫星节点间的链路一旦建立起来后，数据可以从任何一个节点发送到对应节点上。星间链路的连通持续时间必须远远大于数据在该链路的传输延迟时间。(3)卫星节点和星间链路可以失效。一个失效的星间链路将无法实现两端卫星节点间的数据传输，一个失效的卫星节点将同时失效所有包含该节点的星间链路。(4)数据在卫星网络中以报文(datagram)的形式进行传递。每个数据报具有固定的大小和结构，其内容由数据的发送者和接收者通过协议的方式进行规定。网络中的转发节点可以对数据报文进行重新打包，通过在报文封包头中添加和解析额外的信息(datagrampiggybackinfo)，进行路由辅助信息的更新与传递。数据报中具有明确的目标节点及其所处轨道面信息。数据报的传输是类似于UDPdatagram的无连接、非可靠的传输过程，数据的完整性、及时性、投递确认、流量控制依赖于收发双方应用层的实现。所述步骤2每个卫星节点独立负责转发队列中的数据报文的方法为：(1)如果数据报的目标节点为当前节点，则结束转发并接受该数据报。(2)如果数据报的目的轨道面为当前轨道面，则转发的下一跳为轨道内相邻节点。(3)如果数据报的目标轨道面不同于当前轨道面，则转发的下一跳可以是轨道内或轨道间的相邻节点。所述步骤3的具体处理方法为：每个卫星节点Si对于相邻卫星的每一条可能的星间链路进行数据报流量统计，维护两个统计量分别记录从该链路流入和流出的累计数据报个数，其中j∈{left,right,up,down}。统计量在相应链路收发新的数据报时线性增加如下：这里N为数据报的个数，c作为增长系数的非负常量，与数据报的类型、大小、上层协议有关。由于L是随时间而累计增加的，每个单位时间内需要对过往流量进行指数衰减(aging)，衰减速率aging_ratio为一个小于1的正数，正相关于卫星网络的规模以及端到端的传输延迟。每个数据报P可以携带一些额外的路由辅助信息(piggyback)，该信息由数据报生成卫星节点进行插入，转发节点负责读取和更新，接收节点负责读取和删除。其中一项信息为该数据报本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向LEO卫星网络的分布式节点自适应路由算法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：构造一个类铱星星座的网格状LEO卫星通信系统；步骤2：根据沿经纬线方向的星间链路设计，利用卫星星座的网状拓扑结构，每个卫星节点独立负责转发队列中的数据报文；步骤3：通过在数据报中增加和传递额外的网络状态信息，实现卫星节点对于不同路由方向上网络状态的感知与预测，进而计算出数据报的出向链路。

【技术特征摘要】
1.一种面向LEO卫星网络的分布式节点自适应路由算法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：构造一个类铱星星座的网格状LEO卫星通信系统；步骤2：根据沿经纬线方向的星间链路设计，利用卫星星座的网状拓扑结构，每个卫星节点独立负责转发队列中的数据报文；步骤3：通过在数据报中增加和传递额外的网络状态信息，实现卫星节点对于不同路由方向上网络状态的感知与预测，进而计算出数据报的出向链路。2.根据权利要求1所述的面向LEO卫星网络的分布式节点自适应路由算法，其特征在于：所述步骤1构造一个类铱星星座的网格状LEO卫星通信系统的方法为：首先设定卫星的轨道高度、轨道倾角参数，然后为每颗卫星建立与相邻卫星相连接的星间链路，包括同轨星间链路和轨间星间链路；同轨卫星之间的相对位置和角度保持不变，星间链路是稳定建立并长久保持的；极轨道卫星运行到高纬度地区时，轨间星间链路会临时中断。3.根据权利要求2所述的面向LEO卫星网络的分布式节点自适应路由算法，其特征在于：(1)卫星节点有能力与相邻的同轨或异轨节点间建立可靠的数字链路，或者能够感知已经存在的链路的通断状态；每个卫星节点具有基本的数据处理、队列缓存能力；每个卫星节点知道星座中自己所处轨道内的节点个数、轨道面数量、运行参数；(2)每条星间链路的数据传输能力是双向的，即两个卫星节点间的链路一旦建立起来，数据能够从任何一个节点发送到对应节点上；星间链路的连通持续时间大于数据在该链路的传输延迟时间；(3)卫星节点和星间链路允许失效；一个失效的星间链路将无法实现两端卫星节点间的数据传输，一个失效的卫星节点将同时失效所有包含该节点的星间链路；(4)数据在卫星网络中以报文datagram的形式进行传递；每个数据报具有固定的大小和结构，其内容由数据的发送者和接收者通过协议的方式进行规定；网络中的转发节点对数据报文进行重新打包，通过在报文封包头中添加和解析额外的信息datagrampiggybackinfo进行路由辅助信息的更新与传递；数据报中具有明确的目标节点及其所处轨道面信息。数据报的传输是类似于UDPdatagram的无连接、非可靠的传输过程，数据的完整性、及时性、投递确认、流量控制依赖于收发双方应用层的实现。4.根据权利要求1所述的面向LEO卫星网络的分布式节点自适应路由算法，其特征在于：所述步骤2每个卫星节点独立负责转发队列中的数据报文的方法为：如果数据报的目标节点为当前节点，则结束转发并接受该数据报；如果数据报的目的轨道面为当...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏松杰，程浩，时召伟，赵茹东，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32