基于最小连通支配集的卫星网络多播路由方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于最小连通支配集的卫星网络多播路由方法及系统，其方法包括：获取三层卫星网络的具体参数，并在STK软件中模拟卫星的运行情况来获取卫星节点在一整个周期内的通断情况表；基于通断情况表，通过时隙划分的策略构造时空图模型，获知卫星网络的时间链路和空间链路信息；根据获知的卫星网络的时间链路和空间链路信息，应用预设的基于最小连通支配集的MCDS路由算法进行多播路由业务。本发明专利技术降低了资源的浪费及避免了广播风暴，不仅降低了单时隙情况下随着节点数的增多所带来的路由代价，在时隙数增多的情况下，也有效降低了路由代价，并在路由代价和端到端跳数这两个性能指标之间取得一平衡，另外，算法实现起来复杂度低。

【技术实现步骤摘要】
基于最小连通支配集的卫星网络多播路由方法及系统
本专利技术涉及卫星多播路由
，尤其涉及一种基于最小连通支配集的卫星网络多播路由方法及系统。
技术介绍
近年来，研究人员对连通支配集进行了深入研究，并取得了很大进展，同时提出了许多经典的连通支配集算法。有关最小连通支配集(MinimumConnectedDominatingSet,简称MCDS)的构造算法，目前主要分为两大类：集中式算法和分布式算法。集中式算法的主要思想是把最大度的节点作为根节点开始构建一棵树，树包含图中所有节点，选择树的非叶子节点作为支配点。要求将整个网络的拓扑信息集中到某个中心节点，而这将需要花费极大的通信代价，也会出现局部节点通信量过大的问题，因而并不适用于拓扑变化迅速的网络，可扩展性差，但获得的连通支配集的规模通常比分布式的要小。分布式算法只需要知道当前节点的局部信息，各个节点独立地计算自己的连接情况，具有较强的自组织能力。根据构造连通支配集的方式又可以分为三大类：(1)基于邻居节点信息、(2)基于自裁剪，(3)基于极大独立集。基于邻居节点信息的算法是利用节点周围N跳(通常是2-3跳)内的连通拓扑情况启发式地构造连通支配集；基于自裁剪的算法是首先将网络中所有节点加入连通支配集，然后裁剪连通支配集中冗余的支配点，最后剩余的节点为近似最小连通支配集；而基于极大独立集(MaximumIndependentSet,简称MIS)的算法是先构建一个极大独立集，然后添加一些网关节点将独立集连通，进而构造连通支配集的算法。基于相邻节点信息的分布式算法思想是：节点根据判断规则，利用距离其2跳的节点信息来确定自身状态，最终得到连通支配集。另外也有提出区别于上述三大类的分布式算法，算法思想是如果有一个节点被定义为支配集，则它必须满足其两个邻居点不相邻。该方法虽然实现起来简单，但缺点也很明显，该算法运行结束后会产生较多的冗余支配点，而且在应对动态变化的网络时需要付出较大代价。对于卫星拓扑控制策略，由于卫星严格的轨道运动，卫星网络的动态拓扑呈现周期性与可预测性，这是区别于其他动态网络，如自组织网络、传感器网络的主要特征。基于这一特点，卫星网络的路由技术一般采用拓扑控制策略来屏蔽拓扑的动态性,然后,针对静态的拓扑序列进行路由优化计算。目前,卫星网络的拓扑控制策略主要包括虚拟拓扑策略、虚拟节点策略和覆盖域划分方法.虚拟拓扑策略将卫星网络的动态拓扑进行离散化,一个系统周期T可划分为若干个时间片[t0,t1],[t1,t2],[t2,t3],…,[tn-1,tn],星间链路的变化仅在时间点t1,t2,…,tn发生,且每个时间片[ti,ti+1]内卫星网络假定拓扑不变.其中,以快照概念为典型代表,其形式化描述由Fischer等人完成.在快照概念中,一旦任意星间链路临时断开或重新连接,一个不同于先前的快照就形成了,每个快照内卫星拓扑固定不变.快照序列路由算法利用星座地周期性，按时间段从实时变化的星座中提取出n个拓扑，每个时隙内的网络拓扑配看做静止不变，从而可以离线分段计算路由，卫星在时隙边界切换路由表。快照序列路由算法通过消除卫星节点之间的拓扑信息交换降低星上处理负担，减少信令开销。对于卫星多播路由，随着卫星技术的发展以及对于高效多播业务的需求，越来越多的卫星多播路由方案被提出。目前大多数应用于LEO层卫星网络的路由算法被提出，主要包括基于DRA(DatagramRoutingAlgorithm,DAR)的多播路由算法和基于矩形斯坦树(RectilinearSteinerTrees,RST)的多播路由算法。在DRA路由算法中，源节点和其他节点之间利用数据报路由算法来确定当前目的节点的下一跳路由方向，主要是降低实时卫星通信过程中的端到端时延。但是此算法为实现相关性能的提升占据了卫星传输中许多必要的资源，代价较高；RST算法采用一种整数线性规划方法来求解最小RST数，主要是降低总的带宽，适用于很多非实时多播应用，但是算法复杂度高。在多播路由中，单个源节点或者多个源节点要将信息传送给多个目的节点，若对每一个节点单独发送数据包，则将大大浪费网络资源，增加节点的处理负担，这在卫星这种资源极其有限的网络中是很不利的。另外，现有的大多数研究针对的是单层卫星的多播路由情况，主要是LEO层卫星。这些算法并不能很好地适用于多层卫星网络，另外针对LEO/MEO/GEO三层卫星设计的多播路由算法较少。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于最小连通支配集的卫星网络多播路由方法及系统，以降低整个路由代价，并在路由跳数和路由代价之间取得一平衡。为实现上述目的，本专利技术提供的一种基于最小连通支配集的卫星网络多播路由方法，包括以下步骤：获取三层卫星网络的具体参数，并在STK软件中模拟卫星的运行情况来获取卫星节点在一整个周期内的通断情况表；基于所述通断情况表，通过时隙划分的策略构造时空图模型，获知卫星网络的时间链路和空间链路信息；根据获知的卫星网络的时间链路和空间链路信息，应用预设的基于最小连通支配集的MCDS路由算法进行多播路由业务。其中，所述通过时隙划分的策略构造时空图模型，获知卫星网络的时间链路和空间链路信息的步骤包括：在设定好卫星网络场景后，根据卫星拓扑控制策略将动态的卫星网络划分为一系列等长离散的时间片，并构造基于最小连通支配集的骨干网，包含时间维度和空间维度信息的时空图模型，获知卫星网络的时间链路和空间链路信息。其中，所述预设的基于最小连通支配集的MCDS路由算法由分布式的连通支配集生成算法获得。其中，所述根据获知的卫星网络的时间链路和空间链路信息，应用预设的基于最小连通支配集的MCDS路由算法进行多播路由业务的步骤中包括：定义多时隙情况下的端到端路由跳数和路由代价；基于所述时空图模型，构造一子图使得任意卫星节点在一特定时段内保持连通，并在路由成本和跳数之间取得一平衡。其中，基于分布式的连通支配集生成算法获得MCDS路由算法的步骤包括：采用Warshall-Floyd最短路径算法来计算任意节点经过骨干网的最短路径，并且计算出单节点到多节点的路由代价和端到端路由跳数，以及多节点到多节点的路由代价和端到端路由跳数。其中，所述方法还包括：对所述基于最小连通支配集的MCDS路由算法进行性能分析。其中，所述对所述基于最小连通支配集的MCDS路由算法进行性能分析的步骤包括：在单时隙中分别应用所述MCDS路由算法和经典的MST路由算法，对两种路由算法所产生的路由代价进行比较分析。本专利技术还提出一种基于最小连通支配集的卫星网络多播路由系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器运行时实现如上所述的方法的步骤。本专利技术的有益效果为：本专利技术建立LEO/MEO/GEO三层卫星网络体系，并创新性地将最小连通支配集算法应用于卫星网络来构造一骨干网络，并以此来建立多播路由策略。和经典的多播树算法相比，本专利技术所提出的算法大大降低了路由成本，并在路由跳数和路由代价之间取得一平衡。相比现有技术，本专利技术设计了一种基于最小连通支配集的多播路由算法算法，应用于LEO/MEO/GEO三层卫星网络中。给出了具体的卫星网络参数以及分布式的连通支配集生成算法及多播路由方案，并且定义了多时隙情况下的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于最小连通支配集的卫星网络多播路由方法，其特征在于，包括以下步骤：获取三层卫星网络的具体参数，并在STK软件中模拟卫星的运行情况来获取卫星节点在一整个周期内的通断情况表；基于所述通断情况表，通过时隙划分的策略构造时空图模型，获知卫星网络的时间链路和空间链路信息；根据获知的卫星网络的时间链路和空间链路信息，应用预设的基于最小连通支配集的MCDS路由算法进行多播路由业务。

【技术特征摘要】
1.一种基于最小连通支配集的卫星网络多播路由方法，其特征在于，包括以下步骤：获取三层卫星网络的具体参数，并在STK软件中模拟卫星的运行情况来获取卫星节点在一整个周期内的通断情况表；基于所述通断情况表，通过时隙划分的策略构造时空图模型，获知卫星网络的时间链路和空间链路信息；根据获知的卫星网络的时间链路和空间链路信息，应用预设的基于最小连通支配集的MCDS路由算法进行多播路由业务。2.根据权利要求1所述的基于最小连通支配集的卫星网络多播路由方法，其特征在于，所述通过时隙划分的策略构造时空图模型，获知卫星网络的时间链路和空间链路信息的步骤包括：在设定好卫星网络场景后，根据卫星拓扑控制策略将动态的卫星网络划分为一系列等长离散的时间片，并构造基于最小连通支配集的骨干网，包含时间维度和空间维度信息的时空图模型，获知卫星网络的时间链路和空间链路信息。3.根据权利要求2所述的基于最小连通支配集的卫星网络多播路由方法，其特征在于，所述预设的基于最小连通支配集的MCDS路由算法由分布式的连通支配集生成算法获得。4.根据权利要求1所述的基于最小连通支配集的卫星网络多播路由方法，其特征在于，所述根据获知的卫星网络的时间链路和空间链路信息，应用预设的基于最小连通支配集的MCDS路由算法进行多播路由业...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志华，荆莹，陈守凤，于海峰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44