一种抑制卫星网络中的路由拥塞的方法技术

本发明专利技术涉及一种抑制卫星网络中的路由拥塞的方法，包括：为多个任务中的每个计算每个路径的代价值；确定最小的前M个代价值的路径并且将所述路径加入路径池；基于多径的低轨卫星网络路由拥塞控制优化算法对路径池中的所有路径进行带宽分配以为每个任务的每个路径确定流量带宽比例；以及根据所述流量带宽比例为每个任务的每个路径分配带宽。通过本发明专利技术，可以最小化网络传输链路带宽方差并最小化网络开销，从而最大化地抑制卫星网络中的路由拥塞，由此达到网络资源的最优利用。

A Method of Suppressing Routing Congestion in Satellite Networks

The present invention relates to a method for suppressing routing congestion in satellite networks, including: calculating the value of each path for each of multiple tasks; determining the path with the smallest previous M cost value and adding the path to the path pool; and optimizing routing congestion control algorithm based on multipath for LEO satellite networks to allocate bandwidth of all paths in the path pool for each task. Each path determines the ratio of traffic bandwidth; and allocates bandwidth for each path of each task according to the ratio of traffic bandwidth. The invention can minimize the variance of network transmission link bandwidth and network overhead, thereby maximizing the restraint of routing congestion in satellite network, thereby achieving the optimal utilization of network resources.

【技术实现步骤摘要】
一种抑制卫星网络中的路由拥塞的方法
本专利技术总的来说涉及卫星网络通信领域，具体而言，涉及一种抑制卫星网络中的路由拥塞的方法。
技术介绍
低轨卫星通信网络由于具有全球覆盖、低传输时延、低功耗链路和较强的抗毁性等优点而拥有广阔的发展前景，是未来移动通信系统的重要组成部分。另外，随着通信技术的发展，以星间链路和星上处理技术为特征的新一代低轨卫星通信网络正在不断发展，利用低轨通信卫星网络为航空、航海提供移动数据接入服务已经成为趋势。低轨卫星网络拓扑一般为网状(MESH)结构，每颗卫星与多颗卫星相连，与高轨通信卫星相比，低轨卫星网络的拓扑结构更加复杂。同时，低轨通信卫星网络承载的业务多种多样，业务的源/目的、时延要求、带宽要求等参数不尽相同。面对网络拓扑结构复杂，业务需求多样的特点，如何合理地为业务选择路由成为关键问题。多径路由指的是在源节点和目的节点创建多条传输路径，可增强路径生存和路径恢复的能力，提高系统的容错性。并发多径是一种典型的多径技术，是指将一个任务分给多条路径并行传输。具体来讲，并发多径技术将数据分组按照一定的流量带宽分配比例分配到多条路径上可以达到网络负载均衡的效果。目前的多径技术主要应用在地面无线网络，由于低轨卫星网络拓扑结构变化具有周期性，传统的地面多径算法无法直接应用到低轨卫星网络。已有的多径典型方案如下：(1)根据网络拓扑结构，随机选择多条数据源和目的地之间的路径，利用选择出的多条路径进行数据传输；(2)根据网络拓扑结构，随机选择跳数最少的源和目的地之间的路径，利用选择出的路径进行数据传输。针对方案(1)，由于路径是随机选择的，性能不一定最优。针对方案(2)，由于没有考虑链路负载，会出现负载失衡状况，造成网络局部负载过大。并发多径的优势在于不仅可以提升网络的容错能力而且可以实现带宽的聚合。并发路径的总带宽等于多条相互独立路径的带宽之和。利用并发路径将数据分组按照一定的流量带宽分配比例分配到多条路径上可以达到网络负载均衡的效果。多径路由根据节点或路径是否相交可分为节点不相交路径和链路不相交路径。链路不相交是指多条路径间不存在相交的链路但是允许存在相交的节点，如上图左所示；节点不相交指的是除了源节点和目的节点外，多条路径间不存在其他相交的节点。对于路由发现过程，在设计多径路由协议时应首先考虑链路不相交，其次考虑节点不相交。如何利用好多径，在多径路径上合理分配流量数据，决定了网络是否可以最大程度发挥多径路由的优势。卫星网络拓扑一般为网状(mesh)结构，如图1所示。在mesh拓扑结构的卫星网络中，每颗卫星至少与两颗以上卫星连通(即存在星间链路)。该拓扑最小割大，网络中的星间链路备份充足，存在冗余，卫星网络具有高可靠性、强扩展性。低轨卫星网络大多采用这种拓扑结构，如Iridium系统和Tededesic系统。相较于高轨卫星网络，此类卫星网络星间链路时延小，传输带宽高，传输速度快，可实现全球覆盖。每颗卫星均与其余卫星直接相连，网络中存在足够多的冗余路径，众多的冗余路径为多径路由提供了可能性，网络可靠性强、容错能力高。
技术实现思路
从现有技术出发，本专利技术的任务是提供一种抑制卫星网络中的路由拥塞的方法，通过该方法，可以最小化网络传输链路带宽方差并最小化网络开销，从而最大化地抑制卫星网络中的路由拥塞，由此达到网络资源的最优利用。根据本专利技术，该任务通过一种抑制卫星网络中的路由拥塞的方法来解决，该方法包括：为多个任务中的每个计算每个路径的代价值；确定最小的前M个代价值的路径并且将所述路径加入路径池；基于多径的低轨卫星网络路由拥塞控制优化算法对路径池中的所有路径进行带宽分配以为每个任务的每个路径确定流量带宽比例；以及根据所述流量带宽比例为每个任务的每个路径分配带宽。在本专利技术的一个优选方案中规定，为多个任务中的每个计算每个路径的代价值包括：根据下列公式计算每个路径的代价值：其中α和β分别是卫星网络对路径时延和路径跳数的重视程度，delayij为第i个任务的第j个路径的时延，delaymin为第i个任务的最短路径的时延，hopij为第i个任务i的第j个路径的跳数，hopmin为第i个任务的具有最少跳数的路径的跳数。在本专利技术的另一优选方案中规定，基于多径的低轨卫星网络路由拥塞控制优化算法对路径池中的所有路径进行带宽分配以为每个任务的每个路径确定流量带宽比例包括：根据下列公式对整网路径带宽代价矩阵X进行建模：X＝[cost11*BW1*x11,cost12*BW1*x12,...,cost1M*BW1*x1M,cost21*BW2*x21,cost22*BW2*x22,...,cost2M*BW2*x2M,...，costN1*BWN*xN1,costN2*BWN*xN2,...,costNM*BWN*xNM]其中xij为第i个任务的第j个路径的路径矩阵的列向量表示，costij为第i个任务的第j个路径的代价值，BWi为传输第i个任务所需的带宽，λij表示第i个任务的第j个路径的权值，其中根据下列公式对整网链路传输带宽方差VAR进行建模：其中λ＝[λ11,λ12,...,λ1M,λ21,λ22,...,λ2M,...λN1,λN2,...,λNM]T，G为S*S的对称矩阵，根据下列公式对网络所有链路的传输带宽的开销SUM进行建模：SUM＝fT*λ，其中sum(X)表示以矩阵X的每一列为对象，对一列内的数字求和，fT＝sum(X)；以及通过二次规划使得VAR和SUM之和最小，以便确定网络中的所有路径的权值向量λ。在本专利技术的又一优选方案中规定，通过二次规划使得VAR和SUM之和最小包括：根据下列公式进行二次规划：其中其每一行有M个连续的1，beq＝[11...1]T1*N，在本专利技术的一个扩展方案中规定，所述卫星网络为低轨卫星网络。在此应当指出，本专利技术同样适用于高轨卫星网络。本专利技术至少具有下列有益效果：本专利技术考虑不同种类的业务，对端到端时延、时延抖动、传输带宽等需求的不同，结合低轨卫星网络的带宽和传输时延的边界，构造多目标多限制条件的优化目的函数，其中以最小化网络传输链路带宽方差与网络传输路径开销总和为目标，得出多径路径带宽分配系数，使得当网络任务数增多时，大幅度降低网络中超负荷链路数，实时分流。附图说明下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本专利技术。图1示出了网状(mesh)卫星网络拓扑；图2示出了部分链路重合的示意图；图3示出了根据本专利技术的多径带宽分配的示意图；图4示出了根据本专利技术的抑制卫星网络中的路由拥塞的方法的流程；图5示出了根据本专利技术的在5个任务情况下的整网路径权值；图6示出了根据本专利技术的在30个任务情况下的整网路径权值；图7示出了在任务带宽随机情况下的超负载链路数；以及图8示出了根据本专利技术在带宽均为1024Mbp情况下的超负载链路数。具体实施方式应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。在本专利技术中，各实施例仅仅旨在说明本专利技术的方案，而不应被理解为限制性的。在本专利技术中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。在此还应当指出，在本专利技术的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抑制卫星网络中的路由拥塞的方法，包括：为多个任务中的每个计算每个路径的代价值；确定最小的前M个代价值的路径并且将所述路径加入路径池；基于多径的低轨卫星网络路由拥塞控制优化算法对路径池中的所有路径进行带宽分配以为每个任务的每个路径确定流量带宽比例；以及根据所述流量带宽比例为每个任务的每个路径分配带宽。

【技术特征摘要】
1.一种抑制卫星网络中的路由拥塞的方法，包括：为多个任务中的每个计算每个路径的代价值；确定最小的前M个代价值的路径并且将所述路径加入路径池；基于多径的低轨卫星网络路由拥塞控制优化算法对路径池中的所有路径进行带宽分配以为每个任务的每个路径确定流量带宽比例；以及根据所述流量带宽比例为每个任务的每个路径分配带宽。2.根据权利要求1所述的方法，其中为多个任务中的每个计算每个路径的代价值包括：根据下列公式计算每个路径的代价值：其中α和β分别是卫星网络对路径时延和路径跳数的重视程度，delayij为第i个任务的第j个路径的时延，delaymin为第i个任务的最短路径的时延，hopij为第i个任务i的第j个路径的跳数，hopmin为第i个任务的具有最少跳数的路径的跳数。3.根据权利要求1所述的方法，其中基于多径的低轨卫星网络路由拥塞控制优化算法对路径池中的所有路径进行带宽分配以为每个任务的每个路径确定流量带宽比例包括：根据下列公式对整网路径带宽代价矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：田丰，梁广，焦媛媛，姜兴龙，孙思月，马菁涛，赵元瑞，
申请(专利权)人：上海微小卫星工程中心，
类型：发明
国别省市：上海,31