卫星机会式网络的转发方法技术

本发明专利技术提供了一种卫星机会式网络的转发方法，包括以下步骤：S1、建立卫星机会式网络的数据流传输模型，用于描述卫星机会式网络中链路的动态时延和功率变化；S2、提出基于链路稳定函数的转发方法，通过求解一个时延和能量约束下的动态规划问题，得到合适的单跳转发节点。本发明专利技术的有益效果是：降低了能耗和时延，显著提高了卫星机会网络中流文件的传输效率。

Forwarding method of satellite opportunistic network

【技术实现步骤摘要】
卫星机会式网络的转发方法
本专利技术涉及卫星通信，尤其涉及一种卫星机会式网络的转发方法。
技术介绍
中继卫星和星上处理技术的进步促进了空间数据网的建立，各种星座和“鹊桥号”等中继卫星保证了对中心天体的连续覆盖，并能支持深空探测任务。一方面，相对于地面互联网，卫星链路具有通断频繁、长时延、丢包的特点，网络拓扑随着节点运动发生变化。另一方面，探测器和卫星载荷的发射功率有限，在固定的时间窗口内无法完成大数据量业务的传输任务。随着越来越多机器人、探测器的使用，卫星通信将从传统小数据量的语音、文本等数据类型向图像传输、多媒体信息广播等大数据量业务的方面发展，而空间探测和遥感图像等大容量流式数据的不断扩增，卫星网络数据转发的传输效率受到了严峻的挑战。21世纪初期，NASA等空间机构组织提出了延迟/中断容忍网络(DTN)，以“存储-转发”的工作模式应对长延迟、易中断的卫星链路特征。此后，结合地面传感器网络、移动自组网中具有间歇性连通、延迟大、误码率高、节点资源受限的特定任务，逐渐形成了“机会式网络”的定义：一种受限于节点资源，不需要完整通信路径，节点兼具路由和计算功能，且依靠网络中节点的移动带来的连通机遇而完成通信的网络。当信道条件较差、传输时延较长时，地面互联网所使用的TCP/IP传输协议所需求的稳定链路和低反馈时延的假设条件将无法得到满足，并且ACK机制会产生大量重复数据包，降低了文件传输效率。针对上述问题，如何提高文件传输效率，是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中的问题，本专利技术提供了一种卫星机会式网络的转发方法。本专利技术提供了一种卫星机会式网络的转发方法，包括以下步骤：S1、建立卫星机会式网络的数据流传输模型，用于描述卫星机会式网络中链路的动态时延和功率变化；S2、提出基于链路稳定函数的转发方法，通过求解一个时延和能量约束下的动态规划问题，得到合适的单跳转发节点。作为本专利技术的进一步改进，在步骤S1中，使用时空拓扑图对卫星机会式网络在时间、空间两个维度进行描述，结合链路的丢包率、传输速率推导网络中各节点的存储数据量和消耗能源的计算公式，推导流式文件传输时延计算公式，建立卫星机会式网络的数据流传输模型。作为本专利技术的进一步改进，在步骤S2中，根据链路传播时延、节点功率、链路丢包率提出单跳转发节点的链路稳定性函数，利用网络中理想情况下各参数作为对照，进行稳定性函数值的归一化处理，在推导的时延和能耗的约束下将单跳转发问题建模为动态规划问题，根据网络在当前时刻的拓扑结构，提出中继节点的选择方案。作为本专利技术的进一步改进，步骤S1包括以下过程：在卫星机会式网络的不同“时隙”中，网络中各节点的连通关系会发生变化，针对考察时间段(t1,t2)内，均分为多个“时隙”进行考察，记为{t|t＝kτ,k∈N*}，τ为时隙长度，对于网络H：VH代表节点集合，AH代表链路集合,为在第k个时隙中网络H，为在第k个时隙中网络H包含的所有节点所构成的集合，为在第k个时隙中网络H包含的所有链路所构成的集合，在同一个“时隙”中，网络结构不发生变化，针对特定链路有：其中，为在第k个时隙中节点i,j所构成的链路；对数据量为M的文件进行传输，每条链路具有不同传输性能，用链路容量进行表征，为链路数据传输容量，表示链路所能传输的最大数据量且：其中，为链路数据传输容量，为链路数据传输速率，为链路归一化时延在t＝kτ时，节点Vi所存储的数据量为：其中，x(Vi,kτ)为第k个时隙中节点Vi所具有的数据量，为信道丢包率；在t＝kτ时，记p0为传输单位数据量所需能量值，网络H耗能为：其中，E(H,t)为网络H消耗的能量；除了节点能量受限之外，时延也是卫星机会式网络中需要考虑的因素，对于文件M，分N次传输给中继节点，M＝∑Mi,i∈N*；中继节点无法在一个时隙中传输完成时，将数据传输给其余中继节点，可以确定传输文件各部分数据所需要时隙个数，传输文件所需时隙个数m即文件所用时延，得出：而完成传输所用时延为各部分数据量传输完成所在时隙的最大值，kMi为Mi传输开始所在时隙，k0为M开始传输所在时隙；Delay(M)＝max(Delay(Mi)+kMi-k0)(6)其中，Delay(Mi)为传输文件Mi所需要的时间。作为本专利技术的进一步改进，步骤S2包括以下过程：根据卫星机会式网络动态拓扑的特性，节点需要在当前时刻所具有的所有可用链路中选择最优链路，因此需要考虑建立链路的节点对是否具有足够能量用于传输数据，同时假设转发给下一节点后，该节点在要求时延内是否能将这些数据传输至目的节点，(1)约束条件：时延要求：在考察时间内，下一节点的数据必须能够全部传完；能量开销要求：节点能量要大于路径损耗；E:pd·d≤ei(8)其中pd为每时隙光程该条链路的路径损耗功率，Ei是节点Vi具有的能量值；(2)对特定节点，定义链路稳定性函数：其中，wD,wE,wΛ为加权系数，且wD+wE+wΛ＝1；d为链路通信距离，c为光速；t0为不通过网络而直接传播所需要时间，λ0为直接传输所具有的删除概率均值，为归一化传输时间，有：E(n)为反馈次数，与传输所用协议及文件大小有关，简化设计可根据经验设为常值2，当时，代表一个时隙内节点间距离超过光程与信息折返次数的积，无法保证可靠传输，该条链路不可用；(3)问题建模在t时刻，对节点Vi，链路发生切换，所有可能的“邻居节点”所在链路构成一个集合BVi|t＝kτ，BVi|t＝kτ为第k个时隙中节点i的所有邻居节点构成的集合，“邻居节点”指能够建立链路的节点，满足传输机遇条件，在其中选择稳定性函数LSF最大的链路作为新的转发链路，需求出式(11)的最大值，对于整个传输任务而言，每当时隙改变之后，网络中个节点所具有的数据量发生改变，网络拓扑进入下一状态，其实质为动态规划问题，本文将按照这种方式进行转发称为基于链路稳定函数的转发方法，简称为LSF方案；作为本专利技术的进一步改进，在步骤S2中，每个时隙中各节点矩阵代表了网络的离散状态，包含数据量和能耗值，当满足两个约束时，下一阶段各节点所能传输的数据量由当前时隙节点剩余数据量和链容量共同决定，每当各节点发生数据传输后，引起网络中节点数据量、能耗值及剩余传输时延改变，LSF方案将文件的传输过程转化为每一跳的最优解进行求解，由于机会式网络中链路的稀疏性，所有节点δ·LSF所构成的矩阵将构成一个稀疏矩阵，在进行计算时可利用零元素节约存储并提高程序运行时间，对单一节点而言，计算的结果代表了对链路时延、能耗、丢包率加权后的综合值，权值可适配业务类型、节点射频功率做一定调整；对一个传输任务而言，LSF矩阵会覆盖上一时隙的结果矩阵，因此其时间复杂度为Ο(N)，空间复杂度为Ο(1)。本专利技术的有益效果是：通过上述方案，降低了能耗和时延，显著提高了卫星机会网络中流文件的传输效率。附图说明图1是本专利技术一种卫星机会式网络的转发方法的机会式网络场景示意图。图2是本专利技术一种卫星机会式网络的转发方法的机会式网络模型例子。图3是包含三星单圆极环月星座月背与地球通信仿真场景示意图。图4是本专利技术一种卫星机会式网络的转发方法的传输过程的仿真实验图。图5是本专利技术一种卫星机会式网络的转发方法的传输过程的仿真实验图。图6是本专利技术一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种卫星机会式网络的转发方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立卫星机会式网络的数据流传输模型，用于描述卫星机会式网络中链路的动态时延和功率变化；S2、提出基于链路稳定函数的转发方法，通过求解一个时延和能量约束下的动态规划问题，得到合适的单跳转发节点。

【技术特征摘要】
1.一种卫星机会式网络的转发方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立卫星机会式网络的数据流传输模型，用于描述卫星机会式网络中链路的动态时延和功率变化；S2、提出基于链路稳定函数的转发方法，通过求解一个时延和能量约束下的动态规划问题，得到合适的单跳转发节点。2.根据权利要求1所述的卫星机会式网络的转发方法，其特征在于：在步骤S1中，使用时空拓扑图对卫星机会式网络在时间、空间两个维度进行描述，结合链路的丢包率、传输速率推导网络中各节点的存储数据量和消耗能源的计算公式，推导流式文件传输时延计算公式，建立卫星机会式网络的数据流传输模型。3.根据权利要求2所述的卫星机会式网络的转发方法，其特征在于：在步骤S2中，根据链路传播时延、节点功率、链路丢包率提出单跳转发节点的链路稳定性函数，利用网络中理想情况下各参数作为对照，进行稳定性函数值的归一化处理，在推导的时延和能耗的约束下将单跳转发问题建模为动态规划问题，根据网络在当前时刻的拓扑结构，提出中继节点的选择方案。4.根据权利要求1所述的卫星机会式网络的转发方法，其特征在于，步骤S1包括以下过程：在卫星机会式网络的不同“时隙”中，网络中各节点的连通关系会发生变化，针对考察时间段(t1,t2)内，均分为多个“时隙”进行考察，记为{t|t＝kτ,k∈N*}，τ为时隙长度，对于网络H：VH代表节点集合，AH代表链路集合,为在第k个时隙中网络H，为在第k个时隙中网络H包含的所有节点所构成的集合，为在第k个时隙中网络H包含的所有链路所构成的集合，在同一个“时隙”中，网络结构不发生变化，针对特定链路k∈N*，有：其中，为在第k个时隙中节点i,j所构成的链路；对数据量为M的文件进行传输，每条链路具有不同传输性能，用链路容量进行表征，为链路数据传输容量，表示链路所能传输的最大数据量且：其中，为链路数据传输容量，为链路数据传输速率，为链路归一化时延在t＝kτ时，节点Vi所存储的数据量为：其中，x(Vi,kτ)为第k个时隙中节点Vi所具有的数据量，为信道丢包率；在t＝kτ时，记p0为传输单位数据量所需能量值，网络H耗能为：其中，E(H,t)为网络H消耗的能量；除了节点能量受限之外，时延也是卫星机会式网络中需要考虑的因素，对于文件M，分N次传输给中继节点，M＝∑Mi,i∈N*；中继节点无法在一个时隙中传输完成时，将数据传输给其余中继节点，可以确定传输文件各部分数据所需要时隙个数，传输文件所需时隙个数m即文件所用时延，得出：而完成传输所用时延为各部分数据量传输完成所在时隙的最大值，kMi为Mi传输开始所在时隙，k0为M开始传输所在时隙；Delay(M)＝max(D...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾术实，陈国庆，王野，袁鹏，张钦宇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：广东,44