基于时分的收发信机受限空间信息网络最大流路由方法技术

本发明专利技术公开了一种基于时分的收发信机受限空间信息网络最大流路由方法。其具体实现步骤是，首先构建时间扩展图，划分节点副本链路类型，生成扩展流入、流出链路集合；然后划分时间段，以时间段为单位分配收发信机资源；最后调整空间信息网络链路中传输的数据量，生成空间信息网络的最大流路由。本发明专利技术解决了收发信机个数对连通链路数目的限制问题，能够更高效的利用节点资源和收发信机资源，提高空间信息网络中端到端节点的吞吐量。

The maximum flow routing method based on time division for the information network in the limited space of transceiver

【技术实现步骤摘要】
基于时分的收发信机受限空间信息网络最大流路由方法
本专利技术属于电通信
，更进一步涉及空间信息网络
中的一种基于时分的收发信机受限空间信息网络最大流路由方法。本专利技术可用于对互联网、物联网、移动通信、卫星通信和深空等收发信机受限空间信息网络中进行数据传输。
技术介绍
空间信息网络是以空间平台(如同步卫星或中、低轨道卫星和有人或无人驾驶飞机等)为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。由于空间信息网络中的节点处于高速运动之中，网络拓扑往往具有随时间变化、断续连通等特点，并且卫星节点通常采用存储—携带—转发而不是存储—转发的方式传输数据。受限于空间节点有限的能量和链路资源，空间信息网络的通信资源和收发信机资源比较稀缺，获取收发信机受限的空间信息网络最大流可以充分利用有限的网络资源，获取网络负载的上限。雷柳在其发表的论文"基于图模型的DTN网络路由算法研究"(西安电子科技大学2015年硕士学位论文)中提出一种基于时间扩展图的收发信机受限的最大流方法。该方法是在收发信机数目限制为1的情况下，将一个时间间隔作为不可划分的固定时间分配收发信机资源进行连通，所以将节点的通信流入链路和通信流出链路个数都限制为不能超过1，在此约束条件下寻找可行路径，并考虑了流量守恒，将问题建模为一个非线性规划，能够求解出给定网络的最大流数值。但是，该方法仍然存在的不足之处是，当收发信机个数受限时，由于该方法将一个时间间隔作为不可划分的固定时间分配收发信机资源进行连通，所以节点在分组转发时可供选择的连通链路数受限于收发信机个数，造成链路资源和收发信机资源浪费，路径选择不灵活，节点资源利用率低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于时分的收发信机受限空间信息网络最大流路由方法，本方法通过将时间间隔划分为多个时间段来独立的分配收发信机资源，解决了收发信机个数对连通链路数目的限制问题，能够更高效的利用节点资源和收发信机资源，提高空间信息网络中端到端节点的吞吐量。实现本专利技术目的的思路是，首先根据最大流定义在时间扩展图中得到目标函数，然后通过引入虚拟流入、流出链路生成了扩展流入、流出链路集合，再将时间间隔划分为多个时间段，然后通过标记链路集合中各链路在每个时间段的连通状态来分配收发信机资源，通过不断调整各链路的连通时间和链路中传输的数据量，在满足每个时间段的流入、流出数据量达到平衡的条件下，得到空间信息网络中的最大流流值和最大流路由。本专利技术的具体步骤如下：步骤1，构建空间信息网络的时间扩展图：以空间信息网络拓扑中保持不变状态的时间段为时间间隔，将空间信息网络的一个运行周期[0,T]划分为L个等长的时间间隔；构建空间信息网络的时间扩展图G(VC,E)，其中,VC表示空间信息网络中实际存在的节点集合在每个时间间隔内的副本集合，E表示由副本集合VC中的相邻时间间隔的节点副本间产生的缓存链路集合ES和副本集合VC中的相同时间间隔的节点副本间产生通信链路集合EL和虚拟链路集合ER组成的链路集合；步骤2，划分节点副本链路类型：不论收发信机是否受限，对于每个空间信息网络的节点副本，根据时间扩展图G(VC,E)中与该节点副本相连的链路分布，将与该节点副本相连的所有链路划分为4种类型：缓存链路集合ES中的一条缓存流入链路、缓存链路集合ES中的一条缓存流出链路、通信链路集合EL中的一条或多条通信流入链路、通信链路集合EL中的一条或多条通信流出链路；在收发信机不受限的情况下，对于每个空间信息网络的节点副本与该节点副本相连的一条或多条通信流入链路允许多条同时连接，与该节点副本相连的一条或多条通信流出链路允许多条同时连接；在收发信机受限的情况下，对于每个空间信息网络的节点副本，判断与该节点副本相连的通信流入、流出链路是否为多条，若为多条，则收发信机数目为1的情况下，允许连接的通信流入、流出链路的数目被限制为1，该节点副本在同一时刻最多选择与1条通信流入链路和1条通信流出链路相连；步骤3，生成扩展流入、流出链路集合：将1条实际流过的数据量为零的虚拟流入链路与空间信息网络的节点副本相连的多条通信流入链路，组成扩展流入链路集合；将1条实际流过的数据量为零的虚拟流出链路与空间信息网络的节点副本相连的多条通信流出链路，组成扩展流出链路集合；步骤4，划分时间段：将每个时间间隔划分为多个时间段，以每一个时间段为单位分配收发信机资源进行连通链路；在[0,1]区间内，以tk-1为起始时刻、dk为长度，将每个时间间隔划分为N个时间段uk，其中，k表示时间段uk的序号，tk-1满足t0≤t1≤t2≤…≤tk-1≤tk≤…≤tN-1≤tN，t0＝0，tN＝1；dk同时满足dk＝tk-tk-1和∑表示求和操作；步骤5，分配收发信机资源：生成分配收发信机资源的流入关联矩阵A＝(amk)(P+1)×N，其中，amk表示扩展流入链路Rm与时间段uk的关联状态，当流入关联矩阵中存在一个或多个元素等于1时，则表示该元素所对应的空间信息网络的节点副本在时间段uk内与扩展流入链路Rm连通，当流入关联矩阵中存在一个或多个元素等于0时，则表示该元素所对应的空间信息网络的节点副本在时间段uk内与扩展流入链路Rm不连通，P表示通信流入链路集合中的链路总数；其中，amk满足Pil表示第l个时间间隔的第i个空间信息网络的节点副本的通信流入链路总数；生成分配收发信机资源的流出关联矩阵B＝(bnk)(Q+1)×N，其中，bnk表示扩展流出链路Sn与时间段uk的关联状态，当流出关联矩阵中存在一个或多个元素等于1时，则表示该元素所对应的空间信息网络的节点副本在时间段uk内与扩展流出链路Sn连通，当流出关联矩阵中存在一个或多个元素等于0时，则表示该元素所对应的空间信息网络的节点副本在时间段uk内与扩展流出链路Sn不连通，Q表示通信流入链路集合中的链路总数；其中，bnk满足表示第l个时间间隔的第j个空间信息网络的节点副本的通信流出链路总数；步骤6，调整空间信息网络链路中传输的数据量：第一步，调整每个节点副本在其链路中传输的数据量，使其满足下述的流量守恒条件：其中，表示在第l个时间间隔中的第k个时间段uk内，第l个时间间隔的第i个节点副本的扩展流入链路Rm中传输的满足第1个通信链路容量要求的数据量；表示在第l个时间间隔中的第k个时间段uk内缓存传输到节点副本的满足第1个缓存链路容量要求的数据量，数据量由第l个时间间隔的时间段uk-1缓存到第l个时间间隔的时间段uk；表示在第l个时间间隔中的第k个时间段uk内，节点副本的扩展流出链路Sn中传输的满足第2个通信链路容量要求的数据量；表示在第l个时间间隔中的第k个时间段uk内缓存传输到节点副本的满足第2个缓存链路容量要求的数据量，数据量由第l个时间间隔的时间段uk缓存到第l个时间间隔的时间段uk+1；表示在第l个时间间隔中的第k个时间段uk内缓存传输到节点副本的满足第3个缓存链路容量要求的数据量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于时分的收发信机受限空间信息网络最大流路由方法，其特征在于，生成扩展流入、流出链路集合，划分时间段，分配收发信机资源，调整空间信息网络链路中传输的数据量，生成空间信息网络的最大流路由，该方法的步骤包括如下：/n步骤1，构建空间信息网络的时间扩展图：/n以空间信息网络拓扑中保持不变状态的时间段为时间间隔，将空间信息网络的一个运行周期[0,T]划分为L个等长的时间间隔；/n构建空间信息网络的时间扩展图G(V

【技术特征摘要】
1.一种基于时分的收发信机受限空间信息网络最大流路由方法，其特征在于，生成扩展流入、流出链路集合，划分时间段，分配收发信机资源，调整空间信息网络链路中传输的数据量，生成空间信息网络的最大流路由，该方法的步骤包括如下：
步骤1，构建空间信息网络的时间扩展图：
以空间信息网络拓扑中保持不变状态的时间段为时间间隔，将空间信息网络的一个运行周期[0,T]划分为L个等长的时间间隔；
构建空间信息网络的时间扩展图G(VC,E)，其中,VC表示空间信息网络中实际存在的节点集合在每个时间间隔内的副本集合，E表示由副本集合VC中的相邻时间间隔的节点副本间产生的缓存链路集合ES和副本集合VC中的相同时间间隔的节点副本间产生通信链路集合EL和虚拟链路集合ER组成的链路集合；
步骤2，划分节点副本链路类型：
不论收发信机是否受限，对于每个空间信息网络的节点副本，根据时间扩展图G(VC,E)中与该节点副本相连的链路分布，将与该节点副本相连的所有链路划分为4种类型：缓存链路集合ES中的一条缓存流入链路、缓存链路集合ES中的一条缓存流出链路、通信链路集合EL中的一条或多条通信流入链路、通信链路集合EL中的一条或多条通信流出链路；
在收发信机不受限的情况下，对于每个空间信息网络的节点副本与该节点副本相连的一条或多条通信流入链路允许多条同时连接，与该节点副本相连的一条或多条通信流出链路允许多条同时连接；
在收发信机受限的情况下，对于每个空间信息网络的节点副本，判断与该节点副本相连的通信流入、流出链路是否为多条，若为多条，则收发信机数目为1的情况下，允许连接的通信流入、流出链路的数目被限制为1，该节点副本在同一时刻最多选择与1条通信流入链路和1条通信流出链路相连；
步骤3，生成扩展流入、流出链路集合：
将1条实际流过的数据量为零的虚拟流入链路与空间信息网络的节点副本相连的多条通信流入链路，组成扩展流入链路集合；
将1条实际流过的数据量为零的虚拟流出链路与空间信息网络的节点副本相连的多条通信流出链路，组成扩展流出链路集合；
步骤4，划分时间段：
将每个时间间隔划分为多个时间段，以每一个时间段为单位分配收发信机资源进行连通链路；
在[0,1]区间内，以tk-1为起始时刻、dk为长度，将每个时间间隔划分为N个时间段uk，其中，k表示时间段uk的序号，tk-1满足t0≤t1≤t2≤…≤tk-1≤tk≤…≤tN-1≤tN，t0＝0，tN＝1；dk同时满足dk＝tk-tk-1和∑表示求和操作；
步骤5，分配收发信机资源：
生成分配收发信机资源的流入关联矩阵A＝(amk)(P+1)×N，其中，amk表示扩展流入链路Rm与时间段uk的关联状态，当流入关联矩阵中存在一个或多个元素等于1时，则表示该元素所对应的空间信息网络的节点副本在时间段uk内与扩展流入链路Rm连通，当流入关联矩阵中存在一个或多个元素等于0时，则表示该元素所对应的空间信息网络的节点副本在时间段uk内与扩展流入链路Rm不连通，P表示通信流入链路集合中的链路总数；其中，amk满足表示第l个时间间隔的第i个空间信息网络的节点副本的通信流入链路总数；
生成分配收发信机资源的流出关联矩阵B＝(bnk)(Q+1)×N，其中，bnk表示扩展流出链路Sn与时间段uk的关联状态，当流出关联矩阵中存在一个或多个元素等于1时，则表示该元素所对应的空间信息网络的节点副本在时间段uk内与扩展流出链路Sn连通，当流出关联矩阵中存在一个或多个元素等于0时，则表示该元素所对应的空间信息网络的节点副本在时间段uk内与扩展流出链路Sn不连通，Q表示通信流入链路集合中的链路总数；其中，bnk满足表示第l个时间间隔的第j个空间信息网络的节点副本的通信流出链路总数；
步骤6，调整空间信息网络链路中传输的数据量：
第一步，调整每个节点副本在其链路中传输的数据量，使其满足下述的流量守恒条件：



其中，表示在第l个时间间隔中的第k个时间段uk内，第l个时间间隔的第i个节点副本的扩展流入链路Rm中传输的满足第1个通信链路容量要求的数据量；表示在第l个时间间隔中的第k个时间段uk内缓存传输到节点副本的满足第1个缓存链路容量要求的数据量，数据量由第l个时间间隔的时间段uk-1缓存到第l个时间间隔的时间段uk；表示在第l个时间间隔中的第k个时间段uk内，节点副本的扩展流出链路Sn中传输的满足第2个通信链路容量要求的数据量；表示在第l个时间间隔中的第k个时间段uk内缓存传输到节点副本的满足第2个缓存链路容量要求的数据量，数据量由第l个时间间隔的时间段uk缓存到第l个时间间隔的时间段uk+1；表示在第l个时间间隔中的第k个时间段uk内缓存传输到节点副本的满足第3个缓存链路容量要求的数据量，数据量由第l个时间间隔的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，朱琳，李红艳，李建东，
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