基于源路由的卫星路由负载均衡算法制造技术

本发明专利技术涉及一种基于源路由的卫星路由负载均衡方法，包括以下步骤:源节点卫星获取网络拓扑信息，其中，所述网络拓扑信息中包括各星间链路的带宽占用率；在获取的网络拓扑信息中限定一最小路径搜索范围，并根据所述星间链路带宽占用率在所述限定的最小路径搜索范围内拓扑剪枝；采用Dijkstra算法在所述拓扑剪枝后的最小路径搜索范围内寻找最短路径；根据所述寻找到的最短路径，编码一方向序列，并将其封装在数据包头部中进行发送。通过本发明专利技术的方法，降低了卫星网络中数据转发的时延，实现了拥塞控制和负载均衡的目的，提升了网络性能。

【技术实现步骤摘要】
基于源路由的卫星路由负载均衡算法
本专利技术涉及通信
，特别涉及低轨卫星通信网络
中的一种基于源路由的卫星路由负载均衡方法。
技术介绍
随着卫星网络的不断发展，卫星网络在全球通信、导航定位、天气预测、环境与灾害监测、资源探测和军事应用等方面得到广泛的应用。其中，低轨(LowEarthOrbit，LEO)卫星网络具有传输距离远、通信容量大、通信线路稳定、抗毁能力强、轨道高度低等诸多优点。因此，LEO卫星网络目前成为卫星网络的研究热点。卫星网络路由技术作为卫星网络通信协议的核心，承担着星间链路数据传输的重任，决定着卫星网络的整体性能。因此，卫星网络路由技术的研究有着重要意义。LEO卫星具有移动速度块和拓扑周期性变化等特点，同时，由于卫星的存储能力、数据处理能力等有限，传统的网络路由协议无法直接应用于卫星网络。并且在实际应用中，还存在全球区域用户分布不均匀，北半球产生流量较大，南半球以及南北极需求较少，网络负载不均衡等相关问题。因此，业界亟需一种适合于LEO卫星网络的负载均衡路由方法，以解决当前技术下卫星网络负载不均衡的难题，提升卫星网络的通信性能。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于源路由的卫星路由负载均衡算法，以解决卫星网络现存的问题。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于源路由的卫星路由负载均衡方法，其特征在于，包括以下步骤:源节点卫星获取网络拓扑信息，其中，所述网络拓扑信息中包括各星间链路的带宽占用率；在获取的网络拓扑信息中限定从源节点卫星到目的节点卫星的最小路径搜索范围，并根据所述星间链路带宽占用率在所述限定的最小路径搜索范围内拓扑剪枝；采用Dijkstra算法在所述拓扑剪枝后的路径搜索范围内寻找最短路径；根据所述寻找到的最短路径，编码一方向序列，并将其封装在数据包头部中进行发送。优选地，所述拓扑剪枝包括将星间链路带宽占用率超过预定义阈值的链路的权值置为0。优选地，若所述采用Dijkstra算法寻找最短路径失败，则扩大所述限定的路径搜索范围，在扩大后的路径搜索范围内再次拓扑剪枝并再次采用Dijkstra算法寻找最短路径；若在所述扩大后的路径搜索范围内寻找最短路径失败，则解除路径搜索范围限定，在全网范围内拓扑剪枝并采用Dijkstra算法寻找最短路径。优选地，采用Dijkstra算法寻找最短路径包括为拓扑剪枝后的每段链路进行权重赋值，具体为：ω1+ω2+ω3＝1其中，weight表示任一段链路的权值，表示该段链路传输时延因子，表示该段链路传播时延因子，表示该段链路存活时间因子，Mg表示极地修正因子，Mp表示功率修正因子，表示人口修正因子，ω1、ω2、ω3分别是传输时延因子、传播时延因子和节点存活时间因子的优化系数。优选地，所述功率修正因子表示为：其中，表示卫星当前坐标位置(i，j)对应地面区域的相对时间，为卫星当前坐标位置(i，j)对应的地面区域的日出时间，为卫星当前坐标位置(i，j)对应的地面区域的日落时间，GMT表示格林威治时间，Dnow表示当前日期序列，logij表示卫星当前坐标位置(i，j)对应的地球经度，latij表示卫星当前坐标位置(i，j)对应的地球纬度，βp表示设定的修正因子。优选地，所述极地修正因子Mg表示为：其中，latij表示卫星当前坐标位置(i，j)对应的地球纬度，βg表示设定的修正因子。优选地，所述和是经归一化处理后的因子，具体为：其中，Qt表示该段链路实际传输时延，表示全网链路的传输时延的最大值，表示全网链路的传输时延的最小值；其中，Pt表示链路实际传播时延，表示全网链路传播时延的最大值，表示全网链路传播时延的最小值，一般为0，r表示地球半径，h表示卫星轨道高度，N表示卫星轨道平面数，c为光速，为相邻轨道卫星之间的相位差；其中，为链路存活时间，表示该段链路关联节点的存活时间归一化值，Tnl表示节点存活时间，表示全网的节点最大存活时间，latpolar表示北极极地纬度，ω表示卫星角速度，φ表示卫星轨道倾角；以及，其中，Mm表示区域互联网使用量统计数据，表示全球区域互联网使用量统计数据中的最大值，为全球区域互联网使用量统计数据中的最小值；优选地，编码一方向序列包括以任一节点下一跳发送数据相对于上一跳接收数据的相对发送方向进行编码。本公开中的方法利用限定搜索范围的方法，结合拓扑剪枝和Dijkstra算法寻找最短路径，并以方向编码序列指示节点进行数据转发，圆满地解决了当前卫星网络路由负载不均衡的技术问题。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明：图1为本专利技术使用的极轨道卫星网络拓扑结构图；图2为本专利技术基于源路由的卫星路由负载均衡方法流程图；图3为本专利技术中搜索范围限定示例；图4为本专利技术中拓扑剪枝示例；图5为本专利技术中搜索范围扩大示例；图6为本专利技术中人口修正因子分布图；图7a为本专利技术中卫星端口示意图；图7b为本专利技术中方向序列编码原理示意图；图8为本专利技术中数据转发示意图。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术进行进一步的说明。本专利技术是借助极轨道卫星(PolarOrbitSatellite，POS)星座进行路由转发所做的示例描述，其中，POS星座采用若干高度相同，倾角一致的轨道面，每个轨道平面的卫星数目相同，卫星等间隔分布，且南北极具有交汇，导致高纬度地区卫星较密集，低纬度地区卫星较稀疏。LEO网络的每颗卫星一般有四条链路，两条轨道间链路和两条轨道内链路，当卫星进入极地区域后，由于多种原因，轨道间链路会断开，在卫星远离极地区域后，轨道间链路重新建立。并且在卫星的第一个轨道平面和最后一个轨道平面的相邻轨道上会出现卫星运动方向相反的情况，这两个轨道之间被夹的部分被称为反向缝，此时由于卫星天线相对运动太快，很难维持长时间的轨道间链路，所以在本专利技术中，不考虑跨缝连接。综上，本专利技术将LEO卫星网络拓扑近似抽象为二维网格拓扑，拓扑如图1所示。在图1中，根据地球经纬度模式示出了LEO网络的拓扑图，拓扑图的顶部表示北极区，底部表示南极区。垂直线代表经度轨道面i，水平线代表纬度轨道面j，垂直线与水平线的交叉点为卫星所在的坐标(i，j)。对于任一确定的经度轨道面i，在二维水平正向上，依次为i+1，i+2，…的轨道面，而水平负向上，依次为i-1，i-2，…的轨道面。在同一经度轨道面i内，不同卫星之间的链路被称为轨道内链路，而在不同经度轨道面如第i轨道面和第i+1轨道面内，不同卫星之间的链路被称为轨道间链路。当卫星网络拓扑发生改变时，例如卫星进入极地本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于源路由的卫星路由负载均衡方法，其特征在于，包括以下步骤:源节点卫星获取网络拓扑信息，其中，所述网络拓扑信息中包括各星间链路的带宽占用率；在获取的网络拓扑信息中限定从源节点卫星到目的节点卫星的最小路径搜索范围，并根据所述星间链路带宽占用率在所述限定的最小路径搜索范围内拓扑剪枝；采用Dijkstra算法在所述拓扑剪枝后的路径搜索范围内寻找最短路径；根据所述寻找到的最短路径，编码一方向序列，并将其封装在数据包头部中进行发送。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于源路由的卫星路由负载均衡方法，其特征在于，包括以下步骤:源节点卫星获取网络拓扑信息，其中，所述网络拓扑信息中包括各星间链路的带宽占用率；在获取的网络拓扑信息中限定从源节点卫星到目的节点卫星的最小路径搜索范围，并根据所述星间链路带宽占用率在所述限定的最小路径搜索范围内拓扑剪枝；采用Dijkstra算法在所述拓扑剪枝后的路径搜索范围内寻找最短路径；根据所述寻找到的最短路径，编码一方向序列，并将其封装在数据包头部中进行发送。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，所述拓扑剪枝包括将星间链路带宽占用率超过预定义阈值的链路的权值置为0。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，若所述采用Dijkstra算法寻找最短路径失败，则扩大所述限定的路径搜索范围，在扩大后的路径搜索范围内再次拓扑剪枝并再次采用Dijkstra算法寻找最短路径；若在所述扩大后的路径搜索范围内寻找最短路径失败，则解除路径搜索范围限定，在全网范围内拓扑剪枝并采用Dijkstra算法寻找最短路径。


4.根据权利要求1至3中任一所述的方法，其特征还在于，采用Dijkstra算法寻找最短路径包括为拓扑剪枝后的每段链路进行权重赋值，具体为：



其中，weight表示任一段链路的权值，表示该段链路传输时延因子，表示该段链路传播时延因子，表示该段链路存活时间因子，Mg表示极地修正因子，Mp表示功率修正因子，表示人口修正因子，ω1、ω2、ω3分别是传输时延因子、传播时延因子和节点存活时间因子的优化系数。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征还在于，所述功率修正因子表示为：



其中，







表示卫星当前坐标位置(i，j)对应地面区域的相对时间，为卫...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐宏，雷援杰，马枢清，李艺，郭可可，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50