一种星上路由与频谱分配优化方法技术

本发明专利技术实施例提供了一种基于星上路由与频谱分配优化方法，首先基于LEO卫星星座模型设计了一种卫星节点位置管理策略，利用该位置管理策略，计算出所需要知道的卫星节点位置坐标，并计算出每颗卫星之间的相对位置与欧几里得距离。之后，提出一种自适应小窗口策略，利用源节点与目的节点的坐标位置信息生成初始小窗口，并根据初始小窗口内的链路负载调整窗口大小，提供给算法合适的收敛面积。最后提出跳数松约束策略，根据卫星节点位置管理策略计算出当前路由节点的邻接节点的相对位置，将邻接节点划分为高优先级节点与低优先级节点，最后提出一种结合上述路由策略的优化算法，在LEO的卫星星座上计算路由并利用首次匹配法分配频谱资源。频谱资源。频谱资源。

【技术实现步骤摘要】
一种星上路由与频谱分配优化方法


[0001]本专利技术涉及卫星通信
，特别是涉及一种星上路由与频谱分配优化方法。
技术背景
[0002]随着即时通信业务和视频点播业务需求的急速上涨，与物联网技术的飞速发展。在万物互联的时代，不仅存在人与人之间的通信需求，物与物之间的通信也变得更为频繁与重要。此外，对于遥远山区与海洋的通信需求也逐渐显现出来。传统的地面网络受限于容量和覆盖面积已经无法完全满足大数据传输与高可靠性接入服务。因此卫星网络因为其独有的高覆盖、长距离、多接入能力使其在未来网络发展的重要性日渐加深。其中，随着小型轻量化的激光器投入生产并在卫星上进行使用，卫星光网络已经成为卫星网络中不可或缺的组成部分。而普通波分复用光网络存在着波长颗粒度大的问题，导致大量通信资源被浪费。为了解决这一问题，有着可变频谱颗粒度的灵活频谱栅格应运而出，这使得在卫星弹性光网络的频谱资源利用率得到了大大提高。
[0003]路由与频谱分配算法是决定卫星弹性光网络性能的关键技术，路由是指在网络拓扑中从源节点到目的节点的路径顺序。相对于地面通信网络，卫星网络拓扑具有高动态性且节点分布比地面网络拓扑的更为密集与规律，故而采用常规的路由算法会导致卫星拓扑的局部流量堆积导致通信请求资源预留失败，且因为卫星星座链路会随着时间而产生断联现象，这就使得现有地面通信网络路由算法不适用于卫星通信，需要在地面通信网络路由算法的基础上进行卫星通信网络路由算法的研究，所以随着卫星网络的发展卫星路由算法也渐渐成为国内外学者的研究方向。在频谱分配方面，不合理的频谱分配方式会导致卫星弹性光网络中产生大量的频谱碎片，这些频谱碎片的频谱容量无法满足单个业务的需求，但频谱碎片的过多累计也会导致频谱资源的过度浪费，因此频谱分配也是弹性光网络中的重要问题之一。
[0004]现阶段，基于LEO的单层卫星星座网络结构经过近几十年的快速发展，卫星弹性光网络可以承担全球物联网的接入和传输功能。由几十颗卫星组成的光学卫星网络可以提供几乎全球的覆盖范围。低轨卫星通过形成星座提供足够的地面覆盖面积。此外，低轨卫星可以通过微波束访问传统地面网络无法提供服务的远程地面网络。在低轨星座中，卫星通过激光束连接，形成永久或非永久激光链路。此外，随着软件定义网络技术的发展和应用，数据传输和计算解耦，可以缓解卫星计算能力不足的压力。光卫星网络的优势促进了民用、军事和商业通信的发展。
[0005]优化算法需要具有的高鲁棒性和易于修改的特点才适合应用于卫星的高动态性网络拓扑上，针对卫星弹性光网络中的路由和频谱分配问题，当前路由策略存在卫星间链路丢失和较高的端到端时延等问题。如今在解决网络路由问题方面的研究越来越多，其中大部分研究的目的是降低阻塞率、降低时延、提高收敛速度以改善网络性能。

技术实现思路

[0006]本专利技术实施例的目的在于提供一种星上路由与频谱分配的优化方法，以实现路由业务的低阻塞率、低时延，同时保证算法的收敛速度。具体技术方案如下：
[0007]本专利技术实施的一方面，提供了基于LEO卫星网络的节点位置管理策略其中，
[0008]所述基于LEO卫星网络的节点位置管理策略，其目的在于后续策略确定LEO星座中各卫星之间的位置关系，为后续算法策略提供坐标信息。基于LEO卫星网络的节点位置管理策略主要实施与LEO的卫星星座网络，LEO卫星之间的排列呈曼哈顿网络的形式。除边缘节点，每个卫星节点都有四个链路与其他卫星相连。
[0009]本专利之所以采用LEO星座，是因为LEO卫星具有传播时延小、误码率低、能够覆盖极地区域等优点，有利于避免GEO卫星无法覆盖极地区域和LEO卫星星上处理能力弱等缺点，而且该模型也采用了冗余设计，这是因为卫星节点需要有冗余，以防通信过程中节点故障从而影响整个网络的性能。
[0010]所述基于LEO卫星网络的卫星节点位置管理策略，在LEO卫星星座网络的基础上，提出了基于LEO卫星网络的卫星节点位置管理策略，该系统每一个LEO卫星都有一个专属的在星座中的位置坐标。组内所有LEO卫星成员所对应的位置坐标在任何时间点保持相对不变，即任何LEO节点之间的相对位置关系和其本身的坐标是初始确定且不随时间变化而改变的。其LEO的位置坐标由其在星座中的轨道编号和所在轨道位置确定，其位置管理策略的意义在于计算不同节点之间的位置关系。
[0011]本专利技术实施的一方面提供了一种基于优化算法的自适应小窗口策略，所述基于优化算法的自适应小窗口策略，其主要包括，自适应小窗口分为两部分。第一部分是初始化小窗口。第二部分是通过小窗口内的初始流量负载调整窗口大小。在初始化小窗口的步骤中，我们将首先获得源节点和目标节点的位置信息。当通信请求到达时，我们可以将源节点的位置表示为。第一部分，根据每个业务的源卫星节点与目的卫星节点的路由器地址，通过卫星节点位置管理策略，通过源卫星节点与目的卫星节点的路由器地址，计算出两者在卫星星座的位置坐标(m
s
,n
s
)，(m
d
,n
d
)，并以源节点和目的节点的坐标生成限制优化算法收敛区域的矩形窗，作为初始优化算法的小窗口。每个轨道上的卫星数量是S，当|m
d
‑
m
s
|≤S/2我们使用(a)构造一个面积最小的矩形窗口时。否则，我们应该使用(b)来构造窗口。当我们设置一个小的矩形窗口来限制优化算法的迭代范围时，很明显，优化会更快地收敛并以更短的跳数到达目标节点。在完成小窗口的建立后，计算小窗口包含的行卫星节点数为边长l
wx
，与包含的列卫星节点数作为边长l
wy
。之后统计在初始小窗口的频谱利用信息，计算小窗口标记过所有卫星节点的邻接节点频谱占用情况，计算总体的频谱利用率记为S
W
。它的值是小窗口中所有链路中使用的波长数与总波长数的比率。我们在小窗口中定义了负载阈值δ。它是一个0到1的常数，用于确定何时需要增加小窗口的覆盖范围。当链路中的负载大于负载阈值时，我们认为小窗口中链路中的负载较大，应该增加窗口大小和收敛范围，以提高通信的成功率。然后我们定义已调整大小的窗口的长度和宽度，它们的值是调整大小后小窗口的长度和宽度中包含的节点数。它们分别表示为l
wx2
和l
wy2
。最后，定义了自适应小窗口调整公式对于小窗口的尺寸调整，我们设计了相应的公式和规则：
[0012][0013][0014]其中是μ交通强度因子，它是一个常数，反映了窗口中交通强度对其大小的影响。当通过自适应小窗调整公式计算新窗边长时，每个矩形窗的长度和宽度分别延伸到两端。
[0015]本专利技术实施的一方面，提供了一种跳数松约束策略，所述策略包括：
[0016]我们通过一种自适应小窗口策略来限制优化算法的收敛区域。但是，如果我们使用一个小窗口来严格限制收敛区域，就会增加通信阻塞的概率。因为它限制了可用路由链路的探索潜力。另外，对于优化算法，一个重要的问题是如何选本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种星上路由与频谱分配优化方法，其特征在于，该方法包括：(1).基于LEO卫星网络的卫星节点位置管理策略；(2).一种自适应小窗口策略；(3).一种跳数松约束策略；(4).基于上述策略的路由与频谱分配优化方法。2.根据权利要求1所述基于LEO卫星网络的卫星节点位置管理策略，其特征在于，所述方法包括：所述基于LEO卫星网络的卫星节点位置管理策略实施与LEO卫星星座上，其星座结构需要符合一定规律的棋盘式排布；每一个LEO卫星都有一个专属的在星座中的位置坐标。组内所有LEO卫星成员所对应的位置坐标在任何时间点保持相对不变，即任何LEO节点之间的相对位置关系和其本身的坐标是初始确定且不随时间变化而改变的。其LEO的位置坐标由其在星座中的轨道编号和所在轨道位置确定，其位置管理策略的意义在于计算不同节点之间的位置关系。3.根据权利要求2所述一种自适应小窗口策略，其特征在于，所述方法包括：利用卫星节点位置管理策略，确定LEO卫星星座内路由业务的源节点和目的节点的位置坐标，采用矩形窗的形式标定小窗内的卫星节点，其矩形窗的对角顶点为LEO源节点与目的节点。在初始小窗口生成后根据窗口内标定的卫星节点的邻接链路负载情况计算自适应小窗口包含节点个数，对窗口尺寸调节。在大多数情况下，窗口对优化算法的收敛范围收敛，即只允许在窗口内计算路由路径。4.根据权利要求3所述一种跳数松约束策略，其特征在于，所述方法包括：在自适应小窗口策...

【专利技术属性】
技术研发人员：张琦，李元锋，陶滢，田凤，田清华，陈东，钱晋希，刘亮，王拥军，杨雷静，杨迈，柴芙蓉，孙梦，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：