一种基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法技术

本发明专利技术涉及卫星时间敏感网络通信技术领域，具体涉及一种基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法；所述方法包括将卫星网络中星内有线和星间无线多节点联合调度构建为串联

【技术实现步骤摘要】
一种基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法


[0001]本专利技术涉及卫星时间敏感网络通信
，具体涉及一种基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法。

技术介绍

[0002]基于卫星网络的导弹预警、卫星测控、作战响应、远程指控和应急通信等时间敏感型业务对数据传输的端到端时延的确定性提出了非常严格的要求，这类业务要求数据包在有界且较低的时间内完成交付。例如，作战指挥时，若发送的控制指令未在规定时间内到达，则无法实现敌机目标的精准打击，从而导致作战任务失败。所谓的确定性是指时敏业务每次传输的端到端时延可预测，且抖动很小，如微秒级。对于时敏业务而言，端到端时延被视为最重要的性能指标之一，有效地分析端到端时延性能能够为选择符合时敏业务时延要求的传输路径提供理论依据。
[0003]网络演算理论被广泛地用于网络性能计算与分析，主要通过最小加理论计算时延和流量积压边界。现有网络演算理论在卫星网络中的研究重点为星间链路时延分析以及数据中继卫星网络随机时延上界分析，这些方法均假设业务流服从泊松分布。然而，在未来更为广阔的卫星时间敏感网络中，这些分析方法显然不适用于时敏业务性能分析。关于时敏业务时延性能分析，现有时间敏感网络(Time Sensitive Networking,TSN)相关研究同样也引入网络演算进行时延性能分析。现有技术重点从业务流特性和交换机节点调度机制等角度进行时延上界分析，重点关注地面有线网络端到端时延分析，并未涉及多跳无线网络。
[0004]虽然现有的网络演算理论研究为端到端时延分析提供了一种有效的解决思路，但现有网络演算在TSN网络中的研究重点关注地面有线网络不同调度机制对端到端时延造成的影响，并没有涉及时敏业务在多跳无线链路中的端到端时延分析。在卫星网络中，不仅节点调度机制会对端到端时延造成的影响，而且星间链路时变特性以及多节点资源联合调度均会对端到端时延分析造成影响。
[0005]总而言之，现有网络演算分析方法无法解决卫星时间敏感网络中时敏业务端到端时延分析问题，从而无法为时敏业务流选择出符合时延要求的传输路径。

技术实现思路

[0006]鉴于现有技术存在的问题，本专利技术构建出了面向时敏业务的卫星网络端到端时延分析模型，并对此提出了一种基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法；所述方法包括根据卫星节点之间的连接情况，将卫星网络中星内有线和星间无线多节点联合调度过程构建为串联
‑
并联排队模型；根据卫星网络中时间敏感业务流的周期性产生特性，构建出时敏业务流到达曲线模型；基于所述串联
‑
并联排队模型，联合星内有线调度机制和星间无线调度机制，建立有线无线融合调度服务曲线模型；基于网络演算理论，同时结合卫星相对运动规律，按照时敏业务流到达曲线模型和有线无线融合调度服务曲线模型构建端到端时延边界分析模型，并得出卫星网络中任意两颗卫星之间的端到端时延边界性能；按照时敏
业务流设定的端到端时延需求，结合端到端时延边界分析模型选择出满足时延约束的最佳传输路径。
[0007]本专利技术的基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法中，首先依据卫星网络节点间连接情况将星内有线和星间无线多节点联合调度构建为串联
‑
并联排队模型，然后依据时敏业务到达特性和有线无线融合调度机制推导出时敏业务流到达曲线和融合调度服务曲线，其次基于网络演算理论和星间距离计算得到任意两颗卫星之间的端到端时延，最后依据时敏业务端到端时延需求，从可达路径中选择出满足时延约束的最佳传输路径，从而在满足时敏业务流的端到端时延需求的同时提高网络资源利用率。
[0008]本专利技术的优点及有益效果如下：
[0009]本专利技术提出的基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法不再局限于端到端时延分析，而是进一步拓展了网络演算在卫星网络中的应用，能够为时敏业务的路径选择提供一种新的解决方法；本专利技术综合考虑了卫星网络中时敏业务流特性、卫星节点内部和外部调度机制以及卫星相对运动规律等影响端到端时延的相关参数信息，并以网络演算为理论基础，计算出网络中任意两个节点之间的时延，从而能够在已知源节点和目的节点以及端到端时延需求的条件下快速选择出满足时延约束的传输路径，同时提高网络资源利用率，具有广阔应用前景。
附图说明
[0010]图1为本专利技术实施例中所使用的有线无线融合的卫星时间敏感网络路径选择场景图；
[0011]图2为本专利技术中采用的一种基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法流程图；
[0012]图3为本专利技术实施例中使用的有线无线融合调度网络模型；
[0013]图4为本专利技术中源卫星节点积压期开始时的最大等待时间。
具体实施方式
[0014]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0015]图1是本专利技术实施例中所采用的一种有线无线融合的卫星时间敏感网络路径选择场景图。为了在卫星网络中对时敏业务提供端到端时延确定性保障服务，卫星节点内部采用IEEE 802.1Qbv调度机制，星间无线链路采用时分多址(TimeDivision Multiple Access,TDMA)调度机制。从图1中可以看出，在给定源节点和目的节点的条件下，时敏业务流可以通过几条不同路径进行传输，那么选择哪条路径进行传输才能满足时敏业务的端到端时延需求是本专利技术重点解决的问题。
[0016]在上述有线无线融合的卫星时间敏感网络的前提下，图2给出了本专利技术实施例中的一种基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法流程图，如图2所示，所述方法包括以下步骤：
[0017]101、根据卫星节点之间的连接情况，将卫星网络中星内有线和星间无线多节点联合调度过程构建为串联
‑
并联排队模型；
[0018]在本专利技术实施例中，可以依据卫星节点之间连接情况可以将星内有线和星间无线多节点联合调度构建为串联
‑
并联排队模型，具体表现为如图3所示的有线无线融合调度网络模型。卫星节点内部的存储器和发送器分别可以被建模为排队和服务器，星间链路的无线调度则可以被等效为无线服务器。从业务流的流向来看，卫星网络中到达的业务流可以被分为贯穿流和交叉流两种类型。贯穿流是指从源卫星传输到目的卫星的时敏业务流，交叉流是指当前卫星节点中除了贯穿流之外的来自其他卫星节点的汇聚流，并且汇聚流在卫星节点有到达和离开两种状态。
[0019]卫星网络拓扑可以用有向图G(V,E)表示，其中节点集合V由一系列的卫星节点组成，边集合E由一系列支持全双工通信的星间无线链路组成。由于节点和边之间存在一定关联关系，卫星网络中的无线链路边集合又可以通过多个成对的卫星节点(v
m
,v
n
)确定，即E≡{(v
m<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法，其特征在于，所述方法包括根据卫星节点之间的连接情况，将卫星网络中星内有线和星间无线多节点联合调度过程构建为串联
‑
并联排队模型；根据卫星网络中时间敏感业务流的周期性产生特性，构建出时敏业务流到达曲线模型；基于所述串联
‑
并联排队模型，联合星内有线调度机制和星间无线调度机制，建立有线无线融合调度服务曲线模型；基于网络演算理论，同时结合卫星相对运动规律，按照时敏业务流到达曲线模型和有线无线融合调度服务曲线模型构建端到端时延边界分析模型，并得出卫星网络中任意两颗卫星之间的端到端时延边界性能；按照时敏业务流设定的端到端时延需求，结合端到端时延边界分析模型选择出满足时延约束的最佳传输路径。2.根据权利要求1所述的一种基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法，其特征在于，所述串联
‑
并联排队模型的构建过程包括将卫星节点内部的存储器和发送器分别等效建模为排队和服务器，将卫星节点之间的星间链路的无线调度等效建模为无线服务器；依据卫星网络中业务流流向包括贯穿流和交叉流两种、结合星内有线调度以及星间无线调度机制将卫星网络多节点联合调度机制构建为串联
‑
并联排队模型。3.根据权利要求1所述的一种基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法，其特征在于，所述时敏业务流到达曲线模型的构建过程包括根据卫星网络中时间敏感业务流周期性产生特性，即单个时敏流以一定的时间间隔周期性产生数据包，构建时敏业务流f
i
在时刻t的到达曲线α
i
(t)为：其中，表示向上取整，p
i
表示时敏流产生的固定时间间隔，B
i
表示一个周期内时敏流产生的固定帧长度。4.根据权利要求1所述的一种基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法，其特征在于，所述有线无线融合调度服务曲线模型的构建过程包括联合星内有线IEEE 802.1Qbv调度机制和星间无线TDMA调度机制建立卫星节点的有线无线融合调度服务曲线；结合卫星节点星内有线调度机制和星间无线调度机制之间的相互关系，以及串联等效定理，卫星节点处有线无线融合调度服务曲线β
cov
(t)表示为：其中，β
Qbv
(t)表示星内有线IEEE 802.1Qbv调度机制的时敏业务服务曲线；β
TDMA
(t)表示星间无线TDMA调度机制的时敏业务服务曲线。5.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢媛，徐川，赵国锋，纪伟星，蔡创，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：