一种以信息为中心的低轨卫星网络节能协作缓存转发方法技术

本发明专利技术涉及无线通信技术领域，公开了一种以信息为中心的低轨卫星网络节能协作缓存转发方法：

【技术实现步骤摘要】
一种以信息为中心的低轨卫星网络节能协作缓存转发方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，具体涉及一种以信息为中心的低轨卫星网络节能协作缓存转发方法
。

技术介绍

[0002]随着无线通信技术的发展，通过低轨卫星无线网络收集数据
(
如海事数据
、
地震应急通信等
)
发展迅速
。
此外，由于移动设备连接数量持续增多，以内容为中心的业务将占互联网流量的
85
％以上，且该比例仍将持续上升
。
传统的基于端到端通信模式的
IP
架构局限性日益明显，如：内容分发效率低下，移动性差，因此，信息中心网络
(Information
‑
Centric Network,ICN)
应运而生
。
建立以信息为中心的低轨卫星网络
(Information Centric LEO Satellite Network,ICSN)
，利用
ICN
内容命名
、
网络缓存
、
名称路由等特点，用户可以在卫星拓扑高动态变化和网络资源有限的环境下，从多个内容源
(
提供者或缓存节点
)
处获取数据，实现内容共享，降低时延
。
然而，低轨卫星节点受到处理
、
内存和能源方面的资源限制，使得能源效率成为低轨卫星网络的主要挑战
。
[0003]在以信息为中心的网络
(ICN)
中，数据包直接通过信息名发送，并可以将数据包暂时保存在网络中，以满足后续请求
。
因此，现有工作从硬件优化
、
缓存技术等不同方面对提高低轨卫星网络的能源效率进行了广泛的研究
。
然而，
ICSN
独特的接收端驱动通信对能源效率的影响通常被忽视，这可能会给
ICSN
带来额外的能源消耗，特别是对于突发请求的长时间等待
。
在卫星节点执行数据收集任务并生成数据后，节点必须保持在线，以响应后续请求
。
这使得产生数据的卫星节点和请求路径上的卫星节点都需要保持活跃，以保证数据的访问，从而导致极大的能源浪费
。
在周期性数据生成和偶然数据请求的
ICSN
场景中，如天气预报观测数据和应急通信数据，发出数据请求的频率通常没有数据生成的频率高，此时，节点可以根据自身情况周期性的计划收集数据
(
例如，每
100ms
执行一个感知任务，偶然的请求的数据则可为几十秒甚至一天一次请求
)。
这些非周期性甚至不频繁的请求行为会导致节点长时间处于等待状态，增加了能量消耗
。
节约能耗的一种常见方法是调度部分节点进入睡眠状态，但这可能会导致数据不可用，并导致额外的数据获取延迟
。
当一个请求到达某
ICSN
子区域时，服务节点可能处于睡眠状态，因此它无法响应该请求，或者一些路径上的卫星节点由于处于睡眠状态而无法发送数据包
。
尽管针对
ICSN
中的节能问题已经做了大量的努力，但在联合考虑其他节点进行协作缓存的方面还没有进行充分的研究
。

技术实现思路

[0004]为了进一步降低能耗，可以通过网络内缓存与睡眠调度进行协调，以最大限度地降低能耗，通过与其他卫星节点协作，能量受限的卫星节点可以进入睡眠状态，从而降低总能耗，因此，本专利技术提供一种以信息为中心的低轨卫星网络节能协作缓存转发方法，通过在能耗和数据获取延迟之间寻求权衡，并根据特征向量中心性确定其最佳协同范围，然后从能耗
、
新鲜度和流行度的角度做出协作缓存决策，以达成全面的决策，其次，采用基于虚拟
节点的分域拓扑结构，减少协作开销，在区域协作缓存范围的卫星节点缓存数据后，节点间利用状态感知算法获取更新消息，以达到全网路由收敛，虚拟节点则通过辅助图算法映射后，利用最短路径算法获取最佳转发节点信息，即最优的跨域连接节点
。
[0005]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0006]一种以信息为中心的低轨卫星网络节能协作缓存转发方法，包括：
[0007]S1、
根据地理场景和服务需求，将低轨卫星网络划分为多个不同的自治域网络，每个所述自治域网络中包括多个节点；
[0008]S2、
当请求节点发送关于某一请求的兴趣包至距离所述请求节点最近的第一接收节点时，查询所述第一接收节点的缓存内容库是否存储有满足该兴趣包对应的数据包；若是，则返回该数据包至请求节点，否则，跳转至
S3
；
[0009]S3、
查询所述第一接收节点的缓存路由表是否有记录该兴趣包对应的数据包的节点，若是，跳转至
S4
，否则，丢弃该兴趣包，跳转至
S7
；
[0010]S4、
判断该数据包是否在所述第一接收节点所在的第一自治域网络中的除该第一接收节点以外的节点中，若是，将存有该数据包的节点定义为第一数据生产节点，跳转至
S5
；否则，跳转至
S6
；
[0011]S5、
根据能耗和时延因素计算出所述第一接收节点在第一自治域网络的协作缓存范围，唤醒对应的第一协作节点和第一数据生产节点，通过对应的第一协作节点转发该兴趣包至所述第一自治域网络的第一数据生产节点处，所述第一数据生产节点发出对应的数据包并通过所述第一协作节点将该数据包沿原兴趣包的兴趣流的反方向根据实际情况缓存并转发至所述请求节点；
[0012]S6、
根据第一自治域网络以及含有所述兴趣包对应的数据包的节点所在的第二自治域网络映射的虚拟节点信息，建立跨域连接并构建对应的辅助图，找到最优的跨域连接节点，通过所述最优的跨域连接节点将所述兴趣包转发至第二自治域网络的第二数据生产节点处，所述第二数据生产节点参考
S1
‑
S5
的步骤找到对应的数据包，所述数据包沿原兴趣包的兴趣流的反方向根据实际情况缓存并转发至所述请求节点；
[0013]S7、
结束
。
[0014]作为优化，所述节点具有三种工作模式，分别为活动
、
待机和睡眠，当所述节点为活动模式时，该节点为数据生产节点，执行数据收集
、
接收和转发兴趣包和数据包，同时，缓存除该数据生产节点以外的节点的缓存信息；当所述节点为待机模式时，该节点可以接收兴趣包和数据包，根据缓存决策，当该节点需要执行转发和
/
或缓存操作时，该节点转换为活动模式；当所述节点为睡眠模式时，所述节点不执行任何操作，并可以通过调用激活时钟对该节点进行激活唤醒
。
[0015]作为优化，
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种以信息为中心的低轨卫星网络节能协作缓存转发方法，其特征在于，包括：
S1、
根据地理场景和服务需求，将低轨卫星网络划分为多个不同的自治域网络，每个所述自治域网络中包括多个节点；
S2、
当请求节点发送关于某一请求的兴趣包至距离所述请求节点最近的第一接收节点时，查询所述第一接收节点的缓存内容库是否存储有满足该兴趣包对应的数据包；若是，则返回该数据包至请求节点，否则，跳转至
S3
；
S3、
查询所述第一接收节点的缓存路由表是否有记录该兴趣包对应的数据包的节点，若是，跳转至
S4
，否则，丢弃该兴趣包，跳转至
S7
；
S4、
判断该数据包是否在所述第一接收节点所在的第一自治域网络中的除该第一接收节点以外的节点中，若是，将存有该数据包的节点定义为第一数据生产节点，跳转至
S5
；否则，跳转至
S6
；
S5、
根据能耗和时延因素计算出所述第一数据生产节点在第一自治域网络的第一协作缓存范围，并将所述第一协作缓存范围内
、
外参与协作的节点分别定义为第一协作节点和第二协作节点，唤醒所述第一数据生产节点使所述第一数据生产节点处于活动模式，并令所述第一协作节点，或第一协作节点和第二协作节点处于待机模式，通过所述第一协作节点，或第一协作节点和第二协作节点将所述第一数据生产节点产生的数据包根据实际情况进行缓存并转发至所述请求节点；
S6、
根据第一自治域网络以及含有所述兴趣包对应的数据包的节点所在的第二自治域网络映射的虚拟节点信息，建立跨域连接并构建对应的辅助图，找到最优的跨域连接节点，通过所述最优的跨域连接节点将所述兴趣包转发至第二自治域网络的第二数据生产节点处，所述第二数据生产节点参考
S5
的步骤找到对应的数据包并将所述数据包根据实际情况进行缓存并转发至所述请求节点；
S7、
结束
。2.
根据权利要求1所述的一种以信息为中心的低轨卫星网络节能协作缓存转发方法，其特征在于，所述节点具有三种工作模式，分别为活动
、
待机和睡眠，当所述节点为活动模式时，该节点为数据生产节点，执行数据收集
、
接收和转发兴趣包和数据包，同时，缓存除该数据生产节点以外的节点的缓存信息；当所述节点为待机模式时，该节点可以接收兴趣包和数据包，根据缓存决策，当该节点需要执行转发和
/
或缓存操作时，该节点转换为活动模式；当所述节点为睡眠模式时，所述节点不执行任何操作，并可以通过调用激活时钟对该节点进行激活唤醒
。3.
根据权利要求2所述的一种以信息为中心的低轨卫星网络节能协作缓存转发方法，其特征在于，
S5
中，根据能耗和时延因素计算出所述第一数据生产节点在第一自治域网络的协作缓存范围的具体过程为：
A1、
计算所述第一自治域网络中的所有节点进行多跳协作缓存的总能耗，具体公式为：
E(
Η
)
＝
E
SUM_C
+(1
‑
(1
‑
γ
)
Η
)E
A
k
；其中，
E
SUM_C
为在第一自治域网络中所有节点从数据生成到数据检索的总能耗；
γ
∈[0,1)
，为节点之间进行合作的风险系数，
H
为最大的协作缓存范围，即第一数据生产节点转发数据包给距离
H
跳的第一协作节点，即第一数据生产节点转发数据包给第一协作缓存范围内的第一协作节点，所述第一协作节点即处于待机模式下的节点；
E
A
为第一数据生产节点
在活动模式下的能耗，
k
为从请求节点到第一数据生产节点的跳数；
A2、
计算所述第一自治域网络中的总延迟时间，具体公式为：
T(
Η
)
＝
T
NON
‑
Y
Η
T
C
‑
(1
‑
Y
Η
)(T
NON
+T
D
)
＝
Y
Η
(T
NON
‑
T
C
)
‑
(1
‑
Y
Η
)T
D
＝
(1
‑
γ
)
Η
(TK
‑
TK'+T
D
)
‑
T
D
；其中，
T
NON
＝
TK
，表示第一自治域网络中各节点无协作时的平均延迟时间，
T
C
＝
TK
′
，表示第一自治域网络中各节点协作时的平均延迟时间，
T
为节点一跳距离的平均延迟，
T
D
为给定睡眠计划时间，
K
为从请求节点到第一数据生产节点的跳数，
K
′
为从请求节点到第一协作节点的路径距离，
K
′
＝
K
‑
H
；
Y
H
＝
(1
‑
γ
)
H
，
γ
∈[0,1)
，为合作的风险系数；
A3、
根据所述总能耗和所述总延迟时间设计协作缓存目标函数
H
*
：其中，和分别是总能耗和总延迟时间的权重；
A4、
根据特征向量中心性代入所述协作缓存目标函数，并计算得到协作缓存范围
。4.
根据权利要求3所述的一种以信息为中心的低轨卫星网络节能协作缓存转发方法，其特征在于，第一自治域网络中所有节点从数据生成到数据检索的时间段
t
内的总能耗
E
SUM_C
具体包括活动阶段能耗
E
C1
、
协作阶段能耗
E
C2
、
等待阶段能耗
E
C3
和反应阶段能耗
E
C4
，其中，活动阶段能耗
E
C1
的具体公式为：
E
C1
＝
E
A
+E
S
(M
t
‑
1)
；其中，
E
A
为节点在活动模式下的能耗，
E
S
为节点在待机模式下的能耗，
M
t
为所述第一自治域网络中的节点的数量；协作阶段能耗
E
C2
的具体公式为：
E
C2
＝
E
A
Θ
Η
+E
S
(M
t
‑
Θ
Η
)
；其中，
H
为数据生产节点的最大的协作缓存范围，即第一协作缓存范围，
Θ
Η
为在最大的协作缓存范围内处于活动模式的所有节点的数量；等待阶段能耗
E
C3
的具体公式为：
E
C3
＝
(t
wait
‑
1)(E...

【专利技术属性】
技术研发人员：段洁，刘浩，涂小明，张志鸿，王少宾，唐雯钰，孙春霞，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：