[发明专利]一种卫星网络中缓解拥塞的路由方法

权利要求书

1.一种卫星网络中缓解拥塞的路由方法，其特征在于：

本发明应用于LEO层卫星网络中，网络中包含N个卫星轨道，每个轨道包含M颗卫星。相邻的两颗卫星通过星际链路(ISL)相互连接和通信。卫星与地面终端和基站之间的链路为上/下行链路(UDL)。这里链路工作频段可以为C频段、L频段、Ku频段、Ka频段等。在卫星运动过程中，轨内星际链路的距离基本不变化，而轨间星际链路的距离随着纬度升高而变小。所以，轨内卫星间的传输时延是不变的，相邻轨道卫星间的传输时延随着纬度的升高而变小。

LEO卫星网络拓扑结构可以用图G＝(V,E)表示，其中，V代表卫星节点，E代表星际链路。|V|和|E|分别代表卫星节点的数量和星际链路的数量。并且|V|＝N×M。N(i)代表卫星节点i所有的邻居节点。

每个卫星节点以一定时间间隔Δt产生前向agent FA_s-＞d，FA_s-＞d从源节点出发以一定概率探索合适的路径，寻找目的节点。前向agentFA_s-＞d在排队过程中具有最高优先级。这条路径可以描述为：

Path_s-＞d＝[s,v₁,v₂,…,v_k-1,v_k,v_k+1,…,v_n,d].

在这个路径中，源节点产生的agent选择下一跳节点v₁的概率是：

${\left(P_{s,d}^{v_1}\right)}_{agent}=\frac{1/{\mathrm{hop}}_{v_1,d}}{\underset{j\∈N\left(s\right)}{\Σ}1/{\mathrm{hop}}_{j,d}}.---\left(1\right)$

其中，hop_j,d代表agent从源节点s选择下一跳节点j到达目的节点d的最小跳数。

对于任意中间节点v_k，其选择下一跳节点v_k+1的概率是

${\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}}\right)}_{agent}=\frac{{\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}}\right)}_{data}}{\underset{j\∈N^{\′}\left(v_k\right)}{\Σ}{\left(P_{v_k,d}^j\right)}_{data}}.---\left(2\right)$

其中，表示数据流量从节点v_k经节点v_k+1到达目的节点d的概率，N'(i)表示节点i的邻居节点中未被agent访问过的节点。当一个卫星节点邻居节点均被agent访问过，则移除这个agent以防止产生循环回路的现象。

当前向agent FA_s-＞d到达目的节点d时，FA_s-＞d被移除。后向agent BA_s-＞d产生，并沿着路径Path_s-＞d以相反的方向从目的卫星节点d返回源卫星节点s。同样向后agent BA_s-＞d在排队过程中拥有最高优先级。当BA_s-＞d到达任意中间节点v_k，概率路由表被更新。

节点v_k选择下一跳v_k+1(节点v_k+1在agent探索的路径中)的更新概率为：

${\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}}\right)}_{data}=\left\{\begin{array}{cc}{\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}}\right)}_{data}+(1-{\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}}\right)}_{data})\·\mathrm{\γ}& {\mathrm{\δ}}_{v_k,v_{k+1}}\≤\mathrm{\α}\\ {\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}}\right)}_{data}\·\exp (-\frac{1}{\mathrm{\β}-{\mathrm{\δ}}_{v_k,v_{k+1}}}\·\mathrm{\η})& \mathrm{\α}\<{\mathrm{\δ}}_{v_k,v_{k+1}}\≤\mathrm{\β}\\ 0& {\mathrm{\δ}}_{v_k,v_{k+1}}\>\mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，δ_i,j表示的是卫星节点j缓存占用率，α、β是卫星缓存占用率的阈值，γ、η是常数，用来保证精度，0＜γ＜1，η＞1。当卫星缓存占用率小于阈值α时，数据转发概率变大；当卫星缓存占用率介于α与β之间时，数据转发概率随着卫星缓存增大而减小；当卫星缓存占用率大于阈值β时，数据转发概率变为0。此公式旨在尽量选择比较空闲的下一跳卫星节点。

对于节点如果则更新概率为：

${\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}^{\′}}\right)}_{data}=\left\{\begin{array}{cc}{\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}^{\′}}\right)}_{data}+(1-{\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}^{\′}}\right)}_{data})\·\mathrm{\γ}& {\mathrm{Mincost}}_{v_k,v_{k+1}^{\′}}\\ {\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}^{\′}}\right)}_{data}& {\mathrm{\δ}}_{v_k,v_{k+1}^{\′}}\≤\mathrm{\α}\\ {\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}^{\′}}\right)}_{data}\·\exp (-\frac{1}{\mathrm{\β}-{\mathrm{\δ}}_{v_k,v_{k+1}^{\′}}}\·\mathrm{\η})& \mathrm{\α}\<{\mathrm{\δ}}_{v_k,v_{k+1}^{\′}}\≤\mathrm{\β}\\ 0& {\mathrm{\δ}}_{v_k,v_{k+1}^{\′}}\>\mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，cost_i,j表示节点i与节点j的开销。此公式表示最小路径开销的链路转发概率变大，其余链路转发概率不变、变小或者变为0。

否则，更新概率为：

${\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}^{\′}}\right)}_{data}=\left\{\begin{array}{cc}{\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}^{\′}}\right)}_{data}& {\mathrm{\δ}}_{v_k,v_{k+1}^{\′}}\≤\mathrm{\α}\\ {\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}^{\′}}\right)}_{data}\·\exp (-\frac{1}{\mathrm{\β}-{\mathrm{\δ}}_{v_k,v_{k+1}^{\′}}}\·\mathrm{\η})& \mathrm{\α}\<{\mathrm{\δ}}_{v_k,v_{k+1}^{\′}}\≤\mathrm{\β}\\ 0& {\mathrm{\δ}}_{v_k,v_{k+1}^{\′}}\>\mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(5\right)$

同样，此公式表示其余链路转发概率不变、变小或者变为0。

对于节点i＝v_k+1||i＝v'_k+1，数据流量概率表初始化为^[45]40：

${\left(P_{v_k,d}^i\right)}_{agent}=\frac{1/{\mathrm{hop}}_{i,d}}{\underset{j\∈N\left(v_k\right)}{\Σ}1/{\mathrm{hop}}_{j,d}}---\left(6\right)$

更新概率路由表之后，将概率归一化为：

${\left(P_{v_k,d}^i\right)}_{data}=\frac{{\left(P_{v_k,d}^i\right)}_{data}}{\underset{j\∈N^{\′}\left(v_k\right)}{\Σ}{\left(P_{v_k,d}^j\right)}_{data}}---\left(7\right)$

链路开销设定为星际传播时延，即传输时延与排队时延的和。即：

cost_ij＝PD_i,j+QD_i,j(8)

其中，PD_i,j为节点i和节点j之间的传输时延，QD_i,j为节点i到节点j的排队时延。传输时延可以在网络拓扑中利用两个卫星之间的距离计算得出。排队时延可以利用以下公式计算得出：

$QD={\mathrm{Num}}_{queue}\·\frac{P_{avg}}{C_{ISL}}---\left(9\right)$

其中，Num_queue表示的是队列中数据包的个数，P_avg表示的是平均数据包长度，C_ISL链路通信容量。

卫星拥塞的两个阈值可以通过时延、输入流量速率、输出流量速率等参数计算得出。其中上限阈值计算如下：

$\mathrm{\β}=1-Min(1,\frac{(\mathrm{\δ}+\cos t)(I-O)}{(Q_l-q)\·P_{avg}})---\left(10\right)$

其中，δ表示的是卫星节点检测邻居节点的周期，I和O分别表示的是当前卫星节点总的输入和输出速率，Q_l和q分别为卫星队列长度和占用长度。

下限阈值计算则：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\β}}{2}.---\left(11\right)$

本发明的步骤为：第一步，卫星节点每隔一段时间监测周围卫星节点，获取周围卫星节点缓存占用率；第二步，各个卫星节点计算出和周围卫星节点通信的时延；第三步，每个卫星节点每隔一段时间产生前向agent，前向agent从源卫星节点出发，探索一条到目的卫星节点合适的路径；第四步，前向agent到达目的卫星节点后，被删除，产生后向agent，后向agent按照前向agent路径以相反的方向从目的卫星节点返回到源卫星节点，并根据卫星缓存占用率和时延更新路由表；第五步，数据流量根据路由表进行转发。