[发明专利]一种基于QoS的卫星网络k端可靠性分析方法

权利要求书

1.一种基于QoS的卫星网络k端可靠性分析方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、分析可靠性指标

设G表示卫星网络拓扑基本模型，V是顶点集，M是链路集；表示选定一组目标顶点集，则：

G＝(V,M,K)

V＝{v₁,...,v_a,...,v_n},1≤a≤n

M＝{m₁,...,m_b,...,m_z},1≤b≤z

式中，v_a为卫星节点，a为卫星节点序号，n为卫星节点总数；m_b为卫星链路，b为卫星链路序号，z为卫星链路总数；

定义QoS指标对链路进行分析；并根据不同业务对指标要求的差异，将业务分为三类，分别为时延敏感业务、带宽敏感业务和可靠性敏感业务；

设时延T为一个报文或分组从一个网络的一端传送到另一端所需要的时间，根据操作规则将链路时延和路径时延作为附加度量参数，相关表达式如下：

式中：path是路径，T_path是路径时延；是链路m_b的链路时延；

设带宽B为单位时间内能传输的数据量；根据操作规则将链路带宽作为凹性度量参数，相关表达式如下：

式中：B_min表示卫星链路带宽阈值；表示链路m_b的带宽；

设丢包率为数据传输时，丢失的数据包数量占所发送数据组的比率；根据操作规则将链路丢包率和路径丢包率作为乘法度量参数，相关表达式如下：

式中：P_path表示路径的丢包率；表示链路m_b的数据包丢失情况；

B、分析链路多状态

根据卫星网络多性能水平的特性，将其划分为多个状态，为可靠度的计算提供状态依据；

由于一条路径上的时延、丢包率不同，可用带宽受影响；将星间链路状态与链路的带宽相关联，不同状态对应不同的带宽，若链路m_b具有l个不同的性能等级，用集合的形式来描述为：

式中：链路的性能等级表示为即为链路m_b处于状态h时的性能等级；

假设卫星网络在[0,T]这一个时间片内，链路mb处于不同性能等级的可靠度用集合的形式描述为：

式中：且对于任意时刻t，有因此在t时刻链路m_i,j的可靠度分布用集合和进行表示；

C、计算基于QoS的卫星网络k端可靠度

为了避免产生冗余链路，提升可靠度计算的准确性，首先进行节点融合，对非融合元素采取置零取非操作，进行网络拓扑邻接矩阵变换，得到连通k个节点的路径；然后，根据不同业务的QoS约束条件和链路当前状态，确定卫星网络中满足条件的可用路径；最后，由链路当前状态的可靠度计算出不同业务下的k端路径可靠度；

C1、定义k端不相交路径函数

定义1：邻接矩阵M(G)＝[m_ij]_n×n表示节点间的连接关系，时，m_i,j＝1，且m_i,j＝m_j,i；

定义2：若|V(G)|＝n，则称G(V,M,K)为n阶图；

定义3：融合元素；表示第i行中第w次融合的元素，其中1≤w≤n-1；

为了避免产生冗余链路，在利用矩阵降阶变换求解路径时，预先对除融合元素以外与融合点相连的元素采用置零取非操作；已知邻接矩阵M(G)＝[m_ij]_n×n中每行最多有n-1个非零元素，若第一次要融合的元素为则对第i行除以外的至多n-2个非零元素置零取非，记作若第二次要融合的元素为除了对其余未被融合的n-3个非零元素置零取非外，还要对第一次融合的元素置零取非，记作以此类推，当要融合第i行最后一个非零元素时，需要对之前所有已经融合的元素置零取非，记作然后再将每次要融合的元素m_i,j进行线性变换：第j列元素加到第i列，第j行元素加到第i行，删除第j列第j行；完成节点融合与矩阵降阶；自上而下遍历得到不相交路径函数F(M)，公式如下：

式中：M₁,M₂,..,M_n-1表示M(G)最多变换分解的n-1个矩阵；表示将M(G)中第i行第j列的元素置0；

C2、考虑QoS约束

依据链路当前状态，将所述的不相交路径函数F(M)结合不同业务的QoS约束条件，确定卫星网络中满足条件的可用路径；QoS约束条件为：

T_path≤T_max (7)

B_path≥B_min (8)

P_path≤P_max (9)

式中：T_max为路径时延阈值；B_path为路径带宽；P_max为路径丢包率阈值；式(7)为时延约束；式(8)为带宽约束；式(9)为丢包率约束；不同业务QoS阈值不同，当k端连通路径同时满足式(7)-(9)时，认为此业务下传输路径可靠；

C3、计算k端路径可靠度

在得到满足条件的可用路径后，计算不同业务下的k端路径可靠度；首先，将路径中链路当前状态下的可靠度相乘得到此传输路径的可靠度，然后，将同种业务下的所有路径k端可靠度相加，最终得到此业务下的k端路径可靠度；计算公式如下：

式中：R_k表示k端路径可靠度；表示链路m_b处于状态h时的可靠度；d是同种业务下的路径数，u是同种业务下的路径数最大值；path_d表示第d条路径。