[发明专利]一种基于群体智能的LEO卫星网络拥塞规避组播路由方法

说明书

本发明涉及一种基于群体智能的LEO卫星网络拥塞规避组播路由算法，本发明提供的一种基于群体智能的LEO卫星网络拥塞规避组播路由算法，通过删除最小生成树与拥塞相交的边，将最小生成树转化为一组子树，将LEO卫星网络建模为直角网格拓扑的多跳网络，将拥塞规避的节省带宽最优的组播路由问题转化为拥塞规避的直角斯坦纳最小树问题；针对蚁群算法前期初始信息素的匮乏导致求解问题较慢的不足，考虑到遗传算法具有快速全局搜索能力的优势，本发明利用基于蚁群与遗传联合优化算法的拥塞规避直角斯坦纳最小树算法算法实现子树合并，可达到降低算法计算复杂度的同时降低拥塞规避直角斯坦纳最小树的树长，以实现拥塞规避和节省带宽最优的目标。

技术领域

本发明涉及组播路由算法领域，尤其涉及一种基于群体智能的LEO卫星网络拥塞规避组播路由算法。

背景技术

LEO（Low Earth Orbit，低地球轨道）卫星网络能够以多个LEO卫星构建低轨卫星通信系统的方式来实现真正的全球无缝覆盖，兼具传输损耗小、通信时延短、抗毁能力强、终端小型化等突出特点，其具备的高带宽特性，使之成为组播业务的理想载体。研究卫星组播通信的关键技术之一是建立性能良好的组播树。为了传送多个组播，应该尽量减少对于网络带宽的消耗。然而LEO卫星网络中存在着网络拥塞等情况，网络拥塞将导致整个网络的性能下降。

现有的LEO组播路由算法往往将目标集中在最小化组播树的整体开销或传输时延方面。然而，全球范围内的网络流量并未均衡分布，发达国家相比发展中国家产生更高的网络流量，因此，LEO卫星网络中用户分布不均以及太空环境中不确定的空间干扰因素会使得卫星之间的通信链路出现部分链路不稳定的状况，导致网络拥塞的问题在卫星通信网络中难以避免。网络拥塞会对整个网络造成极大的危害，严重时将导致整个系统发生拥塞崩溃。但现有LEO组播路由算法通常忽略了网络拥塞的问题。如何实现网络拥塞规避来找到一条网络资源占用少的路径，从而满足视频聊天、应急通信等各种应用需求，是为全球提供可靠网络服务的关键。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于群体智能的LEO卫星网络拥塞规避组播路由算法，将LEO卫星网络建模为直角网格拓扑的多跳网络，将拥塞规避的节省带宽最优的组播路由问题转化为拥塞规避的直角斯坦纳最小树问题；针对蚁群算法前期初始信息素的匮乏导致求解问题较慢的不足，考虑到遗传算法具有快速全局搜索能力的优势，本发明提出了基于蚁群与遗传联合优化算法的拥塞规避直角斯坦纳最小树算法，以实现拥塞规避和节省带宽最优的目标。

根据本发明的第一方面，提供了一种基于群体智能的LEO卫星网络拥塞规避组播路由算法，包括：步骤1，将LEO卫星网络建模为直角网格拓扑的多跳网络，构建由所有组播组节点组成的最小生成树，删除所述最小生成树中与拥塞相交的边后生成各个子树；

步骤2，定义拥塞为平面上的矩形，组播组节点为平面上的点，基于所述组播组节点与所述拥塞的接触限制规则构建拥塞规避生成图；

步骤3，通过GA-ACO-SM算法将各个所述子树转化为拥塞规避斯坦纳最小树，包括：利用遗传算法搜索得到全局优化路径，将得到的所述全局优化路径传递给蚁群算法，确定所述蚁群算法初期的信息素浓度分布，在所述拥塞规避生成图上利用所述蚁群算法进行寻路和优化，找到连接各个所述子树的最优路径后进行各个所述子树的合并，生成所述拥塞规避斯坦纳最小树。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。

可选的，所述步骤1中构建所述最小生成树的过程包括：构建由所有所述组播组节点组成的完整加权图，基于Prim算法生成所述最小生成树。

可选的，所述组播组节点与拥塞的接触限制规则包括：

任意两个拥塞不能相互重叠；

所述组播组节点不能位于任意所述拥塞的边界线的内部；

所述拥塞规避直角斯坦纳最小树中的任何一条边均不能与任意所述拥塞相交。