[发明专利]基于时间扩展图的卫星网络拓扑与路由联合规划方法

说明书

本发明公开了一种基于时间扩展图的卫星网络拓扑与路由联合规划方法，主要解决现有技术规划路径传输时延高、链路资源利用率低的问题。其方案是:根据卫星网络的拓扑变化时刻和链路信息构建时间扩展图；根据业务大小在时间扩展图中计算其路由，规划从源节点到目的节点的最短传输路径在中逆向寻找最长的子路径对于已找到满足条件的根据需要规划传输路径的业务大小及上各条链路的带宽、链路切换时间；通过减小每条链路上业务的单次传输大小进行拓扑规划；用规划后的路径替代原有最短传输路径中的最长子路径本发明规划路径的传输时延低、链路资源利用率高，可用于资源受限的卫星网络。

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种资拓扑与路由联合规划方法，可用于资源受限的卫星网络。

背景技术

因为轨道高度低，星地链路传输收到的干扰小，硬件配置成本相对较低，低轨卫星网络饱受商业航天的青睐。同时由于轨道较低，低轨卫星运动速度较快，使得低轨卫星网络拓扑变化较快。此外，对于一些低成本卫星，通常有着功率或者收发信机数量的限制，对于单收发信机受限、波束方向可调整的低轨卫星，可以通过调整波束方向与其他满足建链通信的卫星建链通信，但是在同一时间最多只能建立一条与其他卫星的通信链路。这些都使得低轨卫星网络的拓扑和资源具有较强的时变性，在此种情况下，传统应用于地面网络的拓扑与路由规划算法以及相应路由协议无法为空间业务提供稳定、高效、可靠的端到端传输服务。

在资源受限的卫星网络中，通常根据卫星节点的移动规律和不同的业务指标进行拓扑规划，现有的拓扑规划方案大多以最大网络容量或者网络中节点建链传输的公平性为规划目标。Fraire J等人在文献On the Design and Analysis of Fair Contact Plansin Predictable Delay-Tolerant Networks中提出，由于卫星功率预算限制、硬件设计、信号干扰等因素，只能携带一个收发信机的情况，并以节点传输机会的公平性和最大化网络容量为目标，将拓扑规划问题转变为匹配问题求解。该方法以网络中链路的联通时间作为公平性和网络容量的判断标准，而没有考虑到路由问题，而且拓扑规划方案只考虑了网络整体的容量或公平性等参数，因而在单一业务尤其是紧急业务的传输场景中，其所进行的路由规划结果往往是链路利用率低、且到端传输时延较大。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于时间扩展图的卫星网络路由与拓扑联合规划方法，以高效且快速为业务规划出低时延的传输路径，提升链路资源的利用率。

本发明的技术思路是：通过利用卫星网络中卫星的轨道和速度这些已知的参数，对网络信息进行精准的预测，进而提升路由效率；根据卫星网络参数的可预测性，将时变的卫星网络建模成时间扩展图，通过将网络中路由与拓扑的联合规划问题转换为时变图中的路由搜索与链接规划问题，给出一个路由与拓扑联合规划NP问题的低复杂度近似求解方法，提升链路资源的利用率，其实现方案包括如下：

(1)根据卫星网络的拓扑变化时刻和链路信息构建时间扩展图

(1a)根据网络的联通状态划分若干连接时隙τ_n，得到N个时隙的集合T＝{τ₁,...,τ_n,...,τ_N}，保持卫星网络在一个时隙内的联通关系保持不变，其中τ_n＝[t_n-1,t_n)表示第n个时隙的大小，

(1b)令V＝{V_τ1,...,V_τn,...,V_τN}表示卫星网络中各个时隙节点的集合，表示各个时隙网络中潜在连通边，表示节点i和节点j间的链路在τ_n的链路带宽，δ表示链路切换时间，其中V_τn表示时隙τ_n中节点的集合；

(1c)根据(1a)和(1b)的结果，构建时间扩展图: