[发明专利]一种卫星网络中缓解拥塞的路由方法

摘要

本发明公开了一种卫星网络中缓解拥塞的路由方法。本发明首先卫星节点每隔一段时间获取周围卫星节点缓存占用率，计算出和周围卫星节点通信时延。然后，卫星节点产生前向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。接着，前向agent到达目的卫星节点后，删除，产生后向agent，后向agent按照前向agent路径以相反的方向返回到源卫星节点，并更新路由表。最后，数据流量根据路由表进行转发。主要特征为在卫星网络中使用agent来获取网络局部信息，减少路由选择的复杂度；此发明方案以卫星队列存储为主要考虑因素，通信时延为次要考虑因素来确定路由表。此发明方案能够有效地缓解卫星网络拥塞问题，实现负载均衡，提高网络吞吐量。

主权项

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 FAs‑＞d，FAs‑＞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agentFAs‑＞d在排队过程中具有最高优先级。这条路径可以描述为：Paths‑＞d＝[s,v1,v2,…,vk‑1,vk,vk+1,…,vn,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：(Ps,dv1)agent=1/hopv1,dΣj∈N(s)1/hopj,d.---(1)]]>其中，hopj,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vk，其选择下一跳节点vk+1的概率是(Pvk,dvk+1)agent=(Pvk,dvk+1)dataΣj∈N′(vk)(Pvk,dj)data.---(2)]]>其中，表示数据流量从节点vk经节点vk+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 FAs‑＞d到达目的节点d时，FAs‑＞d被移除。后向agent BAs‑＞d产生，并沿着路径Paths‑＞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 BAs‑＞d在排队过程中拥有最高优先级。当BAs‑＞d到达任意中间节点vk，概率路由表被更新。节点vk选择下一跳vk+1(节点vk+1在agent探索的路径中)的更新概率为：(Pvk,dvk+1)data=(Pvk,dvk+1)data+(1-(Pvk,dvk+1)data)·γδvk,vk+1≤α(Pvk,dvk+1)data·exp(-1β-δvk,vk+1·η)α<δvk,vk+1≤β0δvk,vk+1>β---(3)]]>其中，δi,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：(Pvk,dvk+1′)data=(Pvk,dvk+1′)data+(1-(Pvk,dvk+1′)data)·γMincostvk,vk+1′(Pvk,dvk+1′)dataδvk,vk+1′≤α(Pvk,dvk+1′)data·exp(-1β-δvk,vk+1′·η)α<δvk,vk+1′≤β0δvk,vk+1′>β---(4)]]>其中，costi,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：(Pvk,dvk+1′)data=(Pvk,dvk+1′)dataδvk,vk+1′≤α(Pvk,dvk+1′)data·exp(-1β-δvk,vk+1′·η)α<δvk,vk+1′≤β0δvk,vk+1′>β---(5)]]>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＝vk+1||i＝v'k+1，数据流量概率表初始化为[45]40：(Pvk,di)agent=1/hopi,dΣj∈N(vk)1/hopj,d---(6)]]>更新概率路由表之后，将概率归一化为：(Pvk,di)data=(Pvk,di)dataΣj∈N′(vk)(Pvk,dj)data---(7)]]>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：costij＝PDi,j+QDi,j        (8)其中，PDi,j为节点i和节点j之间的传输时延，QDi,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=Numqueue·PavgCISL---(9)]]>其中，Numqueue表示的是队列中数据包的个数，Pavg表示的是平均数据包长度，CISL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：β=1-Min(1,(δ+cost)(I-O)(Ql-q)·Pavg)---(10)]]>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，Ql和q分别为卫星队列长度和占用长度。下限阈值计算则：α=β2.---(11)]]>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。