CN101001102A - 提高天基信息网络服务质量的路由装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高天基信息网络服务质量的路由装置，包括输入模块、初始化模块、反向计算模块、正向计算模块和输出模块。本发明还涉及一种提高天基信息网络服务质量的路由方法，包括：转化当前网络为第一拓扑结构，根据链路的中断概率，变换第一拓扑结构的链路代价生成第二拓扑结构；计算第二拓扑结构中各个节点到目的节点的基于时延的最短路径，判断目的节点到源节点的最短路径的时延值是否满足约束条件，若不满足程序结束，否则记录各个节点到目的节点的最短路径的时延值，计算目的节点到源节点基于链路代价的最短路径，判断该路径的时延值是否满足约束条件，若满足该路径为最优路径，否则调用正向计算程序搜索从源节点到目的节点的最优路径。

Description

提高天基信息网络服务质量的路由装置及方法

技术领域

本发明涉及一种提高天基信息网络服务质量(quality of service，简称QoS)的装置及路由装置及方法，特别是涉及一种对天基信息网络拓扑变化进行预测来求得最优的QoS路径的QoS路由装置及方法，属于移动通信技术领域。

背景技术

天基信息网络是一种以卫星网络(天基)为主，融合空地信息，由不同轨道上多种类型的卫星系统，按照空间信息资源的最大有效综合利用原则，互通互联，有机构成的智能化体系。该网络综合了军民两用的多种航天信息系统，具有自主的信息获取、存储、处理及分发能力，能与陆、海、空基的信息系统互联，实现信息的多元、立体共享。

QoS路由技术是天基信息网络的关键技术之一，是实现天基信息网络多媒体通信和流量工程的基础，但由于移动卫星节点的移动性，天基信息网络具有拓扑动态可变、链路传输时延大、网络资源昂贵等特点，这使得针对卫星网络的QoS路由技术变得十分复杂，而现有的用于地面网络的成熟的QoS路由方法无法有效应用于天基信息网络。

现有的QoS路由方法主要针对地面固定网络，这些方法往往没有考虑拓扑的动态性，因而无法用于卫星网络。对于卫星网络，目前常用的方法有如下两种：

1)将动态拓扑条件下的路由问题规约到静态拓扑下的路由问题，来降低网络拓扑频繁变化对路由性能的影响。如基于遗传算法和线性规划的扩展Dijkstra算法(genetic algorithm，linear programming and extendedDijkstra shortest path algorithm，简称GALPEDA)，算法将卫星运行周期分为很多个有限的时间区间，并假设在该区间内卫星网络是静态的，利用地面固定网络成熟的遗传算法(genetic algorithm，简称GA)和线性规划方法(linear programming，简称LP)算法对网络中优先级高的业务实行带宽预留来保证网络的QoS；快照系列算法通过定义多个“快照”，将卫星网络表示成一系列“快照”的循环，并利用K路由来实现网络的QoS。这类方法没有考虑所得最优路径可存在的时间，该路径可能会很快随着卫星的切换而中断，无法保证对许多业务(如语音业务)的QoS。

2)利用卫星运行的规律性，通过对网络拓扑变化的预测来得到最优的QoS路径。如基于概率的路由(Predictive Routing Protocol，简称PRP)，该方法为每个业务呼叫尽可能的选取一条在呼叫持续时间内不会发生链路中断的路径，来保证业务的QoS性能。这些算法可降低网络拓扑动态性对数据传输的影响，减少网络的重路由率，但算法同时牺牲了网络的阻塞率，由于网络中许多路径因呼叫持续时间不够而被删除，整个网络流量将主要集中在某一些链路上，使得系统的阻塞率大大上升，同时还会带来网络流量分布不均，网络整体利用率低等缺点，这种现象在网络负荷率高时表现尤为明显。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术所存在的缺陷，提供一种提高天基信息网络服务质量的路由装置和路由方法，能够降低拓扑动态性对网络性能影响，并提高网络流量的均衡性，从而提高网络资源的利用率。

为了实现上述目的，本发明提供了一种天基信息网络的服务质量路由装置，包括：

输入模块，用于业务参数的接收；

初始化模块，与所述输入模块相连，用于接受输入模块传来的业务参数，转化当前网络为第一拓扑结构，计算第一拓扑结构各链路的中断概率，再根据链路的中断概率，变换第一拓扑结构的链路代价，生成为第二拓扑结构；

反向计算模块，与所述初始化模块连接，用于接收网络初始化后的各参数，计算各个节点到目的节点的基于时延的最短路径，并判断目的节点到源节点的最短路径的时延值是否满足约束条件，若不满足，提示不存在满足约束条件的路径，程序结束，否则，记录各个节点到目的节点的最短路径的时延值，再计算目的节点到源节点基于链路代价的最短路径，并判断目的节点到源节点基于链路代价的最短路径的时延值是否满足约束条件，若满足，则所述最短路径为最优路径；

输出模块，与所述反向计算模块相连，用于接收反向计算模块的搜索结果，将搜索到的满足约束条件的最短路径生成为最优路径并输出。

较佳的技术方案，该路由装置还包括正向计算模块，与所述反向计算模块连接，用于接收反向计算模块的计算结果，以源节点为起始点，搜索从源节点到起始点的各邻接节点且满足时延值条件的可行路径，计算所有可行路径的链路代价，取链路代价最小的可行路径为当前最优路径，然后再以当前最优路径的非源节点的端点为起始点，判断起始点是否为目的节点，若不是，以此起始点开始，重复上述过程搜索当前最优路径，否则，当前最优路径为所求最优路径；所述输出模块，与正向计算模块相连，用于接收正向计算模块的搜索结果，将搜索到的当前最优路径生成为最优路径并输出。

本发明还提供了一种提高天基信息网络服务质量的路由方法，其步骤包括：

(1)根据业务参数，转化当前网络为第一拓扑结构，并计算第一拓扑结构各链路的中断概率，再根据链路的中断概率，变换第一拓扑结构的链路代价，生成第二拓扑结构；

(2)根据请求业务的目的节点和第二拓扑结构，计算该拓扑结构中各个节点到目的节点的基于时延的最短路径；

(3)判断目的节点到源节点的最短路径的时延值是否满足约束条件，若不满足，执行(4)，若满足，则执行(5)；

(4)提示不存在满足约束条件的路径，程序结束；

(5)记录各个节点到目的节点的最短路径的时延值；

(6)计算目的节点到源节点基于链路代价的最短路径；

(7)判断目的节点到源节点基于链路代价的最短路径的时延值是否满足约束条件，若满足，则执行(8)，若不满足，则执行(9)；

(8)取该最短路径为最优路径，程序结束；

(9)调用正向计算程序，用于搜索从源节点到目的节点的最优路径。

在上述技术方案中，所述的步骤(1)具体为：

(11)根据业务请求时间，得出当前网络的第一拓扑结构和每一链路持续的时间；

(12)根据每一链路持续的时间和业务的类型，得出每一链路的中断概率；

(13)根据业务类型、当前网络负载、链路的中断概率、变换第一拓扑结构的链路代价；

(14)以变换后的链路代价替代第一拓扑结构的链路代价，生成第二拓扑结构。

上述所述步骤(2)的计算该拓扑结构中各个节点到目的节点的基于时延的最短路径可以采用Dijkstra算法进行计算。

所述步骤(9)的正向计算程序具体为：

(30)设定源节点为起始点；

(31)计算从源节点到起始点的没被搜索过的邻接节点的路径的时延值；

(32)判断所述时延值与该邻接节点到目的节点的最短路径的时延值之和是否满足约束条件，若不满足，则执行(34)，若满足，则该路径为可行路径，执行(33)；

(33)计算该可行路径的链路代价值；

(34)判断起始点是否存在没被搜索过的邻接节点，若存在，则执行(31)搜索该邻接节点，若不存在，则执行(35)；

(35)比较各可行路径的链路代价值，取链路代价值最小的路径，作为当前最优路径；

(36)设定当前最优路径的非源节点的端点为起始点；

(37)判断该起始点是否为目的节点，若不是，执行(31)，若是，则执行(38)；

(38)取当前最优路径为最优路径。

上述步骤(32)的该邻接节点到目的节点的最短路径的时延值可以通过提取所述步骤5的记录求得。

所述步骤(35)的链路代价值最小的路径若同时存在多条，则分别计算所述路径的非源节点的端点到目的节点的最小时延值与所述路径的时延值之和，取时延值之和最小的路径为当前最优路径。

由上述技术方案可知，本发明不是直接针对链路的中断，求解最不容易中断的路径，而是将链路的中断概率转化为影响链路代价大小的一个因素，通过适当的链路代价模型来描述拓扑动态性对网络性能影响的程度，并通过求解最小链路代价路径来降低这种影响。由于链路代价模型中还将考虑其他因素(如负载、业务类型等)对网络性能的影响，本发明不仅可解决在卫星链路时延长的情况下寻找满足时延限制条件且受切换影响最小的路径的问题，还可同时兼顾网络业务中断率和业务阻塞率等性能。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的提高天基信息网络服务质量的路由装置实施例一的结构示意图；

图2为本发明的提高天基信息网络服务质量的路由装置实施例二的结构示意图；

图3为本发明有的提高天基信息网络服务质量的路由方法的流程图；

图4为本发明的当前网络转化为第二拓扑结构的流程图；

图5为本发明的正向计算程序的流程图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的提高天基信息网络服务质量的路由装置实施例一的结构示意图。该装置至少包括：输入模块、初始化模块、反向计算模块以及输出模块。

输入模块，用于业务参数的输入；

初始化模块，与所述输入模块相连，用于接受业务参数，用于转化当前网络为第一拓扑结构，计算第一拓扑结构各链路的中断概率，再根据链路的中断概率，变换第一拓扑结构的链路代价，生成为第二拓扑结构；

反向计算模块，与所述初始化模块连接，用于接收网络初始化后的各参数，计算各个节点到目的节点的基于时延的最短路径，并判断目的节点到源节点的最短路径的时延值是否满足约束条件，若不满足，提示不存在满足约束条件的路径，程序结束，否则，记录各个节点到目的节点的最短路径的时延值，再计算目的节点到源节点基于链路代价的最短路径，并判断目的节点到源节点基于链路代价的最短路径的时延值是否满足约束条件，若满足，则所述最短路径为最优路径；

输出模块，与所述反向计算模块相连，用于接收反向计算模块的搜索结果，将搜索到的满足约束条件的最短路径生成为最优路径并输出。

如图2所示，为本发明的提高天基信息网络服务质量的路由装置实施例二的结构示意图。本实施例在实施例一的基础上加入了一个正向计算模块，用于接收反向计算模块的计算结果，以源节点为起始点，搜索从源节点到起始点的各邻接节点且满足时延值条件的可行路径，计算所有可行路径的链路代价，取链路代价最小的可行路径为当前最优路径，然后再以当前最优路径的非源节点的端点为起始点，判断起始点是否为目的节点，若不是，以此起始点开始，重复上述过程搜索当前最优路径，否则，当前最优路径为所求最优路径；所述输出模块，与正向计算模块相连，用于接收正向计算模块的搜索结果，将搜索到的当前最优路径生成为最优路径并输出。

如图3所示，为本发明的提高天基信息网络服务质量的路由方法的流程图，其具体步骤如下：

步骤1、根据业务参数，转化当前网络为第一拓扑结构，并计算第一拓扑结构各链路的中断概率，再根据链路的中断概率，变换第一拓扑结构的链路代价，生成第二拓扑结构；

步骤2、根据请求业务的目的节点和第二拓扑结构，计算该拓扑结构中各个节点到目的节点的基于时延的最短路径；

步骤3、判断目的节点到源节点的最短路径的时延值是否满足约束条件，若不满足，执行步骤4，若满足，则执行步骤5；

步骤4、提示不存在满足约束条件的路径，程序结束；

步骤5、记录各个节点到目的节点的最短路径的时延值；

步骤6、计算目的节点到源节点基于链路代价的最短路径；

步骤7、判断目的节点到源节点基于链路代价的最短路径的时延值是否满足约束条件，若满足，则执行步骤8，若不满足，则执行步骤9；

步骤8、取该最短路径为最优路径，程序结束；

步骤9、调用正向计算程序，用于搜索从源节点到目的节点的最优路径。

在本实施例中，上述步骤1的当前网络转化为第二拓扑结构的流程图，如图4所示，其具体步骤如下：

步骤11、根据业务请求时间，得出当前网络的第一拓扑结构和每一链路持续的时间；

步骤12、根据每一链路持续的时间和业务的类型，得出每一链路的中断概率；

步骤13、根据业务类型、当前网络负载、链路的中断概率、变换第一拓扑结构的链路代价；

步骤14以变换后的链路代价替代第一拓扑结构的链路代价，生成第二拓扑结构。

在上述步骤12中，每一链路的中断概率P_η的具体求解模型为：

P_η＝f(γ，TL)

其中，函数f由不同的业务η类型γ决定，如Poisson模型(语音通信)等；TL为每一链路e持续的时间。

步骤13中，第一拓扑结构G(V，E，D，C)的每一链路代价c变换为第二拓扑结构G(V，E，D，C)的每一链路代价c_η，通过如下的模型完成：

$c_{\mathrm{\η}}=\frac{e^{(\mathrm{\γ}\×\mathrm{\α}\×P_{\mathrm{\η}})}}{1-P_{\mathrm{\η}}}\×c$

其中γ为业务类型、α为当前网络负载、P_η为链路的中断概率，c为每一链路上业务η的正常链路代价(由第一拓扑结构G(V，E，D，C)的链路代价矩阵C得到)，且有：P_η＝0时，c_η＝c；γ为业务因子，表示业务对路径可靠性的敏感程度，γ＞0；α为网络负荷率，α∈[0，1]。

步骤14中，根据所求得的c_η，替换第一拓扑结构G(V，E，D，C)的链路代价矩阵C中每一链路代价c，从而得带有新的链路代价矩阵C的第二拓扑结构(V，E，D，C)。

在本实施例中，所述步骤21的计算该拓扑结构中各个节点到目的节点的基于时延的最短路径可采用现有的成熟算法进行计算，如Dijkstra算法。

在本实施例中，上述步骤9的正向计算程序的流程图，如图5所示，其具体步骤如下：

步骤30、设定源节点为起始点；

步骤31、计算从源节点到起始点的没被搜索过的邻接节点的路径的时延值；

步骤32、判断该路径的时延值与该邻接节点到目的节点的最短路径的时延值之和是否满足约束条件，若不满足，则执行步骤34，若满足，则该路径为可行路径，执行步骤33；

步骤33、计算该可行路径的链路代价值；

步骤34、判断起始点是否存在没被搜索过的邻接节点，若存在，则执行步骤31搜索该邻接节点，若不存在，则执行步骤35；

步骤35、比较各可行路径的链路代价值，取链路代价值最小的路径，作为当前最优路径；

步骤36、设定当前最优路径的非源节点的端点为起始点；

步骤37、判断该起始点是否为目的节点，若不是，执行步骤31，若是，则执行步骤38；

步骤38、取当前最优路径为最优路径。

上述步骤32的该邻接节点到目的节点的最短路径的时延值通过提取所述步骤5的记录求得。

所述步骤(35)的链路代价值最小的路径若同时存在多条，则分别计算所述路径的非源节点的端点到目的节点的最小时延值与所述路径的时延值之和，取时延值之和最小的路径为当前最优路径。

上述技术方案中，天基信息网络提高服务质量路由方法的结束可能是由于反向搜索网络拓扑结构时，找到满足约束条件的从目的节点到源节点的最优路径；也可能是由于正向搜索网络拓扑结构时，找到从源节点到目的节点的最优路径。

本发明通过将链路的中断概率转化为影响链路代价大小的一个因素，通过适当的链路代价模型来描述拓扑动态性对网络性能影响的程度，并通过求解最小链路代价路径来降低这种影响，能够降低拓扑动态性对网络性能影响，并提高网络流量的均衡性，从而提高网络资源的利用率。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1、一种提高天基信息网络服务质量的路由装置，其特征在于包括：

输入模块，用于业务参数的接收；

初始化模块，与所述输入模块相连，用于接受输入模块传来的业务参数，转化当前网络为第一拓扑结构，计算第一拓扑结构各链路的中断概率，再根据链路的中断概率，变换第一拓扑结构的链路代价，生成为第二拓扑结构；

反向计算模块，与所述初始化模块连接，用于接收网络初始化后的各参数，计算各个节点到目的节点的基于时延的最短路径，并判断目的节点到源节点的最短路径的时延值是否满足约束条件，若不满足，提示不存在满足约束条件的路径，程序结束，否则，记录各个节点到目的节点的最短路径的时延值，再计算目的节点到源节点基于链路代价的最短路径，并判断目的节点到源节点基于链路代价的最短路径的时延值是否满足约束条件，若满足，则所述最短路径为最优路径；

输出模块，与所述反向计算模块相连，用于接收反向计算模块的搜索结果，将搜索到的满足约束条件的最短路径生成为最优路径并输出。

2、根据权利要求1所述的提高天基信息网络服务质量的路由装置，其特征在于：所述路由装置还包括正向计算模块，与所述反向计算模块连接，用于接收反向计算模块的计算结果，以源节点为起始点，搜索从源节点到起始点的各邻接节点且满足时延值条件的可行路径，计算所有可行路径的链路代价，取链路代价最小的可行路径为当前最优路径，然后再以当前最优路径的非源节点的端点为起始点，判断起始点是否为目的节点，若不是，以此起始点开始，重复上述过程搜索当前最优路径，否则，当前最优路径为所求最优路径；所述输出模块，与正向计算模块相连，用于接收正向计算模块的搜索结果，将搜索到的当前最优路径生成为最优路径并输出。

3、一种提高天基信息网络服务质量的路由方法，其特征在于，其步骤包括：

(1)根据业务参数，转化当前网络为第一拓扑结构，并计算第一拓扑结构各链路的中断概率，再根据链路的中断概率，变换第一拓扑结构的链路代价，生成第二拓扑结构；

(2)根据请求业务的目的节点和第二拓扑结构，计算该拓扑结构中各个节点到目的节点的基于时延的最短路径；

(3)判断目的节点到源节点的最短路径的时延值是否满足约束条件，若不满足，执行(4)，若满足，则执行(5)；

(4)提示不存在满足约束条件的路径，程序结束；

(5)记录各个节点到目的节点的最短路径的时延值；

(6)计算目的节点到源节点基于链路代价的最短路径；

(7)判断目的节点到源节点基于链路代价的最短路径的时延值是否满足约束条件，若满足，则执行(8)，若不满足，则执行(9)；

(8)取该最短路径为最优路径，程序结束；

(9)调用正向计算程序，用于搜索从源节点到目的节点的最优路径。

4、根据权利要求3所述的提高天基信息网络服务质量的路由方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：

(11)根据业务请求时间，得出当前网络的第一拓扑结构和每一链路持续的时间；

(12)根据每一链路持续的时间和业务的类型，得出每一链路的中断概率；

(13)根据业务类型、当前网络负载、链路的中断概率、变换第一拓扑结构的链路代价；

(14)以变换后的链路代价替代第一拓扑结构的链路代价，生成第二拓扑结构。

5、根据权利要求3所述的提高天基信息网络服务质量的路由方法，其特征在于：所述步骤(2)的计算该拓扑结构中各个节点到目的节点的基于时延的最短路径采用Dijkstra算法进行计算。

6、根据权利要求3所述的提高天基信息网络服务质量的路由方法，其特征在于，所述步骤(9)的正向计算程序具体为：

(30)设定源节点为起始点；

(31)计算从源节点到起始点的没被搜索过的邻接节点的路径的时延值；

(32)判断所述时延值与该邻接节点到目的节点的最短路径的时延值之和是否满足约束条件，若不满足，则执行(34)，若满足，则该路径为可行路径，执行(33)；

(33)计算该可行路径的链路代价值；

(34)判断起始点是否存在没被搜索过的邻接节点，若存在，则执行(31)搜索该邻接节点，若不存在，则执行(35)；

(35)比较各可行路径的链路代价值，取链路代价值最小的路径，作为当前最优路径；

(36)设定当前最优路径的非源节点的端点为起始点；

(37)判断该起始点是否为目的节点，若不是，执行(31)，若是，则执行(38)；

(38)取当前最优路径为最优路径。

7、根据权利要求6所述的提高天基信息网络服务质量的路由方法，其特征在于：所述步骤(32)的该邻接节点到目的节点的最短路径的时延值通过提取所述步骤(5)的记录求得。

8、根据权利要求6所述的提高天基信息网络服务质量的路由方法，其特征在于：所述步骤(35)的链路代价值最小的路径若同时存在多条，则分别计算所述路径的非源节点的端点到目的节点的最小时延值与所述路径的时延值之和，取时延值之和最小的路径为当前最优路径。

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