CN102238684A - 一种基于带宽和时延双目标优化的路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于带宽和时延双目标优化的路由方法。该方法包括如下步骤：源节点发出发送请求；初始化代价表；判断若定时器超时，则更新代价表，重启定时器；根据最短路径算法生成路由表；当前节点依据路由表，寻找下一跳节点，建立完整路由。使用本发明方法，可以很好的权衡带宽和时延两方面因素，在链路带宽负载繁重的情况之下，选取剩余带宽较大的链路，使得在路径平均端到端时延变化有限的情况下，路径平均最小带宽得到较大的提高。

Description

一种基于带宽和时延双目标优化的路由方法

技术领域

本发明涉及一种基于带宽和时延双目标优化的路由方法，采用一种综合考虑星间链路上带宽和时延两项指标的路由算法，在选路的过程中对时延和带宽两项性能同时进行调节，使系统性能呈现良好的变化趋势，属于移动Ad hoc网络路由技术领域。

背景技术

卫星综合信息网是一个由不同轨道上多种类型的卫星，按照空间信息资源的最大有效综合利用原则，互联互通，有机构成的智能化体系。卫星网络不仅能够提供全球覆盖，具有连续的高带宽性能，而且还支持可灵活扩展的网络配置。通过卫星网络传输语音、数据和多媒体应用对其网络容量、带宽、时延、时延抖动以及花费等方面有不同的要求。在空中组成具有低延迟和高容量的动态互连骨干传输网是卫星网络发展的必然。

路由是卫星网络进行信息交换的关键技术，常用的有以下两种方案：

1.以时延特性为目标的路由方法。这类算法以降低传输时延作为优化目标，只考虑路径上的时延大小，在选路过程中往往选择时延最小的路径作为最佳路径，但却忽略了可行路径上的带宽情况，因此所选路径上的带宽性能不一定能达到标准。

2.在以带宽特性为目标的路由方法。这类路由方法以增加路径带宽作为优化目标，一般只考虑所选路径上的剩余带宽情况，在选路过程中往往选择带宽资源最丰富的路径，而并不考虑这条路径上的时延是不是太大，因此所选路径很可能并不合适。

以上卫星路由方法，只考虑最小时延，最小跳数或者最佳链路带宽利用率等单一因素。不能满足传播过程中带宽和实时性的要求。

发明内容

本发明的目的是，对路由发现过程提出一种合理的路由方法，解决综合信息网中对速率和实时性两方面的要求，综合权衡平均端到端时延和链路最小带宽两项性能指标，满足了传播过程中带宽和实时性的要求。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括如下步骤：

步骤一，初始阶段，建立卫星星间链路逻辑网络拓扑图。在拓扑预算时，遍历网络中的所有节点和星间链路，并获取两相邻节点星间链路上的权重COST值，把这两个节点的节点号和对应的星间链路权重作为一组值插入到路径代价表中；

步骤二，遍历所有的卫星节点，根据上一步所得的路径代价表，由最短路径算法得到最短路径路由，当有某颗卫星失效时，则选择次优路径，生成路由表；

步骤三，卫星运动产生链路切换。连接到极轨道卫星的每一个终端都运行一个定时器，一旦超时，将检查当前卫星是否已经运行到终端的截止高度角之下。如果是，切换管理器就将终端从卫星的上下行链路分离，并且在卫星节点列表中搜索另一个可用卫星。如果发现一可用卫星，切换管理器将终端连接到该卫星的上下行链路信道上，并重新启动切换定时器；若没有发现合适的卫星，重新启动定时器，在定时器超时后再尝试。一旦发生了链路改变，则重新进行拓扑预算，更新路径代价表，转至步骤二；

步骤四，根据路由表寻找下一跳，建立路由。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

在步骤一中，权重COST值的计算公式如下：

$\mathrm{COST}=\frac{\mathrm{delay}{(m,n)}^A}{\mathrm{bandwidth}{(m,n)}^B}$

指数A、B分别表示时延和带宽的重要程度。通过改变A、B数值的大小，可以调整路径选择时时延和带宽所占的权重。本方法希望在路由发现的过程中，找到这样一条链路，使得该链路的时延尽可能小，而链路带宽则尽可能大。当A＝0时，为仅考虑带宽的特殊情况；当B＝0时，为仅考虑时延的特殊情况。在拓扑预算时预先生成路径代价表，在路由选择过程中根据代价表中的值，由最短路径算法得到相应的路径。

在步骤二中，如果在选路过程中如果出现某颗卫星失效，可采用次优路径。Iridium系统中每颗卫星有四条ISL，通过四条ISL与相邻的四颗卫星相连，形成星形网状结构。当这四颗卫星中的一颗发生故障时，则在剩余三颗卫星中选择最优路径作为下一跳，此时选择的路径即为次优路径。

在步骤三中，根据终端和对应卫星节点的未知情况，当定时器超时的时候，当前终端对于定时器超时的处理方式为：

如果当前卫星仍在终端的截止高度角之下，则重新启动定时器；

如果当前卫星已经运行到终端的截止高度角之下，则切换管理器就将终端从卫星的上下行链路分离，并且在卫星节点列表中搜索另一个可用卫星。如果发现可用卫星，切换管理器将终端连接到该卫星的上下行链路信道上，并重新启动切换定时器；若没有发现合适的卫星，重新启动定时器，在定时器超时后再尝试。

本发明方法提出了一种基于时延和带宽双目标优化的路由算法。通过使用本发明提出的方法，可以使得链路在带宽负载繁重的情况下，选取剩余带宽较大的链路，从而在路径平均端到端时延变化有限的情况下，路径平均最小带宽得到较大的提高。

附图说明

图1是卫星坐标示意图。

图2是详细的路由方法流程图。

图3是路由方法模块流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1所示的是卫星综合信息网络中卫星的球坐标系统。系统中心为地心，Z轴与地球自转轴一致，(R，θ，Ф)＝(6378km，90°，0°)对应于地球赤道的0°经线(本初子午线)，根据每颗卫星的地理位置(即经纬度)，就可以算出星间的距离。图2所示的是BDSR路由算法流程，根据图1算出星间距离，计算星间链路的权重COST值并生成代价表；结合最短路径算法生成路由表；在定时器超时时，判断是否需要切换管理器进行链路切换，并重新启动切换定时器，若没有发现合适的卫星，重新启动定时器，在定时器超时后再尝试。

下面就几个模块的功能分别进行具体的说明。

代价表生成模块：本模块的功能是通过卫星节点位置信息和链路状态信息，计算并记录星间链路的权重值COST，以生成代价表。

首先，根据每颗卫星的地理位置(即经纬度)，可以算出星间的距离。球坐标系统如图1所示，系统中心为地心，Z轴与地球自转轴一致，(R，θ，Ф)＝(6378km，90°，0°)对应于地球赤道的0°经线(本初子午线)。

卫星节点所对应的三维坐标为：

x＝R·sin(θ)·co s(φ)   (1)

y＝R·sin(θ)·sin(φ)    (2)

z＝R·cos(φ)             (3)

然后，假设两颗卫星的坐标分别为(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，则星间距离为：

$\mathrm{dis}\tan \mathrm{ce}=\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2}---\left(4\right)$

最后，传播时延由两颗卫星间的距离除以光速得到，即：

delay＝distance/(3×10⁸)  (5)

依据图1中的球坐标，可用公式(1)、(2)、(3)表示出节点的三维坐标的位置信息；依据两节点位置信息，利用公式(4)计算出两点间距离；进而使用公式(5)得到对应两点间的时延值。

然后使用以下公式计算每条可行路径的时延和带宽：

$\mathrm{delay}(m_1,m_k)=\mathrm{delay}(m_1,m_{n1})+\underset{i=1}{\overset{{\mathrm{hop}}_n-2}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{delay}(m_{\mathrm{ni}},m_{n(i+1)})+\mathrm{delay}(m_{n(i+1)},m_k),$ n＝1，2，3......(6)

bd(m₁，m_k)＝min{bd(m₁，m_n1)，bd(m_ni，m_n(i+1))，bd(m_n(i+1)，m_k)}，i∈[1，hop_n-2]，n＝1，2，3......(7)

其中bd即是带宽(bandwidth)。公式(6)表示第n条可达路径(m₁，m_n1，m_n2，…，m_nj，…，m_k)上的传播时延，即从源点到终点每一跳的传播时延之和，其中hop_n表示第n条可达路径的总跳数。公式(7)表示第n条可达路径(m₁，m_n1，m_n2，…，m_nj，…，m_k)上的可用带宽，即从源点到终点每一跳路径上可用带宽的最小值，其中hop_n表示第n条可达路径的总跳数。

选择这样的最优路径时，若希望该路径上带宽与时延同时达到最优，是很难做到的。为此，定义星间链路的权重因子COST为：

$\mathrm{COST}=\frac{\mathrm{delay}{(m,n)}^A}{\mathrm{bandwidth}{(m,n)}^B}---\left(8\right)$

公式(8)中，bandwidth(m，n)表示同一组相邻节点(m，n)间的链路剩余可用带宽，指数A、B分别表示时延和带宽的重要程度。

路由表生成模块：根据上一步所得的路径代价表，由最短路径算法得到最短路径路由，当有某颗卫星失效时，则选择次优路径。所谓次优路径，是指在链路切换之前的一种临时状态。由于每颗卫星通过四条ISL与相邻的四颗卫星相连，当这四颗卫星中的一颗发生故障时，则在剩余三颗卫星中选择最优路径作为下一跳，此时选择的路径即为次优路径。当次优路径生成以后，生成相应的路由表。

超时判断模块：若定时器超时，检查当前卫星是否已经运行到终端的截止高度角之下。若是，则切换管理器就将终端从卫星的上下行链路分离，并且在卫星节点列表中搜索另一个可用卫星。如果发现可用卫星，切换管理器将终端连接到该卫星的上下行链路信道上，更新链路代价表并重新启动切换定时器；若没有发现合适的卫星，重新启动定时器，在定时器超时后再尝试。

本发明方法利用上述功能模块，获取卫星节点位置信息和链路状态信息，并计算相应的时延和带宽，从而计算出链路的权重COST值，生成路由表；若定时器超时，判断并对链路切换做出相应处理。如图2所示，本发明方法包含的具体流程为：

1.当前节点发出数据发送请求，遍历网络中的所有卫星节点和星间链路，获取卫星节点拓扑图以及各链路带宽信息；

2.利用公式(1)、(2)、(3)计算各卫星节点的位置信息，进而利用公式(4)算出相邻节点间的距离，利用公式(5)计算相应两节点间的时延，再利用公式(6)、(7)计算两相邻节点间的带宽和时延值，再利用公式(8)计算出两节点间的链路权重值COST。

3.将计算得到的每个节点的节点号和对应的星间链路权重作为一组值插入到路径代价表中。

4.利用公式(6)、(7)计算每条可行路径的带宽和时延值，再利用公式(8)计算出链路权重值COST。根据最短路径算法得到最短路径路由。若有某颗卫星失效时，则在剩余三颗卫星中选择最优路径作为下一跳，即选择次优路径，生成路由表；

5.检查终端上的定时器状态，判断是否已超时；

6.当定时器超时，若当前卫星已经运行到终端的截止高度角之下，则搜索另一个可用卫星并将终端切换到新卫星的上下行链路上；否则重新启动定时器即可。之后，由于链路改变，需更新路径代价表；转至4；

7.跟据已建立的路由表寻找下一跳，建立路由；

8.全过程结束。

以下是本发明的一个具体实例。设源节点m₁，目的节点m_k，(m₁，m_k)表示从源点到达终点的可达路径。在m₁和m_k之间存在n条可达路径(m₁，m₁₁，m₁₂，…，m_1j，…，m_k)，(m₁，m₂₁，m₂₂，…，m_2j，…，m_k)，…，(m₁，m_n1，m_n2，…，m_nj，…，m_k)，m_nj表示第n条可达路径上的第j跳节点。参照图2，工作过程如下：

1.源节点m₁发出数据发送请求，遍历网络中的所有卫星节点和星间链路，获取卫星节点拓扑图以及各链路带宽信息；

2.计算相邻节点间的COST值，将计算得到的每个节点的节点号和对应的星间链路权重作为一组值(m_i，m_j，cost_ij)插入到路径代价表中；

3.利用公式(6)计算出可行的n条可达路径(m₁，m₁₁，m₁₂，…，m_1j，…，m_k)，(m₁，m₂₁，m₂₂，…，m_2j，…，m_k)，…，(m₁，m_n1，m_n2，…，m_nj，…，m_k)的时延值delay₁，delay₂，......，delay_i，delay_n；

4.利用公式(7)计算可行的n条可达路径(m₁，m₁₁，m₁₂，…，m_1j，…，m_k)，(m₁，m₂₁，m₂₂，…，m_2j，…，m_k)，…，(m₁，m_n1，m_n2，…，m_nj，…，m_k)的带宽值bandwidth₁，bandwidth₂，......，bandwidth_i，bandwidth_n；

5.根据3，4中计算所得的n条可行路径(m₁，m₁₁，m₁₂，…，m_1j，…，m_k)，(m₁，m₂₁，m₂₂，…，m_2j，…，m_k)，…，(m₁，m_n1，m_n2，…，m_nj，…，m_k)的时延、带宽值，利用公式(8)计算其相应的权重值cost₁，cost₂，cost_i......，cost_n；

6.选择最小的COST值对应的那条路径(m₁，m_i1，m_i2，…，m_ij，…，m_k)作为最优路径；

7.全过程结束。

Claims (8)

1.一种基于带宽和时延双目标优化的路由方法，其特征在于

包括以下步骤：

步骤一，初始阶段，建立卫星星间链路逻辑网络拓扑图，在拓扑预算时，遍历网络中的所有节点和星间链路，并获取两相邻节点星间链路上的权重COST值，把这两个节点的节点号和对应的星间链路权重作为一组值插入到路径代价表中；

步骤二，遍历所有的卫星节点，根据上一步所得的路径代价表，由最短路径算法得到最短路径路由，当有某颗卫星失效时，则选择次优路径，生成路由表；

步骤三，卫星运动产生链路切换，连接到极轨道卫星的每一个终端都运行一个定时器，一旦超时，将检查当前卫星是否已经运行到终端的截止高度角之下，若是，则切换管理器就将终端从卫星的上下行链路分离，并且在卫星节点列表中搜索另一个可用卫星：如果发现可用卫星，切换管理器将终端连接到该卫星的上下行链路信道上，并重新启动切换定时器；如果没有发现合适的卫星，重新启动定时器，在定时器超时后再尝试；一旦发生了链路改变，则重新进行拓扑预算，更新路径代价表，转至步骤二；

步骤四，根据路由表寻找下一跳，建立路由。

2.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于，在步骤一中，可按下述方法计算出相邻节点间的权重COST值，

$\mathrm{COST}=\frac{\mathrm{delay}{(m,n)}^A}{\mathrm{bandwidth}{(m,n)}^B}$

其中分子delay(m，n)表示两个相邻节点(m，n)间的端到端传播时延，bandwidth(m，n)表示同一组相邻节点(m，n)间的链路剩余可用带宽。

3.根据权利要求2所述的路由方法，其特征在于，在步骤一中，可按下述方法计算端到端传播时延：

首先，根据每颗卫星的地理位置(即经纬度)，可以算出星间的距离；地球坐标系统结构如下，系统中心为地心，Z轴与地球自转轴一致，(R，θ，Ф)＝(6378km，90°，0°)对应于地球赤道的0°经线(本初子午线)，

卫星节点所对应的三维坐标为：

x＝R·sin(θ)·cos(φ)

y＝R·sin(θ)·sin(φ)

z＝R·cos(φ)

然后，假设两颗卫星的坐标分别为(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，则星间距离为：

$\mathrm{dis}\tan \mathrm{ce}=\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2}$

最后，传播时延由两颗卫星间的距离除以光速得到，即：

delay＝distance/(3×10⁸)

建立路由表时需使用以下公式计算每条可行路径的时延和带宽：

$\mathrm{delay}(m_1,m_k)=\mathrm{delay}(m_1,m_{n1})+\underset{i=1}{\overset{{\mathrm{hop}}_n-2}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{delay}(m_{\mathrm{ni}},m_{n(i+1)})+\mathrm{delay}(m_{n(i+1)},m_k),$ n＝1，2，3……(1)

bd(m₁，m_k)＝min{bd(m₁，m_n1)，bd(m_ni，m_n(i+1))，bd(m_n(i+1)，m_k)}，i∈[1，hop_n-2]，n＝1，2，3……(2)

其中bd即是带宽(bandwidth)。公式(1)表示第n条可达路径(m₁，m_n1，m_n2，…，m_nj，…，m_k)上的传播时延，即从源点到终点每一跳的传播时延之和，其中hop_n表示第n条可达路径的总跳数；公式(2)表示第n条可达路径(m₁，m_n1，m_n2，…，m_nj，…，m_k)上的可用带宽，即从源点到终点每一跳路径上可用带宽的最小值，其中hop_n表示第n条可达路径的总跳数，定义星间链路的权重因子为：

$\mathrm{COST}=\frac{\mathrm{delay}{(m,n)}^A}{\mathrm{bandwidth}{(m,n)}^B}.$

4.根据权利要求2所述的路由方法，其特征在于，在步骤一中，bandwidth(m，n)表示同一组相邻节点(m，n)间的链路剩余可用带宽，指数A、B分别表示时延和带宽的重要程度；通过改变A、B数值的大小，可以调整路径选择时时延和带宽所占的权重；当A＝0时，为仅考虑带宽的特殊情况；当B＝0时，为仅考虑时延的特殊情况。在拓扑预算时预先生成路径代价表，在路由选择过程中根据代价表中的值，由最短路径算法得到相应的路径。

5.根据权利要求2所述的路由方法，其特征在于，指数A取7。

6.根据权利要求2所述的路由方法，其特征在于，指数B取4。

7.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于，在步骤二中，如果在选路过程中如果出现某颗卫星失效，可采用次优路径，Iridium系统中每颗卫星有四条ISL，通过四条ISL与相邻的四颗卫星相连，形成星形网状结构，当这四颗卫星中的一颗发生故障时，则在剩余三颗卫星中选择最优路径作为下一跳，此时选择的路径即为次优路径。

8.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于，在步骤三中，当前终端对于定时器超时的处理方式为：

如果当前卫星仍在终端的截止高度角之下，则重新启动定时器；

如果当前卫星已经运行到终端的截止高度角之下，则切换管理器就将终端从卫星的上下行链路分离，并且在卫星节点列表中搜索另一个可用卫星；如果发现可用卫星，切换管理器将终端连接到该卫星的上下行链路信道上，并重新启动切换定时器；若没有发现合适的卫星，重新启动定时器，在定时器超时后再尝试。

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