CN104185241B - 适用于受限卫星网络的路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于受限卫星网络的路由方法。使用该方法的各卫星节点，以“存储‑携带‑转发”的方式为其它卫星节点，提供数据中继服务，在预设比例(或预设数量)的卫星节点失效、星间链路频繁中断等恶劣网络环境下，能够利用中间卫星节点周期性移动形成的通信机会，实现数据分组在源/目的卫星节点之间的逐跳传输。

Description

适用于受限卫星网络的路由方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，特别涉及预设比例(或预设数量)的卫星节点失效、星间链路频繁中断等恶劣环境下的卫星网络路由方法。

背景技术

卫星网络是国家信息基础设施的重要组成部分，承担着应急救灾、科学勘探等通信任务，在民用和军用领域拥有巨大的应用前景。

路由技术在卫星组网中占据着重要地位，它直接决定了卫星网络的传输能力、通信效率和服务质量。为了解决卫星网络路由问题，国内外的研究人员先后提出了一系列的技术方案，包括，显式多路径路由算法(Compact Explicit Multi-path Routing，CEMR)、概率路由协议(Probabilistic Routing Protocol，PRP)、辅助定位按需路由算法(Location-Assisted On-demand Routing，LAOR)、数据报路由算法(Datagram Routing Algorithm，DRA)、多层卫星路由算法(Multi-Layered Satellite Routing Algorithm，MLSR)、卫星分组路由协议(Satellite Grouping and Routing Protocol，SGRP)、分层卫星路由算法(Hierarchical Satellite Routing Protocol，HSRP)等。虽然这些已有方法能够胜任一般卫星网络中的路由任务，但是因为它们完全立足于同样的网络拓扑假设，也就是，(1)卫星网络拓扑结构的动态变化是可预测的；(2)意外发生链路中断、节点失效的概率非常低，以致可以忽略不计，所以在应用范围上存在较大的局限性，对于预设比例(或预设数量)的卫星节点失效、星间链路频繁中断等恶劣网络环境下的卫星组网问题无能为力。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题是：如何在预设比例(或预设数量)的卫星节点失效、星间链路频繁中断等恶劣网络环境下实现卫星网络路由技术，完成从源卫星节点到目的卫星节点的分组传输。

本发明所采取的技术方案为：

提出了一种适用于受限卫星网络的路由方法，其具体步骤是：

①源卫星节点向目的卫星节点发送分组时，接收到该分组的第一卫星节点在缓存中存储该分组并携带该分组按照自身的轨迹移动；设定第一卫星节点为当前携带分组的卫星节点；

②当前携带分组的卫星节点使用受限卫星网络转发算法选择出下一跳卫星节点，并在当前携带分组的卫星节点同下一跳卫星节点相遇的时刻，当前携带分组的卫星节点将该分组转发给下一跳卫星节点；

③如果该下一跳卫星节点为目的卫星节点，则完成分组传输；否则，将该下一跳卫星节点设定为当前携带分组的卫星节点并转入步骤②。

其中，所述的步骤②中，使用受限卫星网络转发算法选择下一跳卫星节点的具体步骤是：

21在预设周期内，当前携带分组的卫星节点根据初始拓扑结构 和转发统计信息为它的每个出口链路生成链路状态度量值，进而使用链路状态分发方法将该链路状态度量值扩散到整个受限卫星网络；

22当需要选择下一跳时，该当前携带分组的卫星节点由接收到的链路状态度量值集合，拼接出卫星网络拓扑视图，然后使用Dijkstra算法在该拓扑视图上计算得到下一跳卫星节点。

其中，所述的步骤21中的初始拓扑结构是卫星节点从地面站获得的，该初始拓扑结构由卫星节点各出口链路处于打开状态的时间段组成。

其中，所述的步骤21中，在预设周期内当前携带分组的卫星节点根据初始拓扑结构和转发统计信息为每个出口链路生成链路状态度量值的具体步骤是：

2101当前携带分组的卫星节点按预设周期，在初始拓扑结构的基础上，结合自身记录的分组转发情况，更新各出口链路的转发统计信息；

2102当前携带分组的卫星节点将转发统计信息输入负指数函数得到各出口链路的链路状态度量值。

其中，所述的步骤2102中，转发统计信息由链路连通概率、链路传输能力、链路平均等待时间和链路指向卫星的能量值经赋权相加得到。

其中，所述的步骤21中，使用链路状态分发方法将链路状态度量值扩散到受限卫星网络具体步骤是：

2111当前携带分组的卫星节点将链路状态度量值封装成链路状 态信息，并以链路状态信息为表项生成链路状态表；

2112当前携带分组的卫星节点和网络中的其它卫星节点相遇时，它们立即交换各自的链路状态表；

2113当前携带分组的卫星节点根据接收到的链路状态表，更新自身的链路状态表。

其中，所述的步骤2111中的链路状态信息包括序列号、链路起始卫星的节点标识、链路终止卫星的节点标识和链路状态度量值。

其中，所述的步骤2113具体步骤是：

211301如果接收到的链路状态表中存在自身链路状态表中未出现的星间链路，那么需要将该链路对应的链路状态表项，添加到自身的链路状态表中；

211302如果接收到的链路状态表中某些链路的链路状态表项，较自身链路状态表中相同链路的链路状态表项为新，那么需要使用新的链路状态表项替代自身链路状态表中的对应链路的链路表项；

211303如果接收到的链路状态表中，即不存在新出现的星间链路，链路状态表项也不新，那么直接丢弃接收到的链路状态表。

本发明同背景技术相比，本发明主要具有以下优点：

(1)各卫星节点以“存储-携带-转发”的方式为其它卫星节点提供数据中继服务，因此使用本发明公开的路由方法，即使是在整个卫星网络不全连通的情况下，也有很大可能，在不存在路由通路的两个卫星节点之间，实现数据分组的间接、可靠、高效传输。

(2)在受限卫星网络转发算法中，充分考虑了链路连通概率、链 路传输能力、链路平均等待时间和链路指向卫星的能量值，因此本发明公开的路由方法，不仅对设备故障、信道变化、恶意破坏等临时因素引起的卫星网络通信环境突变具有较强的适应性和鲁棒性，而且具备负载均衡和能量感知能力，可有效延长卫星网络生存期。

附图说明

图1是受限卫星网络路由方法示意图。

具体实施方式

下面，结合说明书附图1对本发明作进一步说明。

受限卫星网络是指，预设比例(例如超过30％)或预设数量(例如大于20个)的卫星节点不能正常工作的卫星网络；或，由于设备故障、信道变化、恶意破坏等原因，星间链路频繁中断的卫星网络。

根据本发明的一个实施例，具体实施方案如下：

1.受限卫星网络路由方法总体方案

各卫星节点以“存储-携带-转发”的方式为其它节点提供数据中继服务，利用中间卫星节点周期性移动形成的通信机会，实现数据分组在源/目的节点间的逐跳传输。具体地：

(1)当源卫星节点要向目的卫星节点发送分组时，接收到该分组的第一卫星节点，在缓存中存储该分组，并携带该分组按照自身的轨迹移动，并设定第一卫星节点为当前携带分组的卫星节点。

(2)当使用受限卫星网络转发算法选择出下一跳卫星节点后，在当前携带分组的卫星节点同下一跳卫星节点相遇的时刻，当前携带分组的卫星节点将该分组转发给下一跳卫星节点。

(3)若下一跳卫星节点为目的卫星节点，则完成分组传输；否则，下一跳卫星节点按照同第一卫星节点相同的方法继续转发该分组，将下一跳卫星节点设定为当前携带分组的卫星节点，并转入步骤(2)。

图1给出了该路由方法的一个实施例(三个子图分别表示t₁，t₂，t₃时刻的网络拓扑)。其中，S是源卫星节点，D是目的卫星节点，1，2，3，4是四个中间卫星节点。假设所有节点都是周期性移动的，并且愿意转发其它卫星节点发送的数据分组，那么，①在t₁时刻，卫星S计划向卫星D发送数据P，因为S和D位于不同的连通域，它们之间不存在通信路径，所以卫星S按照一定策略(例如后文将要介绍的受限卫星网络拓扑构型方法)进行判定，并根据判定结果，将数据P发送给已经同它接触的卫星2。因为卫星2同样没有到达D的路由通路，所以它在内存中存储数据P，并携带P一起移动，以等待传输机会。②在t₂时刻，卫星2开始同卫星4接触，它同样按照一定策略进行判定，假设判定结果认为卫星4是最合适的下一跳节点，那么卫星2将数据P转发给卫星4。卫星4继续带着P一起移动。③在t₃时刻，卫星4同D接触，将P转交给D。

2.受限卫星网络转发算法

在预设周期内，卫星节点根据初始拓扑结构和转发统计信息为它的每个出口链路生成链路状态度量值，进而使用链路状态分发方法将该链路状态度量值扩散到整个受限卫星网络。当需要卫星节点选择下一跳时，该卫星节点可由接收到的链路状态度量值集合，拼接出完整的卫星网络拓扑视图，然后使用Dijkstra算法在该卫星网络拓扑视图上计算得到下一跳卫星节点。因为Dijkstra是经典图论算法，不再赘述它的原理。下面给出受限卫星网络转发算法的一个具体实施方式。

(1)初始拓扑结构

卫星节点可以从地面站获得初始拓扑结构，该初始拓扑结构由卫星节点各出口链路处于打开状态的时间段组成。

例如，地面站可以将受限卫星网络的初始拓扑结构表示为赋权有向图G＝(V，E，ω_B)，其中，①顶点集V表示网络中的卫星节点集合。②边集E表示卫星之间的有向链路集合，包含ISL(Inter Satellite Link)卫星链路和IOL(Inter Orbit Link)卫星链路。③ω_B用于表示链路周期性打开/关闭的时变特征，描述了卫星节点周期性运动所造成的拓扑动态性。对于令链路i→j的初始赋权值为ω^i→j（t)∈ω_B，则可以由公式(1)获得ω^i→j(t)的取值。在公式(1)中，表示链路i→j可用于发送数据的时间段，由地面站预先计算。

地面站可以将G＝(V，E，ω_B）传送给受限卫星网络中的每颗卫星，也可以只将G中的部分信息传送给各个卫星。例如，对于G中的任意一颗卫星i，地面站只向它发送信息ω^i→j(t)，i→j∈E，这样做既不影响后续技术方案的实施，又可以有效节省卫星上的存储资源。

(2)链路状态度量值

使用链路状态度量值描述设备故障、临时环境变化、恶意攻击等随机因素引起的卫星网络拓扑动态性，卫星节点按照预设周期(例如，20秒或100秒)更新各出口链路的转发统计信息，将转发统计信息输入负指数函数可以得到各出口链路的链路状态度量值。

例如，对于记卫星链路i→j∈正在时刻k的链路状态度量值为转发统计信息为则有：

1)转发统计信息

转发统计信息有多种定义方式，例如，可以由链路连通概率、链路传输能力、链路平均等待时间和链路指向卫星的能量值经过赋权相加得到卫星出口链路的转发统计信息，具体地，对于记卫 星链路i→j∈E在时刻k的链路能力参数为则有：

其中，α、β、γ和是四个调节系数，它们的取值可以根据实际情况具体设置，只需满足条件且即可。参数P^i→j(k)、Q^i→j(k)、E^i→j(k)和E^j(k)的物理意义分别是，①P^i→j(k)表示链路i→j的连通概率，也就是，在时间段中，链路i→j的历史连通情况。②Q^i→j(k)表示链路能力，也就是，链路i→j的“带宽-连通时间”乘积。③T^i→j(k)表示链路i→j由“关闭状态”切换到“打开状态”的平均等待时间。④E^j(k)表示单向链路所指向卫星(例如链路i→j中的j)的能量值。

值得注意的是，在计算P^i→j(k)、Q^i→j(k)、T^i→j(k)和E^j(k)的过程中，总是需要用到由地面站发送给各卫星节点的初始拓扑结构。

(3)链路状态分发方法

首先，卫星节点将链路状态度量值封装成链路状态信息。

其次，各卫星节点以链路状态信息为表项生成链路状态表。

再次，当卫星节点和其它卫星节点相遇时，它们需要立即交换各自的链路状态表。

最后，在交换完成后，参与交换的卫星节点根据接收到的链路状态表更新自身的链路状态表。

1)链路状态信息

链路状态信息可以由序列号、链路起始卫星的节点标识、链路终止卫星的节点标识、链路状态度量值组成，如公式(4)所示。

LSI＝（seq，src，dst，metric) (4)

其中，src是星间链路起始卫星节点的标识；dst是星间链路终止卫星节点的标识；seq是序列号，表示该链路状态信息的新旧程度。metric是起始卫星节点src监测到的链路状态度量值。

2)链路状态更新方法

卫星节点更新自身链路状态表的方式有多种，下面给出一种具体方法：a)其一，如果接收到的链路状态表中存在自身链路状态表中未出现的星间链路i→j，那么需要将链路i→j对应的链路状态表项，添加到自身的链路状态表中。b)其二，如果接收到的链路状态表中某些链路的链路状态表项，较自身链路状态表中相同链路的链路状态表项为新，那么需要使用新的链路状态表项替代自身链路状态表中的对应链路的链路表项。c)其三，如果相对本节点中的链路状态表而言，接收到的链路状态表中，即不存在新出现的星间链路，链路状态表项也不新，那么直接丢弃接收到的链路状态表。

Claims (6)

1.一种适用于受限卫星网络的路由方法，其特征在于，所述方法的具体步骤是：

①源卫星节点向目的卫星节点发送分组时，接收到该分组的第一卫星节点在缓存中存储该分组并携带该分组按照自身的轨迹移动；设定第一卫星节点为当前携带分组的卫星节点；

②当前携带分组的卫星节点使用受限卫星网络转发算法选择出下一跳卫星节点，并在当前携带分组的卫星节点同下一跳卫星节点相遇的时刻，当前携带分组的卫星节点将该分组转发给下一跳卫星节点；

③如果该下一跳卫星节点为目的卫星节点，则完成分组传输；否则，将该下一跳卫星节点设定为当前携带分组的卫星节点并转入步骤②；

所述的步骤②中，使用受限卫星网络转发算法选择下一跳卫星节点的具体步骤是：

21在预设周期内，当前携带分组的卫星节点根据初始拓扑结构和转发统计信息为它的每个出口链路生成链路状态度量值，进而使用链路状态分发方法将该链路状态度量值扩散到整个受限卫星网络；

22当需要选择下一跳时，该当前携带分组的卫星节点由接收到的链路状态度量值集合，拼接出卫星网络拓扑视图，然后使用Dijkstra算法在该拓扑视图上计算得到下一跳卫星节点；

所述的步骤21中，在预设周期内当前携带分组的卫星节点根据初始拓扑结构和转发统计信息为每个出口链路生成链路状态度量值的具体步骤是：

2101当前携带分组的卫星节点按预设周期，在初始拓扑结构的基础上，结合自身记录的分组转发情况，计算若干转发统计参数，对所述若干转发统计参数进行赋权相加得到并更新各出口链路的转发统计信息；

2102当前携带分组的卫星节点将转发统计信息输入负指数函数得到各出口链路的链路状态度量值。

2.如权利要求1所述的适用于受限卫星网络的路由方法，其特征在于，所述的步骤21中的初始拓扑结构是卫星节点从地面站获得的，该初始拓扑结构由卫星节点各出口链路处于打开状态的时间段组成。

3.如权利要求1所述的适用于受限卫星网络的路由方法，其特征在于，所述若干转发统计参数包括链路连通概率、链路传输能力、链路平均等待时间和链路指向卫星的能量值。

4.如权利要求1所述的适用于受限卫星网络的路由方法，其特征在于，所述的步骤21中，使用链路状态分发方法将链路状态度量值扩散到受限卫星网络具体步骤是：

2111当前携带分组的卫星节点将链路状态度量值封装成链路状态信息，并以链路状态信息为表项生成链路状态表；

2112当前携带分组的卫星节点和网络中的其它卫星节点相遇时，它们立即交换各自的链路状态表；

2113当前携带分组的卫星节点根据接收到的链路状态表，更新自身的链路状态表。

5.如权利要求4所述的适用于受限卫星网络的路由方法，其特征在于，所述的步骤2111中的链路状态信息包括序列号、链路起始卫星的节点标识、链路终止卫星的节点标识和链路状态度量值。

6.如权利要求4所述的适用于受限卫星网络的路由方法，其特征在于，所述的步骤2113具体步骤是：

211301如果接收到的链路状态表中存在自身链路状态表中未出现的星间链路，那么需要将该链路对应的链路状态表项，添加到自身的链路状态表中；

211302如果接收到的链路状态表中某些链路的链路状态表项，较自身链路状态表中相同链路的链路状态表项为新，那么需要使用新的链路状态表项替代自身链路状态表中的对应链路的链路表项；

211303如果接收到的链路状态表中，即不存在新出现的星间链路，链路状态表项也不新，那么直接丢弃接收到的链路状态表。