CN104270324A - 一种适用于受限卫星网络的拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于受限卫星网络的拥塞控制方法，当发送卫星节点要向下一跳卫星节点发送数据时，发送卫星节点通过预测其它卫星节点的拥塞状态，避免将信息转发给拥塞卫星节点，从而提高了受限卫星网络的消息成功投递率。

Description

一种适用于受限卫星网络的拥塞控制方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，尤其是在卫星网络中存在受损卫星或失效链路时的一种适用于受限卫星网络的拥塞控制方法。

背景技术

卫星网络是一种重要的信息通信基础架构设施，具有覆盖范围广，通信受地形影响较小，在地面网络瘫痪时，仍可提供可靠数据连接，在应急通信和深空探测等领域有着重要的地位。为了保证受限卫星网络仍能提供可靠的通信，常采用存储-携带-转发的保管传递机制，并采用多拷贝的路由机制，以提高受限网络环境下成功交付率。由于受限卫星网络中不存在持续的网络连接，消息在中间节点的滞留时间较长，缺乏反馈机制，且卫星节点的缓存空间及网络带宽资源有限，使得受限卫星网络中存在大量冗余信息，极易出现拥塞现象，因此，拥塞控制技术在受限卫星网络中占据着重要的地位，它直接影响整个网络的利用率及通信质量。

为了解决卫星网络的拥塞问题，国内外研究者提出了多种解决方案，包括基于窗口算法、基于速率的算法、基于反馈信息的算法，基于窗口算法是发送端根据接收到的反馈信息来调整拥塞窗口，进而改变向网络发送的数据量，例如：SCTP、TCPWestwood、TCP-Peach；基于速率算法是根据端系统的测量值，直接调整发送速率，例如：TCPVegas、STP、SCPS-TP；基于反馈信息的拥塞控制协议，例如：XCP(eXplicitControlProtocol)、VCP(variable-structurecongestion-controlprotocol)、SACK(selectiveacknowledgement)等。虽然这些方法都能适应卫星网络高延时、高误码率等特殊环境，但都同时建立在一个假设的前提条件下，即卫星网络间存在可预测的持续可连通链路，但在受限的卫星网络中，该假设的前提条件是不成立的，因此上述算法不适用于受限的卫星网络。

针对不存在持续链路的网络拥塞问题，一些学者提出了根据节点的不同拥塞状态设置链路状态的思想，将节点状态分为非拥塞、拥塞邻近及已拥塞状态，并向其邻居节点广播该节点状态信息，节点在做路由决策时，根据其收到的其它节点状态信息，优先选择处于非拥塞状态的链路。但是该算法广播的是节点的状态信息，由于受限卫星网络的间断连接性，使得节点在接收到其他节点的状态信息时，可能该状态信息已失效，所以此种方法存在状态时效性问题，不能很好的适用于受限卫星网络。

发明内容

本发明是为了解决如何让受限卫星网络的拥塞问题得以有效预防和控制，在网络条件受限的情况下，实现有效的传输。

本发明所采取的技术方案为：

一种适用于受限卫星网络的拥塞控制方法，其特征在于包括以下步骤：

①在受限卫星网络中，卫星节点在相遇时，互相交换各自的卫星节点的缓存状态信息，交换完成后，卫星节点根据收到的缓存状态信息更新自身的缓存状态表；

②在发送卫星节点要向下一跳卫星节点转发分组时，发送卫星节点根据本地存储的其它卫星节点缓存状态信息，通过缓存状态预测算法，得到其它卫星节点的缓存利用率；

③发送卫星节点利用步骤②得到的其它卫星节点的缓存利用率，通过路径选择算法，选择出最优下一跳卫星节点，并将分组转发给该最优下一跳卫星节点。

其中，所述的步骤①中，卫星节点的缓存状态信息包括序列号、卫星节点的标识、节点的缓存总长度、最新的卫星节点已用缓存长度。

其中，所述的步骤②中，发送卫星节点使用缓存状态预测算法，得到其它卫星节点的缓存利用率的具体步骤是：

(21)发送卫星节点利用已经建立好的数据到达模型和处理数据分组所需的服务时间模型，根据所存储的其它卫星节点的最新缓存状态信息，分别计算得到分组到达其它卫星节点时，其已用缓存长度；

(22)发送卫星节点计算得到卫星节点的缓存利用率，即已用缓存长度与缓存总长度的比值。

其中，所述的步骤(21)中，数据到达模型是分组数据到达卫星节点的数学统计模型，服务时间模型是分组数据从到达该卫星节点到被转发出去的时间数学统计模型。

其中，所述的步骤③中，通过路径选择算法，选择出最优下一跳卫星节点的步骤是：

(31)发送卫星节点根据从地面站获得卫星网络的初始拓扑结构和卫星节点运动的周期，计算得到一个或多个备选下一跳卫星节点；

(32)将备选下一跳卫星节点的状态划分为正常态、拥塞逼近态和拥塞态，并设置与正常态、拥塞逼近态和拥塞态相对应的三个缓存利用率门限值；将每个备选下一跳卫星节点的缓存利用率与三个缓存利用率门限值一一对应进行比较，得到每个备选下一跳卫星节点的状态；

(33)在备选下一跳卫星节点中，状态优先级最高的下一跳备选卫星节点为最优下一跳卫星节点；状态优先级的定义规则为正常态优先级高于拥塞逼近态和拥塞态，拥塞逼近态优先级高于拥塞态。

本发明同背景技术相比，本发明主要具有以下优点：

(1)在受限的卫星网络中，通过预测卫星节点状态，有效避免了将分组转发到拥塞节点，可以提高分组的成功交付率。

(2)卫星节点在转发分组时，不是盲目的将分组转发给所有备选下一跳，而是有选择性的转发给了成功投递率较高的卫星节点，从而减少了网络中的冗余数据，减少拥塞发生的可能性，提高了网络利用率。

附图说明

图1是本发明流程示意图；

图2是本发明的卫星网络示意图；

图3是本发明实施例中卫星S的缓存状态信息表示意图；

图4是本发明实施例中卫星A的缓存状态信息表示意图。

具体实施方式

下面，结合图1-图4对本发明作进一步说明。

一种适用于受限卫星网络的拥塞控制方法，其特征在于包括以下步骤：

①在受限卫星网络中，卫星节点在相遇时，互相交换各自的卫星节点的缓存状态信息，交换完成后，卫星节点根据收到的缓存状态信息更新自身的缓存状态表；

其中，所述的步骤①中，卫星节点的缓存状态信息包括序列号、卫星节点的标识、节点的缓存总长度、最新的卫星节点已用缓存长度。

例如，卫星节点缓存状态信息可表示为：BSI＝(sat，seq，M，A)，其中，seq是序列号，表示该条状态信息的新旧程度；sat表示卫星节点的标识，M为卫星节点的缓存总长度，A为卫星节点已用缓存长度。

卫星节点交换完缓存状态信息后，各自更新自己的缓存状态信息表。如图2所示的卫星网络，在卫星节点S与卫星节点A相遇时，卫星S将图3(a)所示的缓存状态信息表发送给卫星A，卫星A将图4(a)所示的缓存状态信息表发送给卫星S，然后，卫星S和卫星A分别更新自己的缓存状态信息表，更新后的缓存状态信息表分别如图3(b)和图4(b)所示。

②在发送卫星节点要向下一跳卫星节点转发分组时，发送卫星节点根据本地存储的其它卫星节点缓存状态信息，通过缓存状态预测算法，得到其它卫星节点的缓存利用率；

其中，所述的步骤②中，发送卫星节点使用缓存状态预测算法，得到其它卫星节点的缓存利用率的具体步骤是：

(21)发送卫星节点利用已经建立好的数据到达模型和处理数据分组所需的服务时间模型，根据所存储的其它卫星节点的最新缓存状态信息，分别计算得到分组到达其它卫星节点时，其已用缓存长度；

(22)发送卫星节点计算得到卫星节点的缓存利用率，即已用缓存长度与缓存总长度的比值。

所述的步骤(21)中，数据到达模型是分组数据到达卫星节点的数学统计模型，服务时间模型是分组数据从到达该卫星节点到被转发出去的时间数学统计模型。

例如，当发送卫星节点为源卫星节点，数据的到达模型为服从一般随机模型泊松分布，平均到达的速率为λ，服务时间模型服从均匀分布，平均服务速率为μ；由于卫星的运行具有周期性，假设两卫星相遇的时间间隔均为Δt；如图2所示的卫星网络，在t时刻，源卫星节点S计划向目的卫星节点D发送数据P，由于卫星S和卫星D之间不存在直接的通信链路，则源卫星节点S根据收集到中间卫星节点A、B、C、E的t时刻的卫星节点缓存状态信息，预测数据P到达卫星A、C、B、E时卫星节点的缓存利用率。

具体算法为：卫星节点S根据公式(1)计算消息P到达卫星A、B、C、E时，各个卫星节点的缓存队列长度，即计算A_a(t+Δt)、A_b(t+Δt)、A_c(t+2Δt)、A_d(t+2Δt)。

$A(t+\mathrm{\&Delta;t})=\left\{\begin{array}{cc}A\left(t\right)+(\mathrm{\&lambda;}-\mathrm{\&mu;})\mathrm{\&Delta;t},& \mathrm{\&lambda;}>\mathrm{\&mu;}\\ A\left(t\right)-(\mathrm{\&mu;}-\mathrm{\&lambda;})\mathrm{\&Delta;t},& \mathrm{\&lambda;}<\mathrm{\&mu;}\\ A\left(t\right),& \mathrm{\&lambda;}=\mathrm{\&mu;}\\ 0,& \mathrm{\&lambda;}<<\mathrm{\&mu;}\\ M,& \mathrm{\&lambda;}>>\mathrm{\&mu;}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，M为节点的缓存总大小，A(t)为t时刻卫星节点的缓存队列长度，A(t+Δt)为t+Δt时刻卫星节点的缓存队列长度，λ为数据平均到达速率，μ为平均服务速率。

源卫星节点计算各卫星节点的缓存利用率。在图2所示的网络中，源卫星节点S通过计算得到数据P到达各卫星节点时，各卫星的缓存队列长度后，利用公式(2)计算各卫星节点的缓存利用率。即计算m_a(t+Δt)、m_b(t+Δt)、m_c(t+2Δt)、m_d(t+2Δt)。

$m\left(t\right)=\frac{A\left(t\right)}{M}---\left(2\right)$

③发送卫星节点利用步骤②得到的其它卫星节点的缓存利用率，通过路径选择算法，选择出最优下一跳卫星节点，并将分组转发给该最优下一跳卫星节点。

其中，所述的步骤③中，通过路径选择算法，选择出最优下一跳卫星节点的步骤是：

(31)发送卫星节点根据从地面站获得卫星网络的初始拓扑结构和卫星节点运动的周期，计算得到一个或多个备选下一跳卫星节点；

(32)将备选下一跳卫星节点的状态划分为正常态、拥塞逼近态和拥塞态，并设置与正常态、拥塞逼近态和拥塞态相对应的三个缓存利用率门限值；将每个备选下一跳卫星节点的缓存利用率与三个缓存利用率门限值一一对应进行比较，得到每个备选下一跳卫星节点的状态；

(33)在备选下一跳卫星节点中，状态优先级最高的下一跳备选卫星节点为最优下一跳卫星节点；状态优先级的定义规则为正常态优先级高于拥塞逼近态和拥塞态，拥塞逼近态优先级高于拥塞态。

例如，源卫星节点根据预设的缓存利用率门限值，根据公式(3)判断卫星节点的状态。门限值可根据实际情况进行合理的设定，比如α、β分别为节点进入拥塞临近态和拥塞态的门限值。

$\mathrm{State}\left(S\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{NS}& m<\mathrm{\&alpha;}\\ \mathrm{CAS}& \mathrm{\&alpha;}\&le;m<\mathrm{\&beta;}\\ \mathrm{CS}& m>\mathrm{\&beta;}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中NS表示正常状态，CAS表示拥塞逼近状态，CS表示拥塞状态。

在图2中所示的网络中，卫星节点S根据公式(3)判断消息P到达卫星A、B、C、E时，各个卫星节点的状态，即判断State_a(t+Δt)、State_b(t+Δt)、State_c(t+2Δt)、State_e(t+2Δt)。

(2)源卫星节点根据其它卫星节点的状态，选择出最优的下一跳。节点状态的优先级定义为正常状态高于拥塞逼近状态和拥塞状态，拥塞逼近状态高于拥塞状态，即NS>CAS>CS。在选择路径时，最优下一跳则为优先级较高的下一跳卫星节点。

例如，经过计算得知，State_a(t+Δt)＝NS、State_b(t+Δt)＝CAS、State_c(t+2Δt)＝CS、State_e(t+2Δt)＝NS，则应该选择路径S-A-E-D。

Claims (5)

1.一种适用于受限卫星网络的拥塞控制方法，其特征在于包括以下步骤：

①在受限卫星网络中，卫星节点在相遇时，互相交换各自的卫星节点的缓存状态信息，交换完成后，卫星节点根据收到的缓存状态信息更新自身的缓存状态表；

②在发送卫星节点要向下一跳卫星节点转发分组时，发送卫星节点根据本地存储的其它卫星节点缓存状态信息，通过缓存状态预测算法，得到其它卫星节点的缓存利用率；

③发送卫星节点利用步骤②得到的其它卫星节点的缓存利用率，通过路径选择算法，选择出最优下一跳卫星节点，并将分组转发给该最优下一跳卫星节点。

2.根据权利要求1所述的一种适用于受限卫星网络的拥塞控制方法，其特征在于，所述的步骤①中，卫星节点的缓存状态信息包括序列号、卫星节点的标识、节点的缓存总长度、最新的卫星节点已用缓存长度。

3.根据权利要求1所述的一种适用于受限卫星网络的拥塞控制方法，其特征在于：所述的步骤②中，发送卫星节点使用缓存状态预测算法，得到其它卫星节点的缓存利用率的具体步骤是：

(21)发送卫星节点利用已经建立好的数据到达模型和处理数据分组所需的服务时间模型，根据所存储的其它卫星节点的最新缓存状态信息，分别计算得到分组到达其它卫星节点时，其已用缓存长度；

(22)发送卫星节点计算得到卫星节点的缓存利用率，即已用缓存长度与缓存总长度的比值。

4.根据权利要求3所述的一种适用于受限卫星网络的拥塞控制方法，其特征在于：所述的步骤(21)中，数据到达模型是分组数据到达卫星节点的数学统计模型，服务时间模型是分组数据从到达该卫星节点到被转发出去的时间数学统计模型。

5.根据权利要求1所述的一种适用于受限卫星网络的拥塞控制方法，其特征在于：所述的步骤③中，通过路径选择算法，选择出最优下一跳卫星节点的步骤是：

(31)发送卫星节点根据从地面站获得卫星网络的初始拓扑结构和卫星节点运动的周期，计算得到一个或多个备选下一跳卫星节点；

(32)将备选下一跳卫星节点的状态划分为正常态、拥塞逼近态和拥塞态，并设置与正常态、拥塞逼近态和拥塞态相对应的三个缓存利用率门限值；将每个备选下一跳卫星节点的缓存利用率与三个缓存利用率门限值一一对应进行比较，得到每个备选下一跳卫星节点的状态；

(33)在备选下一跳卫星节点中，状态优先级最高的下一跳备选卫星节点为最优下一跳卫星节点；状态优先级的定义规则为正常态优先级高于拥塞逼近态和拥塞态，拥塞逼近态优先级高于拥塞态。