CN105228209B - 一种基于虚拟节点的分布式geo/leo混合网络路由方法 - Google Patents

一种基于虚拟节点的分布式geo/leo混合网络路由方法 Download PDF

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Abstract

一种基于虚拟节点的分布式GEO/LEO混合网络路由方法，为了解决现有的卫星网络路由算法不能实时计算路由且考虑排队时延后时延过长的问题。根据经纬度将地球表面平均划分为72份逻辑区域，将LEO层卫星和所述逻辑区域建立联系；利用GEO将底层LEO卫星分三组，每为一个LEO族；数据驱动及路由更新；给出路由计算方法。根据即实时业务和非实时业务的不同的需求，综合利用GEO和LEO网络各自优势，构建一种双层的卫星网络，在这种混合网络中采用通过不同层传不同类别的包的方法，来避免卫星在当前跳时刻发生拥塞的情况。通过基于虚拟节点的方法消除卫星的移动性带来的拓扑的不断变化的问题，在时延的问题上考虑了排队时延的影响。

Description

一种基于虚拟节点的分布式GEO/LEO混合网络路由方法
技术领域
本发明涉及一种基于虚拟节点的分布式GEO/LEO混合网络路由算法，属于卫星通信领域。
背景技术
卫星网络可以满足一系列数据通信需要，如商业，军事及个人业务。卫星服务可以提供在郊区、农村。偏远地区及其他地面网络不可接入的地方提供宽范围的区域覆盖。卫星通信还有独特的广播机制。鉴于卫星通信的这些特有的优势，毫无疑问，卫星通信将成为下一代互联网不可缺少的一部分。
卫星在实现全球通信时有很多应用技术值得深入研究，在所有技术中，对于专有的有效的路由算法的改善是众多技术面临的挑战之一。正如我们知道地那样，一种有效的路由算法会给卫星通信带来非常大的好处。
近几年来，许多研究人员提出了许多路由方法和优化机制。在这里，可以近似研究的路由算法成两类，一类是在固定轨道类型的情况下可以预先估计出拓扑结构的情况，这些拓扑的信息可以由地面终端设备提前预测，然后通过这些预测信息计算路由表，由地面设备在发业务时携带路由信息，网络中的各卫星节点根据收到的路由表传送业务。另一种是卫星实时收集周围卫星的信息，包括位置信息和状态信息。然后通过这些他们收集的信息，自己为自己计算路由表，这种方法被称为分布式路由算法，Eylem Ekici在LEO网络下研究了一种分布式路由算法，他主要考虑最小化传播延时，但是延时除了传播延时还有许多其他延时，如处理延时，队列延时，传输延时等等。这些延时情况都会随着各个卫星位置的变化和网络中负载比重的变化而有很大的浮动。
在设计卫星路由算法首先要考虑其独特的变化的拓扑结构，现有的消除卫星移动性带来的拓扑变化的方法有两大类，一类是虚拟拓扑的方法，另一类是采用虚拟节点的方法。现有的路由算法更多的为基于虚拟拓扑的算法。
针对以上问题，本发明在GEO/LEO网络平台上，通过基于虚拟节点的方法消除卫星的移动性带来的拓扑的不断变化的问题，在研究时延的问题上考虑了排队时延的影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的卫星网络路由算法不能实时计算路由且考虑排队时延后时延过长的问题，提供一种基于虚拟节点的分布式GEO/LEO混合网络路由方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种基于虚拟节点的分布式GEO/LEO混合网络路由方法，所述方法以3颗GEO(静止轨道卫星)和66颗LEO(低轨卫星)形成的双层网络结构为基础实现的，其过程为：
步骤一、区域划分：根据经纬度将地球表面平均划分为72份逻辑区域，通过式(1)将LEO层卫星和所述逻辑区域建立联系，
其中，lonm,n、latm,n分别代表卫星S(m,n)的经度和纬度；而lonp,q,latp,q分别代表逻辑区域L〈p,q〉的经度和纬度；N表示LEO层卫星的轨道数，取值为6，M表示LEO层每条轨道上卫星的数量，取值为11；
步骤二、卫星分组管理：利用GEO将底层LEO卫星分为三组，每组成为一个LEO族，分组过程如下：
当LEO卫星D(66颗LEO中的任意一颗)满足下面的关系式时，是属于GEO卫星B(3颗GEO中任意一颗)的分组的成员，
其中：
ψ表示GEO卫星B投影区覆盖面积的半边中心角，ψ通过式(3)计算，B′是GEO卫星B在地球表面上的投影点，RE是地球半径，hL是LEO的高度，B′D表示GEO卫星B在地球表面上的投影点和LEO卫星D的距离；∠B′OD表示GEO卫星B在地球表面上的投影点和地心的连线与LEO卫星D和和地心的连线二者之间的夹角；
式中，RE是地球半径，hL是LEO的高度，hG是GEO的高度，εmin是GEO到LEO的最小射角；
在覆盖同一颗LEO的2颗GEO选择覆盖时间最长的GEO作为LEO接入的GEO；
步骤三、数据驱动：控制在LEO卫星收到通信业务时更新路由表；
步骤四、路由更新：采用步骤三的更新机制，其更新过程为：
搜集当前网络结构的状态信息，用传输时延信息作为所述状态信息，两颗相邻LEO卫星x，y之间的传输时延通过步骤一进行区域划分：x对应的逻辑区域〈p,q〉，y对应逻辑区域〈l,s〉，p,l∈{0,…,N-1}，q,s∈{0,…,M-1}，x,y∈66颗LEO，卫星x，y传输时延记录为Delaypq→ls；
每个轨道上的LEO卫星首先将上述传输时延信息传给该LEO卫星所在轨道上的发言者，由每个轨道发言者之间传输各自总的时延信息，通过搜集到的整个网络结构的时延信息更新路由表；
步骤五、路由计算方法：
利用dijkstra算法根据步骤四中时延信息得到路由表，从路由表中查询源节点到目的节点的路径；利用查到的路径传输通信业务，在人口密集业务分布密集的地区提前设置传输门限值，
LEO卫星收到业务包的数量/LEO卫星的容限超过门限值时，Type-1类通信业务由备选路径传输；否则由查到的路径传输；
LEO卫星收到业务包的数量/LEO卫星的容限超过门限值时，Type-2类通信业务由当前LEO卫星转发到GEO层传输，否则继续通过LEO层使用查到的路径传输；
Type-1表示对延时敏感的业务包类型，用来传送话音信号等对延时敏感的业务。
Type-2表示对延时不敏感的业务包类型，用来传送短信业务等不需要实时传送的业务信息。
在步骤五中，所述备选路径的确定过程为：
根据改进的最小跳路径确定备选路径，将地球分为三个区域，用权值来代替LEO卫星之间的实际距离，在区域1和区域3中将不同轨道间星间链路权值设为1，而区域2的不同轨道见的星间链路设为2，所有同轨道间的星间链路的权值设为2；区域1是指北纬60度以外的区域，区域2是指北纬60度至南纬60度之间的区域，区域3是指南纬60度以外的区域；利用权值使用最小跳算法计算备选路径。
本发明的构思是：在基于数据驱动网络机制的基础上，采用虚拟节点的方法消除卫星的移动性，在双层网络结构(GEO和LEO组合)的网络平台上研究路由算法，在底层的LEO网络上应用dijkstra算法，但是增加了队列延时这个影响因素，通过从高层GEO网络传包来解决队列等待延时过长的问题。本发明对LEO层分组的概念，用GEO作为管理者对LEO进行分组管理。通过分类包类型，我们可以使用底层来传输全部的对延时敏感类型的包业务和少部分对时延不敏感的包业务，高层传输另一部分对时延不敏感的包业务，这么做可以让实时业务类型的包排队时间减少，最短时延变短。
本发明的有益效果是：
本发明考虑了静止轨道和低轨卫星的特点，静止轨道卫星GEO可以提供很广的覆盖面积，但是由于它的高度很高，在提供服务时，长的延时的特点使得它对传输延时敏感性的应用有明显的限制；而另一方面，低轨卫星LEO在实时业务方面有着不可替代的地位，本地地面终端可以通过许多需要的低轨卫星设备连接整个地球的各个位置。综合这两种轨道卫星的优势互补，本发明在GEO/LEO这种混合网络的基础上研究路由算法。本发明首先将业务分为两种类型，即实时业务和非实时业务，根据他们不同的需求，综合利用GEO网络和LEO网络各自特有的优势，构建一种双层的卫星网络，在这种混合网络中采用通过不同层传不同类别的包的方法，来避免卫星在当前跳时刻发生拥塞的情况。本发明主要研究目标是通过双层结构利用GEO层参与传包，减少排队包的数量来减少实时业务的排队时延。本发明应用两种算法，第一种是在LEO层应用dijkstra最短路径算法的基础上，通过GEO层转发实现的优化的路由算法；第二种在第一种的基础上使用一种利用区域划分的概念改进的最小跳路由算法作为备选路径来减少时延。
从仿真结果中可以看出，我们按包的不同类型收集type-1传包时延，当发包速率超过队列处理后的发送速率后，type-1类型的包即时延敏感的业务封包在时延方面有明显的改善。当发包速率达到2Mbps时，场景2方法采用双层优化的最短路径算法时延相比单层下降39.7％，当发包速率达到2.5Mbps时，场景2中的方法相比单层仅下降3.9％，经过进一步改进的添加了备选路径的场景3中时延比单层下降38.6％，相比场景2下降36.1％(参见图5)。
附图说明
图1为本发明的3GEO+66LEO双层卫星网络场景图；
图2为本发明的LEO与GEO层间关系示意图；图3为本发明的静止卫星B覆盖情况示意图；图2和图3构成本发明的双层卫星分群管理示意图，
图4为地球区域划分示意图；
图5为本发明的Type-1时延仿真结果图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～4所示，本实施方式所述的一种基于虚拟节点的分布式GEO/LEO混合网络路由方法以3颗GEO和66颗LEO形成的双层网络结构(如图1)为基础实现的，其过程为：
步骤一、区域划分：根据经纬度将地球表面平均划分为72份逻辑区域，通过式(1)将LEO层卫星和所述逻辑区域建立联系，如图4，
其中，lonm,n、latm,n分别代表卫星S(m,n)的经度和纬度；而lonp,q,latp,q分别代表逻辑区域L〈p,q〉的经度和纬度；N表示LEO层卫星的轨道数，取值为6，M表示LEO层每条轨道上卫星的数量，取值为11；
步骤二、卫星分组管理：利用GEO将底层LEO卫星分为三组，每组成为一个LEO族，分组过程如下(如图2和3)：
当LEO卫星D(66颗LEO中的任意一颗)满足下面的关系式时，是属于GEO卫星B(3颗GEO中任意一颗)的分组的成员，
其中：
ψ表示GEO卫星B投影区覆盖面积的半边中心角，ψ通过式(3)计算，B′是GEO卫星B在地球表面上的投影点，RE是地球半径，hL是LEO的高度，B′D表示GEO卫星B在地球表面上的投影点和LEO卫星D的距离；∠B′OD表示GEO卫星B在地球表面上的投影点和地心的连线与LEO卫星D和和地心的连线二者之间的夹角；
式中，RE是地球半径，hL是LEO的高度，hG是GEO的高度，εmin是GEO到LEO的最小射角；
在覆盖同一颗LEO的2颗GEO选择覆盖时间最长的GEO作为LEO接入的GEO；
步骤三、数据驱动：控制在LEO卫星收到通信业务时更新路由表；
步骤四、路由更新：采用步骤三的更新机制，其更新过程为：
搜集当前网络结构的状态信息，用传输时延信息作为所述状态信息，两颗相邻LEO卫星x，y之间的传输时延通过步骤一进行区域划分：x对应的逻辑区域〈p,q〉，y对应逻辑区域〈l,s〉，p,l∈{0,…,N-1}，q,s∈{0,…,M-1}，x,y∈66颗LEO，卫星x，y传输时延记录为Delaypq→ls；
每个轨道上的LEO卫星首先将上述传输时延信息传给该LEO卫星所在轨道上的发言者，由每个轨道发言者之间传输各自总的时延信息，通过搜集到的整个网络结构的时延信息更新路由表；
步骤五、路由计算方法：
利用dijkstra算法根据步骤四中时延信息得到路由表，从路由表中查询源节点到目的节点的路径(这种路径和其他算法中提到的路径不太相同，是将逻辑区的标记代码代替实际卫星编号存入路径中)；利用查到的路径传输通信业务，在人口密集业务分布密集的地区提前设置传输门限值，
LEO卫星收到业务包的数量/LEO卫星的容限超过门限值时，Type-1类通信业务由备选路径传输；否则由查到的路径传输；
LEO卫星收到业务包的数量/LEO卫星的容限超过门限值时，Type-2类通信业务由当前LEO卫星转发到GEO层传输，否则继续通过LEO层使用查到的路径传输；
Type-1表示对延时敏感的业务包类型，用来传送话音信号等对延时敏感的业务。
Type-2表示对延时不敏感的业务包类型，用来传送短信业务等不需要实时传送的业务信息；
在步骤五中，所述备选路径的确定过程为：
根据改进的最小跳路径确定备选路径，将地球分为三个区域，用权值来代替LEO卫星之间的实际距离，在区域1和区域3中将不同轨道间星间链路权值设为1，而区域2的不同轨道见的星间链路设为2，所有同轨道间的星间链路的权值设为2；区域1是指北纬60度以外的区域，区域2是指北纬60度至南纬60度之间的区域，区域3是指南纬60度以外的区域；利用权值用最小跳算法计算备选路径。
针对本发明再进行如下阐述：
本发明提出GEO/LEO双层网络结构作为研究背景；采用一种新的路由更新策略；利用卫星分组管理策略；设计路由算法；最后利用拥塞预测的机制五个部分。
GEO/LEO双层卫星网络模型中采用3颗GEO卫星和66颗LEO卫星星座组网络结构，在LEO中实现路由表的计算功能及通信功能，而GEO实现分组管理和数据包转发的功能。
卫星分组管理策略首先利用GEO将底层LEO卫星分为三组，在分组重复区域通过选择最长覆盖时间的GEO的方法选择LEO接入哪颗GEO。然后在LEO层中选出轨道发言者，这个是通过用户位置确定的，选择用户上空最近LEO作为该轨道发言者，其他轨道轨道发言者与它具有相同的经度，轨道发言者负责为其自己的轨道内的成员计算路由表。
路由更新策略中，采用基于数据驱动的更新机制，只有当网络中需要传递业务时才实施路由更新，更新时首先搜集当前网络的状态信息，通过该信息计算路由后更新。路由路径的记录通过地理区域的标号记录取代常用的使用卫星编号记录路径的方法。
路由计算方法中，通过虚拟节点的方法消除卫星的移动性，本专利中采用66个区域划分的方法以地理上{30°,30°}经纬度区域与在该区域的卫星节点相对应，来消除卫星的移动性。并且通过将业务包分为对时延敏感和时延不敏感的两类业务，通过不同层传输不同业务的方法优化QoS。
在拥塞预测中，根据全球实际业务分布情况例如区别对待陆地等人口密集地区和海洋极地等通信业务稀疏的地区。在人口密集业务分布密集的地区提前设置传输门限值，在超过门限值的情况下通过分层传输和使用备选路径的方法来减少拥塞带来的时延问题。
对本发明方法验证过程的描述：
1.在搜集完成状态信息后计算路由表。本发明中，首先搜集延时信息，在发送业务包之前用户通过给一个控制机制发送信号，然后通知其上空的卫星发言者开始搜集信息。在所有轨道发言者完成搜集工作后，它们开始为整个网络计算路由表，但是只发送每个轨道面上其他卫星需要的路由表信息到相应的卫星。这些结束后，发言者通知用户开始发送实际的业务包。这种方法称为数据驱动。
2.用户给其上空的卫星发送业务包，然后按照我们上面描述的路径将路径信息放入包中，根据分布式路由特点，信息中存储下一跳，根据计算得来路由的下一跳传递包。每个卫星节点接收到包后更新自己的下一跳。
3.当与路径中最后一个逻辑区位置匹配的卫星收到包后，直接由这颗卫星将业务发送给目的用户。
4.目的用户接收到包，然后通过用收到包的时间减该包生成的时间的差值计算延时。
参见图5，从仿真结果中可以看出，我们按包的不同类型收集type-1传包时延，当发包速率超过队列处理后的发送速率后，type-1类型的包即时延敏感的业务封包在时延方面有明显的改善。当发包速率达到2Mbps时，场景2方法采用双层优化的最短路径算法时延相比单层下降39.7％，当发包速率达到2.5Mbps时，场景2中的方法相比单层仅下降3.9％，经过进一步改进的添加了备选路径的场景3中时延比单层下降38.6％，相比场景2下降36.1％。
对图5中体现的三种场景的描述：
单层网络场景：1.在单层LEO网络中使用最短路径dijkstra算法，按照上文提到的流程执行。
双层优化最短路径场景：在我们构建的双层网络中应用dijkstra算法，在这个情况下，我们引入了分组和包分类的概念。分组中我们根据GEO的覆盖区域，使用逻辑分区的标号代替实际LEO的编号作为GEO组成员。而且由于GEO是相对地面静止的，逻辑分区作为组成员是不变化的，而组中实际卫星成员是不断变化的。
双层优化最短路径+改进最小跳做备选场景：除了分组机制，场景3中，我们在场景2的基础上增加了备选路径帮助拥塞的LEO转发包，通过这种方式，网络拥塞的问题会被改善，由于排队而产生的时延会下降。

Claims (2)

1.一种基于虚拟节点的分布式GEO/LEO混合网络路由方法，其特征在于：所述方法以3颗GEO和66颗LEO形成的双层网络结构为基础实现的，其过程为：
步骤一、区域划分：根据经纬度将地球表面平均划分为72份逻辑区域，通过式(1)将LEO层卫星和所述逻辑区域建立联系，
m,p∈{0,…,N-1}，n,q∈{0,…,M-1}
{|lonm,n-lonp,q|≤15°∩|latm,n-latp,q|≤15°} (1)
其中，lonm,n、latm,n分别代表卫星S(m,n)的经度和纬度；而lonp,q,latp,q分别代表逻辑区域L<p,q>的经度和纬度；N表示LEO层卫星的轨道数，取值为6，M表示LEO层每条轨道上卫星的数量，取值为11；
步骤二、卫星分组管理：利用GEO将底层LEO卫星分为三组，每组成为一个LEO族，分组过程如下：
当LEO卫星D满足下面的关系式时，是属于GEO卫星B的分组的成员，
其中：
ψ表示GEO卫星B投影区覆盖面积的半边中心角，ψ通过式(3)计算，B′是GEO卫星B在地球表面上的投影点，RE是地球半径，hL是LEO的高度，B′D表示GEO卫星B在地球表面上的投影点和LEO卫星D的距离；∠B′OD表示GEO卫星B在地球表面上的投影点和地心的连线与LEO卫星D和地心的连线二者之间的夹角；
式中，RE是地球半径，hL是LEO的高度，hG是GEO的高度，εmin是GEO到LEO的最小射角；
在覆盖同一颗LEO的2颗GEO选择覆盖时间最长的GEO作为LEO接入的GEO；
步骤三、数据驱动：控制在LEO卫星收到通信业务时更新路由表；
步骤四、路由更新：采用步骤三的更新机制，其更新过程为：
搜集当前网络结构的状态信息，用传输时延信息作为所述状态信息，两颗相邻LEO卫星x，y之间的传输时延通过步骤一进行区域划分：x对应的逻辑区域<p,q>，y对应逻辑区域<l,s>，p,l∈{0,…,N-1}，q,s∈{0,…,M-1}，x,y∈66颗LEO，卫星x，y传输时延记录为Delaypq→ls；
每个轨道上的LEO卫星首先将上述传输时延信息传给该LEO卫星所在轨道上的发言者，由每个轨道发言者之间传输各自总的时延信息，通过搜集到的整个网络结构的时延信息更新路由表；
步骤五、路由计算方法：
利用dijkstra算法根据步骤四中时延信息得到路由表，从路由表中查询源节点到目的节点的路径；利用查到的路径传输通信业务，在人口密集业务分布密集的地区提前设置传输门限值，
LEO卫星收到业务包的数量/LEO卫星的容限超过门限值时，Type-1类通信业务由备选路径传输；否则由查到的路径传输；
LEO卫星收到业务包的数量/LEO卫星的容限超过门限值时，Type-2类通信业务由当前LEO卫星转发到GEO层传输，否则继续通过LEO层使用查到的路径传输；
Type-1表示对延时敏感的业务包类型，用来传送对延时敏感的业务；
Type-2表示对延时不敏感的业务包类型，用来传送不需要实时传送的业务信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟节点的分布式GEO/LEO混合网络路由方法，其特征在于：在步骤五中，所述备选路径的确定过程为：
根据改进的最小跳路径确定备选路径，将地球分为三个区域，用权值来代替LEO卫星之间的实际距离，在区域1和区域3中将不同轨道间星间链路权值设为1，而区域2的不同轨道间 的星间链路设为2，所有同轨道间的星间链路的权值设为2；区域1是指北纬60度以外的区域，区域2是指北纬60度至南纬60度之间的区域，区域3是指南纬60度以外的区域；利用权值使用最小跳算法计算备选路径。
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