CN105245451B - 卫星dtn网络的时间扩散性路由搜寻方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卫星DTN网络的时间扩散性路由搜寻方法，该方法用于解决间断性中继卫星网络的路由选择问题，由CGR原理改进得到。本发明所描述的ERSA算法计算时变网络的所有信息，其搜寻到的路径包括直接连通的端到端路径和和存储等待依靠间断链路进行通信的路径，并进行量化分析。两种新的路径衡量标准考虑了链路的传输性能，以此保证数据的成功投递率和最短到达时间。可使用路径的增加提高了算法对于系统吞吐量性能的利用率。本发明的方法由于利用网络的全验信息和实时的网络状况，取得了更有效率的路由设计和传输质量。无论从客观评价指标还是主观视觉效果上都较传统方法有一定的优势。

Description

卫星DTN网络的时间扩散性路由搜寻方法

技术领域

本发明属于深空通信技术领域，尤其涉及一种卫星DTN网络的路由搜寻方法。

背景技术

近地卫星空间网络是一个具有动态性，结构复杂的网络体系。通过有较好覆盖率的高轨道卫星作为骨干接点，为低轨道遥感卫星，无人机等提供数据通信保障，单颗对地观测遥感卫星由于其轨道特性，与地面站通信时间较短。为支持单一任务而铺设全球覆盖的星座会使得成本太高，而通过数颗卫星的中继网络可以实现明显改善时效性传输任务。通过数颗卫星中继的空间网络与地面网络相比具有以下几个特点：

1.在轨卫星高速运行，网络拓扑变化频繁，结构无周期性；

2.卫星轨道预定的，在三维空间可形成可预测模型；

3.双向链路具有不对称传输速率和较高的误码率特性，传播延时较大。

现有的通信协议无法适用于动态拓扑下的卫星网络和和时变的星间链路(ISL)。NASA开发的容迟容断容错网络(DTN,Delay/Disrupt-Tolerant Networking)被提出用于解决深空通信的问题，其核心思想是引入覆盖层bundle layer将低层协议互不相同的空间骨干网和局部网络互联，并将协议打包成“包裹”的形式以一种异步通信方式进行传输，为了在间断性频繁的网络中保障数据可靠传输，DTN采取存储-转发模式，bundle在节点中存储于永久存储设备中直到下一次传输机会到来时发送。为了解决可靠传输问题，2002年JPL提交了一份支持DTN网络协议的Licklider协议(LTP)用以保障在断续链路和运动模型的点对点传输。在多个实验中DTN网络协议体系被证明可以应对处理各种挑战性网络。

然而，DTN协议体系提出时间较短，尚只有一个基本框架，并没有典型的应用性范例，在某些协议细节方面例如拥塞控制、优化传输、路由、时间同步等尚待开发中，具有广阔的研究前景。将DTN用于解决近地卫星空间网络已经被广泛研究，其存储转发机制特别适合于卫星网络通信。

对于多颗星中继通信，传统卫星网络的路由决策依赖于具体卫星的中继或转发，如以下几种，并无优化的普遍的解决方案：

1.系统分割形路由，利用卫星网络拓扑的可预测性进行系统分割；

2.多层卫星网络路由，如MLSR；

3.区域分割类型路由，将地球表面划分成若干个区域，特定时间进入该区域的卫星获得与地理位置相对应的逻辑地址。

而对于并非特定构型的卫星空间DTN网络而言，目前普遍的研究的是并非拘泥于卫星轨道拓扑变化的传输机制，如单副本和多副本的路由，先验和启发相结合的路由方法。一种成型的方案被写入了当前版本的ION手册中，DTN使用一种动态路由选择算法(DRSA，Dynamic Route Selection Algorithm)，使用CGR(Contact Graph Routing)进行路由计算并在CGR计算失败后选择次序性传输的方法。在拥有网络连通图的情况下，当前版本CGR使用Dijkstra(迪杰斯特拉)算法计算理论上最快到达路径，Dijkstra算法是典型的单源最短路径算法，用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径。主要特点是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止。其基本思想是，设置顶点集合S并不断地来扩充这个集合。一个顶点属于集合S当且仅当从源到该顶点的最短路径长度已知。在拥有网络连通图的情况下，当前版本CGR仅仅使用Dijkstra算法计算理论上最快到达路径。当无法计算出满足传输条件的路径时，DTN将按邻接节点的顺序依次尝试发送。

近地卫星网络中，对于暂时性星间链路，若传输无法在一个网络连接状态完成时，CGR机制无法对其进行量化。网络误码引起的数据包重传和节点故障等问题往往会导致理论上最优路径实际表现糟糕。DRSA在简单网络和传输时间远小于网络变化率下尚可使用，一旦网络规模增加，其传输性能便大幅降低。

在现有的DTN协议的BP层使用的DRSA中，CGR进行路由计算并在CGR计算失败后选择次序性传输。对于卫星网络而言，寻找最佳路径面临着断续链路和链路状态变化的问题，无法通过CGR中的Dijkstra的算法得找到最优解。非特定构型的时变卫星网络中经常不存在端到端链路，传输无法在一个网络状态完成。因为无法用单网络拓扑对整体网络进行描述，CGR并不能计算出最佳到达时间路径。在有多条路径可选择情况下，忽视间断性链路会导致对系统吞吐性能低估和资源浪费。

在附图1的例子中，Node 1经过三段暂时性链路将数据传输给Node 4，全连通路径仅存在于t3到t4的时间段内，此阶段的系统吞吐量为

capacity(t₃,t₄)＝(t₄-t₃)×min[b₁₂,b₂₃,b₃₄] (1)

而系统从t1到t6的总吞吐量为

capacity(t₁,t₆)＝min{b₁₂×(t₄-t₁),b₂₃×(t₅-t₂),b₃₄×(t₆-t₃)} (2)

公式(2)包含了(1)中忽视的t1到t3段和t4到t5段系统的吞吐量。

单条路径的吞吐量取决于其瓶颈链路，附图2所描述的另一个例子中，Node 1需要传输数据至Node 3。尽管后者可能有更好的链路状况，在存在1-2-3路径情况下，DRSA算法会忽视1-4-3路径。

1-2-3路径的吞吐量为：

capacity＜1,2,3＞＝(t₃-t₁)×min{b₁₂,b₂₃} (3)

1-4-3路径的吞吐量为：

capacity＜1,4,3＞＝min{b₁₂(t₂-t₁),b₂₃(t₃-t₂)} (4)

在上述两个例子中，由于无法通过先验知识求得全部路由，DRSA算法无法将间断路径进行量化。基于单拓扑图的Dijkstra算法无法为数据包的传输任务提供最优路径，并且会低估系统吞吐性能。

CGR通过计算连通图中的信息{链路开始时间，链路结束时间，链路距离，链路数据速率}来获得理论最佳到达时间。在卫星网络中，上述方法存在两点问题：1.由于卫星在轨道中高速运动，两颗卫星之间的链路距离处于不断变化中，在拓扑结构无断裂变化时使用固定链路权值计算所得到的结果会与实际偏差较大。2.当有多条可选择路径的情况下，DRSA机制使用的理论最佳到达时间和最小跳数对路径进行选取。上述方法忽视了链路中由于的误码而导致的重传现象。一条具备理论最佳到达时间的路径可能因为其某段链路存在极高的重传率而导致链路拥塞。

突发性的节点故障等问题往往会导致理论上最优路径实际表现糟糕。DRSA依赖于简单网络和传输时间远小于网络变化率，一旦网络规模增加，其传输性能便降低。

发明内容

为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种基卫星DTN网络的时间扩散性路由搜寻方法，计算时变网络的所有信息，其搜寻到的路径包括直接连通的端到端路径和和存储等待依靠间断链路进行通信的路径，并进行量化分析，从而达到更有效率的路由设计和传输质量的目的。

本发明通过如下技术方案实现：

一种卫星DTN网络的时间扩散性路由搜寻方法，用于解决间断性中继卫星网络的路由选择问题，由CGR原理改进得到；所述方法计算时变网络的所有信息，其搜寻到的路径包括直接连通的端到端路径和和存储等待依靠间断链路进行通信的路径，并进行量化分析；所述方法具体为：

A.基于迪杰斯特拉Dijkstra算法建立连通信息表SVR：将传输任务开始时的拓扑图定义为第一个拓扑图G，在其中寻找圆心点所有可接触节点，之后在第二个拓扑图中将第一个圆中的所有可达到节点分别认定为一个新的圆心点，各自寻找其可接触端点，即将上一拓扑图中所有搜寻到节点认定为下一个拓扑图的搜寻原型；重复上述过程，直到传输的截止时间；通过这种方式，形成一个记录路由信息的链接表SVR，在获得到的SVR中使用bundle到达目的节点的期望投递时间EDT确定路径的优先级，对于指定的任务，链表R{r_whole1,r_whole2,r_whole3...}为算法的搜寻到路由的集合，其中r_whole<r₁(l₁,l₂...),r₂().....r_m+p()>代表着一条从发端到接收端的完整路径，LR<l_r1,l_r2,l_r3....>为存储于节点中的剩余带宽容量信息，通过记录已传输任务来确定每条链路的可用带宽；

B.路由选择：在连通信息表SVR中，传输任务开始时刻处于第m个系统状态中，因此从S_m(V(R_vkm))开始搜寻，依次向后遍历S_m+1，S_m+2，S_m+3......，S_m(V(R_vk(m)，R_vj(m),R_vi(m)))为系统第m张拓扑中所有找到的与S集合中各个节点的连通信息，R_vkm(V,r)为所有可以连通节点v_k的节点集；当发现了传输目的节点v_k在某个链表信息S_m+j(V(R_vkm))的节点集合V中时，逆向遍历S_m+j-1，S_m+j-2，S_m+j-3...直到找到其与初始节点v_k的路径，用r_whole<r₁(l₁,l₂...),r₂(...)...r_m+p(...)>记录下这条路径；遍历数据包的生存截止时间之前的所有SVR，用集合R{r_whole1,r_whole2,r_whole3....}记录所有找到的路径，比照剩余带宽记录LR，计算bundle经过路径的传输损耗ETC是否小于l_ri，进一步筛选得到最优传输路径。

本发明的有益效果是：本发明的方法采用两种新的路径衡量标准考虑了链路的传输性能，以此保证数据的成功投递率和最短到达时间。可使用路径的增加提高了算法对于系统吞吐量性能的利用率。本发明的方法由于利用网络的全验信息和实时的网络状况，取得了更有效率的路由设计和传输质量。无论从客观评价指标还是主观视觉效果上都较传统方法有一定的优势。

附图说明

图1是间断性网络吞吐性能示意图；

图2是间断性网络中两条路径传输性能比较示意图；

图3是卫星中继网络几何构型图；

图4是星间链路和和星地链路几何特性图；

图5是动态网络的时间快照描述图；

图6是连通信息表的建立算法伪码实现图；

图7是本发明的方法的路由选择算法伪码实现图；

图8是DRSA算法和本发明的ERSA算法的传输消耗时间比较示意图；

图9是DRSA算法和本发明的ERSA算法的系统吞吐性能比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

为了解决最优路径传输问题，本发明提出一种可以应用于时变复杂卫星网络的改进CGR路由算法，通过使用一系列事件驱动的离散时间序列快照来描述动态网络，量化分析链路性能并使用新的度量方式选取传输路径。

首先，本发明建立一个用尽可能少的卫星资源所建立的中继网络，以实现地面站和遥感卫星的互联。附图3中，为实现低地球轨道LEO遥感卫星1与地面站5的通信，在地球轨道上部署三颗不同轨道的卫星为其提供中继。中继网络采用一颗地球同步轨道GEO卫星4和两颗中地球轨道MEO卫星2、3构成的DTN网络，以尽可能少的卫星提供服务。由于存在通信仰角和地面干扰等因素，可视节点之间存在最大通信距离的限制。在满足通信链路建立的情况下，星间的通信窗口可以维持从数分钟到数小时不等，卫星轨道信息如表1所示，设定系统的初始时间为t₀。

表1卫星轨道信息

Node 5为坐落于北纬32.9022°东经101.707°的地面站，链路数据传输速率定义如下：

l₄₁,l₄₂,l₄₃,l₃₁,l₃₅,l₂₁,l₂₅,l₁₅＝100kb/s

l₁₂,l₁₃,l₁₄,l₂₄,l₃₄,l₅₁,l₅₂,l₅₃,l₅₄＝50kb/s.

l₄₅,l₂₃,l₃₂＝300kb/s

然后，使用TH运动方程和卫星网络的信道模型建立时间序列拓扑集，对动态卫星网络进行描述。

附图4描述的星间链路ED距地心的距离必须要高于地面干扰，

附图4中星地链路BD需要满足地面站的最小接收仰角不小于给定角度i，其最大接收距离为：

通过环绕地球的被动飞行器的相对运动向量来描述链路模型，引入地球卫星的二体动力学模型和通过节点相对距离矢量关系计算得到如下方程

获得其解为

通过网络初始状态可以得到向量X＝[x,y,z,x′,y′,z′]，时刻t的相对距离向量为

X(t)＝Φ(t-t₀)X(t₀) (10)从而得到链路的相对距离为

通过对于某一时刻的r_c(t)进行计算，当其满足如上的星间链路和星地链路的通信条件，在给定的场景时间范围内计算出所有链路信息，依据链路的通断为契机，建立系统离散的时间拓扑，相邻拓扑之间以一次链路同断为标志区分。单个拓扑可以表示为G_i(V,E_i,W)，动态网络从系统起始时间t₀到系统终止时刻的拓扑集合为{G₁，G₂，G₃，G₄......}。

接下来，通过对DTN网络传输过程的建模进行分析，计算并选取两种更为精确的网络衡量标准。

在DTN传输中，ADU的数据在BP层转化成bundle数据单元并在LTP层打包成block以segment的单元进行传输。这里，简化分析一段链路前向和后向比特误码率分别为p_l1和p_l2的传输过程，认定每一个bundle打包成一个block，并且被分成m个大小均为α字节的segment进行传输，当一个block所有segment均完成接收，一个θ字节的ACK信号将被返回。整个block的成功传输概率为

p＝(1-mαp_l1)(1-θp_l2) (12)

每个segment的接收失败均会导致block重传，则block的重传次数k服从分布为

f(k)＝(1-p)^k-1p (13)

设定B_cost为通过这段链路传输bundle的总带宽消耗，则其期望为

设定ACK的传输时间为t_A，block数据整体传输时间为t_b，p_l1为前向链路的丢包率，p_l2为后向链路的丢包率，RTT为双向光路距离的往返时延，即节点之间通信的双向物理传输延时。设定T_cost为通过这段链路传输bundle的总体损耗，则其期望为

由此，本发明采取一种新的衡量方法对路由进行评估，p_z为公式(12)中的第z条路径的block的成功传输概率，在此定义一定大小的bundle经过某条路径z的传输损耗ETC等同于在各个链路上总的期望带宽占用

bundle到达目的节点的期望投递时间为EDT，将每一段的链路重传消耗考虑在内，将数据包等待时间，和包含重传在内的数据传输时间相叠加求得指标EDT：

其中，p_lz1和p_lz2分别为链路l_z的前向和后向比特误码率。

基于以上描述，本发明提出一种以Dijkstra算法为基础的路由搜寻增强算法，利用多拓扑图的最短路由计算。

附图5所描述的是时间t1到t6时期的动态网络，由前一时刻标志开始到后一时刻标志结束的五张时间序列的拓扑图标志着网络存在过的所有状态。在整个时期中，从Node1到Node 5存在着多条的传输路径，如附图5所示，相邻拓扑之间同序号节点的虚线标志着数据在节点中存储跨越的时间间隔，在上述时期，并无全连通的端到端的路径存在。

为了寻找上述时间段内所有的可到达路径，并用EDT参数进行优化。依据所建立的网络拓扑集合，使用一种名为的时间扩散算法(ERSA，Expand Route SelectionAlgorithm)进行路由搜寻，建立指定时间段内存在的路由集合。对于不同时存在端到端链路的传输路径，用如下方法进行解释ERSA路由方案，认定初始发送点为圆心，将传输任务开始时的拓扑图定义为第一个拓扑图G，在其中寻找圆心点所有可接触节点，之后在第二个拓扑图中将第一个圆中的所有可达到节点分别认定为一个新的圆心，各自寻找其可接触端点，即将上一拓扑图中所有搜寻到节点认定为下一个拓扑图的搜寻原型。重复上述过程，直到传输的截止时间。通过这种方式，可以形成一个记录路由信息的链接表SVR。

将链路表示为l_i(t_k,t_l,v_β,v_μ,p_l1,p_l2,b_forward,b_back)，括号内为链路信息。v_β和v_μ标志着链路的通信节点，链路l_i始于t_k终止于t_l，上行链路带宽为b_forward存在误码率p_l1，下行带宽b_back存在误码率p_l2。一条具有多个l_i成员的路径可以表示为r_i<l₁,l₂,l₃,....l_n>。节点状态可以用V_k<c,l_i,l_j,l_k....>进行描述，c为节点剩余存储空间。v_k标志第k个注册到DTN网络的网关节点，l_j(t)代表着链路j的单向光路距离OWLT，单位为秒。在t₁到t₂时期的拓扑中，为简化问题，使用边权值的均值作为计算参考。

本发明的方法分为建立连通信息表算法和路由搜寻算法两个部分，建立连通信息表的伪代码如图7所示。G_i(V,E_i,W)作为动态网络模型的第i个状态的描述，其存在时间为t_i到t_i+1，V是所有节点的集合，E_i是第i张拓扑中所有边的集合，W是边权值的集合链表。R_vkm(V,r)为所有可以连通节点v_k节点集，其中的r记录着最短到达路径。S_m+h(V(R_vk(m+h),R_vj(m+h),R_vi(m+h)))为S集合在第m+h拓扑状态下的每个点的连通图集合，S集合为顶点集合，v_k为S集合中的第k个顶点，R_vk(m+h)为v_k在m+h个拓扑状态下的连通图。将所有的S集合形成SVR的数据链表，在获得到的SVR中使用EDT确定路径的优先级。对于指定传输任务，链表R{r_whole1,r_whole2,r_whole3...}为算法的搜寻到路由的集合，其中r_whole<r₁(l₁,l₂...),r₂().....r_m+p()>代表着一条从发端到接收端的完整路径，LR<l_r1,l_r2,l_r3....>为存储于节点中的剩余带宽容量信息，通过记录已传输任务来确定每条链路的可用带宽。

在上述算法获得的连通信息SVR中，传输任务开始时刻处于第m个系统状态中，因此从S_m(V(R_vkm))开始搜寻，依次向后遍历S_m+1，S_m+2，S_m+3......。当发现了传输目的节点v_k在某个链表信息S_m+j(V(R_vkm))的节点集合V中时，逆向遍历S_m+j-1，S_m+j-2，S_m+j-3...直到找到其与初始节点v_k的路径，用r_whole<r₁(l₁,l₂...),r₂(...)...r_m+p(...)>记录下这条路径。遍历数据包的生存截止时间之前SVR的所有连通表，用集合R{r_whole1,r_whole2,r_whole3....}记录所有找到的路径，比照剩余带宽记录LR，计算路径的ETC是否小于l_ri，进一步筛选。路由选择算法伪代码实现如附图8所示。

将卫星网络中的意外事件归为两类，一类为硬件由于累积效应而导致的失灵，出错模型服从泊松分布，设定一个参数用于记录硬件状态。在路径选取之后，如果路径的下一跳节点状态为不可用，则重新进入路径选取，并通过恢复模型对节点进行定时计算。另一种为链路的传输延时抖动，使用一种简单的经验学习方法对其进行修正。记链路上一次传输相同bundle大小的时间为T_e1，将下一次传输的时间消耗更正为T_correct＝max{EDT,T_e1}。

两种算法的传输消耗时间比较如附图8所示，本发明的ERSA算法的传输消耗时间明显要低于DRSA。选取三个场景进行系统吞吐量测试，单条路径的吞吐量是其瓶颈带宽所决定的，在同一时刻将算法所计算出的所有路径相叠加可以获得系统吞吐量，计算Node 1到Node 5的系统吞吐均值。结果如附图9所示，ERSA算法获得的路径明显要多于DRSA，由于仿真所使用的是简化权值模型计算网络性能，所以ERSA的计算无法达到系统的理论极值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种卫星DTN网络的时间扩散性路由搜寻方法，其特征在于，所述方法包括用于解决间断性中继卫星网络的路由选择问题，由CGR原理改进得到；所述方法计算时变网络的所有信息，其搜寻到的路径包括直接连通的端到端路径和存储等待依靠间断链路进行通信的路径，并进行量化分析；所述方法具体为：

A.基于迪杰斯特拉Dijkstra算法建立连通信息表SVR：将传输任务开始时的拓扑图定义为第一个拓扑图G，在其中寻找圆心点所有可接触节点，之后在第二个拓扑图中将第一个圆中的所有可达到节点分别认定为一个新的圆心点，各自寻找其可接触端点，即将上一拓扑图中所有搜寻到节点认定为下一个拓扑图的搜寻原型；重复上述过程，直到传输的截止时间；通过这种方式，形成一个记录路由信息的链接表SVR，在获得到的SVR中使用bundle到达目的节点的期望投递时间EDT确定路径的优先级，对于指定的任务，链表R{r_whole1,r_whole2,r_whole3...}为算法搜寻到路由的集合，其中r_whole<r₁(l₁,l₂...),r₂().....r_m+p()>代表着一条从发端到接收端的完整路径，LR<l_r1,l_r2,l_r3....>为存储于节点中的剩余带宽容量信息，通过记录已传输任务来确定每条链路的可用带宽，l_i表示链路i，r_i(l₁,l₂,l₃...l_n)表示一条具有多个l_i成员的路径；

B.路由选择：在连通信息表SVR中，传输任务开始时刻处于第m个系统状态中，因此从S_m(V(R_vkm))开始搜寻，依次向后遍历S_m+1，S_m+2，S_m+3......，其中，S_m(V(R_vk(m),R_vj(m),R_vi(m)))为系统第m张拓扑中所有找到的与S集合中各个节点的连通信息，R_vkm(V,r)为所有可以连通节点v_k的节点集；当发现了传输目的节点v_k在某个链表信息S_m+j(V(R_vkm))的节点集合V中时，逆向遍历S_m+j-1，S_m+j-2，S_m+j-3...直到找到其与初始节点v_k的路径，用r_whole<r₁(l₁,l₂...),r₂(...)...r_m+p(...)>记录下这条路径；遍历数据包的生存截止时间之前的所有SVR，用集合R{r_whole1,r_whole2,r_whole3....}记录所有找到的路径，比照剩余带宽记录LR，计算bundle经过路径的传输损耗ETC是否小于l_ri，进一步筛选得到最优传输路径。

2.根据权利要求1所述的路由搜寻方法，其特征在于，所述bundle到达目的节点的期望投递时间EDT为：

其中，n为segment的个数，α为segment的字节数，θ为ACK信号的字节数，t_A为ACK的传输时间，t_b为block数据整体传输时间，p_lz1和p_lz2分别为链路l_z的前向和后向比特误码率，RTT为双向光路距离的往返时延，即节点之间通信的双向物理传输延时。

3.根据权利要求1所述的路由搜寻方法，其特征在于，所述bundle经过路径的传输损耗ETC为：

其中，n为segment的个数，α为segment的字节数，p_z为第z条路径的block的成功传输概率。

4.根据权利要求1所述的路由搜寻方法，其特征在于，所述方法应用于用尽可能少的卫星资源所建立的中继网络，以实现地面站和遥感卫星的互联；所述中继网络实现低地球轨道LEO遥感卫星与地面站的通信，采用一颗地球同步轨道GEO卫星和两颗中地球轨道MEO卫星构成。