CN105471730B - 电力通信分层路由路径确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力通信分层路由路径确定方法，该方法首先将电力通信网络拓扑中的低高轨卫星进行簇划分，当分组的源卫星节点和目的卫星节点是否位于同一簇内时，采用基于蚁群算法确定簇内分组由产生该分组的源卫星节点到达接收该分组的目的卫星节点的最终分组转发路径；当分组的源卫星节点和目的卫星节点是否位于不同簇时，将分组由源卫星节点传递至高轨卫星的路径、高轨卫星中簇内分组由中继源卫星节点到达中继目的卫星节点的分组转发路径和高轨卫星传递至目的卫星节点的路径作为簇间分组由产生该分组的源卫星节点到达接收该分组的目的卫星节点的最终分组转发路径，该方法可以联合优化系统通信性能，具有通信优势。

Description

电力通信分层路由路径确定方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及电力通信分层路由路径确定方法。
背景技术
低轨卫星覆盖面窄，距离较远的用户之间需通过多跳中继方可实现相互间的通信，因此产生过高的开销和延迟。为此，借助具有较广通信覆盖面的高轨卫星的低高轨卫星网络应运而生。此网络根据高轨卫星的覆盖区域被划分为多个逻辑域(簇)，每个簇内包含多个低轨卫星，而覆盖此簇的一个高轨卫星负责该簇内节点的簇间通信。由于借助高轨卫星的簇间通信的通信跳数大大减少，采用基于低高轨卫星的电力通信所产生的开销和延迟均较小。现有技术中忽略了多样化的服务质量需求，即对丢包率、传输开销和延迟等的联合优化的考虑较少。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出电力通信分层路由路径确定方法。
电力通信分层路由路径确定方法，包括以下步骤：
步骤1：将电力通信网络拓扑中的低高轨卫星进行簇划分，将所有高轨卫星作为一个卫星簇，将各高轨卫星覆盖范围内的低轨卫星分别作为一个卫星簇；
步骤2：获取低高轨卫星的电力通信网络拓扑中的各星间链路信息：丢包率、开销和延迟；
步骤3：判断分组的源卫星节点和目的卫星节点是否位于同一簇内，若是，执行步骤4，否则，执行步骤5；
步骤4：基于蚁群算法确定簇内分组由产生该分组的源卫星节点到达接收该分组的目的卫星节点的最终分组转发路径；
步骤5：确定簇间分组由产生该分组的源卫星节点到达接收该分组的目的卫星节点的最终分组转发路径；
步骤5.1：将分组从产生该分组的源卫星节点到覆盖该源卫星节点所在簇的高轨卫星节点的路径作为该分组由源卫星节点传递至高轨卫星的路径；
步骤5.2：将分组的目的卫星节点到覆盖该目的卫星节点所在簇的高轨卫星节点的路径作为该分组由高轨卫星传递至目的卫星节点的路径；
步骤5.3：将源卫星节点对应的高轨卫星节点作为中继源卫星节点，将目的卫星节点对应的高轨卫星节点作为中继目的卫星节点；
步骤5.4：基于蚁群算法确定高轨卫星中簇内分组由中继源卫星节点到达中继目的卫星节点的分组转发路径；
步骤5.5：将分组由源卫星节点传递至高轨卫星的路径、高轨卫星中簇内分组由中继源卫星节点到达中继目的卫星节点的分组转发路径和高轨卫星传递至目的卫星节点的路径作为簇间分组由产生该分组的源卫星节点到达接收该分组的目的卫星节点的最终分组转发路径。
所述步骤5.4中所述中继源卫星节点在高轨簇内可以作为源卫星节点，所述中继目的卫星节点在高轨簇内可以作为目的卫星节点，所述步骤5.4与所述步骤4，包括以下步骤：
A：设定最大迭代次数，设定路径丢包率阈值、路径开销阈值和路径延迟阈值，根据各链路信息计算分组所在簇内的各条星间链路的初始荷尔蒙值；
B：从源卫星节点开始，根据星间链路的荷尔蒙值计算分组选择下一跳卫星节点的选择概率，为分组选择多个备选的下一跳卫星节点，直至目的卫星节点，得到源卫星节点到目的卫星节点多条备选分组转发路径；
C：计算备选分组路径的丢包率、开销和延迟，将备选分组路径中丢包率、开销或延迟大于其设定阈值的路径进行删除；
D：设定分组转发路径的目标函数，从备选转发路径中按照目标函数选取最优分组转发路径；
E：判断迭代次数是否达到最大迭代次数，若是执行G，否则，执行F；
F：更新迭代次数，更新最优分组转发路径所经过的所有星间链路的荷尔蒙值，返回B；
G：得到簇内分组源卫星节点到达目的卫星节点的最终分组转发路径。
所述星间链路的初始荷尔蒙值的计算公式为：其中，i为当前卫星节点，j为i的下一跳卫星节点，τ(i，j)为星间链路e(i，j)的初始荷尔蒙值，rij为星间链路e(i，j)的丢包率，cij为星间链路e(i，j)的开销，dij为星间链路e(i，j)的延迟，α1为星间链路e(i，j)的丢包率的权重，α2为星间链路e(i，j)的开销的权重，α3为星间链路e(i，j)的延迟的权重。
所述根据星间链路的荷尔蒙值计算分组选择下一跳卫星节点的选择概率的计算公式为：其中，P(i，j)为分组所在当前卫星节点i选择下一跳卫星节点j的选择概率，τ(i，j)为星间链路e(i，j)的荷尔蒙值，N(i)为分组所在当前卫星节点i的邻居节点集，即与当前卫星节点i有直接连接的卫星节点，A为分组尚未访问过的卫星节点集。
所述分组转发路径的目标函数的计算公式为：其中，s为源卫星节点，d为目的卫星节点，fp(s，d)为分组转发路径p(s，d)的权重信息，rp(s，d)为分组转发路径p(s，d)的丢包率，cp(s，d)为分组转发路径p(s，d)的开销，dp(s，d)为分组转发路径p(s，d)的延迟，αd1为分组转发路径p(s，d)的丢包率的权重，αd2为分组转发路径p(s，d)的开销的权重值，αd3为分组转发路径p(s，d)的延迟的权重值，R为设定的丢包率阈值，C为设定的开销阈值，D为设定的延迟阈值。
所述更新最优分组转发路径所经过的所有星间链路的荷尔蒙值的公式为：其中，i为当前卫星节点，j为i的下一跳卫星节点，τ(i，j)′为更新的星间链路e(i，j)的荷尔蒙值，τ(i，j)为星间链路e(i，j)的当前荷尔蒙值，s为源卫星节点，d为目的卫星节点，fp(s，d)为分组转发路径p(s，d)的权重信息，p*(s，d)为当前最优路径，δ∈[0，1]为荷尔蒙蒸发因子，η∈[0，1]为路由影响因子。
本发明的有益效果：
本发明提出电力通信分层路由路径确定方法，该方法可以联合优化系统通信性能，包括丢包率、开销和延迟，尤其对于在相距较远的低轨卫星通信时，高轨卫星作为中继卫星的低高轨卫星网络能具有通信优势。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中电力通信分层路由路径确定方法的流程图；
图2为本发明具体实施方式中电力通信网络拓扑示意图；
图3为本发明具体实施方式中一个卫星簇内各星间链路信息示意图；
图4为本发明具体实施方式中基于蚁群算法确定簇内分组由产生该分组的源卫星节点到达接收该分组的目的卫星节点的最终分组转发路径的流程图；
图5为本发明具体实施方式得到的路由路径的丢包率、开销和延迟与传统路由路径算法中的丢包率、开销和延迟的对比图；
其中，(a)为本发明具体实施方式得到的路由路径的丢包率与传统路由路径算法中的丢包率的对比图，(b)为本发明具体实施方式得到的路由路径的开销与传统路由路径算法中的开销的对比图，(c)为本发明具体实施方式得到的路由路径的延迟与传统路由路径算法中的延迟的对比图；
图6为本发明具体实施方式得到的簇间路由跳数与传统路由路径算法的簇间路由跳数的对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。
电力通信分层路由路径确定方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：将电力通信网络拓扑中的低高轨卫星进行簇划分，将所有高轨卫星作为一个卫星簇，将各高轨卫星覆盖范围内的低轨卫星分别作为一个卫星簇。
电力通信网络拓扑示意图如图2所示，四个高轨卫星节点为一个卫星簇，四个高轨卫星覆盖范围内的九个低轨卫星分别作为一个卫星簇。
步骤2：获取低高轨卫星的电力通信网络拓扑中的各星间链路信息：丢包率、开销和延迟。
一个卫星簇内各星间链路信息示意图如图3所示，例如卫星节点1和卫星节点2间的链路信息(0.05，20，10)依次表示该各星间链路的丢包率、开销和延迟。
步骤3：判断分组的源卫星节点和目的卫星节点是否位于同一簇内，若是，执行步骤4，否则，执行步骤5。
步骤4：基于蚁群算法确定簇内分组由产生该分组的源卫星节点到达接收该分组的目的卫星节点的最终分组转发路径，如图4所示。
步骤4.1：设定最大迭代次数，设定路径丢包率阈值、路径开销阈值和路径延迟阈值，根据各链路信息计算分组所在簇内的各条星间链路的初始荷尔蒙值。
本实施方式中，设定的最大迭代次数是200，设定的路径丢包率阈值为0.2，设定的路径开销阈值为200，设定的路径延迟阈值为100ms。
本实施方式中，星间链路的初始荷尔蒙值的计算公式如式(1)所示：
其中，i为当前卫星节点，j为i的下一跳卫星节点，τ(i，j)为星间链路e(i，j)的初始荷尔蒙值，rij为星间链路e(i，j)的丢包率，cij为星间链路e(i，j)的开销，dij为星间链路e(i，j)的延迟，α1为星间链路e(i，j)的丢包率的权重，α2为星间链路e(i，j)的开销的权重，α3为星间链路e(i，j)的延迟的权重。
步骤4.2：从源卫星节点开始，根据星间链路的荷尔蒙值计算分组选择下一跳卫星节点的选择概率，为分组选择多个备选的下一跳卫星节点，直至目的卫星节点，得到源卫星节点到目的卫星节点多条备选分组转发路径。
本实施方式中，根据星间链路的荷尔蒙值计算分组选择下一跳卫星节点的选择概率的计算公式如式(2)所示：
其中，P(i，j)为分组所在当前卫星节点i选择下一跳卫星节点j的选择概率，N(i)为分组所在当前卫星节点i的邻居节点集，即与当前卫星节点i有直接连接的卫星节点，A为分组尚未访问过的卫星节点集。
步骤4.3：计算备选分组路径的丢包率、开销和延迟，将备选分组路径中丢包率、开销或延迟大于其设定阈值的路径进行删除。
本实施方式中，将备选分组路径中丢包率、开销或延迟大于其设定阈值的路径进行删除的约束条件为如式(3)、(4)和(5)所示：
其中，s为源卫星节点，d为目的卫星节点，p(s，d)为当前分组转发路径，rp(s，d)为分组转发路径p(s，d)的丢包率，cp(s，d)为分组转发路径p(s，d)的开销，dp(s，d)为分组转发路径p(s，d)的延迟，E为设定的丢包率阈值，C为设定的开销阈值，D为设定的延迟阈值。
步骤4.4：设定分组转发路径的目标函数，从备选转发路径中按照目标函数选取最优分组转发路径。
本实施方式中，分组转发路径的目标函数的计算公式如式(6)所示：
其中，fp(s，d)为分组转发路径p(s，d)的权重信息，αd1为分组转发路径p(s，d)的丢包率的权重，αd2为分组转发路径p(s，d)的开销的权重值，αd3为分组转发路径p(s，d)的延迟的权重值。
步骤4.5：判断迭代次数是否达到最大迭代次数，若是执行步骤4.7，否则，步骤4.6。
步骤4.6：更新迭代次数，更新最优分组转发路径所经过的所有星间链路的荷尔蒙值，返回步骤4.2。
本实施方式中，更新最优分组转发路径所经过的所有星间链路的荷尔蒙值的公式如式(7)所示：
其中，τ(i，j)′为更新的星间链路e(i，j)的荷尔蒙值，p*(s，d)为当前最优路径，δ∈[0，1]为荷尔蒙蒸发因子，设置为0.1，η∈[0，1]为路由影响因子，设置为0.3。
步骤4.7：得到簇内分组源卫星节点到达目的卫星节点的最终分组转发路径。
步骤5：确定簇间分组由产生该分组的源卫星节点到达接收该分组的目的卫星节点的最终分组转发路径。
步骤5.1：将分组从产生该分组的源卫星节点到覆盖该源卫星节点所在簇的高轨卫星节点的路径作为该分组由源卫星节点传递至高轨卫星的路径。
步骤5.2：将分组的目的卫星节点到覆盖该目的卫星节点所在簇的高轨卫星节点的路径作为该分组由高轨卫星传递至目的卫星节点的路径。
步骤5.3：将源卫星节点对应的高轨卫星节点作为中继源卫星节点，将目的卫星节点对应的高轨卫星节点作为中继目的卫星节点。
步骤5.4：基于蚁群算法确定高轨卫星中簇内分组由中继源卫星节点到达中继目的卫星节点的分组转发路径。
步骤5.4.1：设定最大迭代次数，设定路径丢包率阈值、路径开销阈值和路径延迟阈值，根据各链路信息计算分组所在簇内的各条星间链路的初始荷尔蒙值。
步骤5.4.2：从中继源卫星节点开始，根据星间链路的荷尔蒙值计算分组选择下一跳卫星节点的选择概率，为分组选择多个备选的下一跳卫星节点，直至目的卫星节点，得到中继源卫星节点到中继目的卫星节点多条备选分组转发路径。
步骤5.4.3：计算备选分组路径的丢包率、开销和延迟，将备选分组路径中丢包率、开销或延迟大于其设定阈值的路径进行删除。
步骤5.4.4：设定分组转发路径的目标函数，从备选转发路径中按照目标函数选取最优分组转发路径。
步骤5.4.5：判断迭代次数是否达到最大迭代次数，若是执行步骤5.4.7，否则，执行步骤5.4.6。
步骤5.4.6：更新迭代次数，更新最优分组转发路径所经过的所有星间链路的荷尔蒙值，返回步骤5.4.2。
步骤5.4.7：得到簇内分组中继源卫星节点到达中继目的卫星节点的最终分组转发路径。
步骤5.5：将分组由源卫星节点传递至高轨卫星的路径、高轨卫星中簇内分组由中继源卫星节点到达中继目的卫星节点的分组转发路径和高轨卫星传递至目的卫星节点的路径作为簇间分组由产生该分组的源卫星节点到达接收该分组的目的卫星节点的最终分组转发路径。
本发明具体实施方式得到的路由路径的丢包率、开销和延迟与传统路由路径算法中的丢包率、开销和延迟的对比图如图5所示，其中，传统路由路径算法包括丢包率最短路径确定方法、链路消耗最短路径算法和延迟最短路径算法，图5(a)为本发明具体实施方式得到的路由路径的丢包率与传统路由路径算法中的丢包率的对比图，图5(b)为本发明具体实施方式得到的路由路径的开销与传统路由路径算法中的开销的对比图，图5(c)为本发明具体实施方式得到的路由路径的延迟与传统路由路径算法中的延迟的对比图，由图5可知，尽管单目标最短路径算法在单一度量参数中表现良好，例如丢包率，但却不能保证其他两者性能同样保持较好。而本发明方法可以同时权衡到多个度量参数，并且均保持良好。本发明方法实现了三种性能参数的联合优化，从而验证了本发明方法的有效性。
本发明具体实施方式得到的簇间路由跳数与传统路由路径算法的簇间路由跳数的对比图如图6所示，源卫星节点和目的卫星节点位于不同的簇内，由图6可知本发明方法可以减少跳数，从而达到减少链路切换的目的。

Claims (6)

1.电力通信分层路由路径确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将电力通信网络拓扑中的低高轨卫星进行簇划分，将所有高轨卫星作为一个卫星簇，将各高轨卫星覆盖范围内的低轨卫星分别作为一个卫星簇；
步骤2：获取低高轨卫星的电力通信网络拓扑中的各星间链路信息：丢包率、开销和延迟；
步骤3：判断分组的源卫星节点和目的卫星节点是否位于同一簇内，若是，执行步骤4，否则，执行步骤5；
步骤4：基于蚁群算法确定簇内分组由产生该分组的源卫星节点到达接收该分组的目的卫星节点的最终分组转发路径；
步骤5：确定簇间分组由产生该分组的源卫星节点到达接收该分组的目的卫星节点的最终分组转发路径；
步骤5.1：将分组从产生该分组的源卫星节点到覆盖该源卫星节点所在簇的高轨卫星节点的路径作为该分组由源卫星节点传递至高轨卫星的路径；
步骤5.2：将分组的目的卫星节点到覆盖该目的卫星节点所在簇的高轨卫星节点的路径作为该分组由高轨卫星传递至目的卫星节点的路径；
步骤5.3：将源卫星节点对应的高轨卫星节点作为中继源卫星节点，将目的卫星节点对应的高轨卫星节点作为中继目的卫星节点；
步骤5.4：基于蚁群算法确定高轨卫星中簇内分组由中继源卫星节点到达中继目的卫星节点的分组转发路径；
步骤5.5：将分组由源卫星节点传递至高轨卫星的路径、高轨卫星中簇内分组由中继源卫星节点到达中继目的卫星节点的分组转发路径和高轨卫星传递至目的卫星节点的路径作为簇间分组由产生该分组的源卫星节点到达接收该分组的目的卫星节点的最终分组转发路径。
2.根据权利要求1所述的电力通信分层路由路径确定方法，其特征在于，所述步骤5.4中所述中继源卫星节点在高轨簇内作为源卫星节点，所述中继目的卫星节点在高轨簇内作为目的卫星节点，所述步骤5.4与所述步骤4，包括以下步骤：
A：设定最大迭代次数，设定路径丢包率阈值、路径开销阈值和路径延迟阈值，根据各链路信息计算分组所在簇内的各条星间链路的初始荷尔蒙值；
B：从源卫星节点开始，根据星间链路的荷尔蒙值计算分组选择下一跳卫星节点的选择概率，为分组选择多个备选的下一跳卫星节点，直至目的卫星节点，得到源卫星节点到目的卫星节点多条备选分组转发路径；
C：计算备选分组路径的丢包率、开销和延迟，将备选分组路径中丢包率、开销或延迟大于其设定阈值的路径进行删除；
D：设定分组转发路径的目标函数，从备选转发路径中按照目标函数选取最优分组转发路径；
E：判断迭代次数是否达到最大迭代次数，若是执行G，否则，执行F；
F：更新迭代次数，更新最优分组转发路径所经过的所有星间链路的荷尔蒙值，返回B；
G：得到簇内分组源卫星节点到达目的卫星节点的最终分组转发路径。
3.根据权利要求2所述电力通信分层路由路径确定方法，其特征在于，所述星间链路的初始荷尔蒙值的计算公式为：其中，i为当前卫星节点，j为i的下一跳卫星节点，τ(i，j)为星间链路e(i，j)的初始荷尔蒙值，rij为星间链路e(i，j)的丢包率，cij为星间链路e(i，j)的开销，dij为星间链路e(i，j)的延迟，α1为星间链路e(i，j)的丢包率的权重，α2为星间链路e(i，j)的开销的权重，α3为星间链路e(i，j)的延迟的权重。
4.根据权利要求2所述电力通信分层路由路径确定方法，其特征在于，所述根据星间链路的荷尔蒙值计算分组选择下一跳卫星节点的选择概率的计算公式为：其中，P(i，j)为分组所在当前卫星节点i选择下一跳卫星节点j的选择概率，τ(i，j)为星间链路e(i，j)的荷尔蒙值，N(i)为分组所在当前卫星节点i的邻居节点集，即与当前卫星节点i有直接连接的卫星节点，A为分组尚未访问过的卫星节点集。
5.根据权利要求2所述电力通信分层路由路径确定方法，其特征在于，所述分组转发路径的目标函数的计算公式为：其中，s为源卫星节点，d为目的卫星节点，fp(s，d)为分组转发路径p(s，d)的权重信息，rp(s，d)为分组转发路径p(s，d)的丢包率，cp(s，d)为分组转发路径p(s，d)的开销，dp(s，d)为分组转发路径p(s，d)的延迟，αd1为分组转发路径p(s，d)的丢包率的权重，αd2为分组转发路径p(s，d)的开销的权重值，αd3为分组转发路径p(s，d)的延迟的权重值，R为设定的丢包率阈值，C为设定的开销阈值，D为设定的延迟阈值。
6.根据权利要求2所述电力通信分层路由路径确定方法，其特征在于，所述更新最优分组转发路径所经过的所有星间链路的荷尔蒙值的公式为：其中，i为当前卫星节点，j为i的下一跳卫星节点，τ(i，j)′为更新的星间链路e(i，j)的荷尔蒙值，τ(i，j)为星间链路e(i，j)的当前荷尔蒙值，s为源卫星节点，d为目的卫星节点，fp(s，d)为分组转发路径p(s，d)的权重信息，p*(s，d)为当前最优路径，δ∈[0，1]为荷尔蒙蒸发因子，η∈[0，1]为路由影响因子。
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