CN105471734A - 一种基于时隙的leo/meo双层卫星dtn网络分布式路由的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于时隙的LEO/MEO双层卫星DTN网络分布式路由的优化方法，属于卫星通信领域。本发明为了解决现有技术DTN网络中路由未完全考虑卫星DTN网络环境中卫星运行的规律性和链路的可预测性所造成拓扑关系变化时的大量数据包丢失及链路频繁变换带来的路由表频繁更新，计算量大的问题，进而提出一种基于时隙的LEO/MEO双层卫星DTN网络分布式路由的优化方法。本发明包括：步骤一、构建LEO/MEO双层卫星网络模型；步骤二、根据LEO/MEO双层卫星设计DTN网络分布式路由。本发明适用于卫星通信领域。

Description

一种基于时隙的LEO/MEO双层卫星DTN网络分布式路由的优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于时隙的LEO/MEO双层卫星DTN网络分布式路由的优化方法，属于卫星通信领域。

背景技术

近些年来，伴随着无线电通信技术、计算机科学技术、以及深空探测技术的迅猛发展，出现了一些违背传统网络特点的新型网络场景，如野生动物监测传感网络、陆地移动网络、空间网络、海底传感器网络、军事自组织网络。以上新型网络场景存在以下特点：链路延迟大、缺少端到端路径、链路通断频繁、缺乏连续能量供给、传输数据速率不对称，以及节点存储能力受限。而TCP/IP协议作为一种传统网络协议，它的应用条件是场景存在端到端路径、节点间传输时延小、数据包丢失率小、对称数据传输速率。因此新型网络中TCP/IP模型不再适用。因此，科研人员提出了容迟/容断网络(DelayandDisruptionTolerantNetwork，DTN)的概念。

容迟/容断网络(DelayandDisruptionTolerantNetwork，DTN)概念被提出后，DTN网络中路由技术成为如今DTN领域的研究热点。近年来多种DTN路由算法相继被提出，主要分为基于数据复制或数据转发两种方式以适应DTN的受限通信环境。其中数据复制是为每个消息复制多个副本，以增加副本被交付到目的节点的机会，但同时数据复制占用大量带宽和存储资源，易带来数据拥塞。数据转发是依据预测知识选择最优路径逐步转发数据包直到到达目的节点，但面对传输过程中的拓扑变化数据包容易半途丢失。

卫星网络作为深空通信系统的重要组成部分，也属于DTN网络的一种，但同时卫星DTN网络也有着卫星节点周期性运行及拓扑可预测的独特优势，这些特点在传统DTN经典算法中并未完全考虑进去。

ED算法是DTN网络路由算法的一种，在计算路由的过程中可利用卫星节点运行周期性及拓扑可预测性计算得到链路预测数据，从而进行路由选择，将传输时延和传播时延的总和作为链路开销，因此具有实时性效果较好，路由表可提前算出，卫星上数据计算量较小的特点。但ED算法作为源路由算法的一种，路由表在源卫星节点就被计算出，一旦传输过程中卫星发生故障或某中间节点处存在其他消息于队列中使该数据包不能立即发出，这就会导致数据包到达下一跳节点的时间不同于预测时间，从而使后续路由选择出现错误，导致数据包丢失、时延增大。而在路由时隙方面ED算法采用等长时间分片，虽然原理简单，实现简单，但适应网络中链路通断变化的性能差，易造成路由错误或错过可通信机会。

发明内容

本发明为了解决现有技术DTN网络中路由未完全考虑卫星DTN网络环境中卫星运行的规律性和链路的可预测性所造成拓扑关系变化时的大量数据包丢失及链路频繁变换带来的路由表频繁更新，计算量大的问题，进而提供一种基于时隙的LEO/MEO双层卫星DTN网络分布式路由的优化方法。

步骤一、构建LEO/MEO双层卫星网络模型；

构建LEO/MEO双层卫星网络模型，MEO+6LEO为双层卫星网络，采用1颗MEO卫星和6颗LEO卫星组成系统空间段，其中，MEO+6LEO双层卫星星座参数为：6颗LEO卫星，轨道周期为120min，轨道高度为1680.8km，轨道倾角60°，服从walker星座分布，每个轨道2颗，均匀分布在三个轨道上；1颗MEO卫星，周期为710.6min，高度为20000km，轨道倾角为55°；

步骤二、根据LEO/MEO双层卫星设计DTN网络分布式路由；

步骤二一、统计所有链路通断时刻，并按照时间数据划分时间片；

依据卫星运行的周期性，按照卫星轨道分布计算并统计所有任意两颗卫星间链路通断变化时刻，设共有N个卫星间链路通断变化时刻为{t₁，t₂…t_N}，其中t_N，N≥1；依次将t₁到t_N按顺序作为每一个时间片的起始时刻；

步骤二二、将步骤二一中任意两颗卫星间链路通断变化时刻{t₁，t₂…t_N}进行路由更新时间优化；

步骤二二一、设置最小时间门限值λ₁，两路由更新时隙间时间间隔为T，当T<λ₁，更新时刻与上一个路由更新时刻合并，减少时间片数量，解决时间片过短问题，设置λ₁为15s；

步骤二二二、设置最大时间门限值λ₂优化的路由更新策略，当相邻两个路由更新时刻相隔时间T>λ₂时，将两时刻中间时间以时间间隔Δλ重新进行等长分片，细化分片时间，提高路由表精确度；获得优化后的路由更新时刻矩阵R，设优化后共有M个路由更新时刻，则路由更新时刻矩阵R＝{t₁',t₂',t₃'......t_M'}，其中，M≥1；将λ₂设置为4min，Δλ设置为2min；

步骤二三、每一次路由更新为七颗卫星建立路由表，以其本身为源节点，其他六颗卫星为目的节点，计算链路延时开销，由DTN网络路由—ED算法计算路由表；

步骤二三一、根据卫星轨道数据计算出各个时间片内的网络拓扑状态矩阵A及路由更新时刻矩阵R，设将轨道周期分为M个路由更新时刻，即M-1个时间片，其中第m个时间片的网络链路状态矩阵为Am；

其中Am矩阵元素

矩阵R中元素Rm为每个时间片的起始时刻，其中m＝{1,2,...,M-1}；

步骤二三二、卫星随时间周期性运行，每到一路由更新时刻，依据预测的每颗卫星的位置信息<la(t),long(t),al(t)>，其中，la(t)是纬度，long(t)是经度，al(t)是高度，计算卫星节点之间的距离，结合网络链路状态矩阵Am，生成卫星网络拓扑矩阵Bm；

其中Bm矩阵元素

步骤二三三、对第m个时间片对应的卫星网络拓扑矩阵Bm进行计算，得出最优路径，即时延最小路径，由DTN网络分布式路由，每次路由更新时刻为七颗卫星建立路由表集TABLE_m＝{TAB_m1,TAB_m2,…,TAB_m7}，其中，m＝{1,2,.··,M-1}，路由表集中的每张路由表单元TAB_mk为在第m个时间片上第k颗卫星上保存的路由表，表中保存着目的节点卫星序号Dest_node及从k卫星到目的卫星节点的下一跳节点序号Next_hop，时间片内源节点卫星与目的节点卫星间无可通信链路，则设定下一跳为本节点；如表1，为第一个时间片内卫星1节点即LEO11卫星上存储的路由表TAB₁1；

表1

步骤二四、按照每到一个节点查找一次路由的逐跳查找路由方式为数据包查找路由，实现分布式路由；

步骤二五、由步骤二二中所计算的优化路由更新时刻R＝{t₁',t₂',t₃'......t_M'}，其中，M≥1，每到一次路由更新时刻，按步骤二三为每个卫星计算一次路由表，并在每个卫星上及时更新路由表；

步骤二六、LEO/MEO双层卫星节点上数据包的存储转发；

按照每个卫星节点星上存储的链路状态表查找下一跳，当找不到可用下一跳即无可通信链路时，将数据包存入该卫星的星上存储队列，并为存储队列设置重查路由周期T_rroute＝20_sec定期为队首数据包查找路由；存储队列设置了存储容量为C，存储容量满后，将收到的数据包销毁。

本发明有益效果：

1、本发明以DTN网络算法——最早传递算法(ED)作为基础算法对LEO/MEO双层卫星网络进行优化以提高数据包成功投递率及减小平均端到端时延；

2、本发明构建LEO/MEO双层卫星网络模型，作为双层卫星网络路由研究的基础，结合了MEO卫星和LEO卫星二者的优势；具有通信时延小，分布式计算路由优点。

附图说明

图1为本发明的MEO+6LEO双层卫星DTN网络图，其中LEO11，LEO12为第一条卫星轨道上均匀分布的两颗低地球轨道卫星，LEO21，LEO22为第二条卫星轨道上均匀分布的两颗低地球轨道卫星，LEO31，LEO32为第三条卫星轨道上均匀分布的两颗低地球轨道卫星，MEO为双层卫星星座中的中地球轨道卫星；

图2为本发明基于时隙的LEO/MEO双层卫星DTN网络分布式路由的优化方法流程图；

图3为本发明的时隙优化DTN网络分布式路由更新示意图；其中，T为两个路由更新时刻的时间间隔；λ₁为最短时间片门限值，即小于λ₁的时间片要与上一个时间分片进行合并；λ₂为最长时间片门限值，即小于λ₂的时间片要进行重新分片；Δλ为将长时间片重新等长分片的时间片长度；t₁，t₂…t_N为依据卫星轨道参数及实时位置数据统计的任意两颗卫星间链路通断变化时刻，t₁',t₂',t₃'......t_M'为优化后的路由更新时刻；

图4为本发明的ED算法与改进的ED算法数据包成功投递率仿真对比统计图；

图5为本发明的ED算法与改进的ED算法的平均端到端时延仿真对比统计图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种基于时隙的LEO/MEO双层卫星DTN网络分布式路由的优化方法包括以下步骤：

步骤一、构建LEO/MEO双层卫星网络模型如图1；

步骤二、根据LEO/MEO双层卫星设计DTN网络分布式路由如图2；

步骤二一、统计所有链路通断时刻，并按照时间数据划分时间片如图3；

依据卫星运行的周期性，按照卫星轨道分布计算并统计所有任意两颗卫星间链路通断变化时刻，设共有N个卫星间链路通断变化时刻为{t₁，t₂…t_N}，其中t_N，N≥1；依次将t₁到t_N按顺序作为每一个时间片的起始时刻；

步骤二二、将步骤二一中任意两颗卫星间链路通断变化时刻{t₁，t₂…t_N}进行路由更新时间优化；

步骤二三、每一次路由更新为七颗卫星建立路由表，以其本身为源节点，其他六颗卫星为目的节点，计算链路延时开销，由DTN网络路由—ED算法计算路由表；

步骤二四、按照每到一个节点查找一次路由的逐跳查找路由方式为数据包查找路由，实现分布式路由；

步骤二五、由步骤二二中所计算的优化路由更新时刻R＝{t₁',t₂',t₃'......t_M'}，其中，M≥1，每到一次路由更新时刻，按步骤二三为每个卫星计算一次路由表，并在每个卫星上及时更新路由表；

步骤二六、LEO/MEO双层卫星节点上数据包的存储转发；

按照每个卫星节点星上存储的链路状态表查找下一跳，当找不到可用下一跳即无可通信链路时，将数据包存入该卫星的星上存储队列，并为存储队列设置重查路由周期T_rroute＝20_sec定期为队首数据包查找路由；存储队列设置了存储容量为C，存储容量满后，将收到的数据包销毁。

本实施方式的有益效果：

1、本实施方式以DTN网络算法——最早传递算法(ED)作为基础算法对LEO/MEO双层卫星网络进行优化以提高数据包成功投递率及减小平均端到端时延；

2、本实施方式构建LEO/MEO双层卫星网络模型，作为双层卫星网络路由研究的基础，结合了MEO卫星和LEO卫星二者的优势；具有通信时延小，分布式计算路由优点。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同，其特征在于，所述的步骤一构建LEO/MEO双层卫星网络模型如图1所示：

构建LEO/MEO双层卫星网络模型，MEO+6LEO为双层卫星网络，采用1颗MEO卫星和6颗LEO卫星组成系统空间段，其中，MEO+6LEO双层卫星星座参数为：6颗LEO卫星，轨道周期为120min，轨道高度为1680.8km，轨道倾角60°，服从walker星座分布，每个轨道2颗，均匀分布在三个轨道上；1颗MEO卫星，周期为710.6min，高度为20000km，轨道倾角为55°。

具体实施方式三：本实施方式的与具体实施方式一不同，其特征在于，所述的步骤二二进行路由更新时间优化步骤如下：

步骤二二一、设置最小时间门限值λ₁，两路由更新时隙间时间间隔为T，当T<λ₁，更新时刻与上一个路由更新时刻合并，减少时间片数量，解决时间片过短问题，设置λ₁为15s；

步骤二二二、设置最大时间门限值λ₂优化的路由更新策略，当相邻两个路由更新时刻相隔时间T>λ₂时，将两时刻中间时间以时间间隔Δλ重新进行等长分片，细化分片时间，提高路由表精确度；获得优化后的路由更新时刻矩阵R，设优化后共有M个路由更新时刻，则路由更新时刻矩阵R＝{t₁',t₂',t₃'......t_M'}，其中，M≥1；将λ₂设置为4min，Δλ设置为2min。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同，其特征在于，所述的步骤二三计算链路延时开销，由DTN网络路由—ED算法计算路由表步骤如下：

步骤二三一、根据卫星轨道数据计算出各个时间片内的网络拓扑状态矩阵A及路由更新时刻矩阵R，设将轨道周期分为M个路由更新时刻，即M-1个时间片，其中第m个时间片的网络链路状态矩阵为Am；

其中Am矩阵元素

矩阵R中元素Rm为每个时间片的起始时刻，其中m＝{1,2,··.,M-1}；

步骤二三二、卫星随时间周期性运行，每到一路由更新时刻，依据预测的每颗卫星的位置信息<la(t),long(t),al(t)>，其中，la(t)是纬度，long(t)是经度，al(t)是高度，计算卫星节点之间的距离，结合网络链路状态矩阵Am，生成卫星网络拓扑矩阵Bm；

其中Bm矩阵元素

步骤二三三、对第m个时间片对应的卫星网络拓扑矩阵Bm进行计算，得出最优路径，即时延最小路径，由DTN网络分布式路由，每次路由更新时刻为七颗卫星建立路由表集TABLE_m＝{TAB_m1,TAB_m2,…,TAB_m7}，其中，m＝{1,2,...,M-1}，路由表集中的每张路由表单元TAB_mk为在第m个时间片上第k颗卫星上保存的路由表，表中保存着目的节点卫星序号Dest_node及从k卫星到目的卫星节点的下一跳节点序号Next_hop，时间片内源节点卫星与目的节点卫星间无可通信链路，则设定下一跳为本节点；如表1，为第一个时间片内卫星1节点即LEO11卫星上存储的路由表TAB₁1。

表1

实施例

本发明仿真过程中仿真参数设定如下：卫星数据速率为1024Kbps，包的平均长度为1024bits，各节点发包速率为1个/s，节点存储容量C取值为(0，20，40，80，100，200，300，400，500，600，700，800)。

通过仿真图4和图5表明，数据包成功投递率及平均端到端时延都有明显提高，随节点存储容量的提高，包成功投递率逐渐提高，直到存储容量达到500以上，包成功投递率基本不变，平稳时改进算法的包成功投递率与ED算法对比提高3％，分布式路由算法在每个节点查找下一跳，卫星的数据包在传输过程中出突发情况，或数据包因在卫星节点的存储队列中长时间存储，导致数据包传输过程中卫星网络拓扑状态已经改变，数据包实时根据当前网络的拓扑状态寻找当前最优路径，更适应链路通断的变化；在平均端到端时延的指标上，随着节点存储容量的增大，平均端到端时延逐渐提高，存储容量逐渐增大，包的销毁量减小，延时会不断增加，当存储容量达到需求，平均端到端时延达到最大，基本达到稳定值；平稳时与ED算法相比改进后的算法平均端到端时延减小14s，路由更新时间优化后，路径选择更接近于ED算法最优路径，从而降低了平均时延。

Claims (5)

1.一种基于时隙的LEO/MEO双层卫星DTN网络分布式路由的优化方法，其特征在于，所述的基于时隙的LEO/MEO双层卫星DTN网络分布式路由的优化方法包括如下步骤：

步骤一、构建LEO/MEO双层卫星网络模型；

步骤二、根据LEO/MEO双层卫星设计DTN网络分布式路由；

步骤二一、统计所有链路通断时刻，并按照时间数据划分时间片；

依据卫星运行的周期性，按照卫星轨道分布计算并统计所有任意两颗卫星间链路通断变化时刻，设共有N个卫星间链路通断变化时刻为{t₁，t₂…t_N}，其中t_N，N≥1；依次将t₁到t_N按顺序作为每一个时间片的起始时刻；

步骤二二、将步骤二一中任意两颗卫星间链路通断变化时刻{t₁，t₂…t_N}进行路由更新时间优化；

步骤二三、每一次路由更新为七颗卫星建立路由表，以其本身为源节点，其他六颗卫星为目的节点，计算链路延时开销，由DTN网络路由—ED算法计算路由表；

步骤二四、按照每到一个节点查找一次路由的逐跳查找路由方式为数据包查找路由，实现分布式路由；

步骤二五、由步骤二二中所计算的优化路由更新时刻R＝{t₁',t₂',t₃'......t_M'}，其中，M≥1，每到一次路由更新时刻，按步骤二三为每个卫星计算一次路由表，并在每个卫星上及时更新路由表。

2.根据权利要求1所述的一种基于时隙的LEO/MEO双层卫星DTN网络分布式路由的优化方法，其特征在于，所述的步骤一构建LEO/MEO双层卫星网络模型包括：

MEO+6LEO双层卫星网络，采用1颗MEO卫星和6颗LEO卫星组成系统空间段，其中，MEO+6LEO双层卫星星座参数为：6颗LEO卫星，轨道周期为120min，轨道高度为1680.8km，轨道倾角60°，服从walker星座分布，每个轨道2颗，均匀分布在三个轨道上；1颗MEO卫星，周期为710.6min，高度为20000km，轨道倾角为55°。

3.根据权利要求2所述的一种基于时隙的LEO/MEO双层卫星DTN网络分布式路由的优化方法，其特征在于，所述的步骤二二进行路由更新时间优化步骤如下：

步骤二二一、设置最小时间门限值λ₁，两路由更新时隙间时间间隔为T，当T<λ₁，更新时刻与上一个路由更新时刻合并，减少时间片数量，解决时间片过短问题，设置λ₁为15s；

步骤二二二、设置最大时间门限值λ₂优化的路由更新策略，当相邻两个路由更新时刻相隔时间T>λ₂时，将两时刻中间时间以时间间隔Δλ重新进行等长分片，细化分片时间，提高路由表精确度；获得优化后的路由更新时刻矩阵R，设优化后共有M个路由更新时刻，则路由更新时刻矩阵R＝{t₁',t₂',t₃'......t_M'}，其中，M≥1；将λ₂设置为4min，Δλ设置为2min。

4.根据权利要求3所述的基于路由更新优化策略的分布式LEO/MEO双层DTN网络路由算法，其特征在于，所述的步骤二三计算链路延时开销，由DTN网络路由—ED算法计算路由表的步骤如下：

步骤二三一、根据卫星轨道数据计算出各个时间片内的网络拓扑状态矩阵A及路由更新时刻矩阵R，设将轨道周期分为M个路由更新时刻，即M-1个时间片，其中第m个时间片的网络链路状态矩阵为Am；

其中Am矩阵元素

矩阵R中元素Rm为每个时间片的起始时刻，其中m＝{1,2,···,M-1}；

步骤二三二、卫星随时间周期性运行，每到一路由更新时刻，依据预测的每颗卫星的位置信息<la(t),long(t),al(t)>，其中，la(t)是纬度，long(t)是经度，al(t)是高度，计算卫星节点之间的距离，结合网络链路状态矩阵Am，生成卫星网络拓扑矩阵Bm；

其中Bm矩阵元素

步骤二三三、对第m个时间片对应的卫星网络拓扑矩阵Bm进行计算，得出最优路径，即时延最小路径，由DTN网络分布式路由，每次路由更新时刻为七颗卫星建立路由表集TABLE_m＝{TAB_m1,TAB_m2,…,TAB_m7}，其中，m＝{1,2,··.,M-1}，路由表集中的每张路由表单元TAB_mk为在第m个时间片上第k颗卫星上保存的路由表，表中保存着目的节点卫星序号Dest_node及从k卫星到目的卫星节点的下一跳节点序号Next_hop，时间片内源节点卫星与目的节点卫星间无可通信链路，则设定下一跳为本节点。

5.根据权利要求1所述的一种基于时隙的LEO/MEO双层卫星DTN网络分布式路由的优化方法，其特征在于，所述的步骤二还包括步骤二六LEO/MEO双层卫星节点上数据包的存储转发：

根据步骤二四每个卫星节点星上存储的链路状态表查找下一跳，当找不到可用下一跳即无可通信链路时，将数据包存入源节点卫星的星上存储队列，并为存储队列设置重查路由周期T_rroute＝20_sec定期为队首数据包查找路由；存储队列设置了存储容量为C，存储容量满后，将收到的数据包销毁。