CN106789329B - 一种分布式的多层卫星中断容忍网络接触计划设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种分布式的多层卫星中断容忍网络接触计划设计方法，包括：基于各层节点的分布式的接触划分和基于流量感知进行层间接触选择。本发明提出的一种分布式的接触计划设计方法，通过将整个网络中的接触信息划分为不同部分来降低每个节点的接触计划的复杂性。另外，本发明提出一种流量感知的层间接触选择方法，当层间接触中断后，GEO根据整个网络中的流量状况为失效接触的低层节点选择合适的层间接触重新建立连接，以此保证网络的完整性。
Description
技术领域
本发明涉及计算机网络技术领域。更具体地，涉及一种分布式的多层卫星中断容忍网络接触计划设计方法。
背景技术
由于卫星网络可以提供全球覆盖以及持续的广播功能，其已经在导航、灾害紧急通信、边远地区网络接入等方面起到越来越重要的作用，同时对卫星网络的研究已经引起广泛关注，包括将卫星网络和未来5G网络结合，使用SDN/NFV技术来增强灵活性等。但是空间环境存在较长时延、较高误码率、频繁的链路切换，传统的TCP/IP网络无法直接使用，中断容忍网络(Disruption Tolerant Network，DTN)则为未来卫星网络设计提供了另一种解决方案。通过在传统OSI模型应用层下加入束层协议(Bundle Protocol，BP)和汇聚层协议(Convergence Layer Adapter，CLA)，DTN可以使用存储转发的策略应对频繁的链路中断。当没有可用路径时，数据将暂时存储在中间节点。DTN将应用层数据分割为小的bundle，通过汇聚层协议实现同传输层的交互，最终将bundle逐层封装到IP层进行传输。DTN使用bundle中的“EID”的节点号和服务号来区分不同的bundle。
由于卫星环境中，节点的运动轨迹是可以调度和预知的，因此可以预先获得任意两个节点间的通信机会信息，如通信的起始时间、终止时间、传输速率、节点间距离等。接触图路由(Contact Graph Routing，CGR)将两个节点间的通信机会称为一个“接触”，并把链路信息按照接触的方式配置在“接触计划”(contact plan)里。预先配置的接触信息包括接触的起始节点(from node)、终止节点(to node)、起始时间(from time)、终止时间(totime)、传输速率(rate)、节点间距离(range)。在转发数据时，转发节点将根据bundle EID中的目的节点号，从接触计划中找到从本队节点到目的节点的路径，以此实现路由计算。接触计划中接触信息格式如下：
| 起始节点 | 终止节点 | 起始时间 | 终止时间 | 节点间距离 | 传输速率 |
按照轨道高度的不同，卫星节点可以分为高轨道卫星(Geostationary EarthOrbit，GEO,36,000km)，中轨道卫星(Medium Earth Orbit，MEO,5,000-10,000km)和低轨道卫星(Low Earth Orbit，LEO,500-1500km)。同时由于轨道高度的不同，各层卫星都具有各自的特点：GEO层节点可以提供比较大的覆盖范围但具有比较长的传播时延，同时由于仰角原因，对两极区域用户无法直接覆盖；LEO和MEO节点则可以提供较小的传播时延，并且通过同层的卫星配合可以实现全球覆盖。相较于单层卫星网络，多层卫星网络可以发挥各层卫星节点的优势，扩充卫星网络容量，提供更多可供选择的链路以及更灵活的网络管理。多层卫星网络中LEO层卫星通常只与相连轨道及同轨道的四颗卫星建立连接，低层和高层卫星间通常只维持一条链路。
CGR通过接触计划中存储的接触信息为数据计算路由，其计算性能和接触计划的中接触信息的数目和复杂程度存在很大关系，如果接触计划过于复杂，将引起非常大的计算时延。由于同层卫星节点之间位置相对固定，而不同层的卫星节点则由于相对运动导致链路频繁发生切换，每一次切换都将产生一次新的接触。同时单颗低层卫星会同时在多颗高层卫星的覆盖范围之内，如单颗LEO会被多颗MEO及GEO同时覆盖。如果将三层卫星网络中所有节点间的接触信息全部配置在接触计划中将导致卫星节点的接触计划非常庞大，引起较大的计算时延。同时如果层间接触选择不当，将引起网络拥塞。因此如何在资源受限的卫星节点灵活的设计接触计划，对路由计算效率至关重要。
因此，需要提供一种分布式的多层卫星中断容忍网络接触计划设计方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分布式的多层卫星中断容忍网络接触计划设计方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明旨在提出一种分布式的三层卫星中断容忍网络接触计划设计方法，该方法包括基于各层节点的分布式接触划分和基于流量感知的层间接触选择两部分。分布式接触划分部分根据卫星节点的不同层次设计不同的接触计划，将整个网络中的接触信息划分成不同部分，以此降低每个节点所维持的接触计划的复杂性，进而降低各节点的计算时延。流量感知的层间接触选择方法包括MEO节点流量状态更新和层间接触选择两种机制。当层间接触发生中断时，通过流量感知的层间接触选择方法选择新的层间接触，以此实现接触图的动态更新，保证多层卫星网络的数据可达性。
一种分布式的多层卫星中断容忍网络接触计划设计方法，该方法包括以下步骤：
基于各层节点的分布式进行接触划分；
基于流量感知进行层间接触选择。
优选地，基于各层节点的分布式的接触划分包括：LEO层节点接触计划、MEO层节点接触计划和GEO层节点接触计划。
进一步优选地，LEO层节点接触计划包括：
由于三层卫星网络中使用MEO层和LEO层作为数据转发层，同时LEO层节点数目较多时，如果将所有的LEO接触信息均配置在接触计划中将引起非常大的计算时延。对于长跳数数据，通过MEO层转发将极大降低总的传播跳数，而随着跳数的降低，每一跳产生的传输时延和路由计算时延也将随之降低，MEO层转发长跳数数据；
LEO层节点维持LEO层内接触和LEO层间接触：LEO层内接触包括距离该LEO节点n跳之内的LEO层节点间的接触信息，n的取值根据网络拓扑规模确定；LEO层间接触包括LEO层节点与GEO层节点间的一条接触信息以及LEO层节点与MEO层之间的一条接触信息，且当层间接触中断后，GEO层将为该中断的LEO层节点选择新的层间接触。
优选地，MEO层节点接触计划中维持MEO层内接触和MEO层间接触：MEO层内接触指MEO层节点间的所有接触信息；MEO层间接触指当前时刻所有LEO层节点与MEO层节点之间的接触信息，及当前时刻MEO层节点与GEO层节点间的一条接触信息。优选地，GEO层节点接触计划包括：
数据接触计划，GEO层节点维持网络中当前的所有层间接触信息以及GEO节点之间的接触信息；及
切换管理接触计划，GEO层节点记录网络中未来时间内的所有潜在层间接触信息。
GEO节点通过定时遍历数据接触计划，找到即将发生中断的层间接触，然后从切换管理接触计划中找到合适的层间接触，下发到相关节点，以此实现层间接触的动态更新，应该节点间的频繁切换问题。
优选地，基于流量感知进行层间接触选择包括：
建立MEO节点流量状况更新机制和层间接触选择机制；
当发现流量状况发生变化时，MEO节点将向GEO层发送流量更新信息，以此实现GEO层对整个MEO层流量状况的掌握，当选择新的层间接触时可以根据MEO层流量选择最合适的节点建立连接。MEO层节点通过流量状况更新机制定时检测本地节点到MEO层邻居节点的队列长度以及接入的LEO层卫星流量的变化情况，当变化比例超过一定限制时，向GEO节点发送流量更新信息；
GEO节点利用层间接触选择机制发现即将发生中断的层间接触，并从所有潜在接触中为中断接触的低层节点重新选择合适的层间接触并下发到相关节点，动态更新接触图。
进一步优选地，MEO节点流量状况更新机制包括：MEO层队列信息更新和LEO层流量信息更新。
优选地，MEO层队列信息更新的接触信息格式为：
优选地，队列长度更新包括：MEO节点每隔5s遍历一次接触计划；根据接触的起始和终止节点判断该接触是否属于本地节点到MEO层邻居节点间的接触：如果属于，则计算当前时刻本地节点到该邻居节点的队列长度，比较该值与接触计划中记录的队列长度是否发生变化，如果变化比例大于5％，则在接触计划中记录新的队列长度，同时生成流量更新信息发往与其直接相连的GEO节点。
优选地，流量状况更新包括：MEO节点记录5s内从LEO节点接收到的数据大小，取平均值作为该接触的平均接入流量记录在流量记录列表内；当MEO节点遍历接触计划时，找到属于LEO节点到本地节点之间的接触，之后从流量记录列表找到记录的流量大小与接触计划中记录的该接触的流量大小进行比较，如果变化比例超过5％，则在接触计划中将该接触的流量记录更新为新的值，同时向GEO节点发送更新消息；GEO在接收到队列和流量更新消息后，更新接触计划中相应接触的信息同时向其他GEO层卫星节点更新该信息。
优选地，MEO节点流量状况更新具体包括以下步骤：
步骤1：打开接触计划，找到接触计划中的第一条接触，执行步骤2；
步骤2：根据节点号检查该接触是否为本地节点与邻居MEO节点间的接触，如果是则执行步骤3，否则执行步骤5；
步骤3：计算本地节点到该邻居节点的队列长度，并比较该值与接触计划中记录的队列长度值是否发生变化，计算变化比例，如果变化比例超过5％，执行步骤4，否则执行步骤8；
步骤4：此时表明队列长度变化比例超过预设值，更新接触计划中该接触的队列长度，同时生成流量更新消息发送到GEO节点，执行步骤8；
步骤5：检查该接触是否为以LEO节点为起点，以本地MEO节点为终点的接触，如果是则执行步骤6，否则执行步骤8；
步骤6：在本地节点的流量记录列表中找到从该LEO接入的流量，与接触计划中记录的该接触的流量大小作比较，计算变化比例，如果超过5％，执行步骤7，否则执行步骤8；
步骤7：生成流量更新信息，发送到GEO节点，同时在接触计划中更新该接触的流量大小，随后执行步骤8；
步骤8：检查下一条接触是否存在，如果是则说明存在尚未检查的接触，对下一条接触执行步骤2；否则说明所有接触已经检查完毕，执行步骤9；
步骤9：休眠5s，之后返回执行步骤1。
优选地，层间接触选择机制具体包括以下步骤：
步骤1：打开接触计划，找到第一条接触，执行步骤2；
步骤2：检测该接触的剩余时间，如果小于5s说明即将发生中断，执行步骤3，否则执行步骤17；
步骤3：检查中断接触的性质，如果是LEO与MEO之间的接触，执行步骤4，否则执行步骤11；
步骤4：打开切换管理接触计划，查看第一条接触，对其执行步骤5；
步骤5：如果该接触是以中断接触的LEO节点为起点，以MEO层节点为终点，执行步骤6；否则执行步骤9；
步骤6：检查该接触的起始时间是否小于中断接触的终止时间，终止时间是否大于中断接触的终止时间，如果是则说明当中断接触中断时，该接触可用使用，随后执行步骤7，否则执行步骤9；
步骤7：检查该接触的剩余时间是否大于我们设定的最小值T，如果大于执行步骤8，否则执行步骤9；
步骤8：检查该接触的MEO节点当前接入的LEO数量，如果小于我们预先设定的最小值，则根据该节点的权值计算出f，加入备选集，执行步骤9；
步骤9：检查是否存在下一条记录，如果存在则对下一条接触执行步骤5；否则执行步骤10；
步骤10：从中选择具有最小f值的接触作为新的接触，将该接触加入到GEO所维持的接触计划中，并生成接触更新信息发送到所有MEO节点和GEO节点以及相应的LEO节点，随后清空备选集，执行步骤17。
步骤11：检查该接触是否为以低层节点(LEO和MEO节点)为起点，以GEO层为终点的接触，如果是则执行步骤12；否则执行步骤17；
步骤12：打开切换管理接触计划，查看第一条接触，对其执行步骤13；
步骤13：如果该接触是以中断接触的低层节点为起点，以GEO层节点为终点，执行步骤14；否则执行步骤15；
步骤14：检查该接触的起始时间是否小于中断接触的终止时间，终止时间是否大于中断接触的终止时间，如果是则说明当中断接触中断时，该接触可用使用，将其加入备选集，随后执行步骤15，否则直接执行步骤15；
步骤15：检查是否存在下一跳接触，如果存在，则对下一跳接触执行步骤13，否则执行步骤16；
步骤16：从备选集中选择持续时间最长的接触作为该中断接触的低层节点与GEO之间的接触，向相关节点发送更新信息并清空备选集，执行步骤17；
步骤17：检查接触计划中是否存在下一跳接触，如果存在返回执行步骤2；否则执行步骤18；
步骤18：休眠5s，之后返回执行步骤1。
本发明的有益效果如下：
本发明的一种分布式的多层卫星中断容忍网络接触计划设计方法，提出一种分布式的接触计划设计方法，通过将整个网络中的接触信息划分为不用部分来降低每个节点的接触计划的复杂性。另外，本发明还提出一种流量感知的层间接触选择方法，当层间接触中断后，GEO根据整个网络中的流量状况为失效接触的低层节点选择合适的层间接触重新建立连接，以此保证网络的完整性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出MEO节点流量更新机制流程图。
图2示出层间接触选择机制流程图。
图3示出LEO接触计划设计方法示意图。
图4示出基于流量感知的层间接触选择方法示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明旨在提出一种分布式的三层卫星中断容忍网络接触计划设计方法，该方法包括基于各层节点的分布式接触划分和基于流量感知的层间接触选择两部分。分布式接触划分部分根据卫星节点的不同层次设计不同的接触计划，将整个网络中的接触信息划分成不同部分，以此降低每个节点所维持的接触计划的复杂性，进而降低各节点的计算时延。流量感知的层间接触选择方法包括MEO节点流量状态更新和层间接触选择两种机制。当层间接触发生中断时，通过流量感知的层间接触选择方法选择新的层间接触，以此实现接触图的动态更新，保证多层卫星网络的数据可达性。
本发明包括分布式三层卫星中断容忍网络接触计划和基于流量感知的动态层间接触选择，具体地：
1、分布式三层卫星中断容忍网络接触计划
分布式的接触划分机制根据节点的不同层次属性将完整的接触信息进行划分，不同层的卫星节点使用不同的接触计划，各层通过协作的方式来保证整个网络的完整性和数据的路由可达性。
(1)LEO层节点接触计划
由于三层卫星网络中使用MEO层和LEO层作为数据转发层，同时LEO层节点数目较多时，如果将所有的LEO接触信息均配置在接触计划中将引起非常大的计算时延。对于长跳数数据，通过MEO层转发将极大降低总的传播跳数，而随着跳数的降低，每一跳产生的传输时延和路由计算时延也将随之降低，因此，我们设计长跳数数据由MEO转发。LEO层节点需要在接触计划中维持三种性质的接触信息：第一种为层内接触，LEO节点需要维持距离自己n跳之内的LEO节点间的接触信息，n的取值根据网络拓扑规模确定，当使得到达整个网络中所有LEO节点的数据平均传递时延最小时即为最佳取值；第二种为层间接触，包括自己与GEO节点间的接触信息以及自己与MEO层之间的一条接触信息，当层间接触中断后，GEO将为该中断的LEO节点选择新的层间接触。
(2)MEO层节点接触计划
MEO节点同样在接触计划中维持两种接触信息。第一种为层内接触，由于MEO层节点数目相对较少且比较稳定，MEO节点将维持整个MEO层的所有接触信息。第二种为层间接触，MEO将维持所有LEO节点与MEO层之间的所有接触信息，对于MEO与GEO之间的接触，MEO则只维持自己与当前时刻相连的GEO之间的接触信息。
(3)GEO层节点接触计划
GEO节点维持两种接触计划。一种是数据接触计划，维持整个网络中当前的所有层间接触信息以及GEO节点之间的接触信息。另一种为切换管理接触计划，记录整个网络中未来时间内的所有潜在层间接触信息。GEO节点通过定时遍历数据接触计划，找到即将发生中断的层间接触，然后从切换管理接触计划中找到合适的层间接触，下发到相关节点，以此实现层间接触的动态更新，应该节点间的频繁切换问题。
2、基于流量感知的动态层间接触选择
基于流量感知的层间接触选择包括MEO节点流量状况更新机制和层间接触选择两种机制。MEO层节点通过流量状况更新机制定时检测本地节点到MEO层邻居节点的队列长度以及接入的LEO层卫星流量的变化情况，当变化比例超过一定限制时，及时向GEO节点发送流量更新信息。GEO节点利用层间接触选择机制发现即将发生中断的层间接触，并从所有潜在接触中为该中断接触的低层节点重新选择合适的层间接触并下发到相关节点，以此实现接触图的动态更新，保证多层卫星网络内数据的可达性。
(1)MEO节点流量状况更新机制
MEO节点流量状况更新机制包括两个部分：第一部分是MEO层队列信息更新，第二部分是接入的LEO层流量信息更新，当发现流量状况发生变化时，MEO节点将向GEO层发送流量更新信息，以此实现GEO层对整个MEO层流量状况的掌握，当选择新的层间接触时可以根据MEO层流量选择最合适的节点建立连接。
该机制修改了接触计划中原有的接触信息格式，为接触加入了两种流量状况记录，分别用来记录接触的队列长度和接入流量大小，新定义的接触信息格式如下所示：
队列长度更新：MEO节点每隔5s遍历一次接触计划，根据接触的起始和终止节点判断该接触是否属于本地节点到MEO层邻居节点间的接触，如果属于，则计算当前时刻本地节点到该邻居节点的队列长度。比较该值与接触计划中记录的队列长度是否发生变化，如果变化比例大于5％，则在接触计划中记录新的队列长度，同时生成流量更新信息发往与其直接相连的GEO节点。
流量状况更新：我们建立流量记录列表来记录接入的LEO节点与本地节点之间的流量状况。首先MEO节点记录5s内从LEO节点接收到的数据大小，取平均值作为该接触的平均接入流量记录在流量记录列表内。当MEO节点遍历接触计划时，找到属于LEO节点到本地节点之间的接触，之后从流量记录列表找到记录的流量大小与接触计划中记录的该接触的流量大小进行比较，如果变化比例超过5％，则在接触计划中将该接触的流量记录更新为新的值，同时向GEO节点发送更新消息。GEO在接收到队列和流量更新消息后，更新接触计划中相应接触的信息同时向其他GEO层卫星节点更该信息。
图1示出MEO节点流量状况更新流程图，具体步骤如下：
步骤1：打开接触计划，找到接触计划中的第一条接触，执行步骤2；
步骤2：根据节点号检查该接触是否为本地节点与邻居MEO节点之间的接触，如果是则执行步骤3，否则执行步骤5；
步骤3：计算本地节点到该邻居节点的队列长度，并比较该值与接触计划中记录的队列长度值是否发生变化，计算变化比例，如果变化比例超过5％，执行步骤4，否则执行步骤8；
步骤4：此时表明队列长度变化比例超过预设值，更新接触计划中该接触的队列长度，同时生成流量更新消息发送到GEO节点，执行步骤8；
步骤5：检查该接触是否为以LEO节点为起点，以本地MEO节点为终点的接触，如果是则执行步骤6，否则执行步骤8；
步骤6：在本地节点的流量记录列表中找到从该LEO接入的流量，与接触计划中记录的该接触的流量大小作比较，计算变化比例，如果超过5％，执行步骤7，否则执行步骤8；
步骤7：生成流量更新信息，发送到GEO节点，同时在接触计划中更新该接触的流量大小，随后执行步骤8；
步骤8：检查下一条接触是否存在，如果是则说明存在尚未检查的接触，对下一条接触执行步骤2；否则说明所有接触已经检查完毕，执行步骤9；
步骤9：休眠5s，之后返回执行步骤1。
(2)层间接触选择机制
当GEO节点接收到数据后，首先分析接收到的数据是否是流量更新信息，如果是则更新相应接触的流量状况，包括MEO节点间接触的队列信息以及LEO和MEO节点间接触的流量信息。
GEO每隔5s遍历一次接触计划，从中找到即将发生中断的接触。由于在发现中断到完成更新存在数据处理及传递时延，我们在接触中断5s前为其选择新的层间接触。当接触剩余时间小于5s时，认为接触即将发生中断，首先判断该中断接触是否为LEO层与MEO之间的层间接触或者低层节点(LEO与MEO)与GEO层之间的接触，之后在切换管理接触计划中为该中断接触的低层节点选择合适的层间接触。
如果中断接触是LEO与MEO层间的接触，则在切换管理接触计划中找到以中断接触的LEO节点为起点，以MEO层节点为终点且满足时间限制的接触，该接触需要具有两种性质：其开始时间要小于中断接触的终止时间，其终止时间要大于该中断接触的终止时间。通过这两点保证新的层间接触在该接触中断时可用。为避免频繁切换，潜在接触的剩余使用时间需大于预设值。由于MEO层和LEO层作为数据转发层，需要将LEO节点尽量分散接入到不同MEO节点，避免网络拥塞。因此潜在接触的MEO层节点当前所有接入的LEO数量不能高于预设值。当潜在接触满足以上限制条件后将其加入备选集，并计算该接触的流量权值f＝k1*队列长度+k2*接入流量+k3*接入LEO数量+k4*剩余持续时间。其中k1＝0.8，k2＝0.15，k3＝0.04，k4＝0.01。流量权值的第一项表示潜在接触的MEO节点在MEO层的队列长度，第二项表示该MEO节点接入的LEO流量大小，第三项表示该MEO接入的LEO数量，第四项表示潜在接触的剩余可用时间。通过从备选集中选择具有最小f值的接触可以实现新选择的层间接触的MEO节点依次按照最小的队列长度、最小的LEO接入流量、最少的接入LEO数目，以及该接触具有最大可用时间进行匹配，最终选择出最合适的层间接触。当选择出合适的层间接触后，下发该接触更新信息到相应LEO节点和所有MEO及GEO节点。
由于GEO层节点只作为管理节点使用，因此在选择低层节点与GEO层之间的层间接触时，只需要根据持续时间最长的接触，进而降低切换次数。当选择出合适的层间接触后，下发该接触更新信息到相应LEO节点和GEO节点。
图2示出基于流量感知的层间接触选择过程流程图，步骤如下：
步骤1：打开接触计划，找到第一条接触，执行步骤2；
步骤2：检测该接触的剩余时间，如果小于5s说明即将发生中断，执行步骤3，否则执行步骤17；
步骤3：检查中断接触的性质，如果是LEO与MEO之间的接触，执行步骤4，否则执行步骤11；
步骤4：打开切换管理接触计划，查看第一条接触，对其执行步骤5；
步骤5：如果该接触是以中断接触的LEO节点为起点，以MEO层节点为终点，执行步骤6；否则执行步骤9；
步骤6：检查该接触的起始时间是否小于中断接触的终止时间，终止时间是否大于中断接触的终止时间，如果是则说明当中断接触中断时，该接触可用使用，随后执行步骤7，否则执行步骤9；
步骤7：检查该接触的剩余时间是否大于我们设定的最小值T，如果大于执行步骤8，否则执行步骤9；
步骤8：检查该接触的MEO节点当前接入的LEO数量，如果小于我们预先设定的最小值，则根据该节点的权值计算出f，加入备选集，执行步骤9；
步骤9：检查是否存在下一条记录，如果存在则对下一条接触执行步骤5；否则执行步骤10；
步骤10：从中选择具有最小f值的接触作为新的接触，将该接触加入到GEO所维持的接触计划中，并生成接触更新信息发送到所有MEO节点和GEO节点以及相应的LEO节点，随后清空备选集，执行步骤17。
步骤11：检查该接触是否为以低层节点(LEO和MEO节点)为起点，以GEO层为终点的接触，如果是则执行步骤12；否则执行步骤17；
步骤12：打开切换管理接触计划，查看第一条接触，对其执行步骤13；
步骤13：如果该接触是以中断接触的低层节点为起点，以GEO层节点为终点，执行步骤14；否则执行步骤15；
步骤14：检查该接触的起始时间是否小于中断接触的终止时间，终止时间是否大于中断接触的终止时间，如果是则说明当中断接触中断时，该接触可用使用，将其加入备选集，随后执行步骤15，否则直接执行步骤15；
步骤15：检查是否存在下一跳接触，如果存在，则对下一跳接触执行步骤13，否则执行步骤16；
步骤16：从备选集中选择持续时间最长的接触作为该中断接触的低层节点与GEO之间的接触，向相关节点发送更新信息并清空备选集，执行步骤17；
步骤17：检查接触计划中是否存在下一跳接触，如果存在返回执行步骤2；否则执行步骤18；
步骤18：休眠5s，之后返回执行步骤1。
图3示出LEO节点接触计划设计示意图，图中三层卫星网络包括GEO层、MEO层和LEO层。GEO包括三颗卫星，MEO包括10颗，LEO包括66颗来模拟铱星系统。
对于LEO层卫星，单颗节点只维持距离自己n跳之内LEO节点间的接触信息，n的取值需要根据网络拓扑规模决定，如果n的值取得过大或过小将导致传递时延增加。如图中假设n取值为2，则对于LEO节点L4来说，将维持图中所有虚线圆所示节点间的接触信息。同时需维持自己与GEO之间及与MEO之间的接触，即L4需要维持L4与M2以及L4与G3之间的所有接触。
当L4需要向L2发送数据时，由于距离为2，可以通过LEO层发送。当需要向L10发送数据时，由于距离大于2，则首先需要将数据发往M2，由M2转发。假设L4和M2之间接触中断后，GEO为L2重新选择的MEO节点为M3，同时为L10选择的节点的是M8。此时L4发往L10的数据将通过虚线所示路径发送。
图4示出流量感知的层间接触选择方法示意图。
首先MEO层节点将向GEO层更新自身的流量状况，我们以M2为例说明流量更新过程。假设M2在当前时刻已经接入L1、L3、L5，且与M2和M6相连。同时L1、L3、L5分别在10s，30s，30s向L9发送数据，截止时间均为90s。此时数据将通过M2首先发送到M6，然后从M6发送到L9。M2将执行以下步骤：
步骤1：M2首先打开自身的接触计划，检测接触计划中的第一条接触，判断该接触是否是本地节点到邻居MEO节点的接触或者以LEO节点为起点，以本地节点为终点的接触。假设第一条检测到的是L2与G1之间的接触，此时检测出该接触并不是需要汇报的接触，因此直接检测下一条接触。假设下一条是M2与M1之间的接触，执行步骤2；
步骤2：计算M2节点记录的从M2到M1的队列的长度，与接触计划中记录的队列长度作对比。由于此时LEO节点尚未开始发送数据，因此并无队列，对比后发现并没有变化，执行步骤3；
步骤3：检测下一条接触，假设该接触是从L1到M2的接触，比较流量记录列表中记录的流量大小与接触计划中该接触的流量大小，由于尚未发包，此时L1到M2的接触流量为零，因此未发生变化，知行步骤4；
步骤4：继续检测下一条接触，发现此时接触计划中所有接触都已检查完毕，则休眠5s继续下一轮检测，重复上述过程。
步骤5：假设此时已经过去10s，L1开始向L9发送数据，此时数据首先将发送到M2，同时M2将记录接收到的数据大小，并每5s做一次平均记录在流量记录列表内。由于此时只有L1的数据经过M2，并不会产生队列等待。当M2检查流量状况时，计算出L1到M2的接触流量状况发生变化且大于5％，此时生成流量更新信息发送到GEO节点并在接触计划中将记录的流量值替换为当前时刻流量记录列表中记录的流量大小。随后继续检测接触计划中的其他接触的流量和队列状况，当接触计划中所有接触均检测完毕之后休眠5s继续下一轮检测。
步骤6：第在30s之前依然只有L1在发送数据，当M2再次检测到L1到L2之间的接触时，流量记录列表中该接触的流量与接触计划中流量大小相比变化比例小于5％，因此不再发送流量更新信息。当接触计划内的所有接触均检测完毕后，休眠5s继续下一轮检测。
步骤7：在第30s之后，L3和L5均开始向L9发送数据，当M2检测到L3及L5与M2之间流量发生变化后，向GEO发送流量更新信息。由于此时所有数据均通过M6发送到L9，因此在M6将存在队列等待。此时M2检测到M6的队列长度与接触计划中记录值的变化比例大于5％，将向GEO发送队列更新信息并在接触计划中将该接触的队列值更新。当所有接触均检测完毕后休眠5s继续下一轮检测。
步骤8：当下一轮检测时，由于L1、L3、L5发送稳定，M2计算得出的L1、L3、L5与M2之间接触的流量状况未发生变化，不会产生流量更新信息。但是此时M2到M6的队列信息将持续增大，此时M2将向GEO更新M2到M6的队列信息并在接触计划中更新的队列值。当接触计划中所有接触均检测完毕后休眠5s继续下一轮检测。
步骤9：当90s之后，所有节点均停止发送数据，M2将检测到L1、L3、l5到M2之间的接触流量发生变化，同时检测到M2到M6之间接触的队列信息发生，M2将在接触计划中更新相应接触的流量或队列信息同时向GEO发送流量更新消息进行更新。当所有接触检测完毕后休眠5s继续下一轮检测。
GEO进行层间接触选择：
以L4为例说明层间接触选择过程，假设L4到M1的接触持续时间为0到40s，L4到M2的接触通信为30到230s，L4到M3的接触的通信时间为30到170s，L4到M4的接触的通信时间为20到180s，L4到M6的接触的通信时间为50到230s，L4到G3的接触的通信时间为0到100s，L4到G1的接触的通信时间为90到190s，L4到G2的接触通信时间为80到180s。在G3的接触计划中配置有L4与G3之间及L4与M1之间的接触信息，L4与其他节点的接触信息均配置在切换管理接触计划中。
步骤1：GEO首先遍历自身的所有接触，使用接触的终止时间减去当前时间作为接触的剩余时间，当接触的剩余时间小于5s时认为接触即将中断，将为该接触的低层节点选择新的层间接触。首次检测时接触计划中没有即将结束的接触，因此当接触计划中所有接触检测完毕后休眠5s，再次进行下一轮检测。
步骤2：当35s时，GEO将检测到L4与M1之间的接触即将中断，此时根据该接触的起始节点与终止节点的判断出该接触是LEO节点与MEO节点之间的接触，随后执行步骤3；
步骤3：打开切换管理接触计划，对第一条接触检测是否为以L4为起点，以MEO层节点为终点的接触。假设检测到第一条满足条件的接触为L4与M2之间的接触，执行步骤4；
步骤4：检测L4与M2之间的接触的起始时间为30s，终止时间为230s，满足起始时间小于40s，终止时间大于40s的时间限制。随后检测该接触同时满足持续时间大于设定值，接入的LEO数目小于预设值，因此计算L4与M2之间接触的权值f，将改接触加入备选集。随后执行步骤5；
步骤5：继续检测切换管理接触计划中的其他接触，假设检测到L4到M6之间的接触，由于L4与M6之间接触的起始时间为50s大于L4与M2之间接触的终止时间40s，故该接触不满足条件继续检测下一条接触。
步骤6：按照L4与M2之间的标准，依次将L4与M3和M4之间的接触及其权值f加入备选集。当切换管理接触计划中的所有接触均检测完毕后执行步骤7；
步骤7：G3从备选集中选择f值最小的接触作为L4与MEO层之间的新的接触。由于M2在此时存在到M6的队列，且存在接入的LEO层流量，而其他备选接触的MEO节点没有队列长度，因此首先排除M2。由于M3和M4均没有LEO层流量接入，而M3接入了一颗LEO卫星而M4接入了两颗LEO卫星，因此根据权值选择L4与M3之间的接触作为L4与MEO层之间的新的接触。G3将L3与M3之间的接触加入到接触计划中，清空备选集同时生成接触更新信息发送到所有MEO节点以及L4。
步骤8：G3继续每隔5s遍历一次接触计划，当95s时，检测到L4与G3之间的接触即将切换，此时通过节点号判断出L4与G3之间的接触为LEO层与GEO层之间的接触，执行步骤9；
步骤9：G3打开切换管理接触计划，通过遍历依次找出以L4为起点，以GEO层节点为终点的接触为L4到G1及L4到G2的接触，且这两个接触的起始时间和终止时间在L4与G3终止时刻均可用，因此将这两个接触加入备选集。
步骤10：G3从备选集中为L4选择持续时间最长的接触即L4与G1之间的接触作为L4在与GEO层之间的新的层间接触，同时生成接触更新信息发送到G1和L4。
步骤11：随后继续每隔5s继续重复以上操作。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (8)
1.一种分布式的多层卫星中断容忍网络接触计划设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
基于各层节点的分布式的接触划分；
基于流量感知进行层间接触选择；
所述基于各层节点的分布式的接触划分包括：LEO层节点接触计划、MEO层节点接触计划和GEO层节点接触计划；
所述基于流量感知进行层间接触选择包括：
建立MEO节点流量状况更新机制和层间接触选择机制；
MEO层节点通过流量状况更新机制定时检测本地节点到MEO层邻居节点的队列长度以及接入的LEO层卫星流量的变化情况，当变化比例超过一定限制时，向GEO节点发送流量更新信息；
GEO节点利用层间接触选择机制发现即将发生中断的层间接触，并从所有潜在接触中为所述中断接触的低层节点重新选择合适的层间接触并下发到相关节点，动态更新接触计划。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述LEO层节点接触计划包括：
MEO层转发长跳数数据；
LEO层节点维持LEO层内接触和LEO层间接触：LEO层内接触包括距离该LEO节点n跳之内的LEO层节点间的接触信息，n的取值根据网络拓扑规模确定；LEO层间接触包括LEO层节点与GEO层节点之间当前时刻的一条接触信息以及LEO层节点与MEO层节点之间当前时刻的一条接触信息，且当层间接触中断后，GEO层将为该中断的LEO层节点选择新的层间接触。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，MEO层节点接触计划中维持MEO层内接触和MEO层间接触：MEO层内接触指MEO层节点间的所有接触信息；MEO层间接触指当前时刻所有LEO层节点与MEO节点层之间的接触信息，及当前时刻MEO层节点与GEO层节点间的一条接触信息。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述GEO层节点接触计划包括
数据接触计划，GEO层节点维持网络中当前的所有层间接触信息以及GEO节点之间的接触信息；及
切换管理接触计划，GEO层节点记录网络中未来时间内的所有潜在层间接触信息。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述MEO节点流量状况更新机制包括：MEO层队列信息更新机制和LEO层流量信息更新机制。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，MEO层队列信息更新的接触信息格式为：
。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述MEO节点流量状况更新具体包括以下步骤：
步骤1：打开接触计划，找到接触计划中的第一条接触，执行步骤2；
步骤2：根据节点号检查该接触是否为本地节点与邻居MEO节点间的接触，如果是则执行步骤3，否则执行步骤5；
步骤3：计算本地节点到该邻居节点的队列长度，并比较该值与接触计划中记录的队列长度值是否发生变化，计算变化比例，如果变化比例超过5％，执行步骤4，否则执行步骤8；
步骤4：此时表明队列长度变化比例超过预设值，更新接触计划中该接触的队列长度，同时生成流量更新消息发送到GEO节点，执行步骤8；
步骤5：检查该接触是否为以LEO节点为起点，以本地MEO节点为终点的接触，如果是则执行步骤6，否则执行步骤8；
步骤6：在本地节点的流量记录列表中找到从该LEO接入的流量记录，与接触计划中记录的该接触的流量大小作比较，计算变化比例，如果超过5％，执行步骤7，否则执行步骤8；
步骤7：生成流量更新信息，发送到GEO节点，同时在接触计划中更新该接触的流量大小，随后执行步骤8；
步骤8：检查下一条接触是否存在，如果是则说明存在尚未检查的接触，对下一条接触执行步骤2；否则说明所有接触已经检查完毕，执行步骤9；
步骤9：休眠5s，之后返回执行步骤1。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述层间接触选择机制具体包括以下步骤：
步骤1：打开接触计划，找到第一条接触，执行步骤2；
步骤2：检测该接触的剩余时间，如果小于5s说明即将发生中断，执行步骤3，否则执行步骤17；
步骤3：检查中断接触的性质，如果是LEO与MEO之间的接触，执行步骤4，否则执行步骤11；
步骤4：打开切换管理接触计划，查看第一条接触，对其执行步骤5；
步骤5：如果该接触是以中断接触的LEO节点为起点，以MEO层节点为终点，执行步骤6；否则执行步骤9；
步骤6：检查该接触的起始时间是否小于中断接触的终止时间，终止时间是否大于中断接触的终止时间，如果是则说明当中断接触中断时，该接触可用使用，随后执行步骤7，否则执行步骤9；
步骤7：检查该接触的剩余时间是否大于我们设定的最小值T，如果大于执行步骤8，否则执行步骤9；
步骤8：检查该接触的MEO节点当前接入的LEO数量，如果小于我们预先设定的最小值，则根据该节点的权值计算出f，加入备选集，执行步骤9；
步骤9：检查是否存在下一条记录，如果存在则对下一条接触执行步骤5；否则执行步骤10；
步骤10：从中选择具有最小f值的接触作为新的接触，将该接触加入到GEO所维持的接触计划中，并生成接触更新信息发送到所有MEO节点和GEO节点以及相应的LEO节点，随后清空备选集，执行步骤17；
步骤11：检查该接触是否为以低层节点(LEO和MEO节点)为起点，以GEO层为终点的接触，如果是则执行步骤12；否则执行步骤17；
步骤12：打开切换管理接触计划，查看第一条接触，对其执行步骤13；
步骤13：如果该接触是以中断接触的低层节点为起点，以GEO层节点为终点，执行步骤14；否则执行步骤15；
步骤14：检查该接触的起始时间是否小于中断接触的终止时间，终止时间是否大于中断接触的终止时间，如果是则说明当中断接触中断时，该接触可用使用，将其加入备选集，随后执行步骤15，否则直接执行步骤15；
步骤15：检查是否存在下一跳接触，如果存在，则对下一跳接触执行步骤13，否则执行步骤16；
步骤16：从备选集中选择持续时间最长的接触作为该中断接触的低层节点与GEO之间的接触，向相关节点发送更新信息并清空备选集，执行步骤17；
步骤17：检查接触计划中是否存在下一跳接触，如果存在返回执行步骤2；否则执行步骤18；
步骤18：休眠5s，之后返回执行步骤1。
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