CN106792898A - 一种卫星网络中缓解拥塞的路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星网络中缓解拥塞的路由方法。本发明首先卫星节点每隔一段时间获取周围卫星节点缓存占用率，计算出和周围卫星节点通信时延。然后，卫星节点产生前向agent，前向agent从源卫星节点出发，探索一条到目的卫星节点合适的路径。接着，前向agent到达目的卫星节点后，删除，产生后向agent，后向agent按照前向agent路径以相反的方向返回到源卫星节点，并更新路由表。最后，数据流量根据路由表进行转发。主要特征为：在卫星网络中使用agent来获取网络局部信息，减少路由选择的复杂度；此发明方案以卫星队列存储为主要考虑因素，通信时延为次要考虑因素来确定路由表。此发明方案能够有效地缓解卫星网络拥塞问题，实现负载均衡，提高网络吞吐量。

Description

一种卫星网络中缓解拥塞的路由方法

技术领域

本发明属于卫星通信网络领域，尤其涉及单层卫星网络路由技术。

背景技术

随着社会经济的发展，人们对通信的需求日益增长，对通信的质量要求也越来越高。最理想的通信目标是实现“点对点”的通信，即在任何时间、任何地点可以与任何人及时地交流信息。作为一种无线通信方式，卫星通信在当代社会发挥着无可替代的作用。近年来，卫星网络越来越受到世界各国的重视，它具有全球覆盖、接入简单、扩展性强、通信容量大和带宽按需分配等优点。在卫星网络中，网络路由技术决定着系统性能，有着重要地位。灵活有效的路由技术可以实现网络负载均衡，提高网络资源的利用率，保障网络的服务质量(QoS)。

卫星网络路由技术也是卫星网络技术的重要组成部分，决定着卫星网络的通信性能。卫星网络路由技术与传统的地面网络路由技术不同，网络拓扑结构的高速变化和星上资源受限等特点，使得卫星网络需要鲁棒性更强的路由算法，而卫星网络的发展趋势决定了其需要为用户提供可靠、准确的QoS。而且，由于卫星网络拓扑具有周期动态性，一般传统的地面通信网络协议不能直接应用于卫星网络中卫星与卫星之间通信，例如TCP/IP协议，这对卫星网络路由技术提出更高要求。

由于经济发展不平衡、人口分布不均的，全球流量分布不均衡，其中，北欧、北美和亚洲等地区人口密度大、经济水平发展速度快，数据业务量相对较大；而非洲和大洋洲地区因为人口密度相对较小，或者经济水平较低，数据业务量相对较小。当卫星覆盖四大洋时，其通信量甚至更小。空间环境错综复杂，再加上用户需要不断提升，需要不断地提出和改进路由算法算法，使得卫星网络高效灵活为地面提供通信服务。

发明内容

本发明应用于LEO层卫星网络包含8个轨道，每个轨道上由9个卫星。每个卫星节点以一定时间间隔Δt产生前向agent FA_s-＞d，FA_s-＞d从源节点出发以一定概率探索合适的路径，寻找目的节点。前向agent FA_s-＞d在排队过程中具有最高优先级。这条路径可以描述为：

Path_s-＞d＝[s,v₁,v₂,···,v_k-1,v_k,v_k+1,···,v_n,d].

在这个路径中，源节点产生的agent选择下一跳节点v₁的概率是：

其中，hop_j,d代表agent从源节点s选择下一跳节点j到达目的节点d的最小跳数。

对于任意中间节点v_k，其选择下一跳节点v_k+1的概率是

其中，表示数据流量从节点v_k经节点v_k+1到达目的节点d的概率，N'(i)表示节点i的邻居节点中未被agent访问过的节点。当一个卫星节点邻居节点均被agent访问过，则移除这个agent以防止产生循环回路的现象。

当前向agent FA_s-＞d到达目的节点d时，FA_s-＞d被移除。后向agent BA_s-＞d产生，并沿着路径Path_s-＞d以相反的方向从目的卫星节点d返回源卫星节点s。同样向后agent BA_s-＞d在排队过程中拥有最高优先级。当BA_s-＞d到达任意中间节点v_k，概率路由表被更新。

节点v_k选择下一跳v_k+1(节点v_k+1在agent探索的路径中)的更新概率为：

其中，δ_i,j表示的是卫星节点j缓存占用率，α、β是卫星缓存占用率的阈值，γ、η是常数，用来保证精度，0＜γ＜1，η＞1。当卫星缓存占用率小于阈值α时，数据转发概率变大；当卫星缓存占用率介于α与β之间时，数据转发概率随着卫星缓存增大而减小；当卫星缓存占用率大于阈值β时，数据转发概率变为0。此公式旨在尽量选择比较空闲的下一跳卫星节点。

对于节点如果则更新概率为：

其中，cost_i,j表示节点i与节点j的开销。此公式表示最小路径开销的链路转发概率变大，其余链路转发概率不变、变小或者变为0。

否则，更新概率为：

同样，此公式表示其余链路转发概率不变、变小或者变为0。

对于节点i＝v_k+1||i＝v'_k+1，数据流量概率表初始化为^[45]40：

更新概率路由表之后，将概率归一化为：

链路开销设定为星际传播时延，即传输时延与排队时延的和。即：

cost_ij＝PD_i,j+QD_i,j (8)

其中，PD_i,j为节点i和节点j之间的传输时延，QD_i,j为节点i到节点j的排队时延。传输时延可以在网络拓扑中利用两个卫星之间的距离计算得出。排队时延可以利用以下公式计算得出：

其中，Num_queue表示的是队列中数据包的个数，P_avg表示的是平均数据包长度，C_ISL链路通信容量。

卫星拥塞的两个阈值可以通过时延、输入流量速率、输出流量速率等参数计算得出。其中上限阈值计算如下：

其中，δ表示的是卫星节点检测邻居节点的周期，I和O分别表示的是当前卫星节点总的输入和输出速率，Q_l和q分别为卫星队列长度和占用长度。

下限阈值计算则：

本发明的步骤为：第一步，卫星节点每隔一段时间监测周围卫星节点，获取周围卫星节点缓存占用率；第二步，各个卫星节点计算出和周围卫星节点通信的时延；第三步，每个卫星节点每隔一段时间产生前向agent，前向agent从源卫星节点出发，探索一条到目的卫星节点合适的路径；第四步，前向agent到达目的卫星节点后，被删除，产生后向agent，后向agent按照前向agent路径以相反的方向从目的卫星节点返回到源卫星节点，并根据卫星缓存占用率和时延更新路由表；第五步，数据流量根据路由表进行转发。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1是本发明实施例的LEO层卫星网络组网示意图。

图2是本发明一个实施例的具体流程。

具体实施方式

下面通过附图和实施例的具体方法流程图，对本发明进行详细阐述。主要包括以下步骤。

在步骤201中，卫星节点每隔一段时间监测周围卫星节点，获取周围卫星节点缓存占用率。

在步骤202中，各个卫星节点计算出和周围卫星节点通信的时延。

在步骤203中，每个卫星节点每隔一段时间产生前向agent，前向agent从源卫星节点出发，探索一条到目的卫星节点合适的路径。

在步骤204中，前向agent到达目的卫星节点后，被删除，产生后向agent，后向agent按照前向agent路径以相反的方向从目的卫星节点返回到源卫星节点，并根据卫星缓存占用率和时延更新路由表。在步骤205中，数据流量根据路由表进行转发。

Claims (3)

1.一种卫星网络中缓解拥塞的路由方法，其特征在于：

本发明应用于LEO层卫星网络中，网络中包含N个卫星轨道，每个轨道包含M颗卫星。相邻的两颗卫星通过星际链路(ISL)相互连接和通信。卫星与地面终端和基站之间的链路为上/下行链路(UDL)。这里链路工作频段可以为C频段、L频段、Ku频段、Ka频段等。在卫星运动过程中，轨内星际链路的距离基本不变化，而轨间星际链路的距离随着纬度升高而变小。所以，轨内卫星间的传输时延是不变的，相邻轨道卫星间的传输时延随着纬度的升高而变小。

LEO卫星网络拓扑结构可以用图G＝(V,E)表示，其中，V代表卫星节点，E代表星际链路。|V|和|E|分别代表卫星节点的数量和星际链路的数量。并且|V|＝N×M。N(i)代表卫星节点i所有的邻居节点。

每个卫星节点以一定时间间隔Δt产生前向agent FA_s-＞d，FA_s-＞d从源节点出发以一定概率探索合适的路径，寻找目的节点。前向agentFA_s-＞d在排队过程中具有最高优先级。这条路径可以描述为：

Path_s-＞d＝[s,v₁,v₂,…,v_k-1,v_k,v_k+1,…,v_n,d].

在这个路径中，源节点产生的agent选择下一跳节点v₁的概率是：

${\left(P_{s,d}^{v_1}\right)}_{agent}=\frac{1/{\mathrm{hop}}_{v_1,d}}{\underset{j\∈N\left(s\right)}{\Σ}1/{\mathrm{hop}}_{j,d}}.---\left(1\right)$

其中，hop_j,d代表agent从源节点s选择下一跳节点j到达目的节点d的最小跳数。

对于任意中间节点v_k，其选择下一跳节点v_k+1的概率是

${\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}}\right)}_{agent}=\frac{{\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}}\right)}_{data}}{\underset{j\∈N^{\′}\left(v_k\right)}{\Σ}{\left(P_{v_k,d}^j\right)}_{data}}.---\left(2\right)$

其中，表示数据流量从节点v_k经节点v_k+1到达目的节点d的概率，N'(i)表示节点i的邻居节点中未被agent访问过的节点。当一个卫星节点邻居节点均被agent访问过，则移除这个agent以防止产生循环回路的现象。

当前向agent FA_s-＞d到达目的节点d时，FA_s-＞d被移除。后向agent BA_s-＞d产生，并沿着路径Path_s-＞d以相反的方向从目的卫星节点d返回源卫星节点s。同样向后agent BA_s-＞d在排队过程中拥有最高优先级。当BA_s-＞d到达任意中间节点v_k，概率路由表被更新。

节点v_k选择下一跳v_k+1(节点v_k+1在agent探索的路径中)的更新概率为：

${\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}}\right)}_{data}=\left\{\begin{array}{cc}{\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}}\right)}_{data}+(1-{\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}}\right)}_{data})\&CenterDot;\mathrm{\&gamma;}& {\mathrm{\&delta;}}_{v_k,v_{k+1}}\&le;\mathrm{\&alpha;}\\ {\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}}\right)}_{data}\&CenterDot;\exp (-\frac{1}{\mathrm{\&beta;}-{\mathrm{\&delta;}}_{v_k,v_{k+1}}}\&CenterDot;\mathrm{\&eta;})& \mathrm{\&alpha;}<{\mathrm{\&delta;}}_{v_k,v_{k+1}}\&le;\mathrm{\&beta;}\\ 0& {\mathrm{\&delta;}}_{v_k,v_{k+1}}>\mathrm{\&beta;}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，δ_i,j表示的是卫星节点j缓存占用率，α、β是卫星缓存占用率的阈值，γ、η是常数，用来保证精度，0＜γ＜1，η＞1。当卫星缓存占用率小于阈值α时，数据转发概率变大；当卫星缓存占用率介于α与β之间时，数据转发概率随着卫星缓存增大而减小；当卫星缓存占用率大于阈值β时，数据转发概率变为0。此公式旨在尽量选择比较空闲的下一跳卫星节点。

对于节点如果则更新概率为：

${\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}^{\&prime;}}\right)}_{data}=\left\{\begin{array}{cc}{\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}^{\&prime;}}\right)}_{data}+(1-{\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}^{\&prime;}}\right)}_{data})\&CenterDot;\mathrm{\&gamma;}& {\mathrm{Mincost}}_{v_k,v_{k+1}^{\&prime;}}\\ {\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}^{\&prime;}}\right)}_{data}& {\mathrm{\&delta;}}_{v_k,v_{k+1}^{\&prime;}}\&le;\mathrm{\&alpha;}\\ {\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}^{\&prime;}}\right)}_{data}\&CenterDot;\exp (-\frac{1}{\mathrm{\&beta;}-{\mathrm{\&delta;}}_{v_k,v_{k+1}^{\&prime;}}}\&CenterDot;\mathrm{\&eta;})& \mathrm{\&alpha;}<{\mathrm{\&delta;}}_{v_k,v_{k+1}^{\&prime;}}\&le;\mathrm{\&beta;}\\ 0& {\mathrm{\&delta;}}_{v_k,v_{k+1}^{\&prime;}}>\mathrm{\&beta;}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，cost_i,j表示节点i与节点j的开销。此公式表示最小路径开销的链路转发概率变大，其余链路转发概率不变、变小或者变为0。

否则，更新概率为：

${\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}^{\&prime;}}\right)}_{data}=\left\{\begin{array}{cc}{\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}^{\&prime;}}\right)}_{data}& {\mathrm{\&delta;}}_{v_k,v_{k+1}^{\&prime;}}\&le;\mathrm{\&alpha;}\\ {\left(P_{v_k,d}^{v_{k+1}^{\&prime;}}\right)}_{data}\&CenterDot;\exp (-\frac{1}{\mathrm{\&beta;}-{\mathrm{\&delta;}}_{v_k,v_{k+1}^{\&prime;}}}\&CenterDot;\mathrm{\&eta;})& \mathrm{\&alpha;}<{\mathrm{\&delta;}}_{v_k,v_{k+1}^{\&prime;}}\&le;\mathrm{\&beta;}\\ 0& {\mathrm{\&delta;}}_{v_k,v_{k+1}^{\&prime;}}>\mathrm{\&beta;}\end{array}\right.---\left(5\right)$

同样，此公式表示其余链路转发概率不变、变小或者变为0。

对于节点i＝v_k+1||i＝v'_k+1，数据流量概率表初始化为^[45]40：

${\left(P_{v_k,d}^i\right)}_{agent}=\frac{1/{\mathrm{hop}}_{i,d}}{\underset{j\&Element;N\left(v_k\right)}{\&Sigma;}1/{\mathrm{hop}}_{j,d}}---\left(6\right)$

更新概率路由表之后，将概率归一化为：

${\left(P_{v_k,d}^i\right)}_{data}=\frac{{\left(P_{v_k,d}^i\right)}_{data}}{\underset{j\&Element;N^{\&prime;}\left(v_k\right)}{\&Sigma;}{\left(P_{v_k,d}^j\right)}_{data}}---\left(7\right)$

链路开销设定为星际传播时延，即传输时延与排队时延的和。即：

cost_ij＝PD_i,j+QD_i,j (8)

其中，PD_i,j为节点i和节点j之间的传输时延，QD_i,j为节点i到节点j的排队时延。传输时延可以在网络拓扑中利用两个卫星之间的距离计算得出。排队时延可以利用以下公式计算得出：

$QD={\mathrm{Num}}_{queue}\&CenterDot;\frac{P_{avg}}{C_{ISL}}---\left(9\right)$

其中，Num_queue表示的是队列中数据包的个数，P_avg表示的是平均数据包长度，C_ISL链路通信容量。

卫星拥塞的两个阈值可以通过时延、输入流量速率、输出流量速率等参数计算得出。其中上限阈值计算如下：

$\mathrm{\&beta;}=1-Min(1,\frac{(\mathrm{\&delta;}+\cos t)(I-O)}{(Q_l-q)\&CenterDot;P_{avg}})---\left(10\right)$

其中，δ表示的是卫星节点检测邻居节点的周期，I和O分别表示的是当前卫星节点总的输入和输出速率，Q_l和q分别为卫星队列长度和占用长度。

下限阈值计算则：

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}.---\left(11\right)$

本发明的步骤为：第一步，卫星节点每隔一段时间监测周围卫星节点，获取周围卫星节点缓存占用率；第二步，各个卫星节点计算出和周围卫星节点通信的时延；第三步，每个卫星节点每隔一段时间产生前向agent，前向agent从源卫星节点出发，探索一条到目的卫星节点合适的路径；第四步，前向agent到达目的卫星节点后，被删除，产生后向agent，后向agent按照前向agent路径以相反的方向从目的卫星节点返回到源卫星节点，并根据卫星缓存占用率和时延更新路由表；第五步，数据流量根据路由表进行转发。

2.根据权利要求1所述的LEO层卫星网络模型中，每个LEO卫星周围有四个卫星节点，两个邻居卫星以轨间星际链路连接通信，两个邻居卫星以轨内星际链路连接通信。

3.根据权利要求1所述的LEO层卫星网络模型，可以用于传输语音业务、视频业务和其它数据业务。