CN107276663B - 一种卫星网络快照路由优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星网络快照路由优化方法，包括如下步骤：S1.根据卫星的网络拓扑生成快照；S2.根据预设的优化期望、预设的平均业务持续时长和单个快照的持续时长确定叠加快照数目的最终值；S3.对所述最终值所确定的快照进行叠加，得到目标拓扑，并确定目标拓扑的链路权重，通过所述目标拓扑计算路由。本发明具有可有效保证在优化区间内链路稳定，从而保证在优化区间内传输稳定，减少路由切换，降低由路由切换带来的时延抖动和业务中断等优点。

Description

一种卫星网络快照路由优化方法
技术领域
本发明涉及空间信息网络控制领域，尤其涉及一种卫星网络快照路由优化方法，特别是面向实时业务的卫星网络快照路由优化。
背景技术
卫星网络具有覆盖范围广，不受地面条件约束等优势，在远程通信和抢险救灾等方面具有特殊的地位，是实现网络全球覆盖的重要途径。与GEO(Geostationary EarthOrbit，静止轨道)卫星网络相比，中、低轨卫星网络等NGEO(Non-Geostationary EarthOrbit，非静止轨道)卫星网络具有传播时延小、功耗低等优势。
然而，在NGEO卫星网络中，卫星不断地绕轨道运动，ISL(Inter-Satellite Link，星间链路)通断状态、传播时延等不断变化，导致网络拓扑高度动态变化。为了适应这种时变的网络拓扑，NGEO卫星网络的路由必须进行频繁地切换。网络频繁的路由切换会给实时业务带来较大的时延抖动，甚至引起业务的中断，严重影响业务的服务质量。
快照路由算法是一种典型的卫星网络静态路由算法。通过利用卫星运动的可预测性和周期性，将卫星网络的动态拓扑划分为一系列拓扑快照的循环，每个快照内的网络拓扑看成是固定不变的。快照路由算法将预先计算好的各个快照的路由表上传到卫星节点，卫星节点在快照切换时刻更新路由表即可。然而，传统快照路由算法对每个快照采用最短路径算法等计算路由，存在以下缺陷：
(1)仅仅考虑了每个快照内任意卫星节点对之间的最优路由，快照之间的路由独立计算，没有考虑快照频繁切换的问题。
(2)从业务角度来看，业务从开始到结束可能经历多个快照，其路由仍然会经历频繁的切换。频繁的路由切换给实时业务带来较大的时延抖动，甚至导致业务中断。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种可有效保证在优化区间内链路稳定，从而保证在优化区间内传输稳定，减少路由切换，降低由路由切换带来的时延抖动和业务中断的卫星网络快照路由优化方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种卫星网络快照路由优化方法，包括如下步骤：
S1.根据卫星的网络拓扑生成快照；
S2.根据预设的优化期望、预设的平均业务持续时长和单个快照的持续时长确定叠加快照数目的最终值；
S3.对所述最终值所确定的快照进行叠加，得到目标拓扑，并确定目标拓扑的链路权重，通过所述目标拓扑计算路由。
作为本发明的进一步改进，步骤S1中采用非等时间间隔划分方法生成快照。
作为本发明的进一步改进，所述非等时间间隔划分方法为当卫星的星间链路发生变化时，生成一个快照。
作为本发明的进一步改进，步骤S2的具体步骤包括：
S2.1.根据预设的优化期望、预设的平均业务持续时长计算优化区间；
S2.2.确定在所述优化区间内所包含的、且能保证叠加快照的链路次构成的网络拓扑中任意两节点之间互相可达的快照数目的最大值，即最终值。
作为本发明的进一步改进，步骤S2.2的具体步骤包括：
S2.2.1.根据所述优化区间内所包含的连续快照数目，即所述叠加快照数目的理想值；
S2.2.2.确定可保证任意节点之间相互可达的叠加快照数目的上限值；
S2.2.3.以所述理想值和所述上限值小的较小值为叠加快照数目的最终值。
作为本发明的进一步改进，所述优化区间为根据预设的优化期望、预设的平均业务持续时长确定的优化区间的最大区间。
作为本发明的进一步改进，所述优化区间通过式(1)计算：
Figure GDA0002373895730000021
式(1)中，T为优化区间的最大值，λ为平均业务持续时长，P为优化期望；
所述理想值通过式(2)所确定：
Figure GDA0002373895730000022
式(2)中，T为优化区间的最大值，ti、ti+1、...、ti+K为单个快照的持续时长，K为理想值。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中通过式(3)确定目标拓扑的链路权重：
Figure GDA0002373895730000023
式(3)中，Weight[i][j]为目标拓扑的链路权重矩阵，Target_Topo[i][j]为目标拓扑矩阵，i和j为卫星节点编号。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中在目标拓扑下通过Dijkstra算法计算节点间的路由。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本方法充分考虑业务的时间特性，利用网络中实时业务持续时长满足指数分布的特点，根据优化期望得到优化区间，总是为任意实时业务分配一条优化区间内稳定的路由，保证持续时长在优化区间内的业务在其生命期内稳定传输，保证持续时长大于优化区间的业务在优化区间内稳定传输，从而减少路由切换给实时业务带来的时延抖动和业务中断。
附图说明
图1为本发明具体实施例流程示意图。
图2为本发明具体实施例极轨道星座网络模型。
图3为本发明具体实施例倾斜轨道星座网络模型。
图4为本发明具体实施例快照生成过程。
图5为本发明具体实施例具体算法实施伪代码。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
NGEO卫星网络模型通常包括如图2所示极轨道星座网络模型，和图3所示的倾斜轨道星座网络模型。NGEO卫星网络中，卫星网络拓扑高度变化，频繁的路由切换给实时业务带来较大的时延抖动，甚至导致业务中断的问题。
如图1所示，本实施例的卫星网络快照路由优化方法，步骤为：S1.根据卫星的网络拓扑生成快照；S2.根据预设的优化期望、预设的平均业务持续时长和单个快照的持续时长确定叠加快照数目的最终值；S3.对最终值所确定的快照进行叠加，得到目标拓扑，并确定目标拓扑的链路权重，通过目标拓扑计算路由。
在本实施例中，快照的生成方法可以采用等时间间隔划分的方法生成，也可以采用非等时间间隔划分的方法生成。在本实施例中，优选采用非等时间间隔划分方法生成快照，具体地，是指：当卫星的星间链路发生变化时，生成一个快照。每当新建立一条星间链路或中断一条星间链路时，认为形成了一个新的快照。如图4所示，以极轨道星座网络模型为例进行说明。假设快照1为卫星网络的初始状态，经过t1时间，4号卫星行建立于是形成快照2，又经过t2时间，2号卫星行断开于是形成快照3，以此类推，每增加一个卫星行或者断开一个卫星行就认为形成了一个新的快照。
在本实施例中，步骤S2的具体步骤包括：S2.1.根据预设的优化期望、预设的平均业务持续时长计算优化区间；S2.2.确定在优化区间内所包含的、且能保证叠加快照的链路次构成的网络拓扑中任意两节点之间互相可达的快照数目的最大值，即最终值。其中，优选优化区间为根据预设的优化期望、预设的平均业务持续时长确定的优化区间的最大区间。具体地，步骤S2.2的具体步骤为：S2.2.1.根据优化区间内所包含的连续快照数目，即叠加快照数目的理想值；S2.2.2.确定可保证任意节点之间相互可达的叠加快照数目的上限值；S2.2.3.以理想值和上限值小的较小值为叠加快照数目的最终值。
在本实施例中，优化区间通过式(1)计算：
Figure GDA0002373895730000041
式(1)中，T为优化区间的最大值，λ为平均业务持续时长，P为优化期望。由于网络中持续时长在区间(0,T)内的业务所占比例为P，而任意新到来的业务的持续时长是不可知的，那么分配T时间内稳定的最短路径给t时刻到达的新业务，至少能保证该业务有概率大小为P的可能性在时间区间(t,t+T)完成。
然后对星座周期内的每一个快照根据式(2)计算优化区间(0,T)内包含的连续快照数目K，即确定叠加快照数目的理想值：
Figure GDA0002373895730000042
式(2)中，T为优化区间的最大值，ti、ti+1、...、ti+K为单个快照的持续时长，K为理想值。
由于叠加的快照的数目越大，叠加后快照链路的交集越小，若叠加后的交集链路构成的网络拓扑不能使任意节点之间可达，那么该叠加是没有意义的。因此，我们定义叠加快照数目的上限值N为：连续叠加N个快照使得该N个快照链路交集构成的网络拓扑使得任意节点之间是互相可达的，而连续叠加N+1个快照链路交集构成的网络拓扑不能使任意节点之间互相可达，那么叠加快照数目的上限值就等于N。接着进一步比较叠加快照数目的理想值K和上限值N的大小来进一步确定最终叠加快照的数目，即最终值。如果K小于等于N，那么K为最终叠加快照的数目；如果K大于N，那么N为最终叠加快照的数目。
在本实施例中，确定最终叠加快照的数目后，对相应的快照进行叠加，得到目标拓扑，用矩阵Target_Topo[M][M]来表示目标拓扑，给目标拓扑设置链路权重，步骤S3中通过式(3)确定目标拓扑的链路权重：
Figure GDA0002373895730000043
式(3)中，Weight[i][j]为目标拓扑的链路权重矩阵，Target_Topo[i][j]为目标拓扑矩阵，i和j为卫星节点编号。Target_Topo[i][j]＝1表示卫星节点i和卫星节点j之间的链路处于连接状态，则设置卫星节点i和卫星节点j之间的链路权重为1，Target_Topo[i][j]＝0表示卫星节点i和卫星节点j之间的链路处于中断状态，则设置卫星节点i和卫星节点j之间的链路权重为无穷大。最后，在目标拓扑下针对Weight[i][j]通过Dijkstra算法计算节点间的路由。将计算好的路由上传至相应的卫星节点，如果有数据包达到就在当前快照下查询路由表并转发。在本实施例中，具体实施算法的伪代码如图5所示。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种卫星网络快照路由优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.根据卫星的网络拓扑生成快照；
S2.根据预设的优化期望、预设的平均业务持续时长和单个快照的持续时长确定叠加快照数目的最终值；
S3.对所述最终值所确定的快照进行叠加，得到目标拓扑，并确定目标拓扑的链路权重，通过所述目标拓扑计算路由；
步骤S2的具体步骤包括：
S2.1.根据预设的优化期望、预设的平均业务持续时长计算优化区间；
S2.2.确定在所述优化区间内所包含的、且能保证叠加快照的链路次构成的网络拓扑中任意两节点之间互相可达的快照数目的最大值，即最终值；
所述优化区间为根据预设的优化期望、预设的平均业务持续时长确定的优化区间的最大区间；
步骤S2.2的具体步骤包括：
S2.2.1.根据所述优化区间内所包含的连续快照数目，即所述叠加快照数目的理想值；
S2.2.2.确定可保证任意节点之间相互可达的叠加快照数目的上限值；
S2.2.3.以所述理想值和所述上限值的较小值为叠加快照数目的最终值。
2.根据权利要求1所述的卫星网络快照路由优化方法，其特征在于：步骤S1中采用非等时间间隔划分方法生成快照。
3.根据权利要求2所述的卫星网络快照路由优化方法，其特征在于：所述非等时间间隔划分方法为当卫星的星间链路发生变化时，生成一个快照。
4.根据权利要求1至3任一项所述的卫星网络快照路由优化方法，其特征在于：所述优化区间的最大值通过式(1)计算：
Figure FDA0002373895720000011
式(1)中，T为优化区间的最大值，λ为平均业务持续时长，P为优化期望；
所述理想值通过式(2)所确定：
Figure FDA0002373895720000012
式(2)中，T为优化区间的最大值，ti、ti+1、...、ti+K为单个快照的持续时长，K为理想值。
5.根据权利要求4所述的卫星网络快照路由优化方法，其特征在于：步骤S3中通过式(3)确定目标拓扑的链路权重：
Figure FDA0002373895720000021
式(3)中，Weight[i][j]为目标拓扑的链路权重矩阵，Target_Topo[i][j]为目标拓扑矩阵，i和j为卫星节点编号。
6.根据权利要求5所述的卫星网络快照路由优化方法，其特征在于：步骤S3中在目标拓扑下通过Dijkstra算法计算节点间的路由。
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