CN107302396B - 基于混合策略的动态星间网络路由规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合策略的动态星间网络路由规划方法，实施步骤包括：以导航卫星集合S中的未规划卫星s为起始星，从第一个时隙或跳数开始，在每个时隙或跳数中，搜索与起始卫星集合中每颗卫星在本时隙或跳数下有测量链路的目的卫星，然后对所有在本时隙或跳数能到达的目的卫星中的所有可到达路径中选取跳数或时间最短的路径作为该目的卫星的路由路径，并将该目的卫星加入起始卫星集合参与下一次搜索，直到所有目的卫星的路由路径全部找到，其输入数据为拓扑结构T和导航卫星集合S，输出结果为星间路由集合SR。本发明能够实现使数据在星间链路传输中花费的时间最短且跳数最短。

Description

基于混合策略的动态星间网络路由规划方法

技术领域

本发明涉及航空航天导航卫星任务规划技术，具体涉及一种基于混合策略的动态星间网络路由规划方法。

背景技术

导航系统星间链路是通过无线电发射和接收设备，实现导航卫星之间双向测距和数据交换的星载系统。通过星间链路，不仅可以利用星间精密测距改善地面定轨网络在几何布局上的限制，提高导航卫星的定轨和时间同步精度，还可以利用星间数据传输提高导航星历的更新频度，大幅提高卫星导航系统的性能水平。建设星间链路，对国土面积有限、海外建站受到限制的前提下发展具有全球竞争力的卫星导航系统具有决定性的重要意义。通过星间链路在导航卫星之间建立联系，导航系统的空间段将不再是孤立卫星的组合，而是相互协同的一个整体，通过星地链路的配合，整个导航系统的控制段和空间段将成为一个全天候全天时的无缝网络，提供了星地星间一体的导航系统业务运行管理模式。

作为空间基础设施之一，围绕星间链路的研究很多，包括星座设计，星座构型，天线设计及工作体制研究等，但星间链路的核心问题是卫星间的组网问题。组网问题的核心之一是星间网络路由规划。

根据采用星间天线的不同，星间链路有两种不同的工作体制：持续体制和时分体制。持续体制采用点波束天线建立持续星间链路，时分体制采用宽波束天线建立动态星间链路。由于卫星数目并不多，持续体制的星间链路构建主要以主观决策的方式决定，没有复杂的建链规划，因此本发明着力于解决宽波束天线下时分体制星间链路的路由规划问题。

时分体制TDMA是一种常用的信道接入技术，为了避免信道冲突，将时间划分为时间片(时隙)，网络节点按照时隙规划在属于自己的时隙发送信号从而实现信道共用，因此TDMA是以不同的时隙实现通信的。

时分星间链路网络传输有其自身特点，如图1所示，在开始时隙，起始卫星将信息传输给与其建立链路的卫星，该时隙结束后，会有两颗卫星拥有需要传输的数据包，然后将两颗卫星也看作起始卫星，由此类推，若星座是全连通的，在经过若干个时隙后，所有目的星一定会得到传输的数据，即数据会到达目的地。由图1可以看出，由于时分体制星间链路动态变换的特点，在传输过程中，不仅传输时间是通信要考虑的因素，传输跳数也将是通信要考虑的重要因素，跳数是指由源星到目的星的中转星数目。随着中转星数目的增多，传输的不稳定性会大大提升，以误码率为例，单包数据传输误码率会随着跳数迅速增加。

星间通信的优化目标是卫星与卫星之间通信代价最小。

可以用矩阵C表示通信代价矩阵。

上式中，c_i,j表示i星到j星的通信代价，当i＝j时无意义，且矩阵C不是对称矩阵。

则整网通信总代价C_total为：

上式中，C_total表示整网通信总代价，c_i,j表示i星到j星的通信代价。

星间通信的优化目标即是最小化C_total。通信代价主要考虑跳数和时延因素，定义权重α和β分别作为跳数和时延的指标权重(α+β＝1)，则通信代价c_i,j可表示如下公式，

c_i,j＝α×cost_jump+β×cost_time

上式中，c_i,j表示i星到j星的通信代价，α和β分别作为跳数和时延的指标权重，cost_jump和cost_time分别表示卫星i到j的跳数和时延，并考虑到跳数和时延可能处在不同尺度，计算通信代价之前需要首先归一化。

现有的星间链路路由算法主要包括：1、低中轨卫星动态变换网络动态路由算法，该算法增加了卫星网络的健壮性，与传统的路由算法相比，该算法更有效、更可靠，花费更少的传输消耗并且聚合更快。2、基于演化图理论的网络路由算法，包括Dijkstra算法，基于蚁群优化的演化图QoS路由算法等。但现有研究的路由策略都是基于单一目标的路由策略，比如点与点之间的最短路径、最小跳数、最优路径等，都没有对针对两种和两种以上策略组合的路由路径进行设计。即使同时提到两个策略的，也是将两个指标利用权重参数进行加权并最终以一个指标进行求解，不是使所有目标都达到最优。以某单一方面的目标策略进行优化往往会导致另一方面的通信性能降低。因此，怎样使数据在星间链路传输中花费的时间最短，且跳数最短成为星间链路规划中必须要解决的重要问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够实现使数据在星间链路传输中花费的时间最短且跳数最短的基于混合策略的动态星间网络路由规划方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种基于混合策略的动态星间网络路由规划方法，实施步骤包括：

1)以导航卫星集合S中的未规划卫星s为起始星，将起始星加入起始卫星集合BS、其他卫星均加入目的星集合DS，初始化设定时隙slot的初始值，设定设置星间路由集合临时路由集合

2)循环遍历起始卫星集合BS中每颗待规划卫星bs，在输入的拓扑结构T中搜索时隙slot内与待规划卫星bs有星间链路的卫星ls；若卫星ls不属于目的星集合DS，表明卫星ls的卫星路由路径已经找到，继续搜索与待规划卫星bs有星间链路的卫星ls；若卫星ls属于目的星集合DS，则将卫星ls加入此时隙slot内的邻域卫星集合LS，在临时路由集合SR_temp中搜索从卫星s到待规划卫星bs的路由，并与待规划卫星和卫星ls之间的链路bs→ls合并作为卫星s到待规划卫星ls之间的路由，并加入临时路由集合SR_temp；

3)循环遍历邻域卫星集合LS中每颗卫星ls，搜索临时路由集合SR_temp中在时隙slot下所有到达卫星ls的路由并计算其跳数，将具有最少跳数的路由作为卫星s到卫星ls的路由，加入星间路由集合SR；然后将卫星ls加入起始卫星集合BS、从目的星集合DS中删除卫星ls；

4)将时隙slot加1；

5)判断目的星集合DS是否为空，若为空，则跳转执行步骤6)；否则跳转执行步骤2)；

6)判断导航卫星集合S是否还有未规划卫星，若有，则跳转执行步骤1)；若没有，则算法结束，输出星间路由集合SR。

优选地，步骤1)中初始化设定时隙slot的初始值为1。

本发明还提供一种基于混合策略的动态星间网络路由规划方法，实施步骤包括：

1)以导航卫星集合S未规划卫星s为起始星，将其加入起始卫星集合BS、其他卫星均加入目的星集合DS，初始化设定跳数jump的初始值，初始化设定星间路由集合临时路由集合

2)循环遍历起始卫星集合BS中每颗待规划卫星bs，在输入的拓扑结构T中搜索所有时隙内与待规划卫星bs有星间链路的卫星ls；若卫星ls不属于目的星集合DS，表明卫星ls的路由路径已经找到，继续搜索与待规划卫星bs有星间链路的卫星ls；若ls属于目的星集合DS，则将卫星ls加入此跳数内邻域卫星集合LS，在临时路由集合SR_temp中搜索从卫星s到bs的路由，并与待规划卫星和卫星ls之间的链路bs→ls合并作为卫星s到待规划卫星ls之间的路由，并加入临时路由集合SR_temp；

3)循环遍历邻域卫星集合LS中每颗卫星ls，搜索临时路由集合SR_temp中在跳数jump内所有到达卫星ls的路由，并计算其时间，将具有最短时间的路由作为卫星s到ls的路由，加入星间路由集合SR；然后将卫星ls加入起始卫星集合BS，从目的星集合DS中删除卫星ls；

4)将跳数jump加1；

5)判断目的星集合DS是否为空，若为空，则跳转执行步骤6)；否则跳转执行步骤2)；

6)判断导航卫星集合S是否还有未规划卫星，若有，则跳转执行步骤1)；若没有，则算法结束，输出星间路由集合SR。

优选地，步骤1)中初始化设定跳数jump的初始值为1。

本发明基于混合策略的动态星间网络路由规划方法具有下述优点：

1.本发明的混合策略同时考虑了两种策略，即最短时间下最少跳数策略(MTMJ)和最少跳数下最短时间策略(MJMT)，使得数据在星间链路传输时，可以达到时间最短，跳数最少的目的。

2.本发明提出的算法适用于动态星间网络的情形，仿真结果验证了算法的效能，能够满足动态网络路由的需求。

附图说明

图1为现有技术的时分星间链路网络示意图。

图2为实施例一方法的流程示意图。

图3为实施例二方法的流程示意图。

图4为第一个拓扑周期内MJMT策略(实施例二)下MEO11卫星的星间路由

图5为第一个拓扑周期内MTMJ策略(实施例一)下MEO11卫星的星间路由

图6为实施例一和实施例二在跳数代价权重α＝0.1，β＝0.9时的仿真结果对比。

图7为实施例一和实施例二在跳数代价权重α＝0.2，β＝0.8时的仿真结果对比。

图8为实施例一和实施例二在跳数代价权重α＝0.3，β＝0.7时的仿真结果对比。

图9为实施例一和实施例二在跳数代价权重α＝0.4，β＝0.6时的仿真结果对比。

图10为实施例一和实施例二在跳数代价权重α＝0.5，β＝0.5时的仿真结果对比。

图11为实施例一和实施例二在跳数代价权重α＝0.6，β＝0.4时的仿真结果对比。

图12为实施例一和实施例二在跳数代价权重α＝0.7，β＝0.3时的仿真结果对比。

图13为实施例一和实施例二在跳数代价权重α＝0.8，β＝0.2时的仿真结果对比。

图14为实施例一和实施例二在跳数代价权重α＝0.9，β＝0.1时的仿真结果对比。

具体实施方式

本发明基于混合策略的动态星间网络路由规划方法要解决的技术问题是实现使数据在星间链路传输中花费的时间最短且跳数最短，因此存在两个方面的要求用时最短、跳数最少，混合策略中根据上述两个方面的优先级不同，则存在两种路由策略：即“最短时间最少跳数(MTMJ)”和“最少跳数最短时间(MJMT)”，分别提供了实施例一和实施例二两种与之对应的路由规划算法。

实施例一：

本实施例中是一种基于最短时间最少跳数(MTMJ)优先的基于混合策略的动态星间网络路由规划方法。算法从第一个时隙开始，在每个时隙中，搜索与起始卫星集合中每颗卫星在本时隙有测量链路的目的卫星，然后对所有在本时隙能到达的目的卫星中的所有可到达路径中选取跳数最短的路径作为该目的卫星的路由路径，并将该目的卫星加入起始卫星集合参与下一次搜索，直到所有目的卫星的路由路径全部找到。其输入数据为拓扑结构T和导航卫星集合S，输出结果为星间路由集合SR。

如图2所示，本实施例基于混合策略的动态星间网络路由规划方法的实施步骤包括：

1)以导航卫星集合S中的未规划卫星s为起始星，将起始星加入起始卫星集合BS、其他卫星均加入目的星集合DS，初始化设定时隙slot的初始值，设定设置星间路由集合临时路由集合

2)循环遍历起始卫星集合BS中每颗待规划卫星bs，在输入的拓扑结构T中搜索时隙slot内与待规划卫星bs有星间链路的卫星ls；若卫星ls不属于目的星集合DS，表明卫星ls的卫星路由路径已经找到，继续搜索与待规划卫星bs有星间链路的卫星ls；若卫星ls属于目的星集合DS，则将卫星ls加入此时隙slot内的邻域卫星集合LS，在临时路由集合SR_temp中搜索从卫星s到待规划卫星bs的路由，并与待规划卫星和卫星ls之间的链路bs→ls合并作为卫星s到待规划卫星ls之间的路由，并加入临时路由集合SR_temp；

3)循环遍历邻域卫星集合LS中每颗卫星ls，搜索临时路由集合SR_temp中在时隙slot下所有到达卫星ls的路由并计算其跳数，将具有最少跳数的路由作为卫星s到卫星ls的路由，加入星间路由集合SR；然后将卫星ls加入起始卫星集合BS、从目的星集合DS中删除卫星ls；

4)将时隙slot加1；

5)判断目的星集合DS是否为空，若为空，则跳转执行步骤6)；否则跳转执行步骤2)；

6)判断导航卫星集合S是否还有未规划卫星，若有，则跳转执行步骤1)；若没有，则算法结束，输出星间路由集合SR。

本实施例中，步骤1)中初始化设定时隙slot的初始值为1。

实施例二：

与实施例一不同，本实施例中是一种基于最少跳数最短时间(MJMT)优先的基于混合策略的动态星间网络路由规划方法。算法从第一跳开始，在每一跳时，搜索与起始卫星集合中每颗卫星在所有时隙中有测量链路的目的卫星，然后对所有在本跳能到达的目的卫星中的所有可到达路径中选取时间最短的路径作为该目的卫星的路由路径，并将该目的卫星加入起始卫星集合参与下一次搜索，知道所有目的卫星的路由路径全部找到。其输入数据为拓扑结构T和导航卫星集合S，输出结果为星间路由集合SR。

如图3所示，本实施例基于混合策略的动态星间网络路由规划方法的实施步骤包括：

1)以导航卫星集合S未规划卫星s为起始星，将其加入起始卫星集合BS、其他卫星均加入目的星集合DS，初始化设定跳数jump的初始值，初始化设定星间路由集合临时路由集合

2)循环遍历起始卫星集合BS中每颗待规划卫星bs，在输入的拓扑结构T中搜索所有时隙内与待规划卫星bs有星间链路的卫星ls；若卫星ls不属于目的星集合DS，表明卫星ls的路由路径已经找到，继续搜索与待规划卫星bs有星间链路的卫星ls；若ls属于目的星集合DS，则将卫星ls加入此跳数内邻域卫星集合LS，在临时路由集合SR_temp中搜索从卫星s到bs的路由，并与待规划卫星和卫星ls之间的链路bs→ls合并作为卫星s到待规划卫星ls之间的路由，并加入临时路由集合SR_temp；

3)循环遍历邻域卫星集合LS中每颗卫星ls，搜索临时路由集合SR_temp中在跳数jump内所有到达卫星ls的路由，并计算其时间，将具有最短时间的路由作为卫星s到ls的路由，加入星间路由集合SR；然后将卫星ls加入起始卫星集合BS，从目的星集合DS中删除卫星ls；

4)将跳数jump加1；

5)判断目的星集合DS是否为空，若为空，则跳转执行步骤6)；否则跳转执行步骤2)；

6)判断导航卫星集合S是否还有未规划卫星，若有，则跳转执行步骤1)；若没有，则算法结束，输出星间路由集合SR。

本实施例中，步骤1)中初始化设定跳数jump的初始值为1。

下文将以用具有24颗卫星的Walker星座进行仿真实验，采用张忠山等在《双层规划求解兼顾测量与通信的星间链路设计》中提出的双层规划方法进行星间拓扑规划，实验参数如表1所示。

表1：星间拓扑和路由规划仿真参数。

本实施例中，图4和图5展示了在第一个拓扑周期内两种路由规划策略下得到的星间路由示意图，第一个拓扑周期内MJMT策略(实施例二)下MEO11卫星的星间路由如图4所示，其中每一个节点括号中的值表示数据传输所需的时隙；第一个拓扑周期内MTMJ策略(实施例一)策略下MEO11卫星的星间路由如图5所示，其中每一个节点括号中的值表示数据传输所需的跳数。在不同的用户偏好下，即跳数和时间的指标权重α、β不同时，MTMJ策略(实施例一)和MJMT(实施例二)两种策略的表现不同，在所有拓扑周期内不同偏好下两种策略的表现如图6～图14所示。图6中，跳数代价权重α为0.1，跳数代价权重β为0.9；图7中，跳数代价权重α为0.2，跳数代价权重β为0.8；图8中，跳数代价权重α为0.3，跳数代价权重β为0.7；图9中，跳数代价权重α为0.4，跳数代价权重β为0.6；图10中，跳数代价权重α为0.5，跳数代价权重β为0.5；图11中，跳数代价权重α为0.6，跳数代价权重β为0.4；图12中，跳数代价权重α为0.7，跳数代价权重β为0.3；图13中，跳数代价权重α为0.8，跳数代价权重β为0.2；图14中，跳数代价权重α为0.9，跳数代价权重β为0.1。由图6～图14不难看出，当跳数权重α≤0.5(β>0.5)时，MTMJ策略(实施例一)下的通信代价要优于MJMT策略(实施例二)下的通信代价，此时应选择用MTMJ策略作为星间传输路由策略；当α>0.5(β<0.5)时，MJMT策略(实施例二)下的通信代价要优于MTMJ策略(实施例一)下的通信代价，应选择用MJMT策略(实施例二)作为星间传输路由策略。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于混合策略的动态星间网络路由规划方法，其特征在于实施步骤包括：

1)以导航卫星集合S中的未规划卫星s为起始星，将起始星加入起始卫星集合BS、其他卫星均加入目的星集合DS，初始化设定时隙slot的初始值，设置星间路由集合临时路由集合其中为空集；

2)循环遍历起始卫星集合BS中每颗待规划卫星bs，在输入的拓扑结构T中搜索时隙slot内与待规划卫星bs有星间链路的卫星ls；若卫星ls不属于目的星集合DS，表明卫星ls的卫星路由路径已经找到，继续搜索与待规划卫星bs有星间链路的卫星ls；若卫星ls属于目的星集合DS，则将卫星ls加入此时隙slot内的邻域卫星集合LS，在临时路由集合SR_temp中搜索从卫星s到待规划卫星bs的路由，并与待规划卫星bs和卫星ls之间的链路bs→ls合并作为卫星s到待规划卫星ls之间的路由，并加入临时路由集合SR_temp；

3)循环遍历邻域卫星集合LS中每颗卫星ls，搜索临时路由集合SR_temp中在时隙slot下所有到达卫星ls的路由并计算其跳数，将具有最少跳数的路由作为卫星s到卫星ls的路由，加入星间路由集合SR；然后将卫星ls加入起始卫星集合BS、从目的星集合DS中删除卫星ls；

4)将时隙slot加1；

5)判断目的星集合DS是否为空，若为空，则跳转执行步骤6)；否则跳转执行步骤2)；

6)判断导航卫星集合S是否还有未规划卫星，若有，则跳转执行步骤1)；若没有，则算法结束，输出星间路由集合SR。

2.根据权利要求1所述的基于混合策略的动态星间网络路由规划方法，其特征在于，步骤1)中初始化设定时隙slot的初始值为1。

3.一种基于混合策略的动态星间网络路由规划方法，其特征在于实施步骤包括：

1)以导航卫星集合S未规划卫星s为起始星，将其加入起始卫星集合BS、其他卫星均加入目的星集合DS，初始化设定跳数jump的初始值，初始化设定星间路由集合临时路由集合其中为空集；

2)循环遍历起始卫星集合BS中每颗待规划卫星bs，在输入的拓扑结构T中搜索所有时隙内与待规划卫星bs有星间链路的卫星ls；若卫星ls不属于目的星集合DS，表明卫星ls的路由路径已经找到，继续搜索与待规划卫星bs有星间链路的卫星ls；若ls属于目的星集合DS，则将卫星ls加入此跳数内邻域卫星集合LS，在临时路由集合SR_temp中搜索从卫星s到bs的路由，并与待规划卫星bs和卫星ls之间的链路bs→ls合并作为卫星s到待规划卫星ls之间的路由，并加入临时路由集合SR_temp；

3)循环遍历邻域卫星集合LS中每颗卫星ls，搜索临时路由集合SR_temp中在跳数jump内所有到达卫星ls的路由，并计算其时间，将具有最短时间的路由作为卫星s到ls的路由，加入星间路由集合SR；然后将卫星ls加入起始卫星集合BS，从目的星集合DS中删除卫星ls；

4)将跳数jump加1；

5)判断目的星集合DS是否为空，若为空，则跳转执行步骤6)；否则跳转执行步骤2)；

6)判断导航卫星集合S是否还有未规划卫星，若有，则跳转执行步骤1)；若没有，则算法结束，输出星间路由集合SR。

4.根据权利要求3所述的基于混合策略的动态星间网络路由规划方法，其特征在于，步骤1)中初始化设定跳数jump的初始值为1。