CN107733518A

CN107733518A - 基于合作博弈的leo卫星网络最优收益路由方法

Info

Publication number: CN107733518A
Application number: CN201710919156.3A
Authority: CN
Inventors: 魏松杰; 程浩; 李帅
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2017-09-30
Filing date: 2017-09-30
Publication date: 2018-02-23

Abstract

本发明涉及一种基于合作博弈的LEO卫星网络最优收益路由方法，所述方法包括：构造一个类铱星星座的网格状LEO卫星通信系统；根据LEO卫星星座的周期性运动规律及其网格状多径路由属性，将一条从源卫星节点到目的卫星节点路由路径上的多个LEO卫星中继节点作为一个合作联盟对待，并利用吞吐量、延时、丢包率等网络性能指标定义联盟收益函数；基于合作博弈论中联盟博弈的思想，采用Shapley值分配机制对联盟合作收益进行分配，合作收益最高的路由联盟即为当前LEO卫星网络中从源卫星节点到目的卫星节点的最优性能路由路径。本发明能够有效的均衡热门节点的流量负载，提高卫星网络资源利用率，降低数据分组网络延时，为数据分组提供受保障的QoS路由能力。

Description

基于合作博弈的LEO卫星网络最优收益路由方法

技术领域

本发明属于卫星通信领域，具体涉及一种基于合作博弈的LEO卫星网络最优收益路由方法。

背景技术

随着卫星技术的发展，卫星移动通信和人们生活的联系越来越紧密，地位也越来越重要。与传统的地面移动通信系统相比，卫星移动通信系统的特点在于能较快的实现大区域的覆盖，无需大量的地面配套基础设施，在偏远的山区、海岛、受灾区、远洋船只及远航飞机等通信方面更具独特的优越性。

通信卫星按轨道高度可分为低轨LEO卫星，中轨MEO卫星和地球同步轨道GEO卫星。GEO卫星比较适合广播业务和固定用户高数据率业务，目前GEO通信卫星已广泛应用于广播、电视业务。但是由于GEO卫星位于距离地球表面35800公里的地球同步轨道上，导致GEO卫星的传播时延太大，不利于实时通信业务的开展，而位于距地500-2000公里轨道上的LEO卫星与用户的距离大大缩小，能把星地往返传播时延降低到毫秒量级，且地面移动终端用较小的天线就能实现和LEO卫星的通信。

1998年，第一个真正意义上具备星上交换和星上处理能力的LEO卫星网络Iridium铱星通信系统投入运行之后，学术界和产业界对LEO卫星网络的研究热度和资金投入逐年增加。随着卫星通信技术的快速发展，LEO卫星具有的研制周期短、发射难度小、制造成本低、技术更新快等优点使其成为未来面向服务的应用型通信卫星的发展方向。

LEO卫星网络中用户对通信的实时性、传输时延、丢包情况以及带宽资源的服务要求较高，其通过同一轨道内或不同轨道间的一系列星间链路构成了一个拓扑结构动态变化的多跳自组织网络。但相比于地面移动自组织网络中节点的随机运动，LEO卫星节点的运动具有显著的周期性规律，因而其网络拓扑结构具有一定的可预测性，利用这一特点，可以极大的提高卫星网络的运行效率和资源利用率。

LEO卫星网络中，路由选择及控制技术是影响卫星网络整体性能的一个关键技术，如何保证传输路径的可靠性及流量分布的均衡性是当前卫星网络研究的关键问题。但是目前LEO卫星网络路由策略并没有一个具有普遍适应性的标准化协议体系或技术框架。现有的各种解决方案适应性不强，未充分考虑网络应用场景和流量分布不均衡问题，对于LEO卫星星上系统的计算能力、存储能力、信号接收发射能力要求苛刻，对于卫星节点可靠性、网络抗毁性进行了过于过度简化忽略或乐观的场景假设。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种设计合理、网络性能指数优且能够显著提高网络负载均衡程度的基于合作博弈的LEO卫星网络最优收益路由方法。

本发明基于合作博弈的LEO卫星网络最优收益路由方法，包括：

构造一个满足预定条件的类铱星星座的网格状LEO卫星通信系统；其中，所述的类铱星星座的网格状LEO卫星通信系统的构造方法具体包括：设定卫星的轨道倾角、轨道高度参数；为每颗卫星建立与相邻卫星相连接的星间链路，包括同轨道星间链路和跨轨道星间链路；同轨道卫星在运行期间保持相对静止，星间链路是稳定建立并长久保持的；极轨道卫星运行到高纬度地区时，跨轨道星间链路会临时关闭；

根据LEO卫星星座网络的周期性运动规律及其网格状多径路由属性，将一条从源卫星节点到目的卫星节点路由路径上的多个LEO卫星中继节点作为一个合作博弈中的联盟对待，并利用吞吐量、延时、丢包率等网络性能指标定义联盟收益函数；

基于合作博弈论中联盟博弈算法，采用夏普里值分配机制对联盟合作收益进行分配，卫星节点依据实时收集的网络及节点状态，独立计算加入各路由联盟的合作收益，选择加入合作收益最高的路由联盟，数据分组沿着该路由联盟确定的路由路径进行合作转发到目的卫星节点。

进一步地，所述的类铱星星座的网格状LEO卫星通信系统满足的预定条件包括：

卫星节点有能力与相邻的同轨或异轨节点间建立可靠的星间链路，或者能够感知已经存在的链路的通断状态；每个卫星节点具有基本的独立数据处理、队列缓存能力；每个卫星节点知道星座中自己所处轨道内的节点个数、轨道面数量、运行参数；

每条星间链路的数据传输能力是双向的，也即两个卫星节点间的链路一旦建立起来后，数据能够从任何一个节点发送到对应节点上；星间链路的连通持续时间大于数据在该链路的传输延迟时间；

卫星节点和星间链路允许失效；一个失效的星间链路将无法实现两端卫星节点间的数据传输，一个失效的卫星节点将同时失效所有包含该节点的星间链路；

数据分组在卫星网络中以报文的形式进行传递；每个数据报具有固定的大小和结构，其内容由数据的发送者和接收者通过协议的方式进行规定；通过在报文封包头中添加和解析额外的信息，进行路由辅助信息的更新与传递；数据报中具有目的节点及其所处轨道面信息。

进一步地，所述的合作博弈论中联盟博弈算法具体包括：在LEO卫星节点的数据分组转发中继过程中引入联盟博弈，将一条从源节点到目的节点路由路径上的多个LEO卫星中继节点作为一个联盟对待，利用节点实时状态信息以及路径网络性能指标定义路由联盟的合作收益；

使用数据分组的路由性能以及网络整体性能来衡量路由联盟的收益情况，联盟的收益与路由性能、网络性能呈正相关，其中LEO卫星节点n的性能参数指标包括节点当前剩余可用带宽即吞吐量属性throughput(n)、节点队列延时属性queuedelay(n)、网络丢包率属性packetloss(n)、节点Buffer缓冲区容量大小属性bufferlength(n)，用Path＝(s,n₁，n₂，…，d)来描述一条从源卫星节点s到目的卫星节点d的路由路径，一条路由路径中由该路由联盟所有参与节点决定的路由性能参数，如下：

路由联盟收益函数如下：

其中，throughput(P)、delay(P)、packetloss(P)、bufferlength(P)分别表示路由联盟所能提供的吞吐量、延时、丢包率、缓冲区容量大小指标，而T_min、D_max、B_min分别表示转发数据分组所需的最小吞吐量、最大延时以及最小缓冲区容量空间大小要求，α、β、γ、λ分别表示对这些指标要求归一化后的权重因子。

进一步地，采用夏普里值(Shapley value)作为联盟收益的分配方案，联盟中节点所能获得的收益计算公式如下：

其中，表示的是由A中所有不包含参与者i构成的联盟，而A是由全体参与者构成的集合，表示参与者i加入联盟S的概率，而|S|表示联盟S中参与者的个数；

计算出来的就是节点i加入联盟S后所能分配得到的收益；在联盟中节点所能获得的收益计算公式中，存在着两个联盟，参与者i加入之前的联盟S，和参与者i加入之后的联盟S∪{i}，显然，此时数据分组在参与者i中，由参与者i决定数据分组的下一跳转发节点，没有节点i参与的联盟S收益为0，节点i在联盟S∪{i}中的收益可以简化为如下：

随着参与者总数n的增加，联盟收益下降，节点i获得的收益也在减少，节点会选择加入参与者较少的联盟以获取更高收益。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本发明设计合理、理论科学，借鉴经济学中较为成熟的合作博弈理论，在LEO卫星节点的数据分组转发中继过程中引入联盟博弈(coalitional game)，将一条从源节点到目的节点路由路径上的多个LEO卫星中继节点作为一个联盟对待。基于合作博弈论的思想，使LEO卫星节点具有提高自身收益的行为，通过协作来完成数据的多跳转发任务。LEO卫星节点通过对加入各个路由联盟后所得收益的比较，倾向于选择处理能力更强的下一跳联盟成员节点进行分组数据转发，能有效的均衡热门节点的流量负载，提高卫星网络资源利用率，降低数据分组网络延时。

本发明通过联盟合作收益的动态变化反映网络状态的动态变化，LEO卫星节点根据自身收益自适应的选择最佳路由路径，指导数据分组的路由中继转发，能够有效均衡热门节点的流量负载，提高卫星网络资源利用率，降低数据分组网络传输延时，并且可以根据不同应用场景、不同服务需求甚至不同卫星节点的服务侧重点的差异，为数据分组提供受保障的QoS路由能力。

本发明应用于低轨道的类铱星星座卫星网络系统，网络性能指数显著优于以最短路径路由算法为代表的其它传统路由方法。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是类铱星星座网络拓扑结构示意图；

图2是不同网络负载下的分组投递率；

图3是不同网络负载下的端到端时延；

图4是不同网络负载下的路由跳数；

图5是重度网络负载下的流量分布情况。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明一较佳实施例所述的一种基于合作博弈的LEO卫星网络最优收益路由方法，包括以下步骤：

构造一个类铱星星座的网格状LEO卫星通信系统。

如图1中所示，同一轨道内相邻卫星之间可以构成轨内链路，相邻轨道间的卫星构成轨间链路。将整个卫星网络的拓扑结构二维展开后，每颗卫星与其同一和相邻轨道平面上的卫星，通过跨界通道建立快速分组交换网和通信链路。其中的每颗LEO卫星节点可以建立四条星间链路ISL(I nter-Sate l l ite Li nk)，其中两条为与同一轨道内相邻LEO卫星建立的同轨道星间链路，另外两条为与相邻轨道上的邻居LEO卫星建立的跨轨道星间链路。

同轨道卫星在运行期间保持相对静止，因此同轨道星间链路在LEO卫星网络运行期间是可以稳定建立并长久保持的；在两极地区，跨轨道星间链路两端卫星间的相对角速度会显著增大，而卫星天线无法在过快变化的角速度下继续维持跨轨星间链路通信，因此当LEO卫星运行到60°以上高纬度地区时，关闭其跨轨星间链路；建立并维护运行方向相反LEO卫星间的跨缝隙星间链路的系统开销极其昂贵，但是跨缝隙星间链路对于网络性能影响较小，因此本发明中不考虑跨缝隙星间链路。

根据LEO卫星星座的周期性运动规律及其网格状多径路由属性，将一条从源卫星节点到目的卫星节点路由路径上的多个LEO卫星中继节点作为一个合作联盟对待，并利用吞吐量、延时、丢包率等网络性能指标定义联盟收益函数。

本发明在LEO卫星节点的数据分组转发中继过程中引入联盟博弈，将一条从源节点到目的节点路由路径上的多个LEO卫星中继节点作为合作博弈中的一个联盟对待。由于LEO卫星网络天然的多径路由属性，通常一个LEO卫星节点有多个联盟可供选择加入，为了实现自身收益的最大化，节点将加入能够获得最高收益的博弈联盟中。

本发明使用数据分组的路由性能以及网络整体性能来衡量路由联盟的收益情况，因为本发明的最终目的就是为了通过卫星节点间的合作博弈来提高数据分组的转发效率和质量、提升网络整体性能，所以联盟的收益与路由性能、网络性能呈正相关，用可观察的路由性能、网络性能参数来衡量合作博弈效果即联盟收益是可行并且合理的。LEO卫星节点n的性能参数指标主要包括节点当前剩余可用带宽即吞吐量属性throughput(n)、节点队列延时属性queuedelay(n)、网络丢包率属性packetloss(n)、节点Buffer缓冲区容量大小属性bufferlength(n)，这些性能对于网络路由性能至关重要。本发明用Path＝(s,n₁，n₂，…，d)来描述一条从源节点s到目的节点d的路由路径，相应的，本发明定义了一条路由路径中由该路由联盟所有参与节点决定的路由性能参数，如下：

在定义了上述节点性能和路由路径性能指标后，本发明定义的路由联盟收益函数如下：

其中，throughput(P)、delay(P)、packetloss(P)、bufferlength(P)分别表示路由联盟所能提供的吞吐量、延时、丢包率、缓冲区容量大小指标，而T_min、D_max、B_min分别表示转发数据分组所需的最小吞吐量、最大延时以及最小缓冲区容量空间大小要求，α、β、γ、λ分别表示对这些指标要求归一化后的权重因子，权重因子，可由本技术领域人员根据数据流对不同服务质量的需求进行经验设定。也就是说α、β、γ、λ本身值的大小是没有意义的，它们之间的比值关系才是有意义的，通过调整α、β、γ、λ之间的比值，可以达到不同的路由服务质量要求，改善不同的网络性能要求，以满足不同数据流对不同服务质量的需求。

基于合作博弈论中联盟博弈的思想，采用Shap l ey值分配机制对联盟合作收益进行分配，通过在数据分组中增加和传递额外的网络状态信息，实现卫星节点对于不同路由路径上网络状态的实时感知，并独立计算各个路由联盟的合作收益，选择合作收益最高的路由联盟作为当前LEO卫星网络中从源卫星节点到目的卫星节点数据分组的路由路径实现数据分组的多跳转发。

为了收集LEO卫星网络中动态的流量负载信息或者说卫星节点以及星间链路的状态信息，同时为了避免引入较大的额外路由开销，本发明采用数据捎带机制，也就是将这些网络状态信息封装到数据分组流量中，随着数据分组的中继转发逐渐扩散到整个卫星网络中，最后卫星节点利用收集的节点、链路状态信息计算各个路由联盟的收益信息，根据计算出的具有最佳收益的路由联盟路径进行数据分组的协作转发。

合作博弈中最重要的就是合作收益的分配，因为这关系到合作联盟是否可以稳定的维持下去，一种合理的、公正公平的联盟收益分配方案可以保证联盟中的任意一个参与者不愿意离开当前联盟，而加入另一个联盟，因为这个参与者离开当前联盟，加入另一个联盟并不能获得更高的收益，基于个体理性原则，它没有动机离开当前联盟。在本发明中，采用夏普里值(Shap l ey va l ue)作为联盟收益的分配方案，夏普里值是被广泛接受的合作博弈的解之一，它强调按照参与者对联盟所做的贡献来分配合作的收益，较为科学、合理，同时计算简单并具有唯一性。联盟中节点所能获得的收益计算公式如下：

其中，表示的是由A中所有不包含参与者i构成的联盟，而A是由全体参与者构成的集合，表示参与者i加入联盟S的概率，而|S|表示联盟S中参与者的个数，因此计算出来的就是节点i加入联盟S后所能分配得到的收益。在上述公式中，存在着两个联盟，参与者i加入之前的联盟S，和参与者i加入之后的联盟S∪{i}，显然，此时数据分组在参与者i中，由参与者i决定数据分组的下一跳转发节点，所有没有节点i参与的联盟S收益为0，因此节点i在联盟S∪{i}中的收益可以简化为

从上式中可以看出，随着参与者总数n的增加，联盟收益下降，所以节点i获得的收益也在减少，所以作为一个理性节点，为了最大化收益，节点会倾向于选择加入参与者较少的联盟以获取更高收益，这与传统的基于最短路径路由算法通过减少路由中继过程中的节点数量来达到降低路由开销、提升路由性能的目的有一定的相似性。

下面采用计算机网络仿真的方式对基于合作博弈的LEO卫星网络最优收益路由方法进行建模分析，并通过赋值实现了对真实场景的模拟。具体过程分以下三个步骤进行：

(1)星座模型构建

采用STK软件设计了一个类铱星星座模型，包含6个轨道面，每个轨道面11颗LEO卫星，共计66颗LEO卫星，轨道倾角为86.4°，轨道高度为780公里。

(2)仿真场景设置

LEO卫星间的星间链路带宽为25Mbps，数据包大小为512Byte，缓冲区队列长度为50。在网络应用层建立200个UDP数据流连接，每个数据流的发送持续时间为15-25秒，而且数据流的分布符合Pareto帕累托分布特性。路由联盟收益函数中的权重因子α、β、γ、λ比值为4:3:2:1时可以取得较好的网络流量负载均衡效果，因此实验中将α、β、γ、λ的值归一化处理后分别设置为0.4、0.3、0.2、0.1，每次实验的仿真时间都为7200s即大约一个卫星网络运行周期，每次取得的数据结果为仿真100次后的数据结果的平均值。

(3)实验结果分析

实验过程中，为了充分验证LEO卫星星座网络下合作博弈路由算法的性能，尤其是其流量负载均衡能力，分别度量了基于最短路径路由算法和基于合作博弈最优收益路由算法在不同网络负载情况下的分组投递率、平均端到端时延等典型网络性能指标，前者体现了路由策略的可靠性，端到端时延则体现了路由策略的效率，同时对比分析了这两种算法在仿真过程中的实时节点负载方差值，以便更为直观的显示合作博弈最优收益路由算法的流量负载均衡能力。本发明将网络负载划分为三种状态，数据分组发送速率低于每秒4000个时称为轻度网络负载，数据分组发送速率高于每秒7000个时称为重度网络负载，数据分组发送速率介于这二者之间的称为中度网络负载。

图2所示为上述两种路由算法在不同网络负载下的分组投递率情况，网络负载较轻时，最短路径路由算法与合作博弈路由算法性能相当，这是因为此时具有最优收益的路由联盟即为最短路径路由算法所确定的路由路径；而当网络负载进一步加重时，数据分组投递率开始下降，这时LEO卫星节点中的输入、输出缓冲区逐渐被占满，多余的数据分组因为无法获得足够的缓存空间或因为等待时间过长而被丢弃。

最短路径路由算法单纯以最小跳数作为路由依据，而忽略卫星节点以及星间链路的实时状态信息，如卫星节点是否已经处于拥塞之中；而合作博弈路由算法实时维护多个路由联盟，通过实时计算联盟博弈合作收益综合评价路由路径质量，充分利用网络现有资源，进行流量的负载均衡，充分利用网络可用带宽极大提高了分组转发率和分组投递率，降低了网络拥塞发生的可能，即使发生了网络拥塞，也能在一定程度上减轻网络拥塞，提高了网络在重负载情况下的性能。因此本发明提出的合作博弈最优收益路由算法的平均分组投递率明显高于采用最短路径路由算法的卫星网络。

图3所示为上述两种路由算法在不同网络负载下的平均端到端时延情况，LEO卫星网络中的端到端延时为数据分组在星间链路上的传输时延与路由路径上各节点队列处理时延的总和。最短路径路由算法在做路由选择时主要是以跳数为依据，而合作博弈路由算法在选择路由的过程中综合考虑了路由联盟中各LEO卫星节点和星间链路的状态信息，选择路由路径时不仅仅考虑跳数，同时考虑了LEO卫星节点自身实时的吞吐量、队列延时、丢包率等数据分组处理能力指标以及星间链路生存时间，建立的路由更加稳定，因此能有效减小延时，特别是在重度网络负载情况下，卫星节点通过对合作博弈联盟收益的比较选择最佳的路由路径进行数据分组流量的负载均衡，大大降低了因节点队列阻塞造成的时延增加。

图4所示为上述两种路由算法在不同网络负载下数据流的平均路由跳数或者说数据分组从源卫星节点到目的卫星节点路由路径的平均长度，与图2、图3的分析结果是一致的，网络负载较轻时，合作博弈路由算法与最短路径路由算法性能相当，这是因为此时具有最优收益的路由联盟即为最短路径路由算法所确定的路由路径；而当网络负载进一步加重时，此时单纯以路由跳数为依据的最短路径路由算法计算出的路由路径不再是性能最优路径；特别是网络处于重度负载时，随着热门卫星节点、星间链路的增多，各路由路径性能均在不同程度上遭到破坏，但合作博弈路由算法能在多个路由联盟中依据LEO卫星节点、星间链路实时状态选择当前最佳路由路径，从而提高了卫星网络资源利用率以及吞吐率性能，而代价就是星间路由跳数的增加，因为选择的路径必须尽可能绕过某些可能发生或者已经发生网络拥塞的热门节点、链路以保证路由性能。仿真实验结果表明，LEO卫星网络处于中度网络负载时，本发明提出的合作博弈路由算法与最短路径路由算法相比，以平均增加约3跳的代价，将网络的平均分组投递率提高了6.7％，分组传输延迟降低了21.2％；特别是在重度网络负载情况下，仅仅以平均增加约5跳的代价，就取得了平均分组投递率提高23.7％，分组传输延迟降低31.8％的优良路由性能，极大的提高了网络吞吐量。

图5所示为上述两种路由算法在重度网络负载下的卫星节点随仿真时间变化的负载方差值，该图更为直观的显示了合作博弈最优收益路由算法的流量负载均衡能力。基于最短路径的路由算法始终选择最短路径转发数据分组，极易造成热门节点和星间链路的拥塞，因此其卫星节点的负载方差值不仅大而且变化剧烈，而本发明的合作博弈路由算法根据合作收益动态调整最佳路由路径，流量负载能够更加均衡的分布于整个卫星网络，所以其节点负载方差较小且变化平缓。

为了验证本发明对LEO卫星星座网络的广泛适用性，在另一个星座模型上进行了网络仿真实验，该星座构型为72/6/1Wa l ker Star星座(极轨道星座)，即72颗LEO卫星均匀分布于6个轨道面，轨道倾角86°，轨道偏心率为0，轨道高度800公里。实验结果取得了与第一个星座构型类似的效果，因此本发明能有效的均衡热门节点的流量负载，显著提高卫星网络资源利用率，降低数据分组网络延时和丢包率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于合作博弈的LEO卫星网络最优收益路由方法，其特征在于，包括：

根据LEO卫星星座网络的周期性运动规律及其网格状多径路由属性，将一条从源卫星节点到目的卫星节点路由路径上的多个LEO卫星中继节点作为一个合作博弈中的联盟对待，并利用吞吐量、延时、丢包率网络性能指标定义联盟收益函数；

2.根据权利要求1所述的基于合作博弈的LEO卫星网络最优收益路由方法，其特征在于，所述的类铱星星座的网格状LEO卫星通信系统满足的预定条件包括：

3.根据权利要求1所述的基于合作博弈的LEO卫星网络最优收益路由方法，其特征在于，所述的合作博弈论中联盟博弈算法具体包括：在LEO卫星节点的数据分组转发中继过程中引入联盟博弈，将一条从源节点到目的节点路由路径上的多个LEO卫星中继节点作为一个联盟对待，利用节点实时状态信息以及路径网络性能指标定义路由联盟的合作收益；

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路由联盟收益函数如下：

f(P)＝α(throughput(P)-T_min)+β(D_max-delay(P))

+γ(1-packetloss(P))+λ(bufferlength(P)-B_min) (5)

4.根据权利要求1所述的基于合作博弈的LEO卫星网络最优收益路由方法，其特征在于：采用夏普里值(Shapley value)作为联盟收益的分配方案，联盟中节点所能获得的收益计算公式如下：

随着参与者总数n的增加，联盟收益下降，节点i获得的收益也在减少，节点选择加入参与者较少的联盟以获取更高收益。