CN107896189A - 卫星全光网络波长路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种卫星全光网络波长路由方法，相较于现有的技术，本申请使用LEO/MEO双层卫星体系结构，将LEO卫星空间拓扑结构划分区域，并在区域内进行路由更新，由MEO卫星负责区域间的路由更新和信息传输，提高算法更新路由的收敛速度；通过为不同的业务分配不同数量的波长集，满足不同的业务要求；链路权重考虑波长剩余数和传输时延，并动态改变链路权重；同时综合考虑波长冲突度，确定路由时考虑其他节点将来对波长的占用情况，从而延期选用波长冲突度大的链路。本发明可以实现网络负载均衡和资源的合理利用，提高了卫星光网络中波长利用率，满足不同业务的通信需求，同时使网络的阻塞率大大降低。

Description

卫星全光网络波长路由方法

本申请为申请号2017100541843、申请日2017年01月24日、发明名称“基于多业务的卫星全光网络波长路由方法”的分案申请。

技术领域

本发明属于卫星光通信领域，具体说是一种卫星全光网络波长路由方法。

背景技术

随着气象、遥感和军事领域应用需求的不断扩大，对卫星通信技术提出了新的要求。除了传输传统的遥测、遥控数据之外，还需要双向传输视频、音频、科学实验等多种不同类型的数据，传输数据量大，从几bit/s到几百兆bit/s不等。传统的微波式卫星很难满足技术发展的要求，激光链路式卫星具有通信容量大、功耗低、保密性和抗毁性强以及技术更新快、成本低等优势，能够很好的满足卫星通信的发展需求，成为当今研究的热点。

在卫星光网络中，研究的难点是波长路由问题，即波长和路由的分配RWA问题，动态的RWA问题已经被证明是NP-hard问题。如何利用双层卫星体系结构的优势以及根据全光网络带宽大、功耗低和抗毁性强等优点，建立双层卫星结构下的卫星全光网络波长路由方法是急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明结合MEO/LEO卫星星座特点，提出一种卫星全光网络波长路由方法。该方法选路时的链路权重综合考虑时延、可用波长数因素，同时引入波长冲突度机制，从而使卫星网络节点负载均衡，减小节点压力，同时减小网络节点的阻塞率，提高了波长利用率，满足不同业务的通信需求。

为决解卫星光网络波长路由问题，本发明的技术方案是这样实现的：一种卫星全光网络波长路由方法，具体包括：

S1：收集LEO/MEO卫星参数:轨道高度h、俯仰角θ、卫星星历参数，通过计算LEO、MEO卫星星下点之间距离的方法，以及“星下点距离最短”原则，建立LEO和MEO之间的网络拓扑结构，确定LEO卫星与唯一的MEO卫星建立链路，将LEO卫星划分区域；

S2：根据业务类型划分等级，确定业务优先级集F＝{f₁,f₂,···,f_m}；

S3：统计卫星的波长数，以业务优先级F＝{f₁,f₂,···,f_m}将波长分簇，形成波长分簇集合C＝{c₁,c₂,···,c_k}，并使m＝k；使最高优先级业务拥有最大的波长簇，即可用波长数最多；簇与簇之间可用波长有交集，提高波长利用率；

S4：以可用波长数和时延初始化链路权重C₀(u,v)，其中u,v为卫星节点；

S5：确定K条关键路径，链路权重使用初始权重C₀(u,v)；

S6：基于波长冲突度的K条关键路径链路权重调整，当确定关键路径后，需要重新设置网络中关键链路权重，将关键链路权重分为两部分，初始权重和波长冲突度；

S7：从调整权重后的K条关键路径中选择链路权重和最小的路径建立路由，并以业务优先级为依据在对应的波长簇中分配波长；

S8：更新网络拓扑结构，重新计算链路权重。

进一步地，步骤S1中建立卫星网络拓扑时，以“星下点距离最短”为原则，唯一确定LEO向MEO接入的卫星，保证LEO卫星与唯一的一个MEO卫星相连接，且两者之间的空间距离最短，减小传输时延。

进一步地，步骤S2中根据业务类型划分等级具体为：

①根据业务对时延敏感程度划分，对时延要求高的业务有较高优先级，对时延要求较低的业务有较低的优先级；②根据服务质量约定划分，按照用户级别不同，拥有不同的服务质量，划分业务不同的优先级；③根据业务重要程度划分，相对重要的业务具有较高的优先级，而一般业务具有较低的优先级。

进一步地，步骤S3中波长分簇时，波长分簇集合中可用波长数以业务优先级为对应依次减少，各波长簇中波长可以有交集，提高波长利用率。

进一步地，步骤S4中链路初始权重计算公式为：

其中，λ(u,v)为链路(u,v)的剩余波长数，λ_max为当前网络链路中链路剩余波长数的最大值，网络中剩余波长数最大的链路的权重为1，而链路剩余波长数越小，对应权重越大。D(u,v)为链路(u,v)的传输时延，D_min为所有链路的最小时延，α₁和β为链路权重调节因子。

更进一步地，步骤S5使用Dijkstra最短路径方法，求解K条最短路径，取K＝3-4。

更进一步地，步骤S6中波长冲突度计算公式为：

其中

式中，(s′,d′)为某一(S,D)节点对，(s,d)为当前业务流请求的(S,D)节点对，P是所有(S,D)节点对的集合，p＝|P|是集合P中元素的个数，SET_i(s'd')为(s′,d′)的第i条关键路径，ε_i(s'd')表示路径权重的增量；μ为符号标识，当(s′,d′)与(s,d)申请的波长相同时，μ＝1；当(s′,d′)与(s,d)申请的波长不同时，μ＝-1。

作为更进一步地，更改关键路径链路权重计算公式为：

，

其中α₁、β、α₂分别为剩余波长数、时延、波长冲突度权重调节因子。

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：相较于现有技术，本发明卫星全光网络波长路由方法结合MEO/LEO双层卫星光网络特点，以MEO为区域管理者，将LEO划分区域，在每个区域内LEO有唯一的MEO卫星与其对应，路由更新在区域内进行，从而减少路由交换，提高路由收敛速度，并将波长分簇，使波长簇与业务优先级集相对应，提高波长利用率。在此基础上，综合考虑链路波长剩余数和传输时延，计算初始链路权重，同时考虑波长冲突度对关键路径链路权重的影响，进行更新建立路由。

本发明可以实现网络负载均衡和资源的合理利用，提高了卫星光网络中波长利用率，满足不同业务的通信需求，同时使网络的阻塞率大大降低，为卫星全光网络的研究和发展提供更加有利和高效的波长路由算法。

附图说明

本发明共有附图1幅：

图1为卫星全光网络波长路由方法流程图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

建立MEO/LEO双层卫星网络拓扑结构，根据卫星的轨道参数和运行星历，统计一个星历周期内MEO和LEO卫星的星下点轨迹，以“星下点距离最短”为原则，建立LEO与唯一MEO卫星的对应关系，将LEO卫星划分区域，每个区域有一颗MEO卫星作为该区域的管理者，进行本区域LEO卫星路由信息的汇聚与更新以及相邻区域路由信息的交换。MEO/LEO双层全光网络中存在的星间链路众多、路由汇聚任务繁重等问题。采用分区域管理策略可以减少路由更新信息量，提高路由收敛速度。

多业务波长分配，将业务划分优先级集合，波长分簇。针对不同等级业务采取波长分簇分配方法，以达到降低高优等级业务阻塞率的目的，提高波长利用率。

为了适应多样化业务需求对QoS的不同要求，并根据光网络当前的资源使用情况提供针对性的服务，可以将用户不同类型的业务依照以下方法之一进行划分：

(1)根据业务重要程度划分：相对重要的业务具有较高的优先级，而一般的业务配置为较低的优先级；

(2)根据业务性能指标要求(如时延敏感程度)划分：对时延要求比较高的业务具有较高的优先级，对时延要求较低的业务具有较低的优先级；

(3)根据服务质量约定划分：如按照用户级别的不同，分别提供不同的服务质量。

依照以上业务优先级划分策略，选择一种策略将业务划分优先级，形成业务优先级集合F＝{f₁,f₂,···,f_m}，一般取m＝3或m＝4。

波长分簇，以业务优先级F＝{f₁,f₂,···,f_m}为对应将波长分簇C＝{c₁,c₂,···,c_k}，保证每个优先级对应一个波长簇即m＝k，波长簇中可用波长数以优先级为对应依次减少，各波长簇中波长可以有交集。

初始化链路权重，定义卫星网络链路权重为链路波长数以及链路传输时延的综合函数；

根据链路剩余波长数和传输时延求取各个(S,D)节点对的K条最短路径，也叫关键路径。选取关键路径的原则是，各个(S,D)节点对选取链路权重是由链路波长数和传输时延计算得出的最短(最小权值)路径。链路权重与链路剩余波长数有关，有利于保持网络链路的畅通，实现网络负载均衡。同时也与传输时延有关，有利于保证实时数据的传输时延。

每个(S,D)节点对请求的实际路径需要综合考虑所有(S,D)节点对对链路的需求状况。求取某个S、D节点对的K条关键路径的步骤如下：

①根据链路剩余波长和时延设置每条链路的初始权重为：

式(1)中λ(u,v)为链路(u,v)的剩余波长数，λ_max为当前网络链路中链路剩余波长数的最大值，网络中剩余波长数最大的链路的权重为1，而链路剩余波长数越小，对应权重越大。D(u,v)为链路(u,v)的传输时延，D_min为所有链路的最小时延。α₁和β为链路权重调节因子。

②应用式(1)得到的链路权重，通过Dijkstra算法，求出(S,D)节点对之间的一条最短路径作为关键路径。在求下一条关键路径之前，从网络中删除当前路径中权重最大的一条链路，从而保证下一条关键路径不会同前一条路径重复。

③重复②的动作，直到当前(S,D)节点对之间不存在可达路径或获得的路径数为K(一般K取3-4)。用K′表示该(S,D)节点对间的实际关键路径数。对所有(S,D)节点对执行①到③过程，会得到所有节点的关键路径集。

更改关键路径的链路权重，当确定关键路径后，需要重新设置网络中关键链路的权重，将关键链路的权重定义为两部分，初始权重和波长冲突度。初始权重即式(1)，波长冲突度则定义为：

其中

式(2)中(s′,d′)为某一(S,D)节点对，(s,d)为当前业务流请求的(S,D)节点对，P是所有(S,D)节点对的集合，p＝|P|是集合P中元素的个数，SET_i(s'd')为(s′,d′)的第i条关键路径，ε_i(s'd')表示路径权重的增量；μ为符号标识，当(s′,d′)与(s,d)申请的波长相同时，μ＝1；当(s′,d′)与(s,d)申请的波长不同时，μ＝-1。

重新设置关键链路的权重为：

即链路的初始权重和波长冲突度之和。

通过对关键链路权重的调整，综合考虑了链路的资源状态即剩余波长，以及各节点对在链路上的冲突和竞争。上式反应了冲突避免和竞争机制的结合，在为某(S,D)节点对预留波长链路的同时，应尽量避开其它(S,D)节点对申请相同波长的链路。当某条链路中的波长号与请求节点对外的其它节点对的申请的波长号相同时，该链路的冲突度增加με_i(s'd')(μ＝1)，意味着该链路的权重也要增加，当前请求选择路径应尽量避开该链路；而如果某条链路属于请求(S,D)节点对本身的路径时，该链路的冲突度增加με_i(s'd')(μ＝-1)，意味着该链路的权重也要降低。因此，在为当前请求选择路径时，会在一定程度上优先选择该链路。这样，在冲突避免的基础上引入竞争策略，使得在为当前请求选择路径时，一方面尽量避开申请相同波长号的其它节点对路径上的链路，另一方面，尽量优先选择当前请求节点对的路径上的链路，从而保证算法性能的高效。

本发明可以实现网络负载均衡和资源的合理利用，提高了卫星光网络中波长利用率，满足不同业务的通信需求，同时使网络的阻塞率大大降低，为卫星全光网络的研究和发展提供更加有利和高效的波长路由算法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.卫星全光网络波长路由方法，其特征在于，具体包括：

S1：收集LEO/MEO卫星参数，建立LEO和MEO之间的网络拓扑结构，确定LEO卫星与唯一的MEO卫星建立链路，将LEO卫星划分区域；

S2：根据业务类型划分等级，确定业务优先级集F＝{f₁,f₂,…,f_m}；

S3：统计卫星的波长数，以业务优先级F＝{f₁,f₂,…,f_m}将波长分簇，形成波长分簇集合C＝{c₁,c₂,…,c_k}，并使m＝k；使最高优先级业务拥有最大的波长簇，即可用波长数最多；

S4：以可用波长数和时延初始化链路权重C₀(u,v)，其中u,v为卫星节点；

S5：确定K条关键路径，链路权重使用初始权重C₀(u,v)；

S6：基于波长冲突度的K条关键路径链路权重调整，当确定关键路径后，需要重新设置网络中关键链路权重，将关键链路权重分为两部分，初始权重和波长冲突度；

S7：从调整权重后的K条关键路径中选择链路权重和最小的路径建立路由，并以业务优先级为依据在对应的波长簇中分配波长；

S8：更新网络拓扑结构，重新计算链路权重，计算公式为：

<mrow> <mi>C</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>,</mo> <mi>v</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>C</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>,</mo> <mi>v</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>&amp;delta;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>,</mo> <mi>v</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mi>&amp;lambda;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>,</mo> <mi>v</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>D</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>,</mo> <mi>v</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <msub> <mi>D</mi> <mi>min</mi> </msub> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>s</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>,</mo> <msup> <mi>d</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>)</mo> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>P</mi> </mrow> </munder> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <msup> <mi>K</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </munderover> <msub> <mi>&amp;mu;&amp;epsiv;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>s</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>,</mo> <msup> <mi>d</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>,</mo> <mi>v</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>E</mi> </mrow> ，

其中α₁、β、α₂分别为剩余波长数、时延、波长冲突度权重调节因子。