CN108011661B - 一种卫星网络路由震荡抑制方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种卫星网络路由震荡抑制方法和系统，所述方法包括：S1、计算相邻轨道间链路的链路生存时间，所述链路生存时间为相邻轨道间链路从当前时刻到链路中断时刻的时间间隔，并基于所述链路生存时间对发生路由震荡的转交链路进行定位；S2、通过链路代价函数消除转交链路的链路时延变化，以消除链路时延变化对路由选择的影响，实现路由震荡抑制。通过卫星运动的可预测性计算链路生存时间，定位出发生路由震荡的转交链路；进而提出仅作用于转交链路的链路代价函数，并作为路由计算的依据，该链路代价函数能在保持空间网络拓扑相对不变的基础上，对链路时延和链路连通性的联动变化关系进行解耦，消除引起路由震荡的因素。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，更具体地，涉及一种卫星网络路由震荡抑制方法和系统。
背景技术
卫星网络是由不同轨道上多种类型的卫星互相连接构成的系统，卫星节点通过交叉链路(Inter-SatelliteLink，ISL)(也称星际链路或星间链路)提供通信路径，实现传送信号、提供路由和转发数据包。充分发挥高、中、低轨卫星性能来构建能够为全球范围内的用户提供宽带的综合业务，保证服务质量(Quality of Service，QoS)的多层卫星网络(Multi-layered satellitenetwork)已经成为未来卫星通信网络发展的趋势。因此，开发适合于多层卫星网络的路由策略成为卫星通信领域研究的重点。
典型的多层卫星网络路由方法包括分层的QoS路由协议(Hot Standby RoutingProtocol，HQRP)、多层卫星路由算法(Multi-Layered Satellite Routing algorithm，MLSR)、卫星分组和路由协议(Secure Grid Routing Protocol，SGRP)。HQRP适用于面向连接的多层卫星网络(Satellite over Satellite，SOS)，能够提供长距离依赖(LDD)业务的服务质量保证。MLSR适用于LEO(Low Earth Orbit，近地轨道)、MEO(Medium Earth Orbit，中地球轨道)和GEO(Geosynchronous orbit，地球同步轨道)3层IP卫星网络，通过收集时延信息，高层卫星分布计算路由表。SGRP适用于LEO/MEO双层IP卫星网络，采用快照和分组决策的策略，根据时延报告计算最小路径。这些多层卫星网络路由算法都是动态地进行时延信息收集和路由表计算的，随着网络规模的增大和卫星数量的增多，将会给卫星网络带来较大的时空开销，路由计算的时延和出错的概率也会急剧增大。卫星网络具有长距离无线链路通信的高时延性和信道传输数据率的不对称性，卫星运动、空间环境影响或其它故障性因素会引发卫星网络链路的断开，因此卫星网络又可被看做一种典型的延时可容忍网络(DelayTolerance Network，DTN)。
低轨卫星凭借着低时延、全球覆盖的特点，成为建设空间网络关注的热点。至今国外已有大量提出或商业部署的低轨卫星通信系统，如铱卫星Iridium、Oneweb。根据典型低轨卫星通信系统的空间组网特点，相邻卫星轨道在空间相互交叉，轨道间的链路(inter-orbit link)在交叉点附近发生链路断开/重连，以保证天线正常转交，即链路转交引起的链路间歇中断。与此同时，该转交链路(在交叉点发生转交的链路)距离交叉点越近，传播时延比较小；相反，距离交叉点越远，传播时延越大。图1给出现有技术中典型卫星系统结构的实例，其卫星轨道交叉点位于极地区域。当其转交链路靠近极地区域边界时，链路会中断，链路时延则会变小；当其链路远离极地区域时，链路会重新连接，链路时延会变大；卫星接入节点在轨道内均匀分布，全部轨道内链路的时延都相等且为常数。
由于任何两个空间节点间隔比较大，链路传播时延往往被作为路由计算的依据，用以最快将数据包送至目的节点。当空间网络的链路连通性和时延在交叉点附近持续变化，路由选择在交叉点附近频繁地震荡。以如图2中箭头线条代表的路由选择为例，分析路由震荡过程：
初始时刻，经过交叉点的路由选择S1→T6经过链路(S5，T5)。
然而，在t＝85s时，随着卫星运行，链路(S3，T3)将距离交叉点更近，具有更小链路时延。鉴于路由选择S1→T6所经过轨道内链路总代价是固定值，路由选择将从(S5，T5)切换到(S3，T3)。
当t＝162s时，(S3，T3)被迫中断，路由选择重新选择(S5，T5)。
当t＝359s时，随着卫星运动，(S2，T2)比(S5，T5)距离交叉点更近，链路时延也更小，路由选择再次离开(S5，T5)选择(S2，T2)。
当t＝548s时，链路(S4，T4)重新建立，具有最小链路时延。路由选择自然再次震荡，从(S2，T2)切换到(S4，T4)。
由于路由稳定性问题对网络建设很重要，传统路由震荡问题在地面网络上受到广泛关注。但相对传统地面网络路由震荡，空间网络具有以下特性：1、路由震荡持续发生；2、发生路由震荡的转交链路持续变化，且为高负载链路；3、路由震荡起因是由链路时延和链路连通性联动变化导致的。这些独特的特征使得传统路由稳定机制不一定适应空间特点。以典型在轨星座铱卫星Iridium为例，该路由震荡平均每天发生592次，并且路由震荡发生在高负载的转交链路，该链路承载全网15％～30％的路由选择，极其容易产生大量丢包，极大影响网络性能。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种卫星网络路由震荡抑制方法和系统，解决了现有技术中相邻轨道间转交链路处路由震荡导致大量丢包、极大影响网络性能的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种卫星网络路由震荡抑制方法，包括：
S1、计算相邻轨道间链路的链路生存时间，所述链路生存时间为相邻轨道间链路从当前时刻到链路中断时刻的时间间隔，并基于所述链路生存时间对发生路由震荡的转交链路进行定位；
S2、通过链路代价函数消除转交链路的链路时延变化，以消除链路时延变化对路由选择的影响，实现路由震荡抑制。
作为优选的，所述步骤S1中，计算得到相邻轨道间链路的链路生存时间具体包括：
根据卫星运转周期及相邻轨道间链路建立的时间，得到相邻轨道间链路的链路生存时间：
式中，δ为极地边界的纬度，T为卫星运转一周的周期，t为相邻轨道间链路建立的时间。
作为优选的，所述步骤S1中，基于所述链路生存时间定位发生路由震荡的转交链路具体包括：
基于链路生存时间变化得到链路连通性随时间变化的关系，及链路时延随时间变化的关系；定位得到同时发生链路连通性变化及链路时延变化的链路，即为发生路由震荡的转交链路。
作为优选的，所述步骤S2中，对于所述转交链路，所述链路代价函数为：MF＝ζ，其中，ζ取值小于所述相邻轨道间转交链路的最小链路时延。
作为优选的，所述步骤S2中，对于非转交链路，所述链路代价函数为：MF＝d/c，其中，d为相邻轨道间链路的空间距离，c为光速。
作为优选的，还包括：
S3、基于最短路径Dijkstra算法，减少经过转交链路的路由选择数量。
一种卫星网络路由震荡抑制系统，包括：
转交链路获取模块，用于计算得到相邻轨道间链路的链路生存时间，并基于所述链路生存时间定位发生路由震荡的转交链路；
震荡抑制模块，用于通过链路代价函数消除转交链路的链路时延变化，以消除链路时延变化对路由选择的影响，实现路由震荡抑制。
一种卫星网络路由分配方法，包括：
基于卫星运动轨迹，分析网络拓扑变化，将持续变化的网络拓扑离散为一系列静态网络拓扑；
基于上述的震荡抑制方法计算每个静态网络拓扑下的路由选择；
将所述每个静态网络拓扑下的路由选择上传至各卫星。
本发明提出一种卫星网络路由震荡抑制方法和系统，通过卫星运动的可预测性计算链路生存时间，定位出发生路由震荡的转交链路；进而提出仅作用于转交链路的链路代价函数，并作为路由计算的依据，该链路代价函数能在保持空间网络拓扑相对不变的基础上，对链路时延和链路连通性的联动变化关系进行解耦，消除引起路由震荡的因素；最后基于链路代价函数，提出可扩展的路由算法，在抑制空间网络路由震荡同时，支持各类分布式或集中式路由机制的部署。
附图说明
图1为空间网络星座示意图图；
图2为现有技术中链路转交引起路由震荡示意图；
图3为根据本发明实施例的路由震荡抑制方法流程框图；
图4为根据本发明实施例的链路生存时间与链路联通性、链路时延的变化关系示意图；
图5为根据本发明实施例的抑制链路转交引起路由震荡的路由机制示意图；
图6为根据本发明实施例的网络丢包率随负载增加的对比图；
图7为根据本发明实施例的相同负载网络负载下的网络最大利用率对比图；
图8为根据本发明实施例的卫星网络集中式部署示意图。
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。
如图3所示，图中示出了一种卫星网络路由震荡抑制方法，包括：
S1、计算相邻轨道间链路的链路生存时间，所述链路生存时间为相邻轨道间链路从当前时刻到链路中断时刻的时间间隔，并基于所述链路生存时间对发生路由震荡的转交链路进行定位；当链路刚建立时其链路生存时间最大，当链路即将中断时其链路生存时间最小，当链路中断时，链路生存时间为零。
S2、通过链路代价函数消除转交链路的链路时延变化，以消除链路时延变化对路由选择的影响，实现路由震荡抑制。
在本实施例中，所述步骤S1中，计算得到相邻轨道间链路的链路生存时间具体包括：
根据卫星运转周期及相邻轨道间链路建立的时间，得到相邻轨道间链路的链路生存时间：
式中，δ为极地边界的纬度，T为卫星运转一周的周期，t为相邻轨道间链路建立的时间。
在本实施例中，所述步骤S1中，基于所述链路生存时间定位发生路由震荡的转交链路具体包括：
基于链路生存时间变化得到链路连通性随时间变化的关系，及链路时延随时间变化的关系；定位得到同时发生链路连通性变化及链路时延变化的链路，即为发生路由震荡的转交链路。
具体的，由于δ、T都是常数，链路生存时间将随t线性变化，且具有以下特征：当链路刚建立时其链路生存时间最大，当链路即将中断时其链路生存时间最小，当链路中断时，链路生存时间为零。利用链路生存时间的变化刻画出链路连通性和时延变化两个属性的变化关系，同时定位出同时发生链路连通性和链路时延变化的转交链路。链路生存时间与链路连通性、链路时延的变化关系如图4所示。链路连通性发生在t1、t2时刻，同时链路时延随链路生存时间的递减呈先增后减，概括的说：当链路生存时间从最大逐渐变小时，转交链路刚建立，链路时延逐渐增大；当链路生存时间逐渐变为最小时，转交链路即将断开，链路时延逐渐减小。
由于当空间网络的链路连通性和链路时延在交叉点附近持续变化，路由选择在交叉点附近频繁地震荡。即路由震荡发生在将发生链路连通性变化和链路时延接近最小值的空间链路上。当某个链路的链路生存时间处于最大值\最小值的附近时，其为转交链路。
由于转交链路路由震荡主要由转交链路的链路连通性与链路时延联动变化导致的。链路连通性变化属于系统自身属性，直接影响路由选择，难以优化。相反，链路时延变化并不直接影响路由选择，而是通过改变链路代价间接影响路由选择的。因此，我们通过设计新的链路代价函数，对链路时延变化进行隐藏，消除链路时延变化对路由选择的影响，进而对转交链路的链路连通性与链路时延的联动变化关系进行解耦。
具体的，在本实施例中，所述步骤S2中，对于所述转交链路，所述链路代价函数为：MF＝ζ，其中，ζ取值小于所述相邻轨道间转交链路的最小链路时延。将转交链路的链路代价设置为一个常数ζ，该常数保证转交链路的链路代价不随卫星移动而发生变化。
在本实施例中，所述步骤S2中，对于非转交链路，所述链路代价函数为：MF＝d/c，其中，d为相邻轨道间链路的空间距离，c为光速。
由于转交链路的链路时延不发生变化时，路由震荡产生的主要因素(链路时延和链路连通性联动变化)也就被消除了。但常数ζ并不是任意值，如果设置不合理，将生成新的交叉点，在新的区域上产生路由震荡。为此，我们根据卫星运动规律得出，该常数ζ应设置为一个小于转交链路的最小传播时延的数值，即小于t1、t2时刻链路传播时延的最小值，以Iridium系统为例，该值约为7.5ms。
在本实施例中，如图5所示，为解耦后的网络拓扑图。其中，转交链路(T5，S5)、(T3，S3)的链路代价保持不变且相等。且任何时刻都存在两个链路代价相等的转交链路，为经过交叉点的路由选择提供等价路径。此外，链路代价函数作用于转交链路，网络拓扑的其他部分相对没有变化，有效支撑现有或新型的路由机制。
采用上述方法，任何时刻，转交链路时延不随卫星位置移动而变化，消除了引起路由震荡产生的主要因素；当旧的转交链路断开，新的转交链路随即生成，且两个转交链路的链路代价总相等，为经过交叉点的路由选择提供多条等价路径；链路函数仅作用于转交链路，保证网络整体结构相对不变，有效支持算法的可扩展性。
在本实施例中，基于上述链路代价函数，设计路由机制进一步减轻路由震荡并减少转交链路负载，还包括：
S3、基于最短路径Dijkstra算法，减少经过转交链路的路由选择数量。
步骤S1和S2设计的链路代价函数和常用算法的某些特殊性质，实现路由震荡的有效抑制，同时有效地保证本发明的可扩展性。本路由机制利用常用最短路径算法(Dijkstra)的最优性原则和贪心性质，通过减少经过转交链路的路由选择数量，抑制路由选择来回震荡，以图5为例：
在图5(a)的传统方法中，从卫星S1到T6和从S6到T1的路由选择均经过链路(S5,T5)。由于卫星不断运动，(S5，T5)链路代价逐渐增大、(S3，T3)逐渐减小。当(S3，T3)的链路代价小于(S5，T5)时，上述路由选择将同时切换到(S3，T3)，使得单次路由更新有大量路由改变。
在图5(b)中，上述路由选择将选择不同链路，从S1到T6的路由选择将通过(S3，T3)，而从S6到T1的路由选择则经过(S5，T5)。同时由于(S5，T5)和(S3，T3)的链路代价不发生相对变化，路由选择也就不会在(S3，T3)和(S5，T5)间来回切换。
根据最短路径Dijkstra最优性原则，图5(b)虚线框中的路由选择可代表框外的路由选择。因此，路由稳定机制可仅通过调度经过虚线框内交叉链路(T3，S3)和(T5，S5)的路由选择，可实现对所有经过交叉点路由选择的调度。
根据最短路径Dijkstra贪心性质，可证明从S3到T5的路由选择(代表从S1到T6的路由选择)经过链路(S3，T3)而非(S5，T5)。同理，从S5到T3的路由选择(代表从S6到T1的路由选择)经过链路(S5，T5)而非(S3，T3)。
基于NS2(Network Simulator version 2，网络仿真器)搭建实验平台，从路由稳定性和网络性能两方面验证本发明的有效性。传统方法和实施例的方法都部署在典型卫星网络---Iridium系统，并采用相同的最短路径算法(Dijkstra)以时延最小为依据计算节点间的路由选择。下表为稳定性优化结果对比表。
表中给出本发明的方法(Optimal method)减少路由震荡产生的路由选择改变量(changed paths)和受影响卫星数量(affected satellites)方面具有显著效果，说明本发明能有效减少链路转交路由震荡。
与此同时，图6为网络丢包率随负载增加的对比图，Original为传统方法，Optimal为本发明方法，证明了本发明实施例的方法能有效减少丢包率，提高用户体验感。另外，图7位相同负载网络负载下的网络最大利用率(越小越好)对比图，Original为传统方法，Optimal为本发明方法，证明了本发明实施例的方法能大幅减少在相同负载情况下全网最大链路利用率，减少网络拥塞的可能。换而言之，在保证网络不发生拥塞情况下，本发明能提高网络整体吞吐量。
本实施例中还示出了一种卫星网络路由震荡抑制系统，包括：
转交链路获取模块，用于计算得到相邻轨道间链路的链路生存时间，并基于所述链路生存时间定位发生路由震荡的转交链路；
震荡抑制模块，用于通过链路代价函数消除转交链路的链路时延变化，以消除链路时延变化对路由选择的影响，实现路由震荡抑制。
本实施例中还示出了一种卫星网络路由分配方法，包括：
基于卫星运动轨迹，分析网络拓扑变化，将持续变化的网络拓扑离散为一系列静态网络拓扑；
基于上述的的震荡抑制方法计算每个静态网络拓扑下的路由选择；
将所述每个静态网络拓扑下的路由选择上传至各卫星。
如图8所示，本实施例采用集中式实施方式，由于空间网络卫星节点运动轨迹可预测，路由计算可提前在地面站上集中计算，然后再下发到每个卫星上。基于该路由更新方式，具体实施方案如下：
利用卫星运动轨迹，预测网络拓扑变化，将持续变化网络拓扑离散化成一系列静态拓扑。
在地面站上，利用本实施例提出的路由机制计算每个离散拓扑下的路由选择。
利用星地链路或高轨卫星广播通道，将地面站提前计算好的路由表信息提前分配到各个卫星上。
本实施例中还示出了卫星网络路由分配方法的另一种实施方式，采用分布式的实施方式，近年来，随着卫星能力增加，在空间网络上部署分布式协议也受到广泛关注。采用分布式协议上部署方式：
修改分布式协议链路代价函数，对于转交链路采用本发明的链路代价函数
保证分布式协议路由计算方式采用Dijkstra算法，而非其他路由算法，如Floyd算法。鉴于Dijkstra已广泛应用于地面网络分布式协议(如OSPF)，该方案非常容易满足。
本发明提出一种卫星网络路由震荡抑制方法和系统，通过卫星运动的可预测性计算链路生存时间，定位出发生路由震荡的转交链路；进而提出仅作用于转交链路的链路代价函数，并作为路由计算的依据，该链路代价函数能在保持空间网络拓扑相对不变的基础上，对链路时延和链路连通性的联动变化关系进行解耦，消除引起路由震荡的因素；最后基于链路代价函数，提出可扩展的路由算法，在抑制空间网络路由震荡同时，支持各类分布式或集中式路由机制的部署。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种卫星网络路由震荡抑制方法，其特征在于，包括：
S1、计算相邻轨道间链路的链路生存时间，所述链路生存时间为相邻轨道间链路从当前时刻到链路中断时刻的时间间隔，并基于所述链路生存时间对发生路由震荡的转交链路进行定位；
S2、通过链路代价函数消除转交链路的链路时延变化；
所述基于所述链路生存时间对发生路由震荡的转交链路进行定位为，基于链路生存时间变化得到链路连通性随时间变化的关系，及链路时延随时间变化的关系，定位得到同时发生链路连通性变化及链路时延变化的链路；
所述步骤S2中，对于所述转交链路，所述链路代价函数为：MF＝ζ，其中，ζ取值小于所述相邻轨道间转交链路的最小链路时延；
所述步骤S2中，对于非转交链路，所述链路代价函数为：MF＝d/c，其中，d为相邻轨道间链路的空间距离，c为光速。
2.根据权利要求1所述的卫星网络路由震荡抑制方法，其特征在于，所述步骤S1中，计算得到相邻轨道间链路的链路生存时间具体包括：
根据卫星运转周期及相邻轨道间链路建立的时间，得到相邻轨道间链路的链路生存时间：
式中，δ为极地边界的纬度，T为卫星运转一周的周期，t为相邻轨道间链路建立的时间。
3.根据权利要求1所述的卫星网络路由震荡抑制方法，其特征在于，所述步骤S1中，基于所述链路生存时间定位发生路由震荡的转交链路具体包括：
基于链路生存时间变化得到链路连通性随时间变化的关系，及链路时延随时间变化的关系；定位得到同时发生链路连通性变化及链路时延变化的链路，即为发生路由震荡的转交链路。
4.根据权利要求1所述的卫星网络路由震荡抑制方法，其特征在于，还包括：
S3、基于最短路径Dijkstra 算法，减少经过转交链路的路由选择数量。
5.一种卫星网络路由震荡抑制系统，其特征在于，包括：
转交链路获取模块，用于计算得到相邻轨道间链路的链路生存时间，并基于所述链路生存时间定位发生路由震荡的转交链路；
震荡抑制模块，用于通过链路代价函数消除转交链路的链路时延变化，以消除链路时延变化对路由选择的影响，实现路由震荡抑制；
所述基于所述链路生存时间对发生路由震荡的转交链路进行定位为，基于链路生存时间变化得到链路连通性随时间变化的关系，及链路时延随时间变化的关系，定位得到同时发生链路连通性变化及链路时延变化的链路；
震荡抑制模块中，对于所述转交链路，所述链路代价函数为：MF＝ζ，其中，ζ取值小于所述相邻轨道间转交链路的最小链路时延；
震荡抑制模块中，对于非转交链路，所述链路代价函数为：MF＝d/c，其中，d为相邻轨道间链路的空间距离，c为光速。
6.一种卫星网络路由分配方法，其特征在于，包括：
基于卫星运动轨迹，分析网络拓扑变化，将持续变化的网络拓扑离散为一系列静态网络拓扑；
基于权利要求1至4任一所述的震荡抑制方法计算每个静态网络拓扑下的路由选择；
将所述每个静态网络拓扑下的路由选择上传至各卫星。
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