CN108183744A - 一种卫星网络负载均衡路由设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星网络技术领域，具体涉及一种卫星网络负载均衡路由设计方法。具体包括以下步骤：(S1)依据卫星网络拓扑信息，采用最短路径算法计算本星与目的卫星之间时延最短的N条路径作为备选路径；(S2)估计本星、中继卫星和各条备选路径的拥塞状态；(S3)基于本星拥塞状态、各条备选路径的时延、各条备选路径的路径拥塞状态，选取一条数据传输路径。本发明有利于将网络负载在整个网络更均匀分布，从而减少缓存溢出导致的丢包，在计算各条备选路径时可以方便的沿用现有路由算法，对系统改动小；本发明能够利用非实时的中继卫星缓存占用信息进行路由计算并提升网络性能。

Description

一种卫星网络负载均衡路由设计方法

技术领域

本发明属于卫星网络技术领域，具体涉及一种卫星网络负载均衡路由设计方法。

背景技术

在几乎所有通信网络中，路由都是影响系统性能的关键因素。在采用星间链路技术之后，卫星之间通过星间链路互联互通，组成卫星网络。与地面网络相比，卫星网络具有一系列自身的特点。对路由设计而言，既有拓扑动态变化、通信时延较长等挑战，又有拓扑变化可以预测和节点数量固定等有利因素。目前人们已经提出一系列行之有效的卫星网络路由算法。

基于Dijkstra算法的最短路径路由在整个网络选取时延最短的一条路径以传输数据，是一种被普遍采用的路由算法。该算法在网络负载较轻时性能良好，但当最短时延路径中存在拥塞卫星时将因缓存溢出导致数据包被丢弃。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种基于多条备选路径的负载均衡路由策略，有效解决了最短路径拥塞导致较高数据包丢包率的问题，使网络负载在全网更均衡的分布，降低拥塞风险，提高通信性能。具体技术方案如下：

一种卫星网络负载均衡路由设计方法，设卫星网络中有若干颗卫星，源发端卫星记为本星，接收端卫星记为目的卫星，其余卫星为中继卫星，包括以下步骤：

(S1)依据卫星网络拓扑信息，采用最短路径算法计算本星与目的卫星之间时延最短的N条路径作为备选路径；N为大于1的整数；

(S2)估计本星、中继卫星和各条备选路径的拥塞状态；

(S3)基于本星拥塞状态、备选路径的时延、备选路径的路径拥塞状态，选取一条数据传输路径。

优选地，所述步骤(S1)中的最短路径算法采用Dijkstra算法。

优选地，所述步骤(S2)中本星的拥塞状态估计方法为：预先设置本星拥塞阈值T_Local，监测获取本星缓存占用量，若本星缓存占用量小于阈值T_Local，则判定为无拥塞风险，否则判定本星存在拥塞风险；所述本星拥塞阈值T_Local的取值为：

T_Local≤B-(I-O)_max·t_c

其中，B为卫星缓存容量，(I-O)_max是卫星输入输出速率之差的最大值，t_c为缓存占有量检查间隔时间。

优选地，所述步骤(S2)中中继卫星的拥塞状态估计方法为：预先设置中继卫星的拥塞监测阈值T_Relay，监测获取中继卫星缓存占用量，若小于阈值T_Relay，则判定为无拥塞风险，否则判定中继卫星存在拥塞风险；所述中继卫星的拥塞监测阈值T_Relay取值为：

T_Relay≤B-(I-O)_max·(t_c+t_d)

其中B为卫星缓存容量，(I-O)_max是卫星输入输出速率之差的最大值，t_d表示整个网络所有卫星之间平均时延，t_c为缓存占有量检查间隔时间。

优选地，所述步骤(S2)中备选路径的拥塞状态估计方法为：

假设某条备选路径在本星和目的卫星之间存在K个中继卫星，K为整数，即数据包需要经过K+1跳到达目的卫星，定义路径拥塞指标F和缓存占用瓶颈B_Bottleneck，用于描述该条路径的拥塞状态：

B_Bottleneck＝max(B₁,B₂,...,B_K)

其中，B_i是第i跳卫星的缓存占用量，i取值范围为1至K，B为卫星缓存容量，F变化范围在0至1之间，F＝0表示路径中至少一个卫星没有空余缓存，F＝1表示所有卫星的缓存均尚未使用；max(·)表示求取最大值。

优选地，所述步骤(S3)的具体过程为：

(S31)计算N条备选路径中最低的缓存占用瓶颈B_Path为：

B_Path＝min(B_Bottleneck(1),B_Bottleneck(2),...,B_Bottleneck(N))

N为备选路径的数量，B_Bottleneck(i)为第i条备选路径的缓存占用瓶颈；min(·)表示求取最小值。

(S32)如果本星不存在拥塞风险(即满足B_Local＜T_Local)，所有N条备选路径中有一条或多条路径不存在拥塞风险(即满足B_Path＜T_Relay)，则在所有不存在拥塞风险(即满足B_Bottleneck＜T_Relay)的备选路径中选取时延最短的路径，T_Relay表示中继卫星的拥塞监测阈值；

如果本星不存在拥塞风险(即满足B_Local＜T_Local)，所有N条备选路径均存在拥塞风险(即满足B_Path≥T_Relay)，则从所有备选路径中选取拥塞指标F值最大，即拥塞风险最小的路径；

如果本星存在拥塞风险(即满足B_Local≥T_Local)，N条备选路径中有一条或多条路径不存在拥塞风险(即满足B_Path＜T_Relay)，则在所有不存在拥塞风险(即满足B_Bottleneck＜T_Relay)的备选路径中选取离去时间最早的路径，若对应最早离去时间的备选路径不止一条，则进一步从中选取时延最短的路径。所述离去时间指的是数据包从本星发往路径中下一跳卫星的时间。

如果本星存在拥塞风险(即满足B_Local≥T_Local)，所有N条备选路径也均存在拥塞风险(即满足B_Path≥T_Relay)，则从所有备选路径中选取拥塞指标F值最大，即拥塞风险最小的路径。若最大F值对应的备选路径不止一条，则进一步从中选取离去时间最早的路径。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明在路由选取时不但考虑各条路径的时延，还考虑了本星和各条路径的拥塞状态，相比现有最短时延路由有利于将网络负载在整个网络更均匀分布，从而减少缓存溢出导致的丢包；

2、本发明从多条备选路径中选取合适的路径，在计算各条备选路径时可以方便的沿用现有路由算法，对系统改动小；

3、本发明提出一种中继卫星的拥塞监测阈值的设置方法，能够利用非实时的中继卫星缓存占用信息进行路由计算并提升网络性能。

附图说明

图1为本发明提供的负载均衡路由设计方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种卫星网络负载均衡路由设计方法，设卫星网络中有若干颗卫星，任意选一颗源发端卫星为本星，一颗接收端卫星为目的卫星，其余卫星为中继卫星，包括以下步骤：

(S1)依据卫星网络拓扑信息，采用最短路径算法计算本星与目的卫星之间的最短时延路径和N-1条次短时延路径(时延第2短的路径、时延第3短的路径，…，直到时延第N短的路径)共同组成N条备选路径；

端到端时延是在卫星网络中广泛使用的路由指标。在网络负载较轻的情况下，基于Dijkstra算法的最短时延路由性能较好。但随着网络负载的增加，最短时延路径中的部分卫星可能出现拥塞。在这种情况下，继续选择最短时延路径传输数据有可能导致数据包因中继卫星拥塞而被丢弃。为避免此类现象，本发明在计算最短时延路径之外，还将计算多条次短时延路径，当网络负载较轻时，仍使用最短时延路径传输数据，当负载较重、最短时延路径出现拥塞时，选用次短时延路径传输数据。具体的路径选择方法在步骤S2、S3中进行详细说明。

Dijkstra算法是经典的最短路径算法，主要特点是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到目的节点为止。其将网络用无向图G＝(V，E)进行描述，V为所有节点的集合，E为所有边的集合。该最短路径算法把图中节点集合V分成两组，第一组是已经求出最短路径的节点集合(用S表示)，第二组为尚未确定最短路径的节点集合(用U表示)。初始时，S中仅包括源节点，然后依次从U中选取距离源节点最近的节点，将其加入S，直到将目的节点加入S时算法结束。具体算法内容的详细步骤参见文献^[1]。

(S2)估计本星、中继卫星和多条备选路径的拥塞状态。

1)估计本星的拥塞状态：

当某颗卫星新收到一个数据包时，若卫星缓存未满，则将数据包存入缓存队列，等待发出；若卫星缓存已满(在这种情况下，卫星上临时存储的数据包的数量等于最大缓存容量)，则该新到的数据包将因缓存溢出被丢弃。为避免缓存溢出导致的丢包，本发明提出实时监测卫星拥塞状态：预先设置本星拥塞阈值T_Local，监测获取本星缓存占用量，若本星缓存占用量小于阈值T_Local，则判定为无拥塞风险，否则判定本星存在拥塞风险；T_Local需要应对以下极端情况：在卫星上一次检查缓存占用量时，缓存占用量接近但还未达到阈值，这次检查后，随着新数据包的到来，缓存占用量不断增加。为确保在下一次检查之前不会发生缓存溢出，本星拥塞阈值T_Local的取值应满足：

T_Local≤B-(I-O)_max·t_c

其中，B为卫星缓存容量(单位为包)，(I-O)_max是卫星输入输出速率之差的最大值(单位为包/s)，t_c为缓存占有量检查间隔时间。

实施例优选T_Local＝B-(I-O)_max·t_c。

2)估计中继卫星的拥塞状态

预先设置中继卫星的拥塞监测阈值T_Relay，监测获取中继卫星缓存占用量，若小于阈值T_Relay，则判定为无拥塞风险，否则判定中继卫星存在拥塞风险；传输路径上的任一卫星出现拥塞均将导致丢包。与本星缓存占用信息可以实时获取不同，中继卫星的缓存占用信息需要经过一定时间才传输到本星，因此难以获取实时的中继卫星缓存占用信息。假设整个网络所有卫星之间平均时延为t_d(s)，则中继卫星将其缓存占用信息传输至本星的平均时间也为t_d(s)。中继卫星的拥塞监测阈值T_Relay需要满足以下条件：

T_Relay≤B-(I-O)_max·(t_c+t_d)

其中B为卫星缓存容量(单位为包)，(I-O)_max为卫星输入输出速率之差的最大值(单位为包/s)，t_d表示整个网络所有卫星之间平均时延，t_c为缓存占有量检查间隔时间。

实施例中优选T_Relay＝B-(I-O)_max·(t_c+t_d)

3)估计路径拥塞状态

每条路径通常由多个卫星组成，路径中任何一个卫星拥塞都可能引发丢包。故在监测各颗卫星拥塞状态之外，还需对整条路径的拥塞状态进行估计。

假设在本星和目的卫星之间存在K个中继卫星，即数据包需要经过K+1跳到达目的卫星，使用以下指标描述整条路径的拥塞状态：

其中，F表示路径拥塞指标，B_i是第i跳卫星的缓存占用量，B是卫星缓存容量。F变化范围在0至1之间，F＝0表示路径中至少一个卫星没有空余缓存，F＝1表示所有卫星的缓存均尚未使用，F越大意味着路径拥塞的概率越小。

因路径中缓存占用量最大的卫星最易发生拥塞，故定义路径的瓶颈为：

B_Bottleneck＝max(B₁,B₂,...,B_K) (8)

N条备选路径中最低的缓存占用瓶颈为：

B_Path＝min(B_Bottleneck(1),B_Bottleneck(2),...,B_Bottleneck(N)) (9)

其中，N为备选路径的数量，B_Bottleneck(i)为第i条备选路径的缓存占用瓶颈。B_Path＜T_Relay意味着在所有备选路径中，至少一条路径没有拥塞风险。

(S3)基于本星拥塞状态、各条备选路径的时延、路径拥塞状态，选取一条数据传输路径。实施例中，选择路径的规则见表1。

表1负载均衡策略的路径选取规则

下面，结合一个具体实施例进行说明。

实施例中采用24颗中地球轨道卫星(MEO)组成的Walker24/3/1星座。卫星轨道高度21000km，轨道倾角为55度。各颗卫星的缓存容量B均为100包。星间信息速率为10包/s，缓存检查间隔t_c为1s，整个网络所有卫星之间平均时延t_d为4s。若卫星2(即：本星)收到一包目的卫星为卫星6的数据，则需要计算该包数据的下一跳卫星：

S1，使用最短时延路由算法^[1]计算最短时延路径及一系列次短时延路径。增加所计算备选路径的数量有利于得到更优的路由，但也将导致更大的计算量。这里以N＝5为例进行说明。使用最短时延路由算法计算得到卫星2到卫星6时延最短的5条路径分别为：

表2实施例中时延最短的5条路径

S2，估计各条路径拥塞状态：在计算出多条备选路径之后，需要计算各条备选路径中所有卫星的拥塞状态，下面以路径1为例进行说明。从表2可知，路径1经过的中继卫星节点分别为卫星17、5和20，其中任何一个节点拥塞都将导致数据包因缓存溢出而被丢弃。根据星间互传的负载信息，卫星2得知卫星17、5和20的缓存占用量分别为31包、16包和42包。计算整条路径的拥塞指标F：

计算该路径各颗卫星缓存占用量的最大值B_Bottleneck为：

B_Bottleneck＝max(B₁,B₂,B₃)＝max(31,16,42)＝42

类似的，可以计算出所有5条路径的拥塞状态和路径瓶颈，如表3所示：

表3实施例中各条路径的拥塞状态和路径瓶颈

路径编号	路径拥塞指标F	路径瓶颈BBottleneck
			1	0.3362	42
2	0.1287	67
			3	0.1508	49
4	0.3174	54
			5	0.7209	19

此外，本星当前时刻缓存占用量B_Local＝90：

S3，路径选取：

本星的拥塞监测阈值：

T_Local＝B-(I-O)_max·t_c＝100-10·1＝90

中继卫星的拥塞监测阈值：

T_Relay＝B-(I-O)_max·(t_c+t_d)＝100-10·(1+4)＝50

根据表3可知，所有备选路径中最低的缓存占用瓶颈为：

B_Path＝min(42,67,49,54,19)＝19

故此时B_Local≥T_Local且B_Path＜T_Relay。根据表1，应当在满足B_Bottleneck＜T_Relay且的备选路径中算去离去时间最早的路径。由表3可知，路径1、3、5满足B_Bottleneck＜T_Relay。由表2可知，其中路径1和路径3对应最早离去时间，且路径1时延小于路径3，故选取路径1作为该包数据传输路径，下一跳卫星为卫星17。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

参考文献：

[1].EW Dijkstra.A note on two problems in connexion withgraphs.Numensche Mathematik.1959.1(1).269-271.

Claims (8)

1.一种卫星网络负载均衡路由设计方法，设卫星网络中有若干颗卫星，源发端卫星为本星，接收端卫星为目的卫星，其余卫星为中继卫星，其特征在于包括以下步骤：

(S1)依据卫星网络拓扑信息，采用最短路径算法计算本星与目的卫星之间的最短时延路径和若干条次短时延路径，所述最短时延路径和若干条次短时延路径共同作为备选路径；

(S2)估计本星、中继卫星和备选路径的拥塞状态；

(S3)基于本星拥塞状态、备选路径的时延和备选路径路径的拥塞状态，选取一条数据传输路径。

2.根据权利要求1所述的负载均衡路由设计方法，其特征在于：所述步骤(S1)中的最短路径算法采用Dijkstra算法。

3.根据权利要求1所述的一种卫星网络负载均衡路由设计方法，其特征在于，所述步骤(S2)中本星的拥塞状态估计方法为：预先设置本星拥塞阈值T_Local，监测获取本星缓存占用量，若本星缓存占用量小于阈值T_Local，则判定为无拥塞风险，否则判定本星存在拥塞风险。

4.根据权利要求1所述的一种卫星网络负载均衡路由设计方法，其特征在于，所述步骤(S2)中中继卫星的拥塞状态估计方法为：预先设置中继卫星的拥塞监测阈值T_Relay，监测获取中继卫星缓存占用量，若小于阈值T_Relay，则判定为无拥塞风险，否则判定中继卫星存在拥塞风险。

5.根据权利要求1所述的一种卫星网络负载均衡路由设计方法，其特征在于，所述步骤(S2)中备选路径的拥塞状态估计方法为：

假设某条备选路径在本星和目的卫星之间存在K个中继卫星，即数据包需要经过K+1跳到达目的卫星，定义路径拥塞指标F和缓存占用瓶颈B_Bottleneck用于描述该条路径的拥塞状态：

B_Bottleneck＝max(B₁,B₂,...,B_K)

其中，B_i是第i跳卫星的缓存占用量，i取值范围为1至K，B为卫星缓存容量，F变化范围在0至1之间，F＝0表示路径中至少一个卫星没有空余缓存，F＝1表示所有卫星的缓存均未使用；符号max(·)表示求取最大值。

6.根据权利要求5所述的一种卫星网络负载均衡路由设计方法，其特征在于，所述步骤(S3)的具体过程为：

(S31)计算N条备选路径中最低的缓存占用瓶颈为：

B_Path＝min(B_Bottleneck(1),B_Bottleneck(2),...,B_Bottleneck(N))

N为备选路径的数量，B_Bottleneck(i)为第i条备选路径的缓存占用瓶颈；

(S32)选取一条数据传输路径；

如果本星不存在拥塞风险，且所述N条备选路径中有一条或多条路径不存在拥塞风险，则在所有不存在拥塞风险的备选路径中选取时延最短的路径；

如果本星不存在拥塞风险，且所述N条备选路径均存在拥塞风险，则从所有备选路径中选取拥塞指标F值最大的路径；

如果本星存在拥塞风险，且所述N条备选路径中有一条或多条路径不存在拥塞风险，则在所有不存在拥塞风险的备选路径中选取对应最早离去时间的路径，若对应最早离去时间的备选路径不止一条，则进一步从中选取时延最短的路径，所述离去时间指的是数据包从本星发往路径中下一跳卫星的时间；

如果本星存在拥塞风险，且所述N条备选路径也均存在拥塞风险，则从所有备选路径中选取拥塞指标F值最大的路径，若最大F值对应的备选路径不止一条，则进一步从中选取离去时间最早的路径。

7.根据权利要求3所述的一种卫星网络负载均衡路由设计方法，其特征在于，所述所述本星拥塞阈值T_Local的取值为：

T_Local≤B-(I-O)_max·t_c

其中，B为卫星缓存容量，(I-O)_max是卫星输入输出速率之差的最大值，t_c为缓存占有量检查间隔时间。

8.根据权利要求4所述的一种卫星网络负载均衡路由设计方法，其特征在于，所述中继卫星的拥塞监测阈值T_Relay取值为：

T_Relay≤B-(I-O)_max·(t_c+t_d)

其中B为卫星缓存容量，(I-O)_max是卫星输入输出速率之差的最大值，t_d表示整个网络所有卫星之间平均时延，t_c为缓存占有量检查间隔时间。