CN108306829A - 基于卫星延迟容忍网络混合路由算法 - Google Patents

基于卫星延迟容忍网络混合路由算法 Download PDF

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刘凯明
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Abstract

本发明公开了基于卫星延迟容忍网络混合路由算法，通过将全局最优路由与局部最优路由相结合，并利用相遇间隔时间、链路连通率以及链路拥塞可能性来选取效用值更大的下一跳卫星节点，提高路由的可靠性，从而提高全网报文的到达率。

Description

基于卫星延迟容忍网络混合路由算法
技术领域
本发明涉及一种基于卫星延迟容忍网络混合路由算法，在深空探测的卫星延迟容忍网络环境下，通过将全局最优路由与局部最优路由相结合，并利用相遇间隔时间、链路连通率以及链路拥塞可能性来选取效用值更大的下一跳卫星节点，提高路由的可靠性，从而提高全网报文的到达率。
背景技术
由于链路条件的恶劣，星际网络被划分为受限网络，因此很难利用静态图作为拓扑模型。所以提出了延迟容忍网络(DTN)这一定义，DTN网络是提供跨越间歇、中断、动态网络的可靠消息传递的网络协议，在受限网络条件下应用时具备良好的自然属性。在这样的网络中，由于深空探测卫星之间的通断频繁及连接条件恶劣，所以卫星在携带信息的同时要等待连通机会，将数据传递给下一跳卫星，选择更为合适的下一跳卫星便成了提高信息传递质量的关键。同时，因为太空中的链路可能会发生突发情况，所以，及时应对突发状况，及时调整路径，避免或解决突发状况成了同样重要的问题。
发明内容
本发明的目的是通过混合路由算法以及网络质量信息提高路由可靠性。
基于卫星延迟容忍网络混合路由算法，将全局最优路由(最早到达最优投递率路由算法,EAODR)与局部最优路由(联系图路由算法,CGR)相结合，全局最优路由选择出的路径是全局最早到达以及完整的可达终点的路径，但路径不可根据实时网路信息进行变动，其次局部最优路由可以灵活应对网络突发情况，但是具有路由震荡以及非全局最优的缺点。所以，将二者结合，从源节点开始利用全局最优路由选择K(K<＝3)条可达终点的全局最早及(K-1)条次早到达路径，再对这K条全局路径各自的下一跳利用局部最优路由算法选择更合适的下一跳节点。每到达一个下一跳节点，若不是终节点，都要以此节点为源点选择K条全局最优路径并利用局部最优路由以及节点效用值找到最可靠的下一跳。对局部最优路由(CGR)进行改进，不仅仅是根据报文周期以及链路时间选择可最早投递的下一跳节点，还需根据节点效用值公式选择更可靠的丢包概率最小的下一跳节点。节点效用值公式为：Pvalid＝α·PIntvl+β·Ptp+δ·Pcgt，其中Pvalid为节点效用值，PIntvl为节点相遇时间间隔，Ptp为链路连通率，Pcgt为链路拥塞可能性。
网络质量信息指标一：节点相遇时间间隔。因卫星是周期运动的，所以比较源节点与K条全局最优路径各自的下一跳节点的下次相遇剩余时间Intvld与Ityp的比例，Ityp是指应用场景中一个整体的时间设置参数，比例越大者等待时间就会较小，则传递概率就应该越大。
其中，P(s,d)max是一个常数，大小范围是0～1之间。当节点在相遇过程中时，则两者的距离上次间隔时间的变量值取P(s,d)max。当在未相遇过程中时，此变量取值是取值
网络质量信息指标二：链路连通概率。由于深空探测网络是实时变化的，而且通断频繁，所以我们要选择链路连接总时间占总周期时间比例大的链路，如此，即使发生了拥塞等情况，那么发送也能比其他链路更快，避免了信息过期的问题。
其中，tm是一条链路第m次连接时的持续时长，是将以节点s为源点和节点d为终点的链路每次连通的时间加和，T是卫星网络运行总的周期时间，λ是比例系数。
网络质量信息指标三：链路拥塞可能性。根据链路历史队列变化率，来预测下次发送时链路拥塞情况。若下次发送时预测链路不会发生拥塞，则传递概率为1；若会发送拥塞，则算出队列溢出情况与队列容量的比例，求出拥塞的可能性，作为传递概率，溢出越多则传递概率越少。
首先判断拥塞与否，公式为：
Qrate(i,tj)＝α·Qrate(i,tj-1)+(1-α)·qrate(i,tj)
(4)
(tETO-tnow)·Qrate>(qcap-qsize)
(5)
公式(3)是计算tj时刻的卫星队列数目与tj-1时刻的卫星队列数目，来求得此时的队列变化率qrate。公式(4)再结合之前的历史队列变化率Qrate以及历史变化率比重α求得tj时刻的Qrate。最后公式(5)，用当前的队列数目qsize和队列容量qcap以及链路连通时间tETO、目前时间tnow与Qrate来判断连通时是否会发生拥塞。如果拥塞，则利用公式(6)预测拥塞程度:
依据这三个指标的值，共同决定在符合了全局最优路由算法中的k条路径中，节点效用值最大的下一跳。节点效用值Pvalid由公式(7)决定，α,β·,δ是三个变量的系数。
Pvalid＝α·PIntvl+β·Ptp+δ·Pcgt (7)
混合可靠路由算法即保证了路径的可达性，避免局部最优的问题，同时有考虑了全网的动态特性，能够更灵活更可靠的选择下一跳中继节点进行传输。
附图说明
图1是本发明算法的具体流程图。
具体实施方式
下面通过附图，对本发明进行详细阐述。
结合图1说明本发明方案的具体流程，该方法包括：
步骤101：深空行星地面站或卫星节点产生数据包执行步骤102；
步骤102:以当前节点(地面站或卫星)为源节点进行全局最优路由(最早到达最优投递率路由，EAODR)算法计算，求出K条最优路径后执行步骤103；
步骤103：根据当前节点(地面站或卫星)存有的全网信息表计算K条路径各自的下一跳的节点效用值大小后执行步骤104；
步骤104：选择K条路径各自的下一跳节点中节点效用值最大者并发送数据包，执行步骤105；
步骤105：判断接收节点是否是终节点，若否则执行步骤102，若是则执行步骤106；
步骤106：把接收的数据包放到缓存区，完成本次数据包传输。以上是一次完整的数据包传输过程。

Claims (6)

1.基于卫星延迟容忍网络混合路由算法，其特征在于：
深空行星向卫星发送数据信息；
卫星根据周期性变化的链路时间表选择K(K<＝3)条能满足数据包的生命周期条件，并且能够尽早到达的路径；
对选出的K条最早到达路径各自的下一跳节点根据节点效用值指标选择出效用值最大的节点进行数据发送；
节点效用值包含：节点相遇时间间隔、链路连通率以及链路拥塞程度；
当数据到达节点是终点，结束本次数据传输过程。
2.根据权利要求1所述的基于卫星延迟容忍网络混合路由算法，其特征在于将全局最优路由(最早到达最优投递率路由算法,EAODR)与局部最优路由(联系图路由算法,CGR)相结合，全局最优路由选择出的路径是全局最早到达以及完整的可达终点的路径，但路径不可根据实时网路信息进行变动，其次局部最优路由可以灵活应对网络突发情况，但是具有路由震荡以及非全局最优的缺点。所以，将二者结合，从源节点开始利用全局最优路由选择K(K<＝3)条可达终点的全局最早及(K-1)条次早到达路径，再对这K条全局路径各自的下一跳利用局部最优路由算法选择更合适的下一跳节点。每到达一个下一跳节点，若不是终节点，都要以此节点为源点选择K条全局最优路径并利用局部最优路由找到最可靠的下一跳。
3.根据权利要求1所述的基于卫星延迟容忍网络混合路由算法，其特征在于对局部最优路由(CGR)进行改进，不仅仅是根据报文周期以及链路时间选择可最早投递的下一跳节点，还需根据节点效用值公式选择更可靠的丢包概率最小的下一跳节点。节点效用值公式为：Pvalid＝α·PIntvl+β·Ptp+δ·Pcgt，其中Pvalid为节点效用值，PIntvl为节点相遇时间间隔，Ptp为链路连通率，Pcgt为链路拥塞可能性。
4.根据权利要求1所述的基于卫星延迟容忍网络混合路由算法，其特征在于考虑了全网较为实时的网络质量信息，来更灵活的调整路径，避免拥塞情况，选择能可靠到达终节点的下一跳卫星节点。网络质量信息指标一：节点相遇时间间隔。因卫星是周期运动的，所以比较源节点与K条全局最优路径各自的下一跳节点的下次相遇剩余时间Intvld与Ityp的比例，Ityp是指应用场景中一个整体的时间设置参数，比例越大者等待时间就会较小，则传递概率就应该越大。公式为：
其中，P(s,d)max是一个常数，大小范围是0～1之间。当节点在相遇过程中时，则两者的距离上次间隔时间的变量值取P(s,d)max。当在未相遇过程中时，此变量取值是取值
5.根据权利要求1所述的基于卫星延迟容忍网络混合路由算法，其特征在于考虑了全网较为实时的网络质量信息，网络质量信息指标二：链路连通概率。由于深空探测网络是实时变化的，而且通断频繁，所以我们要选择链路连接总时间占总周期时间比例大的链路，如此，即使发生了拥塞等情况，那么发送也能比其他链路更快，避免了信息过期的问题。公式中，tm是一条链路第m次连接时的持续时长，是将以节点s为源点和节点d为终点的链路每次连通的时间加和，T是卫星网络运行总的周期时间，λ是比例系数。
6.根据权利要求1所述的基于卫星延迟容忍网络混合路由算法，其特征在于考虑了全网较为实时的网络质量信息，网络质量信息指标三：链路拥塞可能性。根据链路历史队列变化率，来预测下次发送时链路拥塞情况。若下次发送时预测链路不会发生拥塞，则传递概率为1；若会发送拥塞，则算出队列溢出情况与队列容量的比例，求出拥塞的可能性，作为传递概率，溢出越多则传递概率越少。首先判断拥塞与否，公式为：
(1)
(2)Qrate(i,tj)＝α·Qrate(i,tj-1)+(1-α)·qrate(i,tj)
(3)(tETO-tnow)·Qrate>(qcap-qsize)
公式(1)是计算tj时刻的卫星队列数目与tj-1时刻的卫星队列数目，来求得此时的队列变化率qrate。公式(2)再结合之前的历史队列变化率Qrate以及历史变化率比重α求得tj时刻的Qrate。最后公式(3)，用当前的队列数目qsize和队列容量qcap以及链路连通时间tETO、目前时间tnow与Qrate来判断连通时是否会发生拥塞。如果拥塞，则利用公式(4)预测拥塞程度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110475205A (zh) * 2019-07-02 2019-11-19 西北工业大学 无人机自组网中基于航迹关系的中继选择方法、无人机
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