CN108964746A - 时变卫星网络多拓扑搜索最短路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星通信技术领域，公开了一种时变卫星网络多拓扑搜索最短路由方法，包括：对卫星网络进行快照划分，得到一个卫星网络快照集合；对每个快照G_k计算所有节点之间的最短路由，生成路由表Tab；对所有路由表进行判断处理，寻找各节点之间的最佳路径。本发明当某一快照中源节点和目的节点不存在可达路径时，调用MTSM算法，综合考量多个快照的联系，寻找可达路径。和静态图快照方法求解时变卫星网络路由相比，该算法能够有效处理某一快照持续时间内通信节点之间不连通而导致传输时延变大或者传输失败的情况，从而提高业务的服务质量。

Description

时变卫星网络多拓扑搜索最短路由方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种时变卫星网络多拓扑搜索最短路由方法。

背景技术

随着人们日益增长的通信需求以及科技的不断发展，现有地面上的网络已经不能满足人们的通信需求。卫星通信网络具有组网灵活、覆盖范围广、网络建设迅速、地理局限性弱等特点，使得卫星网络能够支持地面网络不能处理的业务，如环境与灾害监测、科学探索、气象、广播通信等。相对于地面网络，卫星网络的拓扑结构会持续变化，通信链路切换频繁且通信传输时延长；但是同时卫星网络又具有周期性和可预测性。路由技术作为网络通信的一个核心，直接关系着网络服务质量、服务数量的好坏，所以，研究卫星网络的路由技术对卫星网络的通信至关重要。卫星网络，尤其是低轨卫星网络系统，其拓扑结构是动态时变的。针对这一动态变化特性，Fischer等人提出了快照模型。该模型用一系列离散的静态拓扑图来表征动态的卫星网络拓扑。针对每个静态拓扑图，都可以利用传统的Dijkstra算法离线求出静态网络中端到端传输的最短路径。每个卫星节点处只存储一张路由表，在拓扑发生变化的时刻，各个卫星节点对路由表进行更新，完成后续数据的转发。当网络拓扑变化慢，负载少的时候，上述处理方式能够满足大部分的传输要求。然而，当网络拓扑变化快速，会造成端到端传输不能在单个静态拓扑图中完成，而上述处理方式求解最短路径只考虑单个静态拓扑图，就会导致路由选取错误或者失败，造成传输时延变大或者传输失败。

综上所述，现有技术存在的问题是：当网络拓扑变化快速，会造成端到端传输需要跨越多个静态拓扑图，利用现有技术会导致传输时延变大或者传输失败。所以需要一种新的时变卫星网络最短路由算法，综合考虑多个静态拓扑图的联系，来寻找最佳路径。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种时变卫星网络多拓扑搜索最短路由方法。

本发明是这样实现的，一种时变卫星网络多拓扑搜索最短路由方法，所述时变卫星网络多拓扑搜索最短路由方法包括：对卫星网络进行快照划分，得到一个卫星网络快照集合；对每个快照G_k计算所有节点之间的最短路由，生成路由表Tab；对所有路由表进行判断处理，寻找各节点之间的最佳路径。

进一步，所述对卫星网络进行快照划分，得到一个卫星网络快照集合具体包括：卫星网络拓扑发生变化，则形成一个新的快照，将其添加到卫星网络快照集合G中，得到标号为G＝{G₁,G₂,...,G_n}的快照集合。

进一步，所述对每个快照G_k计算所有节点之间的最短路由，生成路由表Tab具体包括：

(1)如果快照集合G中的快照提取完毕，对所有路由表进行判断处理；否则按顺序提取下一个快照:G_k；

(2)如果快照G_k中的节点集合V＝{v₁,v₂,...,v_n}中的节点提取完毕，返回(1)；否则提取下一个节点v_i；

(3)用Dijkstra算法计算节点v_i到其他节点的最短路径，生成节点v_i的路由表Tab，表中包含快照序号k、开始时刻结束时刻目的节点v_j、到目的节点的时延信息T_ij，以及下一跳节点信息；

(4)对生成的路由表进行判断处理。若节点v_i到目的节点v_j的时延T_ij满足则将节点v_i的路由表Tab中目的节点v_j对应行清空，返回(2)。

进一步，所述对所有路由表进行判断处理，寻找各节点之间的最佳路径具体包括：

(1)如果快照集合G中的快照提取完毕，结束算法；否则按顺序提取下一个快照G_k；

(2)如果快照G_k中的节点集合V＝{v₁,v₂,...,v_n}中的节点提取完毕，返回(1)；否则提取下一个节点v_i的路由表Tab，并创建两个空集合SorNodes和DesNodes；

(3)遍历Tab信息；若Tab中节点v_i到其他节点v_j均存在下一跳信息，则表明v_i到其他节点均可达，不作处理，返回(2)。若Tab中节点v_i到目的地址v_j的下一跳信息为空，距离权值为∞，将v_j加入DesNodes，否则将v_j加入SorNodes；

(4)进入这一步说明节点v_i在快照G_k拓扑中与DesNodes中的节点不连通，没有可达路径；调用多拓扑搜索方法MTSM，将当前节点v_i，DesNodes集合，SorNodes集合，当前所处的快照序号k，作为参数传递给MTSM处理方法，用MTSM返回值更新节点v_i的DesNodes对应节点路由表，返回(2)。

进一步，所述多拓扑搜索方法MTSM具体包括：

步骤一，初始化；

(1)输入节点v_i，输入不可达节点集合DesNodes，输入可达节点集合SorNodes，输入快照序号k；

(2)令源节点u＝v_i；创建数组Y存储节点v_i到DesNodes中节点的迭代距离信息，初始化为∞；创建数组NextHop存储节点v_i到DesNodes中节点的下一跳信息，初始化为全0；

步骤二，遍历SorNodes中的节点，对任一节点v_i,i∈SorNodes的路由表Tab做以下判断：

(1)如果Tab中v_i,i∈SorNodes中的所有节点提取完毕，转步骤三；否则提取下一个节点v_i。

(2)节点v_i,i∈SorNodes到DesNodes中所有节点考察完毕，返回(1)；否则考察DesNodes中下一个节点v_j；节点v_i,i∈SorNodes到SorNodes中的节点不必考察；

(3)令快照迭代序号g＝k+1；如果在快照序号为g的Tab中存在节点v_i,i∈SorNodes到节点v_j,j∈DesNodes的下一跳信息不为空，则表明节点v_i与节点v_j在快照G_g中是连通的，其路径权值为y_ij，根据以下公式更新Y[j]；更新NextHop[j]。

(4)若快照迭代序号g＝n，说明快照集合G中的快照已全部遍历，返回(2)；否则k＝k+1，返回(3)；

步骤三，遍历Y数组，如果某个值Y[j]小于∞，则表示找到了源节点u到目的节点v_j,j∈DesNodes的可达路径；从DesNodes中删除节点v_j，并将v_j节点加入到SorNodes；

步骤四，若集合DesNodes为空，方法结束，返回；说明对所有DesNodes中的节点都找到最短可达路径。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：时变卫星网络多拓扑搜索最短路由算法，当某一快照中源节点和目的节点不存在可达路径时，调用MTSM方法，综合考量多个快照的联系，寻找可达路径。和静态图快照方法求解卫星网络路由相比，该算法能够有效处理某一快照持续时间内通信节点之间不连通而导致传输时延变大或者传输失败的情况，从而提高业务的服务质量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的时变卫星网络多拓扑搜索最短路由方法流程图。

图2是本发明实施例提供的仿真使用的场景示意图；

图中：(a)7节点；(b)14节点；(c)21节点。

图3是本发明实施例提供的MTSM算法的实现流程图。

图4、图5是本发明实施例提供的SNMTSP算法的性能分析图。

图6是本发明实施例提供的SNMTSP算法与传统Dijkstra算法的性能对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术直接使用静态图快照方法求解卫星网络路由时，若源节点和目的节点在某一快照持续时间内不连通，导致传输时延变大或者传输失败的问题；本发明提供基于快照模型下时变卫星网络多拓扑搜索最短路由算法(multi-Topology SearchingAlgorithm for Shortest Path of Time-varying Satellite Networks Based onSnapshotModel，SNMTSP)。

下面结合附图对本发明的应用原理做详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的时变卫星网络多拓扑搜索最短路由方法包括以下步骤：

S101：对卫星网络进行快照划分，得到一个卫星网络快照集合；

S102：对每个快照G_k计算所有节点之间的最短路由，生成路由表Tab；

S103：对所有路由表进行判断处理，寻找各节点之间的最佳路径。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图2所示，本发明采用铱星系统进行仿真。铱星系统是一个低轨卫星网络通信系统，系统中共有66颗卫星，分布在6条等间隔的轨道上，每条轨道上有11颗卫星，铱星系统的拓扑周期约为100分钟。为了比较不同卫星数目下算法性能，依次选取7颗卫星，14颗卫星，21颗卫星进行分析对比。在卫星的轨道布局上，至少保证每条轨道上有1颗，2颗，3颗卫星。

如图3所示，本发明基于图2场景，SNMTSP算法的实现步骤如下：

步骤一，对周期为T的卫星网络进行快照划分，得到一个卫星网络快照集合。

如果卫星网络拓扑发生变化，则形成一个新的快照，将其添加到卫星网络快照集合G中，在对周期T进行划分后，得到标号为G＝{G₁,G₂,...,G_n}的快照集合；

步骤二，对每个快照G_k计算所有节点之间的最短路由，生成路由表Tab；

(2.1)：如果快照集合G中的快照提取完毕，转步骤三。否则按顺序提取下一个快照:G_k；

(2.2)：如果快照G_k中的节点集合V＝{v₁,v₂,...,v_n}中的节点提取完毕，返回(2.1)；否则提取下一个节点v_i；

(2.3)：用Dijkstra算法计算节点v_i到其他节点的最短路径，生成节点v_i的路由表Tab，表中包含快照序号k、开始时刻结束时刻目的节点v_j、到目的节点的时延信息T_ij，以及下一跳节点信息。

(2.4)：对生成的路由表进行判断处理。若节点v_i到目的节点v_j的时延T_ij满足则将节点v_i的路由表Tab中目的节点v_j对应行清空。返回(2.2)；

步骤三，对所有路由表进行判断处理，寻找各节点之间的最佳路径。如果当前的路由表信息中，节点v_i到其他节点v_j均存在下一跳信息，则表明v_i到其他节点均可达，不作处理。如果不是，记录不可达的目的节点，调用多拓扑搜索方法(Multi-topologySearchingMethod，MTSM)处理。

(3.1)：如果快照集合G中的快照提取完毕，结束算法。否则按顺序提取下一个快照:G_k；

(3.2)：如果快照中的节点集合V＝{v₁,v₂,...,v_n}中的节点提取完毕，返回(3.1)；否则提取下一个节点v_i的路由表Tab，并创建两个空集合SorNodes和DesNodes；

(3.3)：遍历Tab信息；若Tab中节点v_i到其他节点v_j均存在下一跳信息，则表明v_i到其他节点均可达，不作处理，返回(3.2)。若Tab中节点v_i到目的地址v_j的下一跳信息为空，距离权值为∞，将v_j加入DesNodes，否则将v_j加入SorNodes；

(3.4)：进入这一步说明节点v_i在快照G_k拓扑中与DesNodes中的节点不连通，没有可达路径。调用MTSM，将当前节点v_i，DesNodes集合，SorNodes集合，当前所处的快照序号k，作为参数传递给MTSM处理方法，用MTSM返回值更新节点v_i的DesNodes对应节点路由表，返回(3.2)。

其中，多拓扑搜索方法MTSM步骤如下：

步骤一，初始化。

(1.1)：输入节点v_i，输入不可达节点集合DesNodes，输入可达节点集合SorNodes，输入快照序号k；

(1.2)：令源节点u＝v_i；创建数组Y存储节点v_i到DesNodes中节点的迭代距离信息，初始化为∞；创建数组NextHop存储节点v_i到DesNodes中节点的下一跳信息，初始化为全0；

步骤二，遍历SorNodes中的节点，对任一节点v_i,i∈SorNodes的路由表Tab做以下判断：

(2.1)如果Tab中v_i,i∈SorNodes中的所有节点提取完毕，转步骤三；否则提取下一个节点v_i。

(2.2)节点v_i,i∈SorNodes到DesNodes中所有节点考察完毕，返回(2.1)；否则考察DesNodes中下一个节点v_j；节点v_i,i∈SorNodes到SorNodes中的节点不必考察；

(2.3)令快照迭代序号g＝k+1；如果在快照序号为g的Tab中存在节点v_i,i∈SorNodes到节点v_j,j∈DesNodes的下一跳信息不为空，则表明节点v_i与节点v_j在快照G_g中是连通的，其路径权值为y_ij，根据以下公式更新Y[j]；更新NextHop[j]。

(2.4)若快照迭代序号g＝n，说明快照集合G中的快照已全部遍历，返回(2.2)；否则k＝k+1，返回(2.3)；

步骤三，遍历Y数组，如果某个值Y[j]小于∞，则表示找到了源节点u到目的节点v_j,j∈DesNodes的可达路径；从DesNodes中删除节点v_j，并将v_j节点加入到SorNodes；

步骤四，若集合DesNodes为空，方法结束，返回；说明对所有DesNodes中的节点都找到最短可达路径。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

1.仿真参数：

图2为本发明仿真使用的场景，其部分参数设置如下：

部分仿真参数表

2.仿真内容

仿真1，在仿真的卫星数目选择上，分别使用7节点、14节点和21节点进行对比分析，在这三种不同节点数目的卫星网络下，本发明设定6个固定的卫星节点(每个轨道上一个)，每个节点都以相同速率随机发送数据到其他节点，每个节点的发送速率最小值设定为0.3Mbps，每间隔24小时数据的发送速率增大0.3Mbps，当发送速率到3Mbps时，又降低到0.3Mbps。图4中的三条曲线从上往下依次是卫星节点数目N在7、14、21的情况下，传输时延随数据产生速率变化的曲线。图5中的三条曲线从下往上依次是卫星节点数目N在7、14、21的情况下，端到端投递率随数据产生速率变化的曲线。

由图4可见，在同一发送速率下，SNMTSP算法端到端的平均传输时延随着节点数增多而减小。这是因为当网络中节点的发送速率不变，网络中的负载不变。但是因为节点数目增多，不同时刻SNMTSP算法得到的到目的节点的可达路径便会增多，使得端到端之间的传输机会增多，降低了端到端的平均传输时延。在相同的节点规模下，发送速率越大，端到端的平均传输时延便会增大，这是因为当发送速率大的时候，节点处需要处理的数据量增多，而一个周期内节点之间的传输机会是有限的，所以便会导致大量数据在节点处缓存，等待下一个周期的传输机会进行传输。

由图5可见，端到端的投递率随着数据产生速率的提高而降低，随着节点的数目增多而增大。这是因为，当产生数据速率提高时，网络中负载增多，而一方面链路的处理能力有限，另一方面节点的缓存大小是有限的，当缓存超过一定的程度，节点便会丢弃这些数据，进一步造成投递率的降低。

仿真2，在卫星节点数相同的情况下，取N＝7，本发明SNMTSP算法与Dijkstra算法投递率的对比，仿真结果如图6。由图6可见，Dijkstra算法的端到端投递率很低，这是因为Dijkstra算法没有考虑后续的拓扑序列，综合找寻合适的路径进行传输。相比于Dijkstra算法，SNMTSP算法有更好的端到端的投递率，这是因为SNMTSP算法对于某一快照中两个节点不可达时，综合考虑之后的多个拓扑进行路径搜索，这样便会提高这部分的端到端的投递率。同时，随着数据产生速率的增大，SNMTSP算法和Dijkstra算法端到端的投递率都下降，这是因为速率增大会导致中间节点不能够缓存更多的数据，尤其是当节点数较少时，端到端的可达链路较少，所以会使得大量数据拥塞在这些节点处，导致后续的数据不能进行传输。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种时变卫星网络多拓扑搜索最短路由方法，其特征在于，所述时变卫星网络多拓扑搜索最短路由方法包括：对卫星网络进行快照划分，得到一个卫星网络快照集合；对每个快照G_k计算所有节点间的最短路由，生成路由表Tab；对所有路由表进行判断处理，寻找各节点之间的最佳路径。

2.如权利要求1所述的时变卫星网络多拓扑搜索最短路由方法，其特征在于，所述对卫星网络进行快照划分，得到一个卫星网络快照集合具体包括：卫星网络拓扑发生变化，则形成一个新的快照，将其添加到卫星网络快照集合G中，得到标号为G＝{G₁,G₂,...,G_n}的快照集合。

3.如权利要求1所述的时变卫星网络多拓扑搜索最短路由方法，其特征在于，所述对每个快照G_k计算所有节点间的最短路由，生成路由表Tab具体包括：

(1)如果快照集合G中的快照提取完毕，对所有路由表进行判断处理；否则按顺序提取下一个快照:G_k；

(2)如果快照G_k中的节点集合V＝{v₁,v₂,...,v_n}中的节点提取完毕，返回(1)；否则提取下一个节点v_i；

(3)用Dijkstra算法计算节点v_i到其他节点的最短路径，生成节点v_i的路由表Tab，表中包含快照序号k、开始时刻结束时刻目的节点v_j、到目的节点的时延信息T_ij，以及下一跳节点信息；

(4)对生成的路由表进行判断处理；若节点v_i到目的节点v_j的时延T_ij满足则将节点v_i的路由表Tab中目的节点v_j对应行清空，返回(2)。

4.如权利要求1所述的时变卫星网络多拓扑搜索最短路由方法，其特征在于，所述对所有路由表进行判断处理，寻找各节点之间的最佳路径具体包括：

(1)如果快照集合G中的快照提取完毕，结束算法；否则按顺序提取下一个快照G_k；

(2)如果快照G_k中的节点集合V＝{v₁,v₂,...,v_n}中的节点提取完毕，返回(1)；否则提取下一个节点v_i的路由表Tab，并创建两个空集合SorNodes和DesNodes；

(3)遍历Tab信息；若Tab中节点v_i到其他节点v_j均存在下一跳信息，则表明v_i到其他节点均可达，不作处理，返回(2)。若Tab中节点v_i到目的地址v_j的下一跳信息为空，距离权值为∞，将v_j加入DesNodes，否则将v_j加入SorNodes；

(4)进入这一步说明节点v_i在快照G_k拓扑中与DesNodes中的节点不连通，没有可达路径；调用多拓扑搜索方法MTSM，将当前节点v_i，DesNodes集合，SorNodes集合，当前所处的快照序号k，作为参数传递给MTSM处理方法，用MTSM返回值更新节点v_i的DesNodes对应节点路由表，返回(2)。

5.如权利要求4所述的时变卫星网络多拓扑搜索最短路由方法，其特征在于，所述多拓扑搜索方法MTSM具体包括：

步骤一，初始化；

(1)输入节点v_i，输入不可达节点集合DesNodes，输入可达节点集合SorNodes，输入快照序号k；

(2)令源节点u＝v_i；创建数组Y存储节点v_i到DesNodes中节点的迭代距离信息，初始化为∞；创建数组NextHop存储节点v_i到DesNodes中节点的下一跳信息，初始化为全0；

步骤二，遍历SorNodes中的节点，对任一节点v_i,i∈SorNodes的路由表Tab做以下判断：

(1)如果Tab中v_i,i∈SorNodes中的所有节点提取完毕，转步骤三；否则提取下一个节点v_i。

(2)节点v_i,i∈SorNodes到DesNodes中所有节点考察完毕，返回(1)；否则考察DesNodes中下一个节点v_j；节点v_i,i∈SorNodes到SorNodes中的节点不必考察；

(3)令快照迭代序号g＝k+1；如果在快照序号为g的Tab中存在节点v_i,i∈SorNodes到节点v_j,j∈DesNodes的下一跳信息不为空，则表明节点v_i与节点v_j在快照G_g中是连通的，其路径权值为y_ij，根据以下公式更新Y[j]；更新NextHop[j]。

(4)若快照迭代序号g＝n，说明快照集合G中的快照已全部遍历，返回(2)；否则k＝k+1，返回(3)；

步骤三，遍历Y数组，如果某个值Y[j]小于∞，则表示找到了源节点u到目的节点v_j,j∈DesNodes的可达路径；从DesNodes中删除节点v_j，并将节点v_j加入到SorNodes中；

步骤四，若集合DesNodes为空，方法结束，返回；说明对所有DesNodes中的节点都找到最短可达路径。