CN109218193A - 一种抑制卫星网络中的路由拥塞的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抑制卫星网络中的路由拥塞的方法，包括：为多个任务中的每个计算每个路径的代价值；确定最小的前M个代价值的路径并且将所述路径加入路径池；基于多径的低轨卫星网络路由拥塞控制优化算法对路径池中的所有路径进行带宽分配以为每个任务的每个路径确定流量带宽比例；以及根据所述流量带宽比例为每个任务的每个路径分配带宽。通过本发明，可以最小化网络传输链路带宽方差并最小化网络开销，从而最大化地抑制卫星网络中的路由拥塞，由此达到网络资源的最优利用。

Description

一种抑制卫星网络中的路由拥塞的方法
技术领域
本发明总的来说涉及卫星网络通信领域，具体而言，涉及一种抑制卫星网络中的路由拥塞的方法。
背景技术
低轨卫星通信网络由于具有全球覆盖、低传输时延、低功耗链路和较强的抗毁性等优点而拥有广阔的发展前景，是未来移动通信系统的重要组成部分。另外，随着通信技术的发展，以星间链路和星上处理技术为特征的新一代低轨卫星通信网络正在不断发展，利用低轨通信卫星网络为航空、航海提供移动数据接入服务已经成为趋势。
低轨卫星网络拓扑一般为网状(MESH)结构，每颗卫星与多颗卫星相连，与高轨通信卫星相比，低轨卫星网络的拓扑结构更加复杂。同时，低轨通信卫星网络承载的业务多种多样，业务的源/目的、时延要求、带宽要求等参数不尽相同。面对网络拓扑结构复杂，业务需求多样的特点，如何合理地为业务选择路由成为关键问题。
多径路由指的是在源节点和目的节点创建多条传输路径，可增强路径生存和路径恢复的能力，提高系统的容错性。并发多径是一种典型的多径技术，是指将一个任务分给多条路径并行传输。具体来讲，并发多径技术将数据分组按照一定的流量带宽分配比例分配到多条路径上可以达到网络负载均衡的效果。目前的多径技术主要应用在地面无线网络，由于低轨卫星网络拓扑结构变化具有周期性，传统的地面多径算法无法直接应用到低轨卫星网络。
已有的多径典型方案如下：
(1)根据网络拓扑结构，随机选择多条数据源和目的地之间的路径，利用选择出的多条路径进行数据传输；
(2)根据网络拓扑结构，随机选择跳数最少的源和目的地之间的路径，利用选择出的路径进行数据传输。
针对方案(1)，由于路径是随机选择的，性能不一定最优。针对方案(2)，由于没有考虑链路负载，会出现负载失衡状况，造成网络局部负载过大。
并发多径的优势在于不仅可以提升网络的容错能力而且可以实现带宽的聚合。并发路径的总带宽等于多条相互独立路径的带宽之和。利用并发路径将数据分组按照一定的流量带宽分配比例分配到多条路径上可以达到网络负载均衡的效果。多径路由根据节点或路径是否相交可分为节点不相交路径和链路不相交路径。链路不相交是指多条路径间不存在相交的链路但是允许存在相交的节点，如上图左所示；节点不相交指的是除了源节点和目的节点外，多条路径间不存在其他相交的节点。对于路由发现过程，在设计多径路由协议时应首先考虑链路不相交，其次考虑节点不相交。如何利用好多径，在多径路径上合理分配流量数据，决定了网络是否可以最大程度发挥多径路由的优势。
卫星网络拓扑一般为网状(mesh)结构，如图1所示。在mesh拓扑结构的卫星网络中，每颗卫星至少与两颗以上卫星连通(即存在星间链路)。该拓扑最小割大，网络中的星间链路备份充足，存在冗余，卫星网络具有高可靠性、强扩展性。低轨卫星网络大多采用这种拓扑结构，如Iridium系统和Tededesic系统。相较于高轨卫星网络，此类卫星网络星间链路时延小，传输带宽高，传输速度快，可实现全球覆盖。每颗卫星均与其余卫星直接相连，网络中存在足够多的冗余路径，众多的冗余路径为多径路由提供了可能性，网络可靠性强、容错能力高。
发明内容
从现有技术出发，本发明的任务是提供一种抑制卫星网络中的路由拥塞的方法，通过该方法，可以最小化网络传输链路带宽方差并最小化网络开销，从而最大化地抑制卫星网络中的路由拥塞，由此达到网络资源的最优利用。
根据本发明，该任务通过一种抑制卫星网络中的路由拥塞的方法来解决，该方法包括：
为多个任务中的每个计算每个路径的代价值；
确定最小的前M个代价值的路径并且将所述路径加入路径池；
基于多径的低轨卫星网络路由拥塞控制优化算法对路径池中的所有路径进行带宽分配以为每个任务的每个路径确定流量带宽比例；以及
根据所述流量带宽比例为每个任务的每个路径分配带宽。
在本发明的一个优选方案中规定，为多个任务中的每个计算每个路径的代价值包括：
根据下列公式计算每个路径的代价值：
其中α和β分别是卫星网络对路径时延和路径跳数的重视程度，delayij为第i个任务的第j个路径的时延，delaymin为第i个任务的最短路径的时延，hopij为第i个任务i的第j个路径的跳数，hopmin为第i个任务的具有最少跳数的路径的跳数。
在本发明的另一优选方案中规定，基于多径的低轨卫星网络路由拥塞控制优化算法对路径池中的所有路径进行带宽分配以为每个任务的每个路径确定流量带宽比例包括：
根据下列公式对整网路径带宽代价矩阵X进行建模：
X＝[cost11*BW1*x11,cost12*BW1*x12,...,cost1M*BW1*x1M,
cost21*BW2*x21,cost22*BW2*x22,...,cost2M*BW2*x2M,...，
costN1*BWN*xN1,costN2*BWN*xN2,...,costNM*BWN*xNM]
其中xij为第i个任务的第j个路径的路径矩阵的列向量表示，costij为第i个任务的第j个路径的代价值，BWi为传输第i个任务所需的带宽，λij表示第i个任务的第j个路径的权值，其中
根据下列公式对整网链路传输带宽方差VAR进行建模：
其中λ＝[λ11,λ12,...,λ1M,λ21,λ22,...,λ2M,...λN1,λN2,...,λNM]T，G为S*S的对称矩阵，
根据下列公式对网络所有链路的传输带宽的开销SUM进行建模：
SUM＝fT*λ，
其中sum(X)表示以矩阵X的每一列为对象，对一列内的数字求和，fT＝sum(X)；以及
通过二次规划使得VAR和SUM之和最小，以便确定网络中的所有路径的权值向量λ。
在本发明的又一优选方案中规定，通过二次规划使得VAR和SUM之和最小包括：
根据下列公式进行二次规划：
其中其每一行有M个连续的1，
beq＝[1 1 ... 1]T 1*N，
在本发明的一个扩展方案中规定，所述卫星网络为低轨卫星网络。在此应当指出，本发明同样适用于高轨卫星网络。
本发明至少具有下列有益效果：本发明考虑不同种类的业务，对端到端时延、时延抖动、传输带宽等需求的不同，结合低轨卫星网络的带宽和传输时延的边界，构造多目标多限制条件的优化目的函数，其中以最小化网络传输链路带宽方差与网络传输路径开销总和为目标，得出多径路径带宽分配系数，使得当网络任务数增多时，大幅度降低网络中超负荷链路数，实时分流。
附图说明
下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。
图1示出了网状(mesh)卫星网络拓扑；
图2示出了部分链路重合的示意图；
图3示出了根据本发明的多径带宽分配的示意图；
图4示出了根据本发明的抑制卫星网络中的路由拥塞的方法的流程；
图5示出了根据本发明的在5个任务情况下的整网路径权值；
图6示出了根据本发明的在30个任务情况下的整网路径权值；
图7示出了在任务带宽随机情况下的超负载链路数；以及
图8示出了根据本发明在带宽均为1024Mbp情况下的超负载链路数。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
本发明考虑不同种类的业务，对端到端时延、时延抖动、传输带宽等需求的不同，结合低轨卫星网络的带宽和传输时延的边界，构造多目标多限制条件的优化目的函数。以最小化网络传输链路带宽方差与网络传输路径开销总和为目标，得出多径路径带宽分配系数，使得当网络任务数增多时，大幅度降低网络中超负荷链路数，实时分流。
图4示出了根据本发明的抑制卫星网络中的路由拥塞的方法的一个实施例的流程。
结合图1，下面首先阐述本发明的技术方案：
首先，为每条路径设置一个cost值，作为路径的开销指标。定义如式(1)：
α和β分别表示某卫星网络对路径时延和路径跳数的重视程度。delayij为任务i的第j条路径的时延，delaymin为第i个任务最短路径的时延；hopij为任务i的第j条路径的跳数，hopmin任务i最少跳数的路径的跳数。delayij/delaymin与hopij/hopmin基本是一个数量级，通过调节α和β的值可以改变对路径时延和路径跳数的重视程度。
低轨卫星网络中，假设卫星彼此可视，且在一定的通信距离下可以通信。其中任意一对节点间存在多条路径，为每一条路径设置传输带宽上限。当任务超过一定数目时，多个任务的路径存在部分链路重合现象，即存在链路同时传送多个任务的带宽，如图2所示。
将上述低轨卫星星座抽象为一个有N个节点的网络。假设网络中任意两颗卫星之间存在超过M条路径。网络中共有taskNum个任务数，即taskNum对通信卫星。将每个任务的带宽按照相应的比例分配到M条路径上。则网络中共有taskNum*M条传输数据的路径。记第i颗卫星到第j颗卫星的路径给整网带来的代价为costij。cost由时延、跳数等一系列影响网络中路径好坏的参数决定，见式(1)。设定BWi为传输第i个任务所需的带宽。
公式(2)给出，低轨通信卫星网络中N个业务的实际开销情况。Σi表示第i个任务对网络的开销，i＝1,2,...,N。规模为S个节点的网络中每一条路径均可以用一个S*S的矩阵表示，横纵坐标分别代表节点ID。当S*S矩阵中的元素为1时，表明该路径经过对应的链路，当S*S矩阵中的元素为0时，表明该路径未经过对应的链路。公式(2)中的每一行中的矩阵表示每个任务选择的前M条路径，为了方便说明，这里的路径均采用相同的矩阵表示，实际的矩阵显然是不同的。
公式(2)中的λ表示每一路径的权值，表示该路径传输该任务(λ*100)％带宽的数据量，满足公式(3)：
分别计算每个任务每条路径的cost值，取每个任务前M条最小cost的路径作为待传输数据的多径路径。
为了方便优化，将每一条表示路径的S*S矩阵的用一个(S*S,1)的列向量表示。即路径矩阵为 为S维列向量，将其表示为xij为第i个任务的第j条路径的路径矩阵的上述列向量表示法。令X为整网路径带宽代价矩阵，X为维度(S*S)*(N*M)的矩阵，如式(4)所示：
X＝[cost11*BW1*x11,cost12*BW1*x12,...,cost1M*BW1*x1M,
cost21*BW2*x21,cost22*BW2*x22,...,cost2M*BW2*x2M,...
costN1*BWN*xN1,costN2*BWN*xN2,...,costNM*BWN*xNM] (4)
令λ＝[λ11,λ12,...,λ1M,λ21,λ22,...,λ2M,...λN1,λN2,...,λNM]T。λ为N*M维度的列向量。则多径策略的整网路径的流量方差如式(5)所示：
设μ为整网路径带宽的平均值，U＝[μ μ ... μ]T，U为S*S维列向量，则：
这里ones(n,m)表示n行m列的元素全为1的矩阵。故
令为Λ，则
G为S*S的对称矩阵。则
其中
同时网络所有链路传输带宽的开销为：
SUM＝||X*λ||1＝sum(X)*λ (11)
sum(X)表示以矩阵X的每一列为对象，对一列内的数字求和。这里的sum(X)为N*M维的行向量。令fT＝sum(X)，则
SUM＝fT*λ (12)
本发明的目标是求出λ行向量使得整网链路传输带宽方差VAR与整网链路传输带宽的开销SUM之和TOTAL最小，即
TATOL＝VAR+SUM (13)
综上所述，可转化为一个二次规划问题：
其中λ为待求系数向量；G'和fT在上文已给出详细定义，均可由已经量表示，式(14)中的Aeq、beq、lb和ub定义分别如式(15)(16)(17)(18)所示：
每一行有M个连续的1：
beq＝[1 1 ... 1]T 1*N (16)
由二次规划得到的网络中所有路径权值向量λ。即可得到整网链路的传输带宽。
当存在任务路径小于多径值M时，需要对数据做以下处理：
对cost进行采样，去除cost矩阵中值为Inf和NaN的元素；采样路径矩阵X，去除不存在路径的列；对于Aeq，若存在极端情况，即某个任务一条可行路径都不存在，则Aeq存在全零行，则需要去除该全零行，与此同时beq的列数减一。
下面将结合一具体实施例来详细删除本发明的方法。
在STK中插入一颗卫星，以这颗星为母星建立6个轨道，每个轨道11颗星的Walker极轨道星座。设置卫星轨道高度780km，卫星轨道偏心率0度，轨道倾角86.4度，轨道近地点角度0度，升交点赤经0度，真近点角0度，星座相位因子为2，卫星轨道在赤道上的分布范围为180度，星座可建立星间链路的最大距离为5000km，仿真时长7200*12秒(24h)，仿真时间内的取样时间步长60s。
生成星座后，从STK中导出星座各节点的坐标，对整网节点进行可见性分析(卫星全向天线，两星之间超过5000km不可见)，生成66*66的网络邻接矩阵。矩阵中1表示两点可见，0表示不可见。显然生成的可见性矩阵为对称矩阵。
本实验我们比较看重传输时延，令cost中的α＝0.7，β＝0.3。取多径数M＝4。对于每次仿真，依次设置5～30个节点的任务数。对于每个任务，生成N(N＝5,6，…，29，30)个0～1024bps的随机传输带宽和N个均为1024Mbps的固定带宽。网络中的每条链路设置负载上限loadMax为500Mbps，超过上限认为链路超过负荷，每次仿真记录整网链路的超负载数，并与以最小时延为目标的单径路由算法进行对比。
路径权值为该路径传输所属任务的带宽比例。同一任务的路径权值之和为1。
生成使得整网链路传输带宽方差VAR与整网链路传输带宽的开销SUM之和TOTAL最小的多径路径的权值λ。设置网络所有任务传输带宽均为1024Mbps，网络中有5个任务和30个任务时所有传输数据的路径的权值如图5、图6所示：
当只有5个任务时，路径序号最大为20，此时说明每个任务均有大于4条的路径。观察同属一个任务的路径(例如1～4和9～12)的权值可发现，本算法得到的序号小的权值较大。可能原因是，本算法是以时延最短为目标依次生成的路径(时延越短，路径序号越靠前)，取前4条最短路径，而这几条路径的跳数差别并不大，甚至是相同的。而最终的二次规划优化目标的一次项是网络所有传输数据的链路带宽的开销，所以同任务中序号靠前的路径代价(cost)较小，是完全合理的。
随着任务逐渐增多时，当任务数为30时，路径序号最大为113，小于120。说明存在某个任务的路径数不足4条，例如序号为108的路径权值为1，即该路径所属任务只有一条路径。这种情况本发明也给出了解决方案，见上文。
图7和图8分别为任务带宽随机和任务带宽均为1024Mbps情况下5到30个任务的整网链路超过500Mbps链路数。
仿真结果表明，随着任务数的增多两种负载情况下的单径和多径路由方案的超负载链路数整体均呈现递增趋势。但是优化后的多径路由方案的整网超负载链路数明显少于以时延为目标的单径路由方案，且随着任务数的增多和任务负载的加重多径路由方案的优势愈加明显。对网络中同时并发5～30个随机带宽业务和均为1024Mbps的带宽业务进行仿真，本章算法比单径路由算法分别平均降低69.6％和76.8％的拥塞链路数。
本发明至少具有下列有益效果：本发明考虑不同种类的业务，对端到端时延、时延抖动、传输带宽等需求的不同，结合低轨卫星网络的带宽和传输时延的边界，构造多目标多限制条件的优化目的函数，其中以最小化网络传输链路带宽方差与网络传输路径开销总和为目标，得出多径路径带宽分配系数，使得当网络任务数增多时，大幅度降低网络中超负荷链路数，实时分流。
虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (5)

1.一种抑制卫星网络中的路由拥塞的方法，包括：
为多个任务中的每个计算每个路径的代价值；
确定最小的前M个代价值的路径并且将所述路径加入路径池；
基于多径的低轨卫星网络路由拥塞控制优化算法对路径池中的所有路径进行带宽分配以为每个任务的每个路径确定流量带宽比例；以及
根据所述流量带宽比例为每个任务的每个路径分配带宽。
2.根据权利要求1所述的方法，其中为多个任务中的每个计算每个路径的代价值包括：
根据下列公式计算每个路径的代价值：
其中α和β分别是卫星网络对路径时延和路径跳数的重视程度，delayij为第i个任务的第j个路径的时延，delaymin为第i个任务的最短路径的时延，hopij为第i个任务i的第j个路径的跳数，hopmin为第i个任务的具有最少跳数的路径的跳数。
3.根据权利要求1所述的方法，其中基于多径的低轨卫星网络路由拥塞控制优化算法对路径池中的所有路径进行带宽分配以为每个任务的每个路径确定流量带宽比例包括：
根据下列公式对整网路径带宽代价矩阵X进行建模：
其中xij为第i个任务的第j个路径的路径矩阵的列向量表示，costij为第i个任务的第j个路径的代价值，BWi为传输第i个任务所需的带宽，λij表示第i个任务的第j个路径的权值，其中
根据下列公式对整网链路传输带宽方差VAR进行建模：
其中λ＝[λ11,λ12,...,λ1M,λ21,λ22,...,λ2M,...λN1,λN2,...,λNM]T，G为S*S的对称矩阵，
根据下列公式对网络所有链路的传输带宽的开销SUM进行建模：
SUM＝fT*λ，
其中sum(X)表示以矩阵X的每一列为对象，对一列内的数字求和，fT＝sum(X)；以及
通过二次规划使得VAR和SUM之和最小，以便确定网络中的所有路径的权值向量λ。
4.根据权利要求3所述的方法，其中通过二次规划使得VAR和SUM之和最小包括：
根据下列公式进行二次规划：
其中其每一行有M个连续的1，
beq＝[1 1 ... 1]T 1*N，
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述卫星网络为低轨卫星网络。
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