CN110113783A - 一种实现联合感知驱动的卫星网络多跳路由的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现联合感知驱动的卫星网络多跳路由的方法，包括：卫星网络中每一节点周期性的广播包含其自身剩余能量的学习包，节点通过接收学习包来得到当前周期的邻居节点剩余能量，以及计算相应邻居节点之间的链路质量；当源节点向目的节点传输数据包时，根据邻居节点剩余能量及与相应邻居节点之间的链路质量，从其邻居节点集合中选出最优下一跳节点，并且，在数据包传输过程中，各中间节点均采用相同的方式来确定相应的最优下一跳节点，从而将数据包传输至目的节点。该方法在提高卫星网络鲁棒性和可扩展性的同时，兼顾星上能源的消耗以及拥塞控制，使卫星资源得到充分利用。

Description

一种实现联合感知驱动的卫星网络多跳路由的方法

技术领域

本发明涉及空间卫星网络组网及路由技术领域，尤其涉及一种实现联合感知驱动的卫星网络多跳路由的方法。

背景技术

作为天地一体化信息网络的重要组成部分，卫星网络具有全天候、高带宽、覆盖范围广等特点，因此卫星网络的研究受到了广泛关注。

高效的卫星网络路由方案对提高卫星网络数据传输的时效性和可靠性有着重要的意义。与地面网络相比，卫星网络具有拓扑结构周期性变化、星上资源有限、传播时延大、星间链路负载不均以及空间环境恶劣等特点。在设计卫星路由协议时，不仅需要关注星间链路状态，同时也要考虑到卫星能量控制的问题。

现有研究关注卫星网络拓扑结构的动态变化，提出了系统周期分割和覆盖区域分割思想。其中，系统周期分割又称虚拟拓扑思想，首先假定网络拓扑特点为：(1)网络中节点数为常数；(2)任意节点都至少与一个其它节点相连；(3)网络拓扑的变化具有周期性。根据卫星网络的周期性，将卫星系统周期划分为多个时间片，只要时间片足够小，就可看作卫星网络拓扑结构在同一时间片内是不变的。于是卫星网络的路由计算就转化成了多个静态虚拟拓扑下的路由计算问题。系统周期分割思想下典型的路由算法包括基于ATM的路由算法、离散时间动态虚拟拓扑路由算法等。

为解决因连接切换而引起的重路由问题，基于覆盖区域划分思想的路由算法完全由卫星移动引起，相对卫星运行速度而言，可以认为地面节点位置固定。所以覆盖区域分割又称为虚拟节点思想，在卫星网络运行的不同时刻，每颗卫星覆盖不同的地面区域，地面节点对应不同的覆盖卫星。覆盖区域分割类型的路由机制将地球表面覆盖域划分成不同的区域，并给各个区域赋予不同的固定的逻辑地址。卫星在运行过程中根据覆盖区域的变化，其逻辑地址也动态变化。数据分组根据卫星的逻辑地址转发，地面终端参与切换后新源端卫星和目的端卫星的选择，在空间段不重新执行完全重路由操作的情况下，按照卫星覆盖域的邻接关系计算切换后的最优路径。覆盖区域分割思想下路由算法有概率路由协议、覆盖域切换重路由协议等。

然而，上述两种思想对于卫星网络的周期性和拓扑结构的规则性有着很高的要求，对于卫星节点故障等实时情况适应性较差。其次，由于对于网络周期性和拓扑结构规则性的要求，基于上述思想的卫星网络算法通常可扩展性较差。并且上述思想没有考虑卫星的能量状况，可能导致卫星网络中的卫星使用率差异过大，造成卫星网络资源的浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现联合感知驱动的卫星网络多跳路由的方法，在提高卫星网络鲁棒性和可扩展性的同时，兼顾星上能源的消耗以及拥塞控制，使卫星资源得到充分利用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

(与权利要求相对应)。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，其自组网的结构使得卫星网络具有较高的可拓展性和鲁棒性，路由方法中对于链路质量和卫星节点能量的权衡，在保证服务质量的同时也实现了能量负载均衡，避免了单颗卫星因能量不足而导致崩溃，进而造成链路失效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种实现联合感知驱动的卫星网络多跳路由的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的RQ计算示意图；

图3为本发明实施例提供的EQ计算示意图；

图4为本发明实施例提供的多跳链路的TQ计算示意图；

图5为本发明实施例提供的应用场景示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

由于在复杂的太空环境下，基于系统周期分割和区域覆盖分割思想的卫星路由协议的鲁棒性和拓展性较差，且无法充分利用卫星资源。本发明实施例提供一种实现联合感知驱动的卫星网络多跳路由的方法，在提高卫星网络鲁棒性和可扩展性的同时，兼顾星上能源的消耗以及拥塞控制，使卫星资源得到充分利用。如图1所示，其主要包括：

步骤1、卫星网络中每一节点周期性的广播包含其自身剩余能量的学习包，节点通过接收学习包来得到当前周期的邻居节点剩余能量，以及计算相应邻居节点之间的链路质量。

本发明实施例中，所述学习包(SRLM)中包含了序列号、源节点的剩余能量等信息；每个卫星节点周期性的广播SRLM包，将自身的剩余能量等信息通告给周围节点。

所述链路质量的计算公式为：

TQ＝EQ/RQ

其中，TQ为链路质量，表示节点A向节点B发送数据包的成功率，其数值越高，表示传输时的丢包率越低。

RQ为一定时间内节点A收到由节点B发出的且源节点为B的学习包数量，其中节点B为节点A的邻居节点。如图2所示，当节点A收到由B转发且源节点为B的学习包时，节点A在RQ窗口内添加标志表示收到。

EQ为一定时间内节点A收到由节点B回传且源节点为A的学习包数量。如图3所示，当节点A收到节点B回传且源节点为A的学习包时，A在EQ窗口内添加标志表示收到。

举例来说，若有一条链路包括N+1个节点A₀…A_n，则由链路A₀至A_n的链路质量其中TQ_kj表示由发送节点A_k和接收节点A_j之间的链路质量。

如图4所示，链路B-A的链路质量为0.9，链路C-B的链路质量为0.8。则链路C-A的链路质量为链路B-A和链路C-B的链路质量的乘积，为0.72。

本领域技术人员可以理解，所述节点是指卫星节点。

步骤2、当源节点向目的节点传输数据包时，根据邻居节点剩余能量及与相应邻居节点之间的链路质量，从其邻居节点集合中选出最优下一跳节点，并且，在数据包传输过程中，各中间节点均采用相同的方式来确定相应的最优下一跳节点，从而将数据包传输至目的节点。

假设节点A为源节点，节点D为目的节点，N_A为节点A的邻居节点集合，则从节点A到节点D的最优下一跳节点i满足：

其中，参数α表示链路质量的权重，参数1-α表示邻居节点剩余能量的权重；TQ_i表示节点A经节点i至节点D的链路质量；TQ_max表示从节点A至节点D的最优链路质量；R_i表示节点i的剩余能量，R_max表示节点A的邻居节点集合剩余能量的最大值。

同理，最优下一跳节点i采用相同的方式，从其邻居节点集合中选出到节点D的最优下一跳节点。

在以上过程中，利用相关节点计算出最优下一跳节点后更新路由表中相应信息。

以图5所示场景为例进行介绍。如图5所示，节点A需要发送数据至节点C，有两条路径可供选择，一条为ABC，另一条为ADC。现在假定链路①TQ＝0.8,链路②TQ＝0.9，链路③TQ＝0.6，链路④TQ＝0.8。卫星B、D的能量均为100，权重项α＝0.7。

根据公式(1)计算可得，数据开始传输时，节点A通过链路①②向节点C传输数据，最优下一跳是B。当节点B的能量下降到44以下时，数据通过链路③④传输，之后两条链路交替使用。

本发明实施例提供的上述路由策略通过权衡链路质量和邻居节点剩余能量确定最优下一跳节点。该方法同时考虑了卫星链路质量与卫星节点的现存能量值，在保障卫星网络传输效率的同时，实现了能量负载均衡。并且通过调整参数α的取值，可灵活在传输效率与能量负载均衡这两者之间进行折衷选取。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种实现联合感知驱动的卫星网络多跳路由的方法，其特征在于，包括：

卫星网络中每一节点周期性的广播包含其自身剩余能量的学习包，节点通过接收学习包来得到当前周期的邻居节点剩余能量，以及计算相应邻居节点之间的链路质量；

当源节点向目的节点传输数据包时，根据邻居节点剩余能量及与相应邻居节点之间的链路质量，从其邻居节点集合中选出最优下一跳节点，并且，在数据包传输过程中，各中间节点均采用相同的方式来确定相应的最优下一跳节点，从而将数据包传输至目的节点。

2.根据权利要求1所述的一种实现联合感知驱动的卫星网络多跳路由的方法，其特征在于，所述学习包包括：序列号以及源节点的剩余能量。

3.根据权利要求1所述的一种实现联合感知驱动的卫星网络多跳路由的方法，其特征在于，所述链路质量的计算公式为：

TQ＝EQ/RQ

其中，TQ为链路质量，表示节点A向节点B发送数据包的成功率，其数值越高，表示传输时的丢包率越低；RQ为一定时间内节点A收到由节点B发出的且源节点为B的学习包数量，EQ为一定时间内节点A收到由节点B回传且源节点为A的学习包数量。

4.根据权利要求1所述的一种实现联合感知驱动的卫星网络多跳路由的方法，其特征在于，假设节点A为源节点，节点D为目的节点，N_A为节点A的邻居节点集合，则从节点A到节点D的最优下一跳节点i满足：

其中，参数α表示链路质量的权重，参数1-α表示邻居节点剩余能量的权重；TQ_i表示节点A经节点i至节点D的链路质量；TQ_max表示从节点A至节点D的最优链路质量；R_i表示节点i的剩余能量，R_max表示节点A的邻居节点集合剩余能量的最大值；

同理，最优下一跳节点i采用相同的方式，从其邻居节点集合中选出到节点D的最优下一跳节点。