CN110149140B - 卫星机会式网络的转发方法 - Google Patents

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CN110149140B CN201910414554.9A CN201910414554A CN110149140B CN 110149140 B CN110149140 B CN 110149140B CN 201910414554 A CN201910414554 A CN 201910414554A CN 110149140 B CN110149140 B CN 110149140B
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Abstract

本发明提供了一种卫星机会式网络的转发方法，包括以下步骤：S1、建立卫星机会式网络的数据流传输模型，用于描述卫星机会式网络中链路的动态时延和功率变化；S2、提出基于链路稳定函数的转发方法，通过求解一个时延和能量约束下的动态规划问题，得到合适的单跳转发节点。本发明的有益效果是：降低了能耗和时延，显著提高了卫星机会网络中流文件的传输效率。

Description

卫星机会式网络的转发方法
技术领域
本发明涉及卫星通信，尤其涉及一种卫星机会式网络的转发方法。
背景技术
中继卫星和星上处理技术的进步促进了空间数据网的建立，各种星座和“鹊桥号”等中继卫星保证了对中心天体的连续覆盖，并能支持深空探测任务。一方面，相对于地面互联网，卫星链路具有通断频繁、长时延、丢包的特点，网络拓扑随着节点运动发生变化。另一方面，探测器和卫星载荷的发射功率有限，在固定的时间窗口内无法完成大数据量业务的传输任务。随着越来越多机器人、探测器的使用，卫星通信将从传统小数据量的语音、文本等数据类型向图像传输、多媒体信息广播等大数据量业务的方面发展，而空间探测和遥感图像等大容量流式数据的不断扩增，卫星网络数据转发的传输效率受到了严峻的挑战。
21世纪初期，NASA等空间机构组织提出了延迟/中断容忍网络(DTN)，以“存储-转发”的工作模式应对长延迟、易中断的卫星链路特征。此后，结合地面传感器网络、移动自组网中具有间歇性连通、延迟大、误码率高、节点资源受限的特定任务，逐渐形成了“机会式网络”的定义：一种受限于节点资源，不需要完整通信路径，节点兼具路由和计算功能，且依靠网络中节点的移动带来的连通机遇而完成通信的网络。当信道条件较差、传输时延较长时，地面互联网所使用的TCP/IP传输协议所需求的稳定链路和低反馈时延的假设条件将无法得到满足，并且ACK机制会产生大量重复数据包，降低了文件传输效率。
针对上述问题，如何提高文件传输效率，是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种卫星机会式网络的转发方法。
本发明提供了一种卫星机会式网络的转发方法，包括以下步骤：
S1、建立卫星机会式网络的数据流传输模型，用于描述卫星机会式网络中链路的动态时延和功率变化；
S2、提出基于链路稳定函数的转发方法，通过求解一个时延和能量约束下的动态规划问题，得到合适的单跳转发节点。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，使用时空拓扑图对卫星机会式网络在时间、空间两个维度进行描述，结合链路的丢包率、传输速率推导网络中各节点的存储数据量和消耗能源的计算公式，推导流式文件传输时延计算公式，建立卫星机会式网络的数据流传输模型。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，根据链路传播时延、节点功率、链路丢包率提出单跳转发节点的链路稳定性函数，利用网络中理想情况下各参数作为对照，进行稳定性函数值的归一化处理，在推导的时延和能耗的约束下将单跳转发问题建模为动态规划问题，根据网络在当前时刻的拓扑结构，提出中继节点的选择方案。
作为本发明的进一步改进，步骤S1包括以下过程：
在卫星机会式网络的不同“时隙”中，网络中各节点的连通关系会发生变化，针对考察时间段(t1,t2)内，均分为多个“时隙”进行考察，记为 {t|t＝kτ,k∈N*}，τ为时隙长度，对于网络H：
Figure GDA0002959133220000031
VH代表节点集合，AH代表链路集合,
Figure GDA0002959133220000032
为在第k个时隙中网络H，
Figure GDA0002959133220000033
为在第k个时隙中网络H包含的所有节点所构成的集合，
Figure GDA0002959133220000034
为在第k个时隙中网络H包含的所有链路所构成的集合，在同一个“时隙”中，网络结构不发生变化，针对特定链路
Figure GDA0002959133220000035
k∈N*，有：
Figure GDA0002959133220000036
其中，
Figure GDA0002959133220000037
为在第k个时隙中节点i,j所构成的链路；
对数据量为M的文件进行传输，每条链路具有不同传输性能，用链路容量
Figure GDA0002959133220000038
进行表征，
Figure GDA0002959133220000039
为链路
Figure GDA00029591332200000310
数据传输容量，表示链路
Figure GDA00029591332200000311
所能传输的最大数据量且：
Figure GDA00029591332200000312
其中，
Figure GDA00029591332200000313
为链路
Figure GDA00029591332200000314
数据传输容量，
Figure GDA00029591332200000315
为链路
Figure GDA00029591332200000316
数据传输速率，
Figure GDA00029591332200000317
为链路
Figure GDA00029591332200000318
的归一化时延；
在t＝kτ时，节点Vi所存储的数据量为：
Figure GDA0002959133220000041
其中，x(Vi,kτ)为第k个时隙中节点Vi所具有的数据量，
Figure GDA0002959133220000042
为信道丢包率；
在t＝kτ时，记p0为传输单位数据量所需能量值，网络H耗能为：
Figure GDA0002959133220000043
其中，
Figure GDA0002959133220000044
E(H,t)为网络H消耗的能量；
除了节点能量受限之外，时延也是卫星机会式网络中需要考虑的因素，对于文件M，分N次传输给中继节点，M＝∑Mi,i∈N*；中继节点无法在一个时隙中传输完成时，将数据传输给其余中继节点，可以确定传输文件各部分数据所需要时隙个数，传输文件所需时隙个数m即文件所用时延，得出：
Figure GDA0002959133220000045
而完成传输所用时延为各部分数据量传输完成所在时隙的最大值，kMi为 Mi传输开始所在时隙，k0为M开始传输所在时隙；
Delay(M)＝max(Delay(Mi)+kMi-k0) (6)
其中，Delay(Mi)为传输文件Mi所需要的时间。
作为本发明的进一步改进，步骤S2包括以下过程：
根据卫星机会式网络动态拓扑的特性，节点需要在当前时刻所具有的所有可用链路中选择最优链路，因此需要考虑建立链路的节点对是否具有足够能量用于传输数据，同时假设转发给下一节点后，该节点在要求时延内是否能将这些数据传输至目的节点，
(1)约束条件：
时延要求：在考察时间内，下一节点的数据必须能够全部传完；
Figure GDA0002959133220000051
能量开销要求：节点能量要大于路径损耗；
E:pd·d≤ei (8)
其中pd为每时隙光程该条链路的路径损耗功率，ei是节点Vi具有的能量值； (2)对特定节点，定义链路稳定性函数：
Figure GDA0002959133220000052
其中，wD,wE,wΛ为加权系数，且wD+wE+wΛ＝1；d为链路通信距离，c为光速；t0为不通过网络而直接传播所需要时间，λ0为直接传输所具有的删除概率均值，
Figure GDA0002959133220000053
为归一化传输时间，有：
Figure GDA0002959133220000054
E(n)为反馈次数，与传输所用协议及文件大小有关，简化设计可根据经验设为常值2，当
Figure GDA0002959133220000055
时，代表一个时隙内节点间距离超过光程与信息折返次数的积，无法保证可靠传输，该条链路不可用；
(3)问题建模
在t时刻，对节点Vi，链路发生切换，所有可能的“邻居节点”所在链路构成一个集合BVi|t＝kτ，BVi|t＝kτ为第k个时隙中节点i的所有邻居节点构成的集合，“邻居节点”指能够建立链路的节点，满足传输机遇条件，在其中选择稳定性函数LSF最大的链路作为新的转发链路，需求出式(11)的最大值，对于整个传输任务而言，每当时隙改变之后，网络中个节点所具有的数据量发生改变，网络拓扑进入下一状态，其实质为动态规划问题，本文将按照这种方式进行转发称为基于链路稳定函数的转发方法，简称为 LSF方案；
Figure GDA0002959133220000061
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，每个时隙中各节点矩阵代表了网络的离散状态，包含数据量和能耗值，当满足两个约束时，下一阶段各节点所能传输的数据量由当前时隙节点剩余数据量和链容量共同决定，每当各节点发生数据传输后，引起网络中节点数据量、能耗值及剩余传输时延改变，LSF方案将文件的传输过程转化为每一跳的最优解进行求解，由于机会式网络中链路的稀疏性，所有节点δ·LSF所构成的矩阵将构成一个稀疏矩阵，在进行计算时可利用零元素节约存储并提高程序运行时间，对单一节点而言，计算的结果代表了对链路时延、能耗、丢包率加权后的综合值，权值可适配业务类型、节点射频功率做一定调整；对一个传输任务而言，LSF矩阵会覆盖上一时隙的结果矩阵，因此其时间复杂度为Ο(N)，空间复杂度为Ο(1)。
本发明的有益效果是：通过上述方案，降低了能耗和时延，显著提高了卫星机会网络中流文件的传输效率。
附图说明
图1是本发明一种卫星机会式网络的转发方法的机会式网络场景示意图。
图2是本发明一种卫星机会式网络的转发方法的机会式网络模型例子。
图3是包含三星单圆极环月星座月背与地球通信仿真场景示意图。
图4是本发明一种卫星机会式网络的转发方法的传输过程的仿真实验图。
图5是本发明一种卫星机会式网络的转发方法的传输过程的仿真实验图。
图6是本发明一种卫星机会式网络的转发方法的传输过程的仿真实验图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
一种卫星机会式网络的转发方法，建立卫星机会式网络的数据流传输模型)，描述了流式文件在机会式网络中的传输规律，通过时延和能耗两个指标筛选单跳最优转发节点，形成流式文件传输模型；提出基于链路稳定函数的转发方法，设计合适中继节点转发协议，缩短数据包的传输时延和整体流式文件的传输能耗，具体过程如下：
(1)、使用时空拓扑图对机会式网络在时间、空间两个维度进行描述，结合链路的丢包率、传输速率等特点推导了网络中各节点的存储数据量和消耗能源的计算公式，推导了流式文件传输时延计算公式，建立了机会式网络中数据流传输模型；
(2)、根据链路传播时延、节点功率、链路丢包率提出单跳转发节点的链路稳定性函数，利用网络中理想情况下各参数作为对照，进行稳定性函数值的归一化处理，在推导的时延和能耗的约束下将单跳转发问题建模为动态规划问题，根据网络在当前时刻的拓扑结构，提出中继节点的选择方案。
本方中的主要的参数含义如下：
τ为时隙长度；
Figure GDA0002959133220000081
为在第k个时隙中网络H；
Figure GDA0002959133220000082
为在第k个时隙中网络H包含的所有节点所构成的集合；
Figure GDA0002959133220000083
为在第k个时隙中网络H包含的所有链路所构成的集合；
Figure GDA0002959133220000084
为在第k个时隙中节点i,j所构成的链路；
Figure GDA0002959133220000085
为链路
Figure GDA0002959133220000086
数据传输速率；
Figure GDA0002959133220000087
为链路
Figure GDA0002959133220000088
数据传输容量；
x(Vi,kτ)为第k个时隙中节点Vi所具有的数据量；
Figure GDA0002959133220000089
为信道丢包率；
E(H,t)为网络H消耗的能量；
BVi|t＝kτ为第k个时隙中节点i的所有邻居节点构成的集合；
Pd为链路功率损耗；
ei为节点i实际功率值(能量值)；
wD,wE,wΛ为权重系数∑w＝1；
Δt为时延窗口；
Figure GDA0002959133220000091
为链路归一化时延
Figure GDA0002959133220000092
Delay(Mi)为传输文件Mi所需要的时间。
图1为四个时隙中拥有三个中继节点组网的机会式网络场景示意图，在机会式网络的不同“时隙”中，网络中各节点的连通关系会发生变化。针对考察时间段(t1,t2)内，需要均分为多个“时隙”进行考察，记为 {t|t＝kτ,k∈N*}，对于网络H：
Figure GDA0002959133220000093
VH代表节点集合，AH代表链路集合,在同一个“时隙”中，网络结构不发生变化，针对特定链路
Figure GDA0002959133220000094
k∈N*，有：
Figure GDA0002959133220000095
图2为四个时隙里文件分多次由源节点传输至目的节点的机会式网络模型例子，为更好表现数据流在网络中的传输行为及网络链路、节点对传输过程的影响，根据图1可以做出如图2所示时空拓扑图，由于链路
Figure GDA0002959133220000096
的限制，节点的数据无法在一个时隙中全部传输给VD，但是在第三个时隙中，V2与VD间的链路已经不存在，此时
Figure GDA0002959133220000097
已经建立，节点将剩余数据再传输给V3。之后的传输过程类似，最终目的节点VD接收到所有数据量后传输完成。对数据量为M的文件进行传输，每条链路具有不同传输性能，用链路容量
Figure GDA0002959133220000101
进行表征，表示链路
Figure GDA0002959133220000102
所能传输的最大数据量且：
Figure GDA0002959133220000103
其中，
Figure GDA0002959133220000104
是链路的数据传输速率。在t＝kτ时，节点Vi所存储的数据量为：
Figure GDA0002959133220000105
在t＝kτ时，记p0为传输单位数据量所需能量值，网络H耗能为：
Figure GDA0002959133220000106
其中，
Figure GDA0002959133220000107
除了节点能量受限之外，时延也是机会式网络中需要考虑的因素，对于文件M，分N次传输给中继节点，M＝∑Mi,i∈N*；中继节点无法在一个时隙中传输完成时，将数据传输给其余中继节点，可以确定传输文件各部分数据所需要时隙个数，以图1为例，在不同时隙中按文件流传输路径展开可以得到图2，传输文件所需时隙个数m即文件所用时延，容易得出：
Figure GDA0002959133220000108
而完成传输所用时延为各部分数据量传输完成所在时隙的最大值，kMi为Mi传输开始所在时隙，k0为M开始传输所在时隙。
Delay(M)＝max(Delay(Mi)+kMi-k0) (6)
根据“机会式网络”动态拓扑的特性，节点需要在当前时刻所具有的所有可用链路中选择最优链路，因此需要考虑建立链路的节点对是否具有足够能量用于传输数据，同时假设转发给下一节点后，该节点在要求时延内是否能将这些数据传输至目的节点。特别在空间通信等长时延特定场景下，时敏性文件将对传输方案具有更高要求。
(1)约束条件：
时延要求：在考察时间内，下一节点的数据必须能够全部传完。
Figure GDA0002959133220000111
能量开销要求：节点能量要大于路径损耗。
E:pd·d≤ei (8)
其中pd为每时隙光程该条链路的路径损耗功率，ei是节点Vi具有的能量值。 (2)对特定节点，定义链路稳定性函数：
Figure GDA0002959133220000112
其中，wD,wE,wΛ为加权系数，且wD+wE+wΛ＝1；d为链路通信距离，c为光速；t0为不通过网络而直接传播所需要时间，例如在地月通信的场景下， t0＝(dearth-moon)÷c＝1.21s，λ0为直接传输所具有的删除概率均值。
Figure GDA0002959133220000113
为归一化传输时间，有：
Figure GDA0002959133220000114
E(n)为反馈次数，与传输所用协议及文件大小有关，简化设计可根据经验设为常值2，当
Figure GDA0002959133220000115
时，代表一个时隙内节点间距离超过光程与信息折返次数的积，无法保证可靠传输，该条链路不可用。
(1)问题建模
在t时刻，对节点Vi，链路发生切换，所有可能的“邻居节点”(指能够建立链路的节点，满足传输机遇条件)所在链路构成一个集合BVi|t＝kτ，在其中选择稳定性函数LSF最大的链路作为新的转发链路，需求出式(11) 的最大值。对于整个传输任务而言，每当时隙改变之后，网络中个节点所具有的数据量发生改变，网络拓扑进入下一状态，其实质为动态规划问题，本文将按照这种方式进行转发称为“LSF”方案。
Figure GDA0002959133220000121
每个时隙中各节点矩阵代表了网络的离散状态，包含数据量和能耗值，当满足两个约束时，下一阶段各节点所能传输的数据量由当前时隙节点剩余数据量和链容量共同决定。每当各节点发生数据传输后，引起网络中节点数据量、能耗值及剩余传输时延改变，LSF方案将文件的传输过程转化为每一跳的最优解进行求解。由于机会式网络中链路的稀疏性，所有节点δ·LSF所构成的矩阵将构成一个稀疏矩阵，在进行计算时可利用零元素节约存储并提高程序运行时间。对单一节点而言，计算的结果代表了对链路时延、能耗、丢包率加权后的综合值，权值可适配业务类型、节点射频功率做一定调整；对一个传输任务而言，LSF矩阵会覆盖上一时隙的结果矩阵，因此其时间复杂度为Ο(N)，空间复杂度为Ο(1)。
仿真结果如下：
本文使用Satellite Tool Kit(STK)进行各节点可见性的仿真。STK 是由AGI公司推出的一个分析软件，支持对海、陆、空、深空任务的全过程仿真。地月通信网络中各节点通信能力差距明显，各链路的差异巨大，又具有典型的机会式网络特征，并且、“鹊桥号”、“嫦娥四号”探测器已经作业，选定该场景将对未来的地月通信具有指导作用，使用STK获得各节点间的可见性数据，图3为一种包含三星单圆极环月星座月背与地球通信仿真场景示意图，在本文中对地月场景的仿真设定如下：选取月球南极-艾特肯盆地(South Pole-Aitkenbasin)(177.588°E，45.457°S)和地球青岛站作为始、终节点，地月L2点轨道卫星一颗，三星单圆极轨道星座(轨道半长轴6500km，离心率0，轨道倾角90度，三轨道升交点赤经各差120度)，GEO卫星3颗。搜索STK数据库，导入青岛站数据和“鹊桥号”(编号 47430)数据，任务设定为2018年6月1日12：00开始，仿真步长设为1 分钟，仿真时间为5天，时隙设定为3小时。记每个包所需功率为e0，时隙大小用τ表示，时延限制为40个时隙。由于每个数据包的长度默认相等，所以数据量的单位用数据包个数表示。LSF函数的权重因子取
Figure GDA0002959133220000131
对此进行了传输过程的仿真实验如图4至6所示，图4 为数据包为1000时，目标节点数据量随时隙变化图，图5为数据包为1000 时，网络能耗随时隙变化图，图6为数据包从100～10000，步长为500，完成传输所需时延随文件大小变化图。对照组使用“随机单播”方案，即中继节点在选择转发链路时随机选择，没有判断和优化。
根据仿真结果，图4表明，当待传输文件大小为1000个包时，使用随机单播方案消耗了84个时隙，而使用LSF传输方案消耗了74个时隙，说明在这种场景下LSF方案相较于随即单播方案可以更及时将文件传输至地面；目的节点的数据量并非连续变化说明网络中并非总存在稳定的端到端链路，说明在传输过程中存在数据存储在中继节点的情况，传输方案对长时延具有容忍能力，也表现了机会式网络中链路状态时变的特点；在第12至第17个时隙中，两种方案里目的节点的数据量均未增加，表明此时携带数据的节点均未与目的节点建立链路，而在第20至24时隙中，LES方案下目的节点数据量没有变化，但是随机单播方案下却有数据传输，表明二者所选择的链路并不相同。
图5表明，当传输文件大小为1000时，随机单播传输方案消耗了6300 单位能量，LSF传输方案消耗了5800单位能量，结合图1说明LSF方案不仅减少了8.6％的能耗，还能使时延降低13.5％以上，表明LSF方案是以少量能耗代价换取传输时延的增益。二者的能耗曲线均接近线性，但LSF方案的曲线斜率更大，说明以更小时延和能耗代价获得更高单位时间传输数据量。从图2也可以看出对于相同的网络结构，相同时隙下，二者的能耗大小并不一样，同样也表明了二者选择的转发节点并不相同。
图6对数据量从100到10000的情形进行了仿真，结果表明随着数据量增大，所需时延基本呈线性变化，且LSF方案曲线的斜率更小，即能更大幅度减少传输时延，而这对地月探测中时敏性文件的传输非常重要。图6 进一步表明，当传输文件值约为2100个数据包时，LSF方案所需时隙随着数据量增大会有突变情况，这可能是数据量超过某关键节点的能量上限后的表现，因为在地月拉格朗日L2点处的卫星具有更强的数据转发能力，但是其时延却相对环月卫星更大，而对于随机转发而言，极可能并未选择该链路导致整体文件的传输效率下降。
本文研究了流式文件在机会式网络传输时的转发问题，并将其建模为稳定性函数在能量受限和时延受限两大约束下的动态规划问题，研究了机会式网络每个时刻中节点的传输数据量和能耗规律，提出经过稳定性函数选择最优链路进行转发的方案。本文通过对一种典型的机会式网络——包含3颗圆极轨道构成的环月星座、一颗地月L2卫星节点及3颗地球同步卫星组成的地月通信网——使用STK分别进行了可见性分析，再使用MATLAB 进行传输过程中节点数据量、时延及能耗的仿真。仿真结果表明，与随机单播方案进行对比，LSF方案能充分利用机会式网络的拓扑结构特点，当传输文件为1000个数据包时，LSF方案不仅减少了8.6％的能耗，还能使时延降低13.5％以上，而随着业务量的增大，LSF方案会选择一些特殊的、具有较高转发性能的节点，能以更小时延和能耗代价，获得更高单位时间传输数据量。
在卫星通信中，卫星的射频功率是有限的，星间链路和星地链路具有频繁切换、延时长、丢包等特点。由于缺乏可靠、固定和预先设计好的连接，卫星网络具有典型的机会式网络特征，特别是在大容量数据流传输过程中。为了选择合适的单跳转发节点来降低时延和能量效率，本文提出了一种基于时空拓扑的流式传输模型(即卫星机会式网络的数据流传输模型)，用于描述卫星机会网络中链路的动态时延和功率变化。提出了一种新的基于链路稳定函数(LSF)的转发方案(即卫星机会式网络的转发方法)，通过求解一个时延和能量约束下的动态规划问题，得到了合适的单跳转发节点。选择地月通信作为仿真场景，利用STK和MATLAB对网络转发节点之间的可见性和数据量进行分析。仿真结果表明，与随机单播方案相比，LSF 方案降低了8.6％的能耗和13.5％以上的时延，显著提高了卫星机会网络中流文件的传输效率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种卫星机会式网络的转发方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立卫星机会式网络的数据流传输模型，用于描述卫星机会式网络中链路的动态时延和功率变化；
S2、提出基于链路稳定函数的转发方法，通过求解一个时延和能量约束下的动态规划问题，得到合适的单跳转发节点；
步骤S1包括以下过程：
在卫星机会式网络的不同“时隙”中，网络中各节点的连通关系会发生变化，针对考察时间段(t1,t2)内，均分为多个“时隙”进行考察，记为{t|t＝kτ,k∈N*}，其中kτ为第k个时隙，τ为时隙长度，对于网络H：
Figure FDA0003098349500000011
VH代表节点集合，AH代表链路集合,
Figure FDA0003098349500000012
为在第k个时隙中网络H，
Figure FDA0003098349500000013
为在第k个时隙中网络H包含的所有节点所构成的集合，
Figure FDA0003098349500000014
为在第k个时隙中网络H包含的所有链路所构成的集合，在同一个“时隙”中，网络结构不发生变化，针对特定链路
Figure FDA0003098349500000015
有：
Figure FDA0003098349500000016
其中，
Figure FDA0003098349500000017
为在第k个时隙中节点i,j所构成的链路；
对数据量为M的文件进行传输，每条链路具有不同传输性能，用链路容量
Figure FDA0003098349500000018
进行表征，
Figure FDA0003098349500000019
为链路
Figure FDA00030983495000000110
数据传输容量，表示链路
Figure FDA0003098349500000021
所能传输的最大数据量且：
Figure FDA0003098349500000022
其中，
Figure FDA0003098349500000023
为链路
Figure FDA0003098349500000024
数据传输容量，
Figure FDA0003098349500000025
为链路
Figure FDA0003098349500000026
数据传输速率，
Figure FDA0003098349500000027
为链路
Figure FDA0003098349500000028
的归一化时延；
在t＝kτ时，节点Vi所存储的数据量为：
Figure FDA0003098349500000029
其中，x(Vi,kτ)为第k个时隙中节点Vi所具有的数据量，
Figure FDA00030983495000000210
为信道丢包率；
在t＝kτ时，记p0为传输单位数据量所需能量值，网络H耗能为：
Figure FDA00030983495000000211
其中，
Figure FDA00030983495000000212
E(H,t)为网络H消耗的能量；
除了节点能量受限之外，时延也是卫星机会式网络中需要考虑的因素，对于文件M，分N次传输给中继节点，M＝∑Mi,i∈N*；中继节点无法在一个时隙中传输完成时，将数据传输给其余中继节点，可以确定传输文件各部分数据所需要时隙个数，传输文件所需时隙个数m即文件所用时延，得出：
Figure FDA0003098349500000031
而完成传输所用时延为各部分数据量传输完成所在时隙的最大值，kMi为Mi传输开始所在时隙，k0为M开始传输所在时隙；
Delay(M)＝max(Delay(Mi)+kMi-k0) (6)
其中，Delay(Mi)为传输文件Mi所需要的时间；
步骤S2包括以下过程：
根据卫星机会式网络动态拓扑的特性，节点需要在当前时刻所具有的所有可用链路中选择最优链路，因此需要考虑建立链路的节点对是否具有足够能量用于传输数据，同时假设转发给下一节点后，该节点在要求时延内是否能将这些数据传输至目的节点，
(1)约束条件：
时延要求：在考察时间内，下一节点的数据必须能够全部传完，时延要求T满足：
Figure FDA0003098349500000032
Δt为时延窗口；
能量开销要求：节点能量要大于路径损耗，能量开销要求E满足：
pd·d≤ei (8)
其中pd为每时隙光程该条链路的路径损耗功率，ei是节点Vi具有的能量值；
(2)对特定节点，定义链路稳定性函数：
Figure FDA0003098349500000041
其中，wD,wE,wΛ为加权系数，且wD+wE+wΛ＝1；d为链路通信距离，c为光速；t0为不通过网络而直接传播所需要时间，λ0为直接传输所具有的删除概率均值，
Figure FDA0003098349500000042
为归一化传输时间，有：
Figure FDA0003098349500000043
E(n)为反馈次数，与传输所用协议及文件大小有关，简化设计可根据经验设为常值2，当
Figure FDA0003098349500000044
时，代表一个时隙内节点间距离超过光程与信息折返次数的积，无法保证可靠传输，该条链路不可用；
(3)问题建模
在t时刻，对节点Vi，链路发生切换，所有可能的“邻居节点”所在链路构成一个集合BVi|t＝kτ，BVi|t＝kτ为第k个时隙中节点i的所有邻居节点构成的集合，“邻居节点”指能够建立链路的节点，满足传输机遇条件，在其中选择稳定性函数LSF最大的链路作为新的转发链路，需求出式(11)的最大值，对于整个传输任务而言，每当时隙改变之后，网络中个节点所具有的数据量发生改变，网络拓扑进入下一状态，其实质为动态规划问题，将按照这种方式进行转发称为基于链路稳定函数的转发方法，简称为LSF方案；
Figure FDA0003098349500000045
2.根据权利要求1所述的卫星机会式网络的转发方法，其特征在于：在步骤S1中，使用时空拓扑图对卫星机会式网络在时间、空间两个维度进行描述，结合链路的丢包率、传输速率推导网络中各节点的存储数据量和消耗能源的计算公式，推导流式文件传输时延计算公式，建立卫星机会式网络的数据流传输模型。
3.根据权利要求2所述的卫星机会式网络的转发方法，其特征在于：在步骤S2中，根据链路传播时延、节点功率、链路丢包率提出单跳转发节点的链路稳定性函数，利用网络中理想情况下各参数作为对照，进行稳定性函数值的归一化处理，在推导的时延和能耗的约束下将单跳转发问题建模为动态规划问题，根据网络在当前时刻的拓扑结构，提出中继节点的选择方案。
4.根据权利要求1所述的卫星机会式网络的转发方法，其特征在于：在步骤S2中，每个时隙中各节点矩阵代表了网络的离散状态，包含数据量和能耗值，当满足两个约束时，下一阶段各节点所能传输的数据量由当前时隙节点剩余数据量和链容量共同决定，每当各节点发生数据传输后，引起网络中节点数据量、能耗值及剩余传输时延改变，LSF方案将文件的传输过程转化为每一跳的最优解进行求解，由于机会式网络中链路的稀疏性，所有节点δ·LSF所构成的矩阵将构成一个稀疏矩阵，在进行计算时可利用零元素节约存储并提高程序运行时间，对单一节点而言，计算的结果代表了对链路时延、能耗、丢包率加权后的综合值，权值可适配业务类型、节点射频功率做一定调整；对一个传输任务而言，LSF矩阵会覆盖上一时隙的结果矩阵，因此其时间复杂度为O(N)，空间复杂度为O(1)。
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