CN110290066B - 基于队列监测与拥塞预测的卫星网络动态路由方法 - Google Patents

Abstract

基于队列监测与拥塞预测的卫星网络动态路由方法，适用于网络流量较大且变化频繁的低轨卫星网络，具有高鲁棒性，星上计算资源能够满足其需求的轻量级特性，属于通信技术领域。本发明以动态路由算法为基础，能够适应卫星快速运动引起的网络拓扑结构变化。利用队列监测的方法进行本星流量监控，能够针对同一节点所连接的不同链路进行负载率的计算，从而避免节点上某一链路拥塞导致所有流量绕行，浪费该节点其他可用链路的带宽资源。同时通过预测队列即将发生的拥塞，可以在拥塞发生之前进行负载的分流，从而减小因为已发生的拥塞而造成的丢包。

Description

基于队列监测与拥塞预测的卫星网络动态路由方法

技术领域

本发明涉及基于队列监测与拥塞预测的卫星网络动态路由方法，

背景技术

近年来，低轨移动卫星(LowEarthOrbit,LEO)组网成为卫星通信领域的热点，要实现卫星组网，首先必须解决卫星间的路由问题。与中高轨卫星相比，LEO卫星轨道高度低，轨道周期短，故能为用户提供(与同步通信卫星相比)低时延的高速连接，是卫星通信发展的重要方向。但由于其绕地球高速运动，卫星之间构成的链路也会随之发生通断变化，造成星座网络的拓扑结构变化频繁。星间链路的变化主要包含星座运行过程中部分链路故障及网络拥塞的情况。

对LEO卫星来说，其卫星轨道与星座排布是确定的，每颗卫星通常有四条星间链路，整个网络为网状拓扑结构。星间网络存在的主要特点及对路由协议设计的制约因素有：

(1)网络拓扑结构动态变化，链路切换频繁，路由有效时间短，链路传输时延长，误码率高。

(2)星间网络是网状结构，任意两颗星座卫星之间均存在多条跳数相近的可用路径(如附图1所示)，故改变输出端口造成的传播延迟增量较小，但极易产生环路。

(3)承载数据流量分布不均衡，与地面网关连接的星间网络网关节点容易发生节点和链路的拥塞。

(4)网络中的流量业务种类繁多，存在不同时延敏感性的流量，如果不对网络业务优先级加以区分，难以满足不同业务的不同QoS需求。

(5)网络流量过程是呈长相关自相似特性的非线性过程。

目前星间网络常用的静态路由基本方法是基于快照(SNAPSHOT)的路由方法。静态路由思想充分利用卫星星座运转的周期性和可预测性特点，将星座周期分为若干个时间片，把每个时间片内的网络拓扑看作一个虚拟的固定拓扑，将拓扑结构以路由表的形式提前进行计算，在星上装订或由地面注入，数据包到达后只需要查表转发。然而静态路由无法对网络的突发性拓扑变化及拥塞状况作出适应性调整。与之相比，动态算法能够较好的适应卫星网络的高动态变化特征，减少因突发的链路故障造成的丢包。

在拥塞控制方面，目前常见的有多路径路由、基于链路代价计算路由等方法。目前星间网络方面，具有拥塞控制和负载均衡功能的自适应动态路由算法具有以下局限性：

(1)星间网络链路时延长，误码率较大，且链路带宽有限。网络各节点难以在同一时间得知其他所有节点的链路负载程度，从而难以做出统一的路径规划。当各节点的链路状态数据库不同时，其所计算得到的路由表也不同，在该过程中传输的数据包容易产生环路。

(2)由于网络难以在同一时间实现某条链路信息的泛洪，因此某条链路或节点的拥塞对其所在区域的影响较大，而对与其距离较远区域的影响较小。且当大量链路负载信息在网络中泛洪时，将加重网络拥塞状况。因此，拥塞链路或节点附近的节点对其拥塞状况作出的响应对缓解拥塞的效果最大。

(3)判断链路或节点拥塞时，以是否发生拥塞作为判定标准会导致系统在发生拥塞后再采取措施，造成丢包。链路上业务流的自相似特性使其具有可预测性，可以对其即将发生的拥塞进行预报，但其复杂性也提高了预测的难度。

(4)星间网络作为一个自治网络，通常是一个无连接的网络。对于对时延抖动敏感的话音业务，多路径路由虽然能够进行负载均衡，但难以保证其数据包的按序到达。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了基于队列监测与拥塞预测的卫星网络动态路由方法，适用于网络流量较大且变化频繁的低轨卫星网络，具有高鲁棒性，星上计算资源能够满足其需求的轻量级特性。

本发明的技术解决方案是：基于队列监测与拥塞预测的卫星网络动态路由方法，包括如下步骤：

S1，卫星网络各节点根据卫星路由算法计算得到的星上路由表进行转发，并实时计算卫星网络各节点端口的拥塞情况；当某个卫星网络节点任一端口发生拥塞，或者其相邻卫星网络节点向其发送拥塞标识时，进入S2；

S2，卫星网络节点接收数据包，判断数据包的目的地址是否为本星；若是，则读取并保存数据包；若不是，则进入S3；

S3，判断数据包的优先级；若为最高优先级，则将数据包传输至发送队列，等待发送；若不是最高优先级，则进入S4；

S4，读取数据包中预设的trace字段，判断trace字段有无空闲字段；若没有，则丢弃该数据包，返回S2；若有，则进入S5；

S5，判断本星是否存在下一跳；若存在，则进入S6；若不存在，则丢弃该数据包；

S6，选择拥塞情况最轻的端口对应的卫星网络节点作为下一跳；向该数据包中的trace字段添加本星地址，将数据包传输至发送队列，等待发送。

所述判断本星是否存在下一跳的方法为：判断全部与其相邻的卫星网络节点是否均向其发送拥塞标识；若是，则不存在；反之，则存在，再判断下一跳的端口是否拥塞。

所述判断下一跳的端口是否拥塞的方法为：计算表征拥塞情况的负载率，判断负载率是否小于阈值；若小于，则判定该端口对应的卫星网络节点可作为下一跳；若不小于，则判定该端口对应的卫星网络节点不可作为下一跳。

计算负载率的方法为：根据当前时刻和前若干时刻的各自端口的负载率，对下一时刻本端口的负载率进行预测，并将预测的负载率作为表征拥塞情况的负载率。

当前时刻的负载率为：

其中，λ为估算周期内需要从该链路传输的数据总量，k_q为队列缩减率，

为估算周期内链路的队列长度均值，γ为链路的目标使用率，C为链路数据发送带宽，t_ρ为估算周期，包括数据在星间往返的时延和处理时间。

所述对下一时刻本端口的负载率进行预测的方法为BP神经网络算法。

所述阈值为1。

所述trace字段的长度的计算方法为：

其中，R为卫星网络半径，Delay_max为卫星网络系统能够允许的最大额外时延，t_tran为单跳传输时延，t_prop为单跳传播时延。

所述卫星网络半径为

M是卫星网络轨道平面数量，N为每个卫星网络轨道上的卫星数量，各卫星网络轨道上的卫星数量相等。

所述卫星路由算法为Dijkstra算法。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明以动态路由算法为基础，能够适应卫星快速运动引起的网络拓扑结构变化。利用队列监测的方法进行本星流量监控，能够针对同一节点所连接的不同链路进行负载率的计算，从而避免节点上某一链路拥塞导致所有流量绕行，浪费该节点其他可用链路的带宽资源。同时通过预测队列即将发生的拥塞，可以在拥塞发生之前进行负载的分流，从而减小因为已发生的拥塞而造成的丢包。

(2)本发明考虑到星间网络特殊的网格状结构，及节点间较大的链路时延，设计了一种复杂度较低的拥塞控制方法。本发明以Dijkstra算法为路由计算方法，以最短路径为第一选择，绕开各节点的拥塞链路同时，尽可能减小路由跳数。同时通过数据包的trace字段能够防止路由环路及路径过长的问题。

(3)在本发明中，当邻居卫星所有出口链路均拥塞时，邻居卫星会向本星发送节点拥塞的通知，从而与本星链路拥塞情况结合起来，进行后续数据包的路径规划，减少当下一跳各链路均拥塞时造成的数据包丢失。本发明重点关注当前节点及其邻居节点的拥塞状况，各节点在计算路由时能够掌握其所在区域的实时流量状况，做出及时有效的拥塞控制策略。

(4)本发明通过人工神经网络的方法预测队列下一时刻负载率状况，使系统可以在拥塞发生前作出响应，避免拥塞的发生。

(5)本发明针对不同优先级业务设计了不同的路由转发策略，将时延敏感的话音或信令业务定为最高优先级，不考虑拥塞状况直接进行查表转发，由于最高优先级业务始终排在队列最前，能够保证最高优先级业务的QoS服务质量。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明网络路径示意图；

图3为本发明相邻节点链路连接示意图；

图4为本发明数据包处理流程示意图。

具体实施方式

基于队列监测与拥塞预测的卫星网络动态路由方法，如图1，包括如下步骤：

S1，卫星网络各节点根据卫星路由算法计算得到的星上路由表进行转发，并实时计算卫星网络各节点端口的拥塞情况；当某个卫星网络节点任一端口发生拥塞，或者其相邻卫星网络节点向其发送拥塞标识时，进入S2；

S2，卫星网络节点接收数据包，判断数据包的目的地址是否为本星；若是，则读取并保存数据包；若不是，则进入S3；

S3，判断数据包的优先级；若为最高优先级，则将数据包传输至发送队列，等待发送；若不是最高优先级，则进入S4；

S4，读取数据包中预设的trace字段，判断trace字段有无空闲字段；若没有，则丢弃该数据包，返回S2；若有，则进入S5；

S5，判断本星是否存在下一跳；若存在，则进入S6；若不存在，则丢弃该数据包；

S6，选择拥塞情况最轻的端口对应的卫星网络节点作为下一跳；向该数据包中的trace字段添加本星地址，将数据包传输至发送队列，等待发送。

具体地，本发明包括：分布式星上队列监测与拥塞预测(S01)、数据包类型及优先级划分(S02)、避免环路的数据包路径标记与判决(S03)、非最高优先级数据包路由(S04)。

1、分布式星上队列监视与拥塞预测(S01)

利用链路负载率估算卫星节点每条输出链路的拥塞情况。

当前时刻的链路负载率计算公式如下

t_ρ：估算周期，包括数据在星间往返的时延和处理时间；

λ：估算周期内需要从该链路传输的数据总量；

估算周期内链路的队列长度均值；

k_q：队列缩减率；

γ：链路的目标使用率；

C：链路数据发送带宽。

如附图2、3所示，低轨卫星网络节点通常有四条双向链路，这里的队列监测的对象是星上对应每条发送链路的队列。当负载率ρ≥1时，链路能提供的发送能力和队列缓存不足以满足数据传输的需求，此时链路已经发生拥塞。为了避免系统在链路发生拥塞后再进行负载均衡，以及由此可能导致的丢包。本发明在ρ＝1时判断链路已经发生拥塞，并通过对网络流量进行实时预测，判断下一时刻链路负载率是否达到拥塞阈值。

计算负载率的方法为：根据当前时刻和前若干时刻的各自端口的负载率，对下一时刻本端口的负载率进行预测，并将预测的负载率作为表征拥塞情况的负载率。利用人工神经网络的方法对各队列的负载率进行预测，可以采用对非线性函数逼近效果好、误差小的算法，例如误差逆传播(BP，Back-Propagation)或径向基函数算法(RBF，RadicalBasisFunction)进行神经网络(NN，NeuralNetwork)训练，将前N个时刻(当前时刻为t，间隔为ε)的最高优先级业务的负载率{ρ(t-Nε),ρ(t-(N-1)ε),…,ρ(t-ε),ρ(tε)}作为网络的输入值，下一时刻负载率ρ(t+ε)为NN输出值。

若ρ(t+ε)＝1，则判定即将发生拥塞，开始采用拥塞控制措施。

2、数据包类型及优先级划分(S02)

卫星节点接收数据包后，先判断数据包目的地址是否为本星，将符合条件的数据包发送至本星相应处理端口。对于要转发的数据包，如果是最高优先级的数据包，则对其进行查表转发，根据当前星上路由表对其进行路由规划，保证最高优先级业务的及时有序转发。

针对数据包不同种类将其划分为不同优先级，其中星间网络信令及其他时延敏感的业务(如话音业务等)应被设为最高优先级业务。输出队列以PQ调度算法为基础，保证最高优先级业务能够最先获得所需资源。

3、避免环路的数据包路径标记与判决(S03)

对于非最高优先级的数据包，当判定链路拥塞，即ρ(t+ε)＝1后，部分数据包发送可能无法沿路由表中的最短跳数路径传输。此时数据包路由路径中很可能出现环路，为了避免环路的发生，本发明在数据包中预留trace字段(用于标记数据包所经过的节点地址，数据包格式如附图4所示)。数据包每经过一跳，路由器将在该字段中填入自身地址。各路由器在选择下一跳时，需查看trace中已有的地址，禁止将数据包再传至已经经过的卫星节点。此外，为了避免数据包路由路径过长的问题，当trace字段中无空闲地址，路由器将丢弃该数据包，由地面网络传输层协议保证数据包的重发。

trace字段的长度的计算方法为：

其中，R为卫星网络半径，

M是卫星网络轨道平面数量，N为每个卫星网络轨道上的卫星数量，各卫星网络轨道上的卫星数量相等，Delay_max为卫星网络系统能够允许的最大额外时延，t_tran为单跳传输时延，t_prop为单跳传播时延。以6×9(6个轨道面，每个轨道面上9颗卫星)的低轨卫星网络为例，其路由选路以最短跳数为原则，任意一对{源节点，目的节点}可以9跳之内建立链路。此时可以取

其中，R为网络半径，

M是卫星网络轨道平面数量，N为每个卫星网络轨道上的卫星数量，各卫星网络轨道上的卫星数量相等，Delay_max为系统能够允许的最大额外时延，t_tran为单跳传输时延，t_prop为单跳传播时延。

4、非最高优先级数据包路由(S04)

判断本星是否存在下一跳的方法为：判断全部与其相邻的卫星网络节点是否均向其发送拥塞标识；若是，则不存在；反之，则存在，再判断下一跳的端口是否拥塞。判断下一跳的端口是否拥塞的方法为：计算表征拥塞情况的负载率，判断负载率是否小于阈值；若小于，则判定该端口对应的卫星网络节点可作为下一跳；若不小于，则判定该端口对应的卫星网络节点不可作为下一跳。对于其他优先级的业务数据包，当卫星节点预测与之相连的某条链路的ρ(t+ε)＝1时，到达该节点的数据包不再使用该链路发送数据包，待ρ(t+ε)<1后恢复链路使用。当某节点三条链路分别判定为即将拥塞，该卫星将向第四条链路连接的卫星发送拥塞信令。收到拥塞信令的卫星不再向该节点发送数据包。

对于没有拥塞链路和拥塞邻居节点的卫星节点，非最高优先级的业务数据包将根据卫星路由算法(如Dijkstra算法)计算得到的星上路由表进行转发。最高优先级业务始终根据星上路由表进行查询转发。各端口始终保证不向接收数据包的端口再次发送该数据包。因此当出现拥塞链路或拥塞邻居节点时，路由器将判定该端口不可用。此时对于需要发送的数据包，排除其来源的端口(路由器自身生成的数据包无来源端口)，如果可用端口大于等于两个，路由器选择负载率ρ较低的链路端口进行数据包发送；如果可用端口只有一个，路由器将选择该端口进行数据包发送；如果无可用端口，路由器将丢弃该数据包。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.基于队列监测与拥塞预测的卫星网络动态路由方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，卫星网络各节点根据卫星路由算法计算得到的星上路由表进行转发，并实时计算卫星网络各节点端口的拥塞情况；当某个卫星网络节点任一端口发生拥塞，或者其相邻卫星网络节点向其发送拥塞标识时，进入S2；

S2，卫星网络节点接收数据包，判断数据包的目的地址是否为本星；若是，则读取并保存数据包；若不是，则进入S3；

S3，判断数据包的优先级；若为最高优先级，则将数据包传输至发送队列，等待发送；若不是最高优先级，则进入S4；

S4，读取数据包中预设的trace字段，判断trace字段有无空闲字段；若没有，则丢弃该数据包，返回S2；若有，则进入S5；

S5，判断本星是否存在下一跳；若存在，则进入S6；若不存在，则丢弃该数据包；

S6，选择拥塞情况最轻的端口对应的卫星网络节点作为下一跳；向该数据包中的用于标记数据包所经过的节点地址的trace字段添加本星地址，将数据包传输至发送队列，等待发送。

2.根据权利要求1所述的基于队列监测与拥塞预测的卫星网络动态路由方法，其特征在于，所述判断本星是否存在下一跳的方法为：判断全部与其相邻的卫星网络节点是否均向其发送拥塞标识；若是，则不存在；反之，则存在，再判断下一跳的端口是否拥塞。

3.根据权利要求2所述的基于队列监测与拥塞预测的卫星网络动态路由方法，其特征在于，所述判断下一跳的端口是否拥塞的方法为：计算表征拥塞情况的负载率，判断负载率是否小于阈值；若小于，则判定该端口对应的卫星网络节点可作为下一跳；若不小于，则判定该端口对应的卫星网络节点不可作为下一跳。

4.根据权利要求3所述的基于队列监测与拥塞预测的卫星网络动态路由方法，其特征在于，计算负载率的方法为：根据当前时刻和前若干时刻的各自端口的负载率，对下一时刻本端口的负载率进行预测，并将预测的负载率作为表征拥塞情况的负载率。

5.根据权利要求4所述的基于队列监测与拥塞预测的卫星网络动态路由方法，其特征在于，当前时刻的负载率为：

其中，λ为估算周期内需要从该端口传输的数据总量，k_q为队列缩减率，

为估算周期内链路的队列长度均值，γ为链路的目标使用率，C为链路数据发送带宽，t_ρ为估算周期，包括数据在星间往返的时延和处理时间。

6.根据权利要求4所述的基于队列监测与拥塞预测的卫星网络动态路由方法，其特征在于：所述对下一时刻本端口的负载率进行预测的方法为BP神经网络算法。

7.根据权利要求3所述的基于队列监测与拥塞预测的卫星网络动态路由方法，其特征在于：所述阈值为1。

8.根据权利要求1所述的基于队列监测与拥塞预测的卫星网络动态路由方法，其特征在于：所述trace字段的长度的计算方法为：

其中，R为卫星网络半径，Delay_max为卫星网络系统能够允许的最大额外时延，t_tran为单跳传输时延，t_prop为单跳传播时延。

9.根据权利要求8所述的基于队列监测与拥塞预测的卫星网络动态路由方法，其特征在于：所述卫星网络半径为

M是卫星网络轨道平面数量，N为每个卫星网络轨道上的卫星数量，各卫星网络轨道上的卫星数量相等。

10.根据权利要求1所述的基于队列监测与拥塞预测的卫星网络动态路由方法，其特征在于：所述卫星路由算法为Dijkstra算法。

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