CN111404595B - 一种天基网络通信卫星健康度评估方法 - Google Patents

一种天基网络通信卫星健康度评估方法 Download PDF

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CN111404595B CN202010202263.6A CN202010202263A CN111404595B CN 111404595 B CN111404595 B CN 111404595B CN 202010202263 A CN202010202263 A CN 202010202263A CN 111404595 B CN111404595 B CN 111404595B
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Abstract

本发明公开了一种天基网络通信卫星健康度评估方法，包括给定一个天基网络，卫星节点集，链路集随着时间发生周期性变化；将周期化分为个时间片，每个时间片内天基网络的拓扑结构固定不变；设定节点容量，卫星节点的介数、节点在卫星节点的故障率和卫星节点的丢包率；计算卫星节点健康度。本发明可用于时变天基网络中的承载通信数据的卫星健康度评价方法，可实现对天基网络中的数据承载卫星进行综合的健康度评价，辅助网络进行更加可靠的数据传输。

Description

一种天基网络通信卫星健康度评估方法
技术领域
本发明属于通信网络技术领域，涉及一种天基网络通信卫星健康度评估方法，具体涉及一种可用于时变天基网络中的承载通信数据的卫星健康度评价方法，可实现对天基网络中的数据承载卫星进行综合的健康度评价，辅助网络进行更加可靠的数据传输。
背景技术
随着通信技术的不断升级，数据传输速率在不断提升。然而，通信覆盖范围依然非常有限，在偏远以及人烟稀少的地区的网络覆盖依然是通信技术发展的瓶颈。天基网络是解决全球通信无死角全覆盖的一把利剑，其具有覆盖范围广、可应对复杂的地理环境，是未来通信发展的重要支撑。然而，天基网络中的低轨卫星的相对位置随着时间是动态变化的，每颗卫星的数据承载能力、负载、可直接通信的邻居卫星数量、数据丢包率、以及发生故障的概率等特征各异，给天基网络路由带来极大的挑战。如果采用传统的最短路径路由技术，可能出现大量数据包经过不可靠的卫星节点或者拓扑频繁变化，导致大量的丢包或出现卫星节点拥塞。因此，卫星节点的健康度评估显得尤为重要，是计算可靠的有效路由以及数据交换的基础。卫星节点健康度指的是卫星在给定时间片与拓扑的天基网络中，通过分析历史的拥塞、丢包率和故障率等信息，评估出的未来一个时间片内的卫星作为数据交换节点的综合通信能力。
现有的网络节点重要性或可靠性评价方法主要有：
1)基于介数的评价：节点介数[见论文Social Networks 2.2(1979)：119-141]定义为网络中经过该节点的最短路径的条数。介数反映了相应节点或边在整个网络中的作用和影响力。在天基网络中，在给定时间片内，可计算出每个卫星节点的介数。一般地，卫星节点介数越大则该节点越容易发生拥塞。因此，节点介数越高，可认为其健康度越低。
2)基于节点度的评价：节点度[见论文Social Networks 32.3(2010):245-251.]定义为天基网络中每个网络节点直接相连接的链路数量，节点度可以反映节点中心性和重要性。一般地，节点的度越大，其在网络中越重要，经过该节点的通信数据量越大，该节点越容易发生拥塞。因此，节点度越高，可认为其对应健康度越低。
3)基于丢包率的评价：丢包率即为网络运行中节点丢失的数据包数量占所发送的总数据包量的比率。丢包率与数据包长度以及包发送频率相关。在给定时间片内，可统计得出每个卫星节点的丢包率。一般来说，丢包率越高，节点健康度越低。但丢包率属于后测数据，具有滞后性。
4)基于故障率的评价：天基网络根据卫星节点上的卡尔曼滤波器的状态，判定节点的故障情况。测试计算网络中节点发生故障的概率，判定网络节点的健康度。节点发生故障概率越高，网络节点的健康度越低。
综上所述，针对天基网络，现有的节点健康度评估都存在一定缺陷：
1)单指标评价缺乏全面性。由于天基网络的复杂性，根据单个指标(比如丢包率)对网络进行评价存在片面性。影响卫星节点健康度的要素或原因是多样的，比如，基于丢包率的路由机制可降低网络的丢包概率，但可能引发网络严重拥塞，降低网络的吞吐量。
2)未考虑时变网络特征。天基网络的低轨卫星运行速度快，其网络拓扑会发生周期性改变，一个周期内，网络拓扑会发生多次改变，节点链路在时间片切换时，会发生链路的新建和中断，以及故障频繁发生。卫星节点的健康度是随时间动态变化的。
3)未考虑健康度的预估性与相关性。卫星节点在下一时间片内的健康度需要进行预估，因为在数据转发时需要使用节点在当前时间片的健康度信息。但现有的丢包率、故障率等信息都具有滞后性，即只有该时间片结束后才能统计得到。因此，要根据历史的信息对下一个时间片内的卫星健康度进行预估，并在数据转发时使用。一个卫星节点在未来一个时间片的健康度主要与前一个时间片的健康度以及上一个周期中对应时间片的健康度有关。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于克服现有网络节点重要性或可靠性评价方法在天基网络中的不足，提出一种可用于时变天基网络中的承载通信数据的卫星健康度评价方法，可实现对天基网络中的数据承载卫星进行综合的健康度评价，辅助网络进行更加可靠的数据传输。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种天基网络通信卫星健康度评估方法，包括以下步骤：
S1，给定一个天基网络G，卫星节点集为V，链路集E随着时间发生周期性变化；
S2，假设周期为T，将周期T化分为T个时间片t，每个时间片t内天基网络G的拓扑结构固定不变；设定节点容量c，即卫星节点处理数据的能力、卫星节点的介数b、节点在卫星节点的故障率f和卫星节点的丢包率r；
S3，计算卫星节点健康度：
1)从第一个周期T1开始，计算每个时间片t内每个节点的介数b，设定或统计每个时间片t内节点的初始化节点容量c，并且假设每个节点在每个时间片t的卫星节点的故障率f和卫星节点的丢包率r均为0；
2)计算周期内每个时间片内节点的健康度：h＝((c/b)/y)*(1-f)*(1-r)，并对c/b的结果进行归一化处理；其中y为一个常数；
3)进入下一个时间周期Ti+1，可统计得到上一个周期内的每个时间片t内的实际丢包率与故障率，在周期Ti+1内，每个时间片t内的故障率需要参考当前周期的上一时间片和上一周相同时间片的故障率，同时丢包率也需要考虑当前周期的上一时间片和上一周相应时间片的丢包率；
4)根据对上一周期故障率和丢包率的数据统计，返回步骤2)计算最新的卫星节点健康度。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
优选地，卫星节点的初始故障率与丢包率设置为0，或为一个(0,1)之间的值；在其余时间片t中，故障率和丢包率根据实际数据进行统计计算。
优选地，节点容量c表示节点处理能力，为节点的内存和节点缓冲队列长度。
优选地，所述归一化处理是通过常数y将节点在Ti周期的t时间片内的拥塞程度cV(Ti，t)/bV(Ti，t)的值，限定在(0，1)，y为一个大正数，或为所有节点中cV(Ti，t)/bV(Ti，t)的最大值。
优选地，节点的健康度计算，为(cV(Ti，t)/bV(Ti，t)/y),fV(Ti，t),rV(Ti，t)三个指标的综合值。
优选地，节点的健康度计算，为(cV(Ti，t)/bV(Ti，t)/y),fV(Ti，t),rV(Ti，t)三个指标的加权组合。
优选地，节点的健康度计算，为对(cV(Ti，t)/bV(Ti，t)/y),fV(Ti，t),rV(Ti，t)三个进行指数变换。
优选地，对未来一个时间片Ti的卫星健康度进行预估，由统计得到上一个周期Ti-1内的每个时间片t内的实际丢包率与故障率分别为fV *(Ti-1，t)和rV *(Ti-1，t)，那么，可以得到当前周期Ti内，每个时间片t内的故障率、当前周期Ti内，每个时间片t内的丢包率。
优选地，采用加权法得到每个时间片t内的故障率。
在步骤(3)中每个时间片内每个卫星节点的丢包率和故障率在开始时是未知的，因此需要综合历史信息来进行评估。丢包率和故障率可以表示为在网络进入稳态时得来的具体固定值m，减少健康度的反复动态计算，节省计算资源和控制信令的传输开销。
健康度计算得到的结果可以为路由计算提供依据，提高传输路径的可靠性，增强卫星网络的通信能力，可以为网络规划与优化提供依据。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
1.本发明针对天基卫星网络的动态时变特征，将卫星健康度的评估首先进行分片处理，并动态计算，适应性强。
2.本发明提出的卫星健康都评估方式综合考虑了可能影响卫星健康度的多重要素，可信度高。
3.本发明提出的卫星健康度评价可以为天基网络的路由计算与优化提供依据，加强数据通信的可靠性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明的天基网络原理图；
图2为本发明方法的健康度计算流程图；
图3为本发明方法的应用示例图；
图4(a)、图4(b)分别为本发明方法的结果评估图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
参照图1，本发明方法的天基网络原理图。图中，天基网络采用软件定义化的两层结构，地面部署控制器作为SDN(Software Defined Network)网络的控制层，能通过南向接口与卫星节点进行信息交互，获取整个网络的拓扑结构以及数据流量分布信息，GEO和LEO卫星部署为数据层，对地面终端设备的数据包进行转发。低轨卫星LEO运行速度快，其拓扑图随时间进行周期性变化。卫星在空间中位置变化，卫星对应的地面终端设备的连接也相应变化，因此将卫星相对于地球运动一周的时间，作为一个周期，周期内发生多次拓扑变换，即将一个周期分为多个时间片，每个时间片对应的拓扑默认不变。
参照图2，本发明方法的健康度计算流程图。图2中，可以根据网络拓扑和路由表计算每个节点在每个时间片内的网络节点参数，并根据相应的节点参数计算出网络节点的健康度。
本发明提供的天基网络通信卫星健康度评估方法，包括以下步骤：
(1)初试化参数
给定一个天基网络G，卫星节点集为V，链路集E随着时间发生周期性变化。
(2)假设天基网络G的拓扑结构是周期性变化的，假设周期为T，将周期T化分为T个时间片t，在时间片t内，网络拓扑结构是不变的。
设定节点容量c，即卫星节点处理数据的能力、卫星节点的介数b、节点在卫星节点的故障率f和卫星节点的丢包率r。节点在当前周期中的某个时间片的故障率和丢包率和同周期内上一个时间片以及上一周期内对应的时间片的值有关系。卫星节点健康度的值是动态的、多要素制约的、综合的、复杂的。
节点容量c表示节点处理能力，可以用节点的内存，也可以用节点缓冲队列长度表示。
节点V初始化的介数为在当前时间片的拓扑下，采用最短路径路由算法下，得到的通过该节点的最短路径条数。故障率和丢包率假设为0。或为一个(0,1)之间的值；在其余时间片t中，故障率和丢包率根据实际数据进行统计计算。
(3)节点健康度计算
节点健康度主要与节点的拥塞情况、节点的故障率与丢包率有关。因此将三个要素进行相乘可以有效表示节点的健康度。
具体步骤如下：
1)从第一个周期T1开始，计算每个时间片t内每个节点的介数b，设定或统计每个时间片t内节点的初始化节点容量c，并且假设每个节点在每个时间片t的卫星节点的故障率f和卫星节点的丢包率r均为0。
2)计算周期内每个时间片内节点的健康度：h＝((c/b)/y)*(1-f)*(1-r)，并对c/b的结果进行归一化处理；其中y为一个常数。
归一化处理是通过常数y将节点在Ti周期的t时间片内的拥塞程度cV(Ti，t)/bV(Ti，t)的值，限定在(0，1)，y为一个大正数，或为所有节点中cV(Ti，t)/bV(Ti，t)的最大值。
节点的健康度计算，为(cV(Ti，t)/bV(Ti，t)/y),fV(Ti，t),rV(Ti，t)三个指标的综合值：
hV(Ti，t)＝(cV(Ti，t)/bV(Ti，t)/y)*(1-fV(Ti，t))*(1-rV(Ti，t))
式中，hV(Ti，t)为Ti周期的第t个时间片上节点V的健康度，cV(Ti，t)为Ti周期的第t个时间片上节点V的节点容量，bV(Ti，t)为Ti周期的第t个时间片上节点V的介数，fV(Ti，t)为Ti周期的第t个时间片上节点V的节点故障率，rV(Ti，t)为Ti周期的第t个时间片上节点V的丢包率。
在另一个实施例中，节点的健康度计算，为(cV(Ti，t)/bV(Ti，t)/y),fV(Ti，t),rV(Ti，t)三个指标的加权组合：
hV(Ti，t)＝a(cV(Ti，t)/bV(Ti，t)/y)+b(1-fV(Ti，t))+c(1-rV(Ti，t))
其中，a、b、c分别为[0,1]的常数，a+b+c＝1。
在再一个实施例中，节点的健康度计算，为对(cV(Ti，t)/bV(Ti，t)/y),fV(Ti，t),rV(Ti，t)进行指数变换：
hV(Ti，t)＝a(cV(Ti，t)/bV(Ti，t)/y)m+b(1-fV(Ti，t))n+c(1-rV(Ti，t))k
其中，m、n、k分别为[0,1]的常数。
3)进入下一个时间周期Ti+1，可统计得到上一个周期内的每个时间片t内的实际丢包率与故障率，在周期Ti+1内，每个时间片t内的故障率需要参考当前周期的上一时间片和上一周相同时间片的故障率，同时丢包率也需要考虑当前周期的上一时间片和上一周相应时间片的丢包率。
4)根据对上一周期故障率和丢包率的数据统计，返回步骤2)计算最新的卫星节点健康度。
(4)参数更新
到下一个周期的各个时间片内，主要对卫星节点的故障率和丢包率进行更新。每个参数既与上个周期内同时间片内的统计参数有关，也与同周期内上一个时间片的参数有关。
(5)迭代计算
该更新过程原则上可以不断随着时间进行迭代计算。当网络运行进入稳定状态后，各个卫星节点在每个时间片内的故障率与丢包率趋于稳定，也可以均设置为固定值，供路由等过程使用。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明。
参考图3，本发明方法的应用示例图，图3中，卫星节点A要向卫星节点G发送数据包。
(1)时间片t1若计算出该数据包有两条路径：路径1和路径3，因路径3的健康度大于路径1，则数据包会优先采用路径3进行转发。
(2)时间片t2，若计算出的路径只有路径1和路径2，两条路径的健康度相同，则可以从路径跳数和节点可靠性两个方面考虑选择路径1或路径2。若考虑路径跳数，则选择路径2，因为路径2相较于路径1的跳数较少。若是考虑节点可靠性则会选择路径1，因为路径1中，源节点A对应的下一跳节点B的健康度较D点大。保证数据包选择的路径可靠性强。
参考图4(a)、图4(b)，为本发明技术的效果展示。我们假设每个时间片内的网络拓扑采用无标度网络生成算法[见论文Science 286.5439(1999):509-512.]，网络规模为200，节点平均度为4。每个结果都是至少计算10幅相同参数的网络后求平均值。结果表明，使用最短路径路由(SPR,shortest path routing)作为对比方法，本发明设计一种基于本发明提出的节点健康度作为路由代价的路由方法(HBR，health based routing)。评价指标有：1)网络容量，用公式N(N-1)/max(bv(i,t))来计算；2)路径可靠性，用所有节点对之间的路径可靠性平均值来表示，其中每条路径的可靠性用路径上所有节点的可靠性值相乘得到。
实验参数设置：假设每个节点的可靠性值为0至1之间的随机数，每个卫星节点容量相同。我们可以看出，基于本发明的卫星健康度的路由算法可将网络容量提高90％，路径的平均可靠性可提高17.4％。因此，可证实本发明提出的健康度可以帮助路由算法改进路径的可靠性，并且提高网络容量。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种天基网络通信卫星健康度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，给定一个天基网络G，卫星节点集为V，链路集E随着时间发生周期性变化；
S2，假设周期为T，将周期T化分为T个时间片t，每个时间片t内天基网络G的拓扑结构固定不变；设定节点容量c即卫星节点处理数据的能力、卫星节点的介数b、卫星节点的故障率f和卫星节点的丢包率r；
S3，计算卫星节点健康度：
1)从第一个周期T1开始，计算每个时间片t内每个卫星节点的介数b，设定或统计每个时间片t内卫星节点的初始化节点容量c，并且假设每个卫星节点在每个时间片t的卫星节点的故障率f和卫星节点的丢包率r均为0；
2)计算周期内每个时间片内节点的健康度：h＝((c/b)/y)*(1-f)*(1-r)，并对c/b的结果进行归一化处理；其中y为一个常数；
3)进入下一个时间周期Ti+1，可统计得到上一个周期内的每个时间片t内的实际丢包率与故障率，在周期Ti+1内，每个时间片t内的故障率需要参考当前周期的上一时间片和上一周相同时间片的故障率，同时丢包率也需要考虑当前周期的上一时间片和上一周相应时间片的丢包率；
对未来一个时间片Ti的卫星健康度进行预估，由统计得到上一个周期Ti-1内的每个时间片t内的实际丢包率与故障率分别为fV′(Ti-1，t)和rV′(Ti-1，t)，那么，
当前周期Ti内，每个时间片t内的故障率为：
fV(Ti，t)＝fV′(Ti-1，t)*fV(Ti，t-1)
采用加权法得到每个时间片t内的故障率为：
fV(Ti，t)＝a′fV′(Ti-1，t)+b′fV(Ti，t-1)
其中，a′、b′分别为[0,1]的常数，且a′+b′＝1；
当前周期Ti内，每个时间片t内的丢包率为：
rV(Ti，t)＝rV′(Ti-1，t)*rV(Ti，t-1)
若t-1＝0,则rV(Ti，t-1)＝rV′(Ti-1，s)
fV(Ti，t-1)＝fV′(Ti-1，s)
4)根据对上一周期故障率和丢包率的数据统计，返回步骤2)计算最新的卫星节点健康度；
节点的健康度计算，为(cV(Ti，t)/bV(Ti，t)/y),fV(Ti，t),rV(Ti，t)三个指标的加权组合：
hV(Ti，t)＝a″(cV(Ti，t)/bV(Ti，t)/y)+b″(1-fV(Ti，t))+c″(1-rV(Ti，t))
其中，hV(Ti，t)为Ti周期的第t个时间片上节点V的健康度，cV(Ti，t)为Ti周期的第t个时间片上节点V的节点容量，bV(Ti，t)为Ti周期的第t个时间片上节点V的介数，fV(Ti，t)为Ti周期的第t个时间片上节点V的节点故障率，rV(Ti，t)为Ti周期的第t个时间片上节点V的丢包率,a″、b″、c″分别为[0,1]的常数，a″+b″+c″＝1。
2.一种天基网络通信卫星健康度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，给定一个天基网络G，卫星节点集为V，链路集E随着时间发生周期性变化；
S2，假设周期为T，将周期T化分为T个时间片t，每个时间片t内天基网络G的拓扑结构固定不变；设定节点容量c即卫星节点处理数据的能力、卫星节点的介数b、卫星节点的故障率f和卫星节点的丢包率r；
S3，计算卫星节点健康度：
1)从第一个周期T1开始，计算每个时间片t内每个卫星节点的介数b，设定或统计每个时间片t内卫星节点的初始化节点容量c，并且假设每个卫星节点在每个时间片t的卫星节点的故障率f和卫星节点的丢包率r均为0；
2)计算周期内每个时间片内节点的健康度：h＝((c/b)/y)*(1-f)*(1-r)，并对c/b的结果进行归一化处理；其中y为一个常数；
3)进入下一个时间周期Ti+1，可统计得到上一个周期内的每个时间片t内的实际丢包率与故障率，在周期Ti+1内，每个时间片t内的故障率需要参考当前周期的上一时间片和上一周相同时间片的故障率，同时丢包率也需要考虑当前周期的上一时间片和上一周相应时间片的丢包率；
对未来一个时间片Ti的卫星健康度进行预估，由统计得到上一个周期Ti-1内的每个时间片t内的实际丢包率与故障率分别为fV′(Ti-1，t)和rV′(Ti-1，t)，那么，
当前周期Ti内，每个时间片t内的故障率为：
fV(Ti，t)＝fV′(Ti-1，t)*fV(Ti，t-1)
采用加权法得到每个时间片t内的故障率为：
fV(Ti，t)＝a′fV′(Ti-1，t)+b′fV(Ti，t-1)
其中，a′、b′分别为[0,1]的常数，且a′+b′＝1；
当前周期Ti内，每个时间片t内的丢包率为：
rV(Ti，t)＝rV′(Ti-1，t)*rV(Ti，t-1)
若t-1＝0,则rV(Ti，t-1)＝rV′(Ti-1，s)
fV(Ti，t-1)＝fV′(Ti-1，s)
4)根据对上一周期故障率和丢包率的数据统计，返回步骤2)计算最新的卫星节点健康度；
节点的健康度计算，为对(cV(Ti，t)/bV(Ti，t)/y),fV(Ti，t),rV(Ti，t)进行指数变换：
hV(Ti，t)＝a″(cV(Ti，t)/bV(Ti，t)/y)m+b″(1-fV(Ti，t))n+c″(1-rV(Ti，t))k
其中，hV(Ti，t)为Ti周期的第t个时间片上节点V的健康度，cV(Ti，t)为Ti周期的第t个时间片上节点V的节点容量，bV(Ti，t)为Ti周期的第t个时间片上节点V的介数，fV(Ti，t)为Ti周期的第t个时间片上节点V的节点故障率，rV(Ti，t)为Ti周期的第t个时间片上节点V的丢包率，a″、b″、c″分别为[0,1]的常数，a″+b″+c″＝1；m、n、k分别为[0,1]的常数。
3.根据权利要求1或2所述的一种天基网络通信卫星健康度评估方法，其特征在于，卫星节点的初始故障率与丢包率设置为0，或为一个(0,1)之间的值；在其余时间片t中，故障率和丢包率根据实际数据进行统计计算。
4.根据权利要求1或2所述的一种天基网络通信卫星健康度评估方法，其特征在于，节点容量c表示节点处理能力，为节点的内存和节点缓冲队列长度。
5.根据权利要求1或2所述的一种天基网络通信卫星健康度评估方法，其特征在于，所述归一化处理是通过常数y将节点在Ti周期的t时间片内的拥塞程度cV(Ti，t)/bV(Ti，t)的值限定在(0，1)，y为一个正数，或为所有节点中cV(Ti，t)/bV(Ti，t)的最大值。
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