CN111416655A - 一种基于虚拟拓扑的低轨卫星路由改进方法 - Google Patents

一种基于虚拟拓扑的低轨卫星路由改进方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟拓扑的低轨卫星路由改进方法，包括链路选择、拥塞处理和链路状态监测三个部分。链路选择是每颗卫星根据邻接矩阵计算当前节点到目的节点的最短距离路径；拥塞处理是卫星节点定期检测队列缓冲区拥塞程度，并根据拥塞情况进行路径优化；链路状态监测是卫星节点周期性地向邻居节点发送链路状态监测帧判断链路连通状态，以判断链路状态。在最短路径算法的基础上，将卫星节点的拥塞情况以及链路通断情况纳入选路依据，改进了传统虚拟拓扑算法中的选择路径的方式，可以有避免卫星网络的节点拥塞以及链路中断，从而降低卫星通信的平均时延和丢包率。

Description

一种基于虚拟拓扑的低轨卫星路由改进方法
技术领域
本发明涉及一种基于虚拟拓扑的低轨卫星路由改进方法，属于卫星通信领域，主要应用于低轨卫星网络中。
背景技术
随着互联网的广泛应用和空间技术的告诉发展，卫星网络已经成为移动通信网络的重要组成部分。以铱星(Iridium)和Starlink为代表的低地球轨道(LEO)卫星网络提供全球覆盖范围和实时服务，并为空地综合通信系统的发展做出贡献。与地面网络相比，卫星网络可以解决长距离传输问题和覆盖荒凉的地形(森林、海洋、沙漠等)，因此在未来网络中，将低轨卫星与地面网络结合起来可以有力的扩展和补充地面通信网的不足，并且解决全球覆盖的问题。
低轨卫星星座的复杂性在于系统中存在大量的卫星，高速运动的卫星使其拓扑结构呈高速动态变化，因此需要进行频繁的链路切换。若要使卫星星座系统达到最好的性能，要解决的第一个问题就是卫星之间的路由。路由问题一直是通信网络中的核心问题，路由策略的性能直接反映了整个通信网络的性能。由于卫星网络拓扑的时变性，使得部署在地面网络中的传统路由方案不能直接迁移到卫星网络中，而现有的路由算法还未形成统一的标准，所以迫切需要研究使用于低轨卫星网络特点的路由算法。
近些年来，有许多学者提出了有关低轨卫星网络的路由算法。针对卫星网络的特点，可以将当前的星座网络路由策略划分为基于虚拟拓扑的路由策略和基于虚拟节点的路由策略。这两类路由策略都屏蔽了卫星网络高速运动的特点，简化了设计路由算法的条件。基于虚拟拓扑的卫星路由策略需要在地面预先集中计算后再上传路由表，网络运行必须依赖地面信关站的辅助，且对卫星失效和业务流量动态变化方面具有明显的缺陷。
发明内容
发明目的：针对基于虚拟拓扑的低轨卫星路由算法应对突发情况能力弱的问题，本发明提供一种基于虚拟拓扑的低轨卫星路由改进方法，该策略采用铱星星座(66/6/1)模型，改进了原算法中的选择路径的方式，根据队列缓冲区拥塞机制获取卫星节点的拥塞情况进行选路，可以有效避免卫星网络在高负载情况下的拥塞和链路中断，从而降低了由于卫星节点的端到端平均时延以及丢包率，改善了路由算法的性能。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于虚拟拓扑的低轨卫星路由改进方法，每颗卫星节点定期检测队列缓冲区拥塞程度以及与邻居卫星节点的链路通断状态，根据获得的信息修改邻接矩阵并计算最短路径路由表；具体包括链路选择、拥塞处理和链路状态监测三个部分，具体步骤如下：
(1)链路选择：当源卫星节点需要将数据包传输至目的卫星节点时，所属系统内的每颗卫星节点根据各自的邻接矩阵计算自身到目的卫星节点的最短路径路由表，数据包根据各颗卫星节点的最短路径路由表从源卫星节点传输至目的卫星节点；当数据包到达目的卫星节点后，统计数据包在传输过程中的平均端到端时延以及丢包率；
(2)拥塞处理：每颗卫星节点定期检测队列缓冲区是否产生拥塞，若产生拥塞则根据拥塞程度更新邻接矩阵和最短路径路由表；
(3)链路状态监测：每颗卫星节点周期性地向邻居卫星节点发送hello包以判断其与邻居卫星节点的链路通断状态，当三倍周期的时间内未收到邻居卫星节点的反馈hello包，则判断其与该邻居卫星节点的链路中断，若其与邻居卫星节点的链路通断状态发生变化则更新邻接矩阵和最短路径路由表。
具体的，所述步骤(1)中，源卫星节点根据计算出的最短路径路由表以一定的发送速率向目的卫星节点发送数据包，具体包括如下步骤：
(1.1)源卫星节点经其它卫星节点将数据包传输给目的卫星节点，卫星节点每发送一个数据包，该卫星节点发送数据包的总个数加1，每颗卫星节点统计自身发送数据包的总个数；
(1.2)卫星节点根据邻接矩阵利用Dijkstra算法计算最短距离路径，形成最短路径路由表，数据包根据最短路径路由表进行传输；
(1.3)当数据包到达目的卫星节点后，统计数据包在传输过程中的平均端到端时延以及丢包率，端到端时延为数据包从源卫星节点发送到目的卫星节点所需要的时间。
具体的，所述步骤(1)中，平均端到端时延以及丢包率计算公式为：
Figure BDA0002440160620000021
Figure BDA0002440160620000022
Figure BDA0002440160620000031
Figure BDA0002440160620000032
其中，
Figure BDA0002440160620000033
为第i个数据包从源卫星节点到目的卫星节点的时延；
Figure BDA0002440160620000034
为第i个数据包从源卫星节点到目的卫星节点的传播时延，Dsrc→des为数据包从源卫星节点传播到目的卫星节点所经过的距离，c为光速；
Figure BDA0002440160620000035
为第i个数据包的排队时延，即数据包从进队列缓冲区到出队列缓冲区所经历的时间；为第i个数据包的传输时延，即星间链路发送第i个数据包所耗费的时间；Tmean为传输N个数据包的平均时延，N为从源卫星节点到目的卫星节点成功传输的数据包总个数；Rloss为丢包率，Psend为从源卫星发送到目的卫星的数据包总个数，Preceive为目的卫星成功接收到的数据包总个数。
具体的，所述步骤(2)，具体包括如下步骤：
(2.1)每颗卫星节点定期检测队列缓冲区是否产生拥塞：若产生拥塞，则执行步骤(2.2)；否则，执行步骤(2.3)；
(2.2)根据拥塞程度计算拥塞开销，修改邻接矩阵，根据修改后的邻接矩阵更新自身到目的卫星节点的最短路径路由表；返回步骤(2.1)，并继续执行步骤(1)；
(2.3)返回步骤(2.1)，并继续执行步骤(1)。
具体的，所述步骤(2.2)中，根据拥塞程度计算拥塞开销的计算公式为：
Figure BDA0002440160620000037
其中，Lqueue表示拥塞开销，CacheSize表示队列缓冲区的大小，CacheState表示队列缓冲区的占比，V表示星间链路的传输速率，c表示光速。
具体的，所述步骤(3)中，每颗卫星节点通过链路通断反馈机制周期性地与邻居卫星节点进行交互，获取其与邻居卫星节点的链路通断情况，具体包括如下步骤：
(3.1)每颗卫星节点周期性地向邻居卫星节点发送hello包，判断三倍周期的时间内是否收到邻居卫星节点的反馈hello包：若收到，则说明该链路连通；否则，说明该联络中断；
(3.2)判断卫星节点与其邻居卫星节点的链路通断状态是否发生变化：若发生变化，则执行步骤(3.3)；否则，执行步骤(3.4)；
(3.3)根据卫星节点与邻居卫星节点的链路通断状态，修改邻接矩阵，根据修改后的邻接矩阵更新自身到目的卫星节点的最短路径路由表；返回步骤(3.1)，并继续执行步骤(1)；
(3.4)返回步骤(3.1)，并继续执行步骤(1)。
有益效果：本发明提供的基于虚拟拓扑的低轨卫星路由改进方法，可由有效规避产生拥塞的卫星节点以及中断的链路，提高数据包传输的可靠性以及降低了端到端的平均时延和丢包率，改善了路由算法的性能。
附图说明
图1为本发明方法的实施流程示意图；
图2为本发明方法与传统算法的端到端平均时延比较图；
图3为本发明方法与传统算法的平均丢包率比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种基于虚拟拓扑的低轨卫星路由改进方法，本案使用的方法采用铱星星座模型(66/6/3)，在最短路径算法的基础上，改进了原本算法中的选择路径的方式。在进行选路的时候，将卫星节点的拥塞程度以及链路通断情况纳入选路依据，可以有避免卫星网络的节点拥塞以及链路中断，从而降低卫星通信的平均时延和丢包率；主要包括链路选择、拥塞处理和链路状态监测三个部分。
第一部分：链路选择
当源卫星节点需要将数据包传输至目的卫星节点时，所属系统内的每颗卫星节点根据各自的邻接矩阵计算自身到目的卫星节点的最短路径路由表，数据包根据各颗卫星节点的最短路径路由表从源卫星节点传输至目的卫星节点；当数据包到达目的卫星节点后，统计数据包在传输过程中的平均端到端时延以及丢包率。
源卫星节点根据计算出的最短路径路由表以一定的发送速率向目的卫星节点发送数据包，具体包括如下步骤：
(1.1)源卫星节点经其它卫星节点将数据包传输给目的卫星节点，卫星节点每发送一个数据包，该卫星节点发送数据包的总个数加1，每颗卫星节点统计自身发送数据包的总个数；
(1.2)卫星节点根据邻接矩阵利用Dijkstra算法计算最短距离路径，形成最短路径路由表，数据包根据最短路径路由表进行传输；
(1.3)当数据包到达目的卫星节点后，统计数据包在传输过程中的平均端到端时延以及丢包率，端到端时延为数据包从源卫星节点发送到目的卫星节点所需要的时间。
平均端到端时延以及丢包率计算公式为：
Figure BDA0002440160620000051
Figure BDA0002440160620000052
Figure BDA0002440160620000053
Figure BDA0002440160620000054
其中，
Figure BDA0002440160620000055
为第i个数据包从源卫星节点到目的卫星节点的时延；
Figure BDA0002440160620000056
为第i个数据包从源卫星节点到目的卫星节点的传播时延，Dsrc→des为数据包从源卫星节点传播到目的卫星节点所经过的距离，c为光速；
Figure BDA0002440160620000057
为第i个数据包的排队时延，即数据包从进队列缓冲区到出队列缓冲区所经历的时间；
Figure BDA0002440160620000058
为第i个数据包的传输时延，即星间链路发送第i个数据包所耗费的时间；Tmean为传输N个数据包的平均时延，N为从源卫星节点到目的卫星节点成功传输的数据包总个数；Rloss为丢包率，Psend为从源卫星发送到目的卫星的数据包总个数，Preceive为目的卫星成功接收到的数据包总个数，一般来说，Preceive会小于N，因为会发生丢包的情况。
第二部分：拥塞处理
每颗卫星节点定期检测队列缓冲区是否产生拥塞，若产生拥塞则根据拥塞程度更新邻接矩阵和最短路径路由表。具体包括如下步骤：
(2.1)每颗卫星节点定期检测队列缓冲区是否产生拥塞：若产生拥塞，则执行步骤(2.2)；否则，执行步骤(2.3)；
(2.2)根据拥塞程度计算拥塞开销：
Figure BDA0002440160620000061
其中，Lqueue表示拥塞开销，CacheSize表示队列缓冲区的大小，CacheState表示队列缓冲区的占比，V表示星间链路的传输速率，c表示光速。
卫星节点根据计算得到的拥塞开销修改邻接矩阵，根据修改后的邻接矩阵更新自身到目的卫星节点的最短路径路由表；返回步骤(2.1)，并继续执行步骤(1)；
(2.3)返回步骤(2.1)，并继续执行步骤(1)。
第三部分：链路状态监测
每颗卫星节点周期性地向邻居卫星节点发送hello包以判断其与邻居卫星节点的链路通断状态，当三倍周期的时间内未收到邻居卫星节点的反馈hello包，则判断其与该邻居卫星节点的链路中断，若其与邻居卫星节点的链路通断状态发生变化则更新邻接矩阵和最短路径路由表。具体包括如下步骤：
(3.1)每颗卫星节点周期性地向邻居卫星节点发送hello包，判断三倍周期的时间内是否收到邻居卫星节点的反馈hello包：若收到，则说明该链路连通；否则，说明该联络中断；
(3.2)判断卫星节点与其邻居卫星节点的链路通断状态是否发生变化：若发生变化，则执行步骤(3.3)；否则，执行步骤(3.4)；
(3.3)根据卫星节点与邻居卫星节点的链路通断状态，修改邻接矩阵，根据修改后的邻接矩阵更新自身到目的卫星节点的最短路径路由表；返回步骤(3.1)，并继续执行步骤(1)；
(3.4)返回步骤(3.1)，并继续执行步骤(1)。
对于路由算法的性能，我们在OPNET上进行了验证。如图2所示，拥塞发生在600s时刻，持续时间为20s，改进算法(本发明方法)在拥塞时刻的平均端到端时延比传统快照路由算法(snap)要低，这是因为当网络拥塞时快照路由始终在原始路径上传输，导致数据包排队时延增加，而改进算法可以通过队列缓存区反馈机制切换至空闲路径，因此在拥塞时刻端到端时延比快照路由算法低。
图3为改进算法(本发明方法)与传统快照路由算法(snap)的平均丢包率对比图，可以看到改进算法的丢包率比快照路由算法的丢包率低，这是因为在一个拓扑时隙内，存在卫星链路的中断，快照路由无法感知卫星网络中链路的中断，因而造成数据包的丢失，改进算法通过链路通断反馈可以感知链路中断，切换至未中断的链路，因此丢包率较低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于虚拟拓扑的低轨卫星路由改进方法，其特征在于：每颗卫星节点定期检测队列缓冲区拥塞程度以及与邻居卫星节点的链路通断状态，根据获得的信息修改邻接矩阵并计算最短路径路由表；具体包括链路选择、拥塞处理和链路状态监测三个部分，具体步骤如下：
(1)链路选择：当源卫星节点需要将数据包传输至目的卫星节点时，所属系统内的每颗卫星节点根据各自的邻接矩阵计算自身到目的卫星节点的最短路径路由表，数据包根据各颗卫星节点的最短路径路由表从源卫星节点传输至目的卫星节点；当数据包到达目的卫星节点后，统计数据包在传输过程中的平均端到端时延以及丢包率；
(2)拥塞处理：每颗卫星节点定期检测队列缓冲区是否产生拥塞，若产生拥塞则根据拥塞程度更新邻接矩阵和最短路径路由表；
(3)链路状态监测：每颗卫星节点周期性地向邻居卫星节点发送hello包以判断其与邻居卫星节点的链路通断状态，当三倍周期的时间内未收到邻居卫星节点的反馈hello包，则判断其与该邻居卫星节点的链路中断，若其与邻居卫星节点的链路通断状态发生变化则更新邻接矩阵和最短路径路由表。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟拓扑的低轨卫星路由改进方法，其特征在于：所述步骤(1)中，源卫星节点根据计算出的最短路径路由表以一定的发送速率向目的卫星节点发送数据包，具体包括如下步骤：
(1.1)源卫星节点经其它卫星节点将数据包传输给目的卫星节点，卫星节点每发送一个数据包，该卫星节点发送数据包的总个数加1，每颗卫星节点统计自身发送数据包的总个数；
(1.2)卫星节点根据邻接矩阵利用Dijkstra算法计算最短距离路径，形成最短路径路由表，数据包根据最短路径路由表进行传输；
(1.3)当数据包到达目的卫星节点后，统计数据包在传输过程中的平均端到端时延以及丢包率，端到端时延为数据包从源卫星节点发送到目的卫星节点所需要的时间。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟拓扑的低轨卫星路由改进方法，其特征在于：所述步骤(1)中，平均端到端时延以及丢包率计算公式为：
Figure FDA0002440160610000011
Figure FDA0002440160610000012
Figure FDA0002440160610000021
Figure FDA0002440160610000022
其中，
Figure FDA0002440160610000023
为第i个数据包从源卫星节点到目的卫星节点的时延；
Figure FDA0002440160610000024
为第i个数据包从源卫星节点到目的卫星节点的传播时延，Dsrc→des为数据包从源卫星节点传播到目的卫星节点所经过的距离，c为光速；
Figure FDA0002440160610000025
为第i个数据包的排队时延，即数据包从进队列缓冲区到出队列缓冲区所经历的时间；
Figure FDA0002440160610000026
为第i个数据包的传输时延，即星间链路发送第i个数据包所耗费的时间；Tmean为传输N个数据包的平均时延，N为从源卫星节点到目的卫星节点成功传输的数据包总个数；Rloss为丢包率，Psend为从源卫星发送到目的卫星的数据包总个数，Preceive为目的卫星成功接收到的数据包总个数。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟拓扑的低轨卫星路由改进方法，其特征在于：所述步骤(2)，具体包括如下步骤：
(2.1)每颗卫星节点定期检测队列缓冲区是否产生拥塞：若产生拥塞，则执行步骤(2.2)；否则，执行步骤(2.3)；
(2.2)根据拥塞程度计算拥塞开销，修改邻接矩阵，根据修改后的邻接矩阵更新自身到目的卫星节点的最短路径路由表；返回步骤(2.1)，并继续执行步骤(1)；
(2.3)返回步骤(2.1)，并继续执行步骤(1)。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟拓扑的低轨卫星路由改进方法，其特征在于：所述步骤(2.2)中，根据拥塞程度计算拥塞开销的计算公式为：
Figure FDA0002440160610000027
其中，Lqueue表示拥塞开销，CacheSize表示队列缓冲区的大小，CacheState表示队列缓冲区的占比，V表示星间链路的传输速率，c表示光速。
6.根据权利要求1所述的基于虚拟拓扑的低轨卫星路由改进方法，其特征在于：所述步骤(3)中，每颗卫星节点通过链路通断反馈机制周期性地与邻居卫星节点进行交互，获取其与邻居卫星节点的链路通断情况，具体包括如下步骤：
(3.1)每颗卫星节点周期性地向邻居卫星节点发送hello包，判断三倍周期的时间内是否收到邻居卫星节点的反馈hello包：若收到，则说明该链路连通；否则，说明该联络中断；
(3.2)判断卫星节点与其邻居卫星节点的链路通断状态是否发生变化：若发生变化，则执行步骤(3.3)；否则，执行步骤(3.4)；
(3.3)根据卫星节点与邻居卫星节点的链路通断状态，修改邻接矩阵，根据修改后的邻接矩阵更新自身到目的卫星节点的最短路径路由表；返回步骤(3.1)，并继续执行步骤(1)；
(3.4)返回步骤(3.1)，并继续执行步骤(1)。
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