CN111835640A - 基于连续时间聚合图的最短时延路由方法 - Google Patents

基于连续时间聚合图的最短时延路由方法 Download PDF

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CN111835640A CN202010672191.1A CN202010672191A CN111835640A CN 111835640 A CN111835640 A CN 111835640A CN 202010672191 A CN202010672191 A CN 202010672191A CN 111835640 A CN111835640 A CN 111835640A
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Abstract

本发明公开了一种基于连续时间聚合图的最短时延路由方法，主要解决现有技术在下一跳的链路容量大于上一跳链路容量时存在路由计算错误的问题。其实现方案是：首先构建连续时间聚合图，计算从源节点其所有邻接节点的业务完全到达时间，选择业务完全到达时间最早的邻接节点作为当前节点；然后根据下一跳的链路容量与上一跳链路容量的大小关系，分三种情况计算下一跳的业务完全到达时间，选择具有最小业务完全到达时间的节点作为新的当前节点，重复此步骤，直到找到源点到网络中所有其他节点的最短时延路径。本发明对下一跳业务传输结束时刻分不同场景计算，提高了最短时延路由准确性，降低了网络路由开销，提升了通信的效率。可用于卫星网络通信。

Description

基于连续时间聚合图的最短时延路由方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及一种最短时延路由方法，可用于卫星网络通信。
背景技术
近年来，网络通信技术取得了快速的发展，与此同时人们对于信息传输的需求急剧增长。仅仅依靠于地面通信网络，受限于各种极端地形以及自然灾害等多种因素，根本无法满足人们对于通信的高要求。而卫星网络是一个由高空网络、空间以及地面构成的综合通信系统，可以实现地球表面的全覆盖，可以提供高带宽并且同时可以保证数据的传输速率，且近乎不受地理因素以及各种自然灾害的影响。这些特征使得卫星网络成为了通信网络发展的主要趋势，其中网络路由技术是需要深入研究的关键性问题。
雷柳在其发表的论文“基于图模型的DTN网络路由算法研究”(硕士学位论文，西安电子科技大学，2015.11)中公开了一种基于连续时间聚合图的最短时延路由(ContinuousTime-varying Graph Based Routing，CTGR)算法。该算法首先构建了连续时间聚合图模型，并引入业务这个概念。然后计算第一跳的传输时延，选择传输时延最小的作为当前节点，在此基础上，计算下一跳的传输时延，如此迭代更新，直至找到所有节点的最短时延路径。该方法存在的不足之处是：在计算路径的端到端时延时，若下一跳的链路容量大于上一跳链路容量时，可能会出现计算出来的下一跳的业务传输结束时刻小于上一跳业务传输结束时刻的问题，导致路由计算出错，进而降低路由的准确性，增大了网络的路由开销，降低了卫星网络的通信效率。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于连续时间聚合图的最短时延路由方法，以避免在下一跳的链路容量大于上一跳的链路容量时路由计算出错的问题，提高最短时延路由的准确性，降低了网络的路由开销，进一步提高卫星网络通信的效率。
为实现上述目的，本发明的实现包括如下：
(1)根据链路的容量、传播时延以及链路的连通时段生成连续时间聚合图；
(2)初始化参数：选定源节点s，固定起始时间tstart，所有节点的业务完全到达时刻tarr_i＝∞,i∈N，所有节点的父节点设为空，创建确定最短路径节点集合P，用来存储已经找到最短路径的节点，其初值设置为
Figure BDA0002582712810000021
创建未知最短路径节点集合T，用来存储还没有找到最短路径的节点，其初值设置为所有节点；
(3)分别计算第一跳的传输结束时刻
Figure BDA0002582712810000022
和链路连通时间段上的传输业务量
Figure BDA0002582712810000023
并更新源节点s的所有邻居节点的父节点和业务完全到达时刻，从未知最短路径的节点集合T中删除业务完全到达时刻最小的节点j，并将其加入到确定最短路径的节点集合P中；
(4)计算下一跳的传输时延：
(4a)将节点j作为当前节点，计算其所有邻居节点在三种不同情况下的业务传输结束时刻
Figure BDA0002582712810000024
(4a1)计算当下一跳链路容量小于或等于上一跳链路容量时的传输结束时刻；
Figure BDA0002582712810000025
其中，
Figure BDA0002582712810000026
表示业务片段
Figure BDA0002582712810000027
在链路ljr的传输起始时刻，cjr(t)表示链路ljr的容量函数，
Figure BDA0002582712810000028
表示上一跳链路最后一个连通时间段上的业务传输片段量；
(4a2)计算当下一跳的链路容量大于上一跳链路容量且下一跳链路在业务片段传输过程中未断开时的传输结束时刻：
Figure BDA0002582712810000029
其中：
Figure BDA00025827128100000210
Figure BDA00025827128100000211
Figure BDA00025827128100000212
Figure BDA00025827128100000213
表示业务片段
Figure BDA00025827128100000214
在链路ljr的传输起始时刻，
Figure BDA00025827128100000215
表示业务片段
Figure BDA00025827128100000216
在链路lij上的传输结束时刻，
Figure BDA00025827128100000217
表示链路lij在
Figure BDA00025827128100000218
时的传播时延，cjr(t)和cij(t)分别表示链路ljr和lij的容量函数，tstart表示业务传输起始时间，S表示需要传输的总业务量，
Figure BDA00025827128100000219
表示链路ljr第x-1个业务片段传输结束的时刻；
(4a3)计算当下一跳的链路容量大于上一跳链路容量且下一跳链路在业务片段传输过程中断开时的传输结束时刻：
Figure BDA0002582712810000031
其中：
Figure BDA0002582712810000032
Figure BDA0002582712810000033
表示链路ljr第x个连通时间段的开始时刻，
Figure BDA0002582712810000034
是链路ljr在第x个连通时间段内传输的业务片段量，
Figure BDA0002582712810000035
表示链路lij在最后一个连通时间段的传输开始时刻，
Figure BDA0002582712810000036
表示链路ljr第x-1个连通时间段的结束时刻，
Figure BDA00025827128100000311
表示链路lij在
Figure BDA0002582712810000037
时的传播时延；
(4b)将节点r的业务完全到达时间，即节点j业务传输结束时刻
Figure BDA0002582712810000038
与链路ljr传播时延τjr之和与原有的业务完全到达时间tarr_r进行比较，若
Figure BDA0002582712810000039
将节点r的业务完全到达时间更新为
Figure BDA00025827128100000310
并将节点r的父节点更新为节点j；
(5)从当前未知最短路径的节点集合T中删除业务完全到达时间最小的节点，并将其加入到当前确定最短路径的节点集合P中；
(6)判断当前未知最短路径的节点集合T是否为空，若为空，则继续进行(7)，否则，将该节点作为新的当前节点j，返回(4)；
(7)采用“倒序追踪”的方法，即依次找到其父节点，再找到父节点的父节点，一直追溯到源节点，得到源节点到其他节点的最短路径以及最短路径时延。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明由于给出了不同场景对下一跳业务传输结束时刻的计算方法，即对现有基于连续时间聚合图的最短时延路由算法做出完善和改进，有效的解决了现有技术在下一跳的链路容量大于上一跳链路容量时存在路由计算错误的问题，提高了最短时延路由的准确性，降低了网络的路由开销，进一步提高卫星网络通信的效率。
附图说明
图1是本发明使用的场景示例图；
图2是本发明的实现流程图；
图3是本发明中的连续时间聚合图；
图4是本发明的传输模式示意图；
图5是本发明的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例和效果做进一步的描述。
参照图1，本实施例使用的场景是一个卫星网络，该网络中包括地面站s、地面站e、低轨卫星群a、低轨卫星群b、中继星c、中继星d这六个网络节点。有一个业务从地面站s向地面站e发送，有多种传输路线可供选择，需要找出业务的传输时延最短的传输路线。
参照图2，本实施例的具体步骤如下：
步骤一：生成连续时间聚合图。
用卫星网络节点s、a、b、c、d、e间的直线表示网络链路，每条链路上的信息(cij(t),τij(t))分别表示链路容量ce(t)和链路传播时延τe(t)，如图3所示。其中(csa(t),τsa(t))表示节点s和节点a之间的链路容量和链路传播时延，(csb(t),τsb(t))表示节点s和节点b之间的链路容量和链路传播时延，(cac(t),τac(t))表示节点a和节点c之间的链路容量和链路传播时延，(ccd(t),τcd(t))节点c和节点d之间的链路容量和链路传播时延，(cbd(t),τbd(t))表示节点b和节点d之间的链路容量和链路传播时延，(csa(t),τsa(t))表示节点s和节点a之间的链路容量和链路传播时延，(cce(t),τce(t))表示节点c和节点e之间的链路容量和链路传播时延，(cde(t),τde(t))表示节点d和节点e之间的链路容量和链路传播时延，由此生成连续时间聚合图。
步骤二：初始化参数。
选定源节点s，固定起始时间tstart，将所有节点的业务完全到达时间tarr_i,i∈{s,a,b,c,d,e}的初值设为∞，创建确定最短路径节点集合P，用来存储已经找到最短路径的节点，其初值设置为
Figure BDA0002582712810000041
创建未知最短路径节点集合T，用来存储还没有找到最短路径的节点，其初值设置为T＝{s,a,b,c,d,e}。
步骤三：计算第一跳的传输时延。
(3.1)从当前未知最短路径的节点集合T中删除源节点s，并将其加入到当前确定最短路径的节点集合P中，计算源节点s到其所有的邻居节点的业务传输结束时刻
Figure BDA0002582712810000042
计算公式如下：
Figure BDA0002582712810000051
其中tstart表示业务传输的起始时间，cij(t)表示链路ij的容量函数，S表示需要传输的业务量；
(3.2)更新源节点s的所有邻居节点的业务完全到达时刻，选择业务完全到达时间最小的邻居节点j，从未知最短路径节点集合T中删除该节点，并将该节点添加到确定最短路径节点集合P中；
(3.3)分别按序计算业务在每条邻接链路的连通时间段上的业务传输片段量，记为
Figure BDA0002582712810000052
计算公式如下：
Figure BDA0002582712810000053
其中
Figure BDA0002582712810000054
表示源节点i与其邻居节点j之间的链路在第k个连通时间段传输的业务片段量，
Figure BDA0002582712810000055
和
Figure BDA0002582712810000056
分别表示链路lij在第k个连通时间段的传输开始和结束时刻，m表示传输业务在链路lij上的最后一个时间段。
步骤四：计算下一跳的传输时延。
(4.1)将节点j作为当前节点，计算其所有邻居节点的最后一个业务片段的传输结束时刻
Figure BDA0002582712810000057
此时链路传输业务模式可以分为下面三种情况：
(4.1.1)计算当下一跳链路容量小于或等于上一跳链路容量时的传输结束时刻；
Figure BDA0002582712810000058
其中，
Figure BDA0002582712810000059
表示业务片段
Figure BDA00025827128100000510
在链路ljr的传输起始时刻，cjr(t)表示链路ljr的容量函数，
Figure BDA00025827128100000511
表示上一跳链路最后一个连通时间段上的业务传输片段量：
(4.1.2)在下一跳的链路容量大于上一跳链路容量且下一跳链路在业务片段传输过程中未断开时，如图4(a)，其传输模式为：当链路ljr连通后，会以其最快的速率传输在节点j缓存的业务，缓存的业务传输完成后，传输速率和链路lij保持一致，直至最后一个业务片段传输完成，其传输结束时刻计算公式如下：
Figure BDA0002582712810000061
其中：
Figure BDA0002582712810000062
Figure BDA0002582712810000063
Figure BDA0002582712810000064
Figure BDA0002582712810000065
表示业务片段
Figure BDA0002582712810000066
在链路ljr的传输起始时刻，
Figure BDA0002582712810000067
表示业务片段
Figure BDA0002582712810000068
在链路lij上的传输结束时刻，
Figure BDA0002582712810000069
表示链路lij在
Figure BDA00025827128100000610
时的传播时延，cjr(t)和cij(t)分别表示链路ljr和lij的容量函数，tstart表示业务传输起始时间，S表示需要传输的总业务量，
Figure BDA00025827128100000611
表示链路ljr第x-1个业务片段传输结束的时刻；
(4.1.3)在下一跳的链路容量大于上一跳链路容量且下一跳链路在业务片段传输过程中断开的情况，如图4(b)，其传输模式如下：
当链路ljr第一次连通后，会以(4.1.2)的模式传输业务，直至链路ljr断开；
当链路ljr第二次连通后，会再次以(4.1.2)的模式传输业务，直至最后一个业务片段传输完成，其传输结束时刻的计算公式如下：
Figure BDA00025827128100000612
其中：
Figure BDA00025827128100000613
Figure BDA00025827128100000614
表示链路ljr第x个连通时间段的开始时刻，
Figure BDA00025827128100000615
是链路ljr在第x个连通时间段内传输的业务片段量，
Figure BDA00025827128100000616
表示链路lij在最后一个连通时间段的传输开始时刻，
Figure BDA00025827128100000617
表示链路ljr第x-1个连通时间段的结束时刻，
Figure BDA00025827128100000618
表示链路lij在
Figure BDA00025827128100000619
时的传播时延；
(4.2)将节点r的业务完全到达时间，即节点j业务传输结束时刻
Figure BDA00025827128100000620
与链路ljr传播时延τjr之和与原有的业务完全到达时间tarr_r进行比较：
若
Figure BDA0002582712810000071
则将节点r的业务完全到达时间更新为
Figure BDA0002582712810000072
并将节点r的父节点更新为节点j，再执行步骤五；
否则，不对节点r的业务完全到达时间和父节点进行更新，直接执行步骤五。
步骤五：从当前未知最短路径的节点集合T中删除业务完全到达时间最小的节点，并将其加入到当前确定最短路径的节点集合P中。
步骤六：判断当前未知最短路径的节点集合T是否为空，若为空，则继续进行步骤七，否则，将该节点作为新的当前节点j，返回步骤四。
步骤七：采用“倒序追踪”的方法，即依次找到其父节点，再找到父节点的父节点，一直追溯到源节点，得到源节点到其他节点的最短路径以及最短路径时延。
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明：
1.仿真实验条件：
本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为Intel Pentium CPU，主频为3.30GHz，内存8GB。
本发明的仿真实验的软件平台为：Windows7操作系统和MATLAB。
本实验搭建了三个DTN低轨卫星网络作为仿真场景，三个DTN低轨卫星网络的节点数目分别为7颗、14颗、21颗，网络的运行周期固定为100分钟，且发送业务的传输起始时间是固定的。节点间链路的变化以及随机通断由时变的容量函数以及传播时延函数两个变量进行表征，当链路的容量为0或者链路的传播时延为∞时，表明链路暂时处于断开的状态。
2.仿真内容：
在上述实验条件下，用本发明仿真在不同网络节点数目和不同的发送速率下，网络数据从源节点发送到目的节点的传输时延，由此得到在不同网络节点数目的情况下，传输时延随数据发送速率变化的曲线，结果如图5所示。
从图5可以看出，在同一卫星网络中，本发明的平均端到端时延随着发送数据的速率的增加而增加。这是由于当数据的发送速率增加时，有更多的数据需要进行传输，网络中节点需要缓存处理的消息变多，导致消息的排队时间增加，消息可能因此错失预先选择好的最优链路，造成平均端到端时延增加。
从图5还可以看出，当数据的发送速率相同时，随着网络节点数的增加，本发明的平均端到端时延大幅度的减小。这是由于若数据的发送速率相同，网络负载相同，当网络中节点和链路数增加，网络规模变大时，节点之间的连接机会增多，到达目的节点的可选路径就会变多，即增加了端到端的传输机会，在节点转发数据时等待链路变成连通状态的时间会变短，使得网络的平均端到时延降低。

Claims (5)

1.一种基于连续时间聚合图的最短时延路由方法，其特征在于，包括如下：
(1)根据链路的容量、传播时延以及链路的连通时段生成连续时间聚合图；
(2)初始化参数：选定源节点s，固定起始时间tstart，所有节点的业务完全到达时刻tarr_i＝∞,i∈N，所有节点的父节点设为空，创建确定最短路径节点集合P，用来存储已经找到最短路径的节点，其初值设置为
Figure FDA0002582712800000011
创建未知最短路径节点集合T，用来存储还没有找到最短路径的节点，其初值设置为所有节点；
(3)分别计算第一跳的传输结束时刻
Figure FDA0002582712800000012
和链路连通时间段上的传输业务量
Figure FDA0002582712800000013
并更新源节点s的所有邻居节点的父节点和业务完全到达时刻，从未知最短路径的节点集合T中删除业务完全到达时刻最小的节点j，并将其加入到确定最短路径的节点集合P中；
(4)计算下一跳的传输时延：
(4a)将节点j作为当前节点，计算其所有邻居节点在三种不同情况下的业务传输结束时刻
Figure FDA0002582712800000014
(4a1)计算当下一跳链路容量小于或等于上一跳链路容量时的传输结束时刻；
Figure FDA0002582712800000015
其中，
Figure FDA0002582712800000016
表示业务片段
Figure FDA0002582712800000017
在链路ljr的传输起始时刻，cjr(t)表示链路ljr的容量函数，
Figure FDA0002582712800000018
表示上一跳链路最后一个连通时间段上的业务传输片段量；
(4a2)计算当下一跳的链路容量大于上一跳链路容量且下一跳链路在业务片段传输过程中未断开时的传输结束时刻：
Figure FDA0002582712800000019
其中：
Figure FDA00025827128000000110
Figure FDA00025827128000000111
Figure FDA0002582712800000021
Figure FDA0002582712800000022
表示业务片段
Figure FDA0002582712800000023
在链路ljr的传输起始时刻，
Figure FDA0002582712800000024
表示业务片段
Figure FDA0002582712800000025
在链路lij上的传输结束时刻，
Figure FDA0002582712800000026
表示链路lij在
Figure FDA0002582712800000027
时的传播时延，cjr(t)和cij(t)分别表示链路ljr和lij的容量函数，tstart表示业务传输起始时间，S表示需要传输的总业务量，
Figure FDA0002582712800000028
表示链路ljr第x-1个业务片段传输结束的时刻；
(4a3)计算当下一跳的链路容量大于上一跳链路容量且下一跳链路在业务片段传输过程中断开时的传输结束时刻：
Figure FDA0002582712800000029
其中：
Figure FDA00025827128000000210
Figure FDA00025827128000000211
表示链路ljr第x个连通时间段的开始时刻，
Figure FDA00025827128000000212
是链路ljr在第x个连通时间段内传输的业务片段量，
Figure FDA00025827128000000213
表示链路lij在最后一个连通时间段的传输开始时刻，
Figure FDA00025827128000000214
表示链路ljr第一个连通时间段的结束时刻，
Figure FDA00025827128000000215
表示链路lij在
Figure FDA00025827128000000216
时的传播时延；
(4b)将节点r的业务完全到达时间，即节点j业务传输结束时刻
Figure FDA00025827128000000217
与链路ljr传播时延τjr之和与原有的业务完全到达时间tarr_r进行比较，若
Figure FDA00025827128000000218
将节点r的业务完全到达时间更新为
Figure FDA00025827128000000219
并将节点r的父节点更新为节点j；
(5)从当前未知最短路径的节点集合T中删除业务完全到达时间最小的节点，并将其加入到当前确定最短路径的节点集合P中；
(6)判断当前未知最短路径的节点集合T是否为空，若为空，则继续进行(7)，否则，将该节点作为新的当前节点j，返回(4)；
(7)采用“倒序追踪”的方法，即依次找到其父节点，再找到父节点的父节点，一直追溯到源节点，得到源节点到其他节点的最短路径以及最短路径时延。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(1)所述的根据链路的容量、传播时延以及链路的连通时段生成连续时间聚合图，是画出网络中所有出现过的节点和链路，其中，节点集合为N,链路集合为E，每条链路上的权重值为W，W包含链路容量ce(t)和链路传播时延τe(t)，当链路容量ce(t)＞0时表示链路连通，当链路容量ce(t)＝0时表示链路断开。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(3)中第一跳的传输结束时刻
Figure FDA0002582712800000031
计算公式如下；
Figure FDA0002582712800000032
其中，tstart表示业务传输的起始时间，cij(t)表示链路lij的容量函数，S表示需要传输的业务量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(3)中链路连通时间段上的传输业务量
Figure FDA0002582712800000033
计算公式如下；
Figure FDA0002582712800000034
Figure FDA0002582712800000035
其中
Figure FDA0002582712800000036
表示源节点i与其邻居节点j之间的链路在第k个连通时间段传输的业务片段量，
Figure FDA0002582712800000037
和
Figure FDA0002582712800000038
分别表示链路lij在第k个连通时间段的传输开始和结束时刻，m表示传输业务在链路lij上的最后一个时间段。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(3)中更新源节点s的所有邻居节点的父节点和业务完全到达时刻，是将所有邻居节点的父节点更新为源节点s，将业务完全到达时刻更新为第一跳的传输结束时刻
Figure FDA0002582712800000039
与链路lij的传播时延τij之和
Figure FDA00025827128000000310
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