CN112020117B - 低轨卫星通信网络中基于传输速度与节点容量的路由选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低轨卫星通信网络中基于传输速度与节点容量的路由选择方法，包括以下步骤：1)计算本地卫星节点与相邻四个卫星节点之间的距离；2)计算卫星节点i向其相邻卫星节点j发送数据的时延Delay_ij；3)将从MAC层获取到的队列长度C_i除以最大节点容量C_imax所得结果作为容量矩阵中的C[i][j]元素；4)获取数据包的目的地址和数据包的截止时延t_set，并计算截止速度S_set；5)备选下一跳路由选择；6)选择一跳备选节点；7)在步骤5)得到的备选下一跳路由选择及步骤6)得到的一跳备选节点的基础上选择出两跳备选节点；8)选择转发度量因子u_k最大的卫星节点作为最终的路由选择。该方法能够有效降低系统平均端到端的时延，减轻节点负担，提升数据传送的效率。

Description

低轨卫星通信网络中基于传输速度与节点容量的路由选择 方法

技术领域

本发明属于低轨卫星通信网络中的网络技术领域，涉及一种低轨卫星通信网络中基于传输速度与节点容量的路由选择方法。

背景技术

卫星通信网络中提高数据包发送的成功率是一个热点问题。虽然在无线传感器网络中这类研究很多，但与无线网络具有一定的广播特性不同，卫星通信网络路由协议主要利用卫星网络拓扑的规律性和卫星节点间自组网的特性，不足以监听邻居节点的状态，无法像无线通信网络一样及时寻找备选路径并进行网络阻塞的控制，因此卫星通信网络阻塞问题还需要更加深入的研究。

关于低轨卫星通信网络路由中网络阻塞问题，通常通过进行丢包处理以缓解网络阻塞的压力。但这种方法牺牲了数据包传包机会以换取负载的平衡。还有一种方法可以以交通灯来表示节点数据包存储情况来指示发包方向的路由选择。交通灯路由算法减少了数据包的丢弃率并缓解了网络阻塞。每个卫星都可以在邻居卫星节点当中选择合适的路径进行传输，并且在该算法中提供两个路径选择。首先考虑主路径的拥塞情况，如果主路径为红色，就转化为次路径。如果次路径也为红色，则将数据包排队到公共队列中，等待主路径和辅路径两条路径变为黄色或绿色。但由于缺乏对全局的考虑，该方法容易陷入局部最优方案甚至形成回路。进而可以将传播时延和排队时延作为网络阻塞的转发代价因子来避免网络阻塞的严重情况。但这种方法虽然考虑到数据包转发时延，但依然无法较为准确地估计数据包是否可以准时到达目的地从而导致不必要的丢包。

为了在成功发送数据包的前提下改善低轨卫星通信网络阻塞问题并减轻节点负担，需要设计出一种方法，能够有效的降低系统平均端到端时延，减轻节点负担，提升数据传送的效率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种低轨卫星通信网络中基于传输速度与节点容量的路由选择方法，该方法能够有效降低系统平均端到端的时延，减轻节点负担，提升数据传送的效率。

为达到上述目的，本发明所述的低轨卫星通信网络中基于传输速度与节点容量的路由选择方法，所述低轨卫星通信网络包含N个轨道，每个轨道包括间距相等的M颗卫星，卫星的地理位置为[lon_S,lat_S]，lon_S,lat_S分别代表卫星S的经度及纬度，卫星逻辑节点的位置固定不变并且与最近的卫星关联，卫星逻辑节点的位置为<p,s>，其中，p＝0,...,N-1代表卫星S的轨道号，s＝0,...,M-1代表卫星S的轨道内虚拟节点号，包括以下步骤：

1)计算本地卫星节点与相邻四个卫星节点之间的距离，并将计算结果作为距离矩阵中的D[i][j]元素，其中，i和j分别表示本地卫星节点和相邻卫星节点在虚拟节点模型下的节点地址；

2)计算卫星节点i向其相邻卫星节点j发送数据的时延Delay_ij，Delay_ij由MAC层的缓存时延Delay_MAC及传输延迟Delay_Tx组成，其中，MAC层的缓存时延Delay_MAC需要向卫星节点的MAC层获取当前卫星节点中队列长度C_i；

3)假设卫星节点相对于每个相邻卫星节点都具有单独的存储区和发射机，将从MAC层获取到的队列长度C_i除以最大节点容量C_imax所得结果作为容量矩阵中的C[i][j]元素，其中，i和j分别代表本地卫星节点和邻居卫星节点在虚拟节点模型下的节点地址；

4)获取数据包的目的地址和数据包的截止时延t_set，并计算截止速度S_set；

5)根据本卫星节点的地址和目的卫星节点的地址计算在星座中的轨道号和轨道内虚拟节点号，然后对比本卫星节点与目的卫星节点的轨道号和轨道内虚拟节点号，当目的卫星节点和本卫星节点的轨道号相同时，将同轨道号并接近目的卫星节点的卫星作为下一跳路由选择；当目的卫星节点和本卫星节点轨道内虚拟节点号相同时，则将具有相同轨道内虚拟节点号并接近目的卫星节点的相邻轨道卫星作为下一跳路由选择，当目的卫星节点与本卫星节点的轨道号和轨道内虚拟节点号均不相同时，则将接近目的卫星节点的两个相邻卫星节点作为备选下一跳路由选择；

6)将步骤1)计算所得的距离矩阵、步骤2)计算得到的卫星节点i向其邻居卫星节点j发送数据的时延Delay_ij以及步骤3)得到的容量矩阵加载到路由表中，并发送给路由层，同时计算卫星节点i与邻居卫星节点j之间的传输速度S_ij，然后将符合S_ij≥S_set的卫星节点作为一跳备选节点；

7)在步骤5)得到的备选下一跳路由选择及步骤6)得到的一跳备选节点的基础上选择出两跳备选节点；

8)计算各两跳备选节点的转发度量因子u_k，选择转发度量因子u_k最大的卫星节点作为最终的路由选择，完成低轨卫星通信网络中基于传输速度与节点容量的路由选择。

步骤1)中，再计算卫星节点i和相邻卫星节点j之间的距离D[i][j]时，当同轨道号的上下邻居卫星链路长度L_v不变，则同轨道号的上下邻居卫星链路长度L_v为：

其中，R为地球半径与卫星高度之和，M为低轨卫星星座的轨道数；

同轨道内虚拟节点的左右相邻轨道卫星链路长度L_h随卫星运动变化，则同轨道内虚拟节点的左右相邻轨道卫星链路长度L_h为：

L_h＝α×cos(lat) (2)

其中，

R为地球半径与卫星高度之和，N为低轨卫星星座在轨道中的卫星数目，lat为卫星节点的纬度。

步骤2)中，MAC层的缓存延迟Delay_MAC和传输延迟Delay_Tx的表达式分别为：

其中，pksize为数据包的大小，datarate为发射机的传输速率，C_i为卫星节点i缓存区队列长度。

步骤4)中的截止速度S_set为：

其中，D(S,D)为源节点S和目标节点D之间的距离，t_set为数据包要求的截止传输时长。

步骤6)中卫星节点i与邻居节点j之间的传输速度S_ij为：

Delay_ij＝Delay_ijTx+Delay_ijMac (7)

其中，Delay_ij为从卫星节点i向其邻居节点j发送数据包所花费的时间。

步骤7)中，卫星节点i到一跳备选卫星节点j再到两跳备选节点k的转发速度S_i(j，,k)为：

步骤8)中，卫星节点i到两跳备选节点k的转发度量因子u_k为：

u＝α·S_i(j,k)+(1-α)(C_i/C_imax+C_j/C_jmax) (9)

其中，C_i为节点i缓冲区剩余容量，C_imax为节点i缓冲区总容量，C_j为节点j缓冲区剩余容量，C_jmax为节点缓冲区总容量，α为路由速度的权重指数，α的设置与截止时延有关，α越大，则代表截止时延越小。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的低轨卫星通信网络中基于传输速度与节点容量的路由选择方法在具体操作时，建立数据包是否成功发送的判据，在数据包路由算法的方向增强阶段引入转发度量因子。具体的，对于极轨道卫星通信系统而言，在使用数据报路由算法作为路由算法时，经过方向选择阶段后，将会选择出相对于目的卫星节点前进方向的备选节点，然后在方向增强阶段时，不再采用最短路径原则来选择下一跳，而是通过调用提前计算好的节点间距离和节点间传输数据所需的时延估计值来计算传输速率，并与数据包要求的截止速度进行比较，以选择备用卫星节点，最后将符合条件的备选节点进行转发度量因子的比较，选择转发度量因子最大的备选卫星节点作为下一跳，其中，转发度量因子同时考虑了数据包传输速度和卫星节点存储容量，并根据数据包要求的截止时延来确定权重因子的大小，截止时延小的传输速度权重大，在考虑两跳备选节点时，首先会在一跳备选节点的基础上，再次进行方向选择来选择向着目的节点前进的两跳备选节点。同样的，两跳备选节点需要计算转发度量因子并比较其大小来确定下一跳进行通信，本发明通过两跳备选方案比较基于数据包传输速度和节点容量结合的转发度量因子大小决定下一跳来提高路由选择的有效性，提高系统的能效，避免无谓的能量浪费，同时降低系统的开销，进而极大的提高低轨卫星通信网络的系统性能，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明中卫星轨道号和轨道内虚拟编号的示意图；

图2为本发明中一跳备选节点和两跳备选节点的示意图；

图3为本发明中平均端到端随时间变化的仿真图；

图4为本发明中数据包到达成功率随时间变化的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1及图2，本发明所述的低轨卫星通信网络中基于传输速度与节点容量的路由选择方法，所述低轨卫星通信网络包含N个轨道，每个轨道包括间距相等的M颗卫星，卫星的地理位置为[lon_S,lat_S]，lon_S,lat_S分别代表卫星S的经度及纬度，卫星逻辑节点的位置固定不变并且与最近的卫星关联，卫星逻辑节点的位置为<p,s>，其中，p＝0,...,N-1代表卫星S的轨道号，s＝0,...,M-1代表卫星S的轨道内虚拟节点号，其特征在于，包括以下步骤：

1)计算本地卫星节点与相邻四个卫星节点之间的距离，并将计算结果作为距离矩阵中的D[i][j]元素，其中，i和j分别表示本地卫星节点和相邻卫星节点在虚拟节点模型下的节点地址；

步骤1)中，再计算卫星节点i和相邻卫星节点j之间的距离D[i][j]时，当同轨道号的上下邻居卫星链路长度L_v不变，则同轨道号的上下邻居卫星链路长度L_v为：

其中，R为地球半径与卫星高度之和，M为低轨卫星星座的轨道数；

同轨道内虚拟节点的左右相邻轨道卫星链路长度L_h随卫星运动变化，则同轨道内虚拟节点的左右相邻轨道卫星链路长度L_h为：

L_h＝α×cos(lat) (2)

其中，

R为地球半径与卫星高度之和，N为低轨卫星星座在轨道中的卫星数目，lat为卫星节点的纬度。

2)计算卫星节点i向其相邻卫星节点j发送数据的时延Delay_ij，Delay_ij由MAC层的缓存时延Delay_MAC及传输延迟Delay_Tx组成，其中，MAC层的缓存时延Delay_MAC需要向卫星节点的MAC层获取当前卫星节点中队列长度C_i；

步骤2)中，MAC层的缓存延迟Delay_MAC和传输延迟Delay_Tx的表达式分别为：

其中，pksize为数据包的大小，datarate为发射机的传输速率，C_i为卫星节点i缓存区队列长度。

3)假设卫星节点相对于每个相邻卫星节点都具有单独的存储区和发射机，将从MAC层获取到的队列长度C_i除以最大节点容量C_imax所得结果作为容量矩阵中的C[i][j]元素，其中，i和j分别代表本地卫星节点和邻居卫星节点在虚拟节点模型下的节点地址；

4)获取数据包的目的地址和数据包的截止时延t_set，并计算截止速度S_set；

步骤4)中的截止速度S_set为：

其中，D(S,D)为源节点S和目标节点D之间的距离，t_set为数据包要求的截止传输时长。

5)根据本卫星节点的地址和目的卫星节点的地址计算在星座中的轨道号和轨道内虚拟节点号，然后对比本卫星节点与目的卫星节点的轨道号和轨道内虚拟节点号，当目的卫星节点和本卫星节点的轨道号相同时，将同轨道号并接近目的卫星节点的卫星作为下一跳路由选择；当目的卫星节点和本卫星节点轨道内虚拟节点号相同时，则将具有相同轨道内虚拟节点号并接近目的卫星节点的相邻轨道卫星作为下一跳路由选择，当目的卫星节点与本卫星节点的轨道号和轨道内虚拟节点号均不相同时，则将接近目的卫星节点的两个相邻卫星节点作为备选下一跳路由选择；

6)将步骤1)计算所得的距离矩阵、步骤2)计算得到的卫星节点i向其邻居卫星节点j发送数据的时延Delay_ij以及步骤3)得到的容量矩阵加载到路由表中，并发送给路由层，同时计算卫星节点i与邻居卫星节点j之间的传输速度S_ij，然后将符合S_ij≥S_set的卫星节点作为一跳备选节点；

步骤6)中卫星节点i与邻居节点j之间的传输速度S_ij为：

Delay_ij＝Delay_ijTx+Delay_ijMac (7)

其中，Delay_ij为从卫星节点i向其邻居节点j发送数据包所花费的时间。

7)在步骤5)得到的备选下一跳路由选择及步骤6)得到的一跳备选节点的基础上选择出两跳备选节点；

步骤7)中，卫星节点i到一跳备选卫星节点j再到两跳备选节点k的转发速度S_i(j，,k)为：

8)计算各两跳备选节点的转发度量因子u_k，选择转发度量因子u_k最大的卫星节点作为最终的路由选择，完成低轨卫星通信网络中基于传输速度与节点容量的路由选择。

步骤8)中，卫星节点i到两跳备选节点k的转发度量因子u_k为：

u＝α·S_i(j,k)+(1-α)(C_i/C_imax+C_j/C_jmax) (9)

其中，C_i为节点i缓冲区剩余容量，C_imax为节点i缓冲区总容量，C_j为节点j缓冲区剩余容量，C_jmax为节点缓冲区总容量，α为路由速度的权重指数，α的设置与截止时延有关，α越大，则代表截止时延越小。

仿真实验

在铱星系统中，将每颗卫星设置为以时间间隔均值为0.5的速率，按指数分布的概率来随机发送数据包给随机设置的地址，其中，收发信机的传输速率为200000bps；A,B两组数据包的截止时间分别为100s和120s；仿真时间设置为60min。

图3和图4分别为系统平均端到端时延随时间变化对比图以及数据包发送成功率随时间变化的对比图，由图3及图4可知，本发明使低轨卫星通信系统平均端到端时延降低，并提升了数据包传输成功率。

Claims (7)

1.一种低轨卫星通信网络中基于传输速度与节点容量的路由选择方法，所述低轨卫星通信网络包含N个轨道，每个轨道包括间距相等的M颗卫星，卫星的地理位置为[lon_S,lat_S]，lon_S,lat_S分别代表卫星S的经度及纬度，卫星逻辑节点的位置固定不变并且与最近的卫星关联，卫星逻辑节点的位置为<p,s>，其中，p＝0,...,N-1代表卫星S的轨道号，s＝0,...,M-1代表卫星S的轨道内虚拟节点号，其特征在于，包括以下步骤：

1)计算本地卫星节点与相邻四个卫星节点之间的距离，并将计算结果作为距离矩阵中的D[i][j]元素，其中，i和j分别表示本地卫星节点和相邻卫星节点在虚拟节点模型下的节点地址；

2)计算卫星节点i向其相邻卫星节点j发送数据的时延Delay_ij，Delay_ij由MAC层的缓存时延Delay_MAC及传输延迟Delay_Tx组成，其中，MAC层的缓存时延Delay_MAC需要向卫星节点的MAC层获取当前卫星节点中队列长度C_i；

3)假设卫星节点相对于每个相邻卫星节点都具有单独的存储区和发射机，将从MAC层获取到的队列长度C_i除以最大节点容量C_imax所得结果作为容量矩阵中的C[i][j]元素，其中，i和j分别代表本地卫星节点和邻居卫星节点在虚拟节点模型下的节点地址；

4)获取数据包的目的地址和数据包的截止时延t_set，并计算截止速度S_set；

5)根据本卫星节点的地址和目的卫星节点的地址计算在星座中的轨道号和轨道内虚拟节点号，然后对比本卫星节点与目的卫星节点的轨道号和轨道内虚拟节点号，当目的卫星节点和本卫星节点的轨道号相同时，将同轨道号并接近目的卫星节点的卫星作为下一跳路由选择；当目的卫星节点和本卫星节点轨道内虚拟节点号相同时，则将具有相同轨道内虚拟节点号并接近目的卫星节点的相邻轨道卫星作为下一跳路由选择，当目的卫星节点与本卫星节点的轨道号和轨道内虚拟节点号均不相同时，则将接近目的卫星节点的两个相邻卫星节点作为备选下一跳路由选择；

6)将步骤1)计算所得的距离矩阵、步骤2)计算得到的卫星节点i向其邻居卫星节点j发送数据的时延Delay_ij以及步骤3)得到的容量矩阵加载到路由表中，并发送给路由层，同时计算卫星节点i与邻居卫星节点j之间的传输速度S_ij，然后将符合S_ij≥S_set的卫星节点作为一跳备选节点；

7)在步骤5)得到的备选下一跳路由选择及步骤6)得到的一跳备选节点的基础上选择出两跳备选节点；

8)计算各两跳备选节点的转发度量因子u_k，选择转发度量因子u_k最大的卫星节点作为最终的路由选择，完成低轨卫星通信网络中基于传输速度与节点容量的路由选择。

2.根据权利要求1所述的低轨卫星通信网络中基于传输速度与节点容量的路由选择方法，其特征在于，步骤1)中，在计算卫星节点i和相邻卫星节点j之间的距离D[i][j]时，当同轨道号的上下邻居卫星链路长度L_v不变，则同轨道号的上下邻居卫星链路长度L_v为：

其中，R为地球半径与卫星高度之和，M为低轨卫星星座的轨道数；

同轨道内虚拟节点的左右相邻轨道卫星链路长度L_h随卫星运动变化，则同轨道内虚拟节点的左右相邻轨道卫星链路长度L_h为：

L_h＝α×cos(lat) (2)

其中，

R为地球半径与卫星高度之和，N为低轨卫星星座在轨道中的卫星数目，lat为卫星节点的纬度。

3.根据权利要求1所述的低轨卫星通信网络中基于传输速度与节点容量的路由选择方法，其特征在于，步骤2)中，MAC层的缓存延迟Delay_MAC和传输延迟Delay_Tx的表达式分别为：

其中，pksize为数据包的大小，datarate为发射机的传输速率，C_i为卫星节点i缓存区队列长度。

4.根据权利要求1所述的低轨卫星通信网络中基于传输速度与节点容量的路由选择方法，其特征在于，步骤4)中的截止速度S_set为：

其中，D(S,D)为源节点S和目标节点D之间的距离，t_set为数据包要求的截止传输时长。

5.根据权利要求1所述的低轨卫星通信网络中基于传输速度与节点容量的路由选择方法，其特征在于，步骤6)中卫星节点i与邻居节点j之间的传输速度S_ij为：

Delay_ij＝Delay_ijTx+Delay_ijMac (7)

其中，Delay_ij为从卫星节点i向其邻居节点j发送数据包所花费的时间。

6.根据权利要求1所述的低轨卫星通信网络中基于传输速度与节点容量的路由选择方法，其特征在于，步骤7)中，卫星节点i到一跳备选卫星节点j再到两跳备选节点k的转发速度S_i(j，,k)为：

7.根据权利要求1所述的低轨卫星通信网络中基于传输速度与节点容量的路由选择方法，其特征在于，步骤8)中，卫星节点i到两跳备选节点k的转发度量因子u_k为：

u＝α·S_i(j,k)+(1-α)(C_i/C_imax+C_j/C_jmax) (9)

其中，C_i为节点i缓冲区剩余容量，C_imax为节点i缓冲区总容量，C_j为节点j缓冲区剩余容量，C_jmax为节点缓冲区总容量，α为路由速度的权重指数，α的设置与截止时延有关，α越大，则代表截止时延越小。

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