CN113067627A - 一种基于虚拟节点的自适应抗毁卫星路由方法 - Google Patents

一种基于虚拟节点的自适应抗毁卫星路由方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟节点的自适应抗毁卫星路由方法，其具体实现步骤是：在卫星为接收到的数据包路由时，首先感知卫星对应虚拟节点的变化以及卫星预先保存的全网星间链路通断状态的变化，触发路由表更新，生成具有最短和次短路径的路由表；然后通过主备切换策略为数据包从主选和备选下一跳中确定下一跳，在主选和备选下一跳因重载均不可用的情况下，选择链路占用率较小的作为下一跳；本发明当卫星对应的虚拟节点切换时或星间链路状态变化时，触发路由更新，使路由具有抗毁能力，同时采用主备切换策略为接收到的数据包确定下一跳，使路由更有效的处理网络拥塞。

Description

一种基于虚拟节点的自适应抗毁卫星路由方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于虚拟节点的自适应抗毁卫星路由方法。
背景技术
LEO卫星网络中的骨干节点均是低轨高速运动卫星，网络拓扑处于持续高速变化的状态，另一方面，由于全球区域用户分布不均匀，赤道和低纬度区域附近人口密集带来的流量需求较大，而极地区域与海洋区域对流量的需求较少，导致在流量需求较大区域出现网络拥塞，因此，现有的地面路由方法无法直接应用于卫星网络中，需要针对卫星网络的特征和拥塞问题，设计一种适用于LEO卫星网络的特定路由算法。
Ekici E,Akyildiz I F,M.D.Bender，在其发表的论文“A distributed routingalgorithm for datagram traffic in LEO satellite networks[J].IEEE/ACMTransactions on Networking,2002,9(2):137-147.”中提出一种基于虚拟节点的分布式路由方法，将动态的卫星网络转化为由一系列虚拟节点组成的静态网络，基于虚拟节点的逻辑地址进行路由，该方案将路由分为方向估计、方向修正以及拥塞处理三个阶段，方向估计阶段依据当前卫星的逻辑地址和目的卫星的逻辑地址，以路径跳数为代价度量获取下一跳转发方向，方向修正阶段依据路径长度对第一阶段的计算结果排序，得到最优和次优下一跳转发方向，拥塞避免阶段依据链路拥塞程度选择合适的下一跳转发方向。
该方案存在的不足之处是，当网络多个节点或多条星间链路出现故障，路由性能急剧下降，缺乏自适应抗毁能力，除此之外，该方案仅依据当前节点的链路拥塞情况而没有考虑下一跳节点的拥塞情况做拥塞避免，无法很好的处理网络拥塞。
发明内容
为解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供了一种基于虚拟节点的自适应抗毁卫星路由方法，具有在卫星为接收到的数据包路由时，能够及时感知链路状态的变化，作出路由调整，并且能够有效处理网络拥塞的特点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于虚拟节点的自适应抗毁卫星路由方法，包括以下步骤：
(1)更新事件触发路由表更新：
(1a)在卫星网络中选取一个未被选择过的卫星；
(1b)所选卫星从其预先保存的全网星间链路通断状态中，统计卫星网络中任意一个卫星与其它每个卫星的星间链路通断状态，将所有通状态对应1，断状态对应0的星间链路状态组成连接矩阵；
(1c)所选卫星判断对应的虚拟节点是否发生变化，或所选卫星判断卫星网络中任意一个卫星与其它每个卫星的当前星间链路通断状态是否发生变化，若是，则执行步骤(1e)，否则，执行步骤(1d)；
(1d)所选卫星根据实际场景所设定的探测链路状态的时间间隔，以及卫星节点对应虚拟节点发生变化的时间间隔，发送路由控制报文HELLO探测链路状态变化，执行步骤(1c)；
(1e)所选卫星用变化的星间链路通断状态更新连接矩阵中对应元素的链路状态；
(1f)所选卫星从其预先保存的全网卫星运动轨迹中，实时获取卫星网络中每个卫星当前所处的经纬度，以地心为空间直角坐标系的原点，获得每个卫星所处经纬度在空间直角坐标系中对应的位置坐标；
(1g)所选卫星计算卫星网络中每个卫星与其星间链路状态为通的邻居卫星之间的当前星间链路距离，将所有星间链路距离组成距离矩阵；
(1h)结合星间链路距离组成的距离矩阵和星间链路状态组成的连接矩阵，生成虚拟节点拓扑矩阵；
(1i)所选卫星获取当前所处逻辑区域的虚拟节点的逻辑地址作为自身的逻辑地址；
(1j)所选卫星利用迪杰斯特拉Dijkstra算法，从更新后的虚拟节点拓扑矩阵中，选出当前虚拟节点与其他虚拟节点的最短路径和次短路径，将最短路径和次短路径存入路由表中，执行步骤(2)；
(2)接收数据包：
当卫星网络中任意一个卫星接收到其它卫星发来的数据包时，该接收卫星从接收到的数据包包头中解析其目的虚拟节点的逻辑地址；
(3)判断接收虚拟节点逻辑地址和目的虚拟节点逻辑地址是否相同，若是，则执行步骤(11)；
(4)确定主选下一跳和备选下一跳：
从路由表中，提取接收虚拟节点逻辑地址到目的虚拟节点逻辑地址的最短路径，将该最短路径的下一跳作为主选下一跳，提取接收虚拟节点逻辑地址到目的虚拟节点逻辑地址的次短路径，将该最短路径的下一跳作为备选下一跳；
(5)判断接收虚拟节点虚拟地址到目的虚拟节点虚拟地址是否同时存在主选下一跳和备选下一跳，若是，则执行步骤(6)，否则，执行步骤(11)；
(6)确定链路状态：
(6a)利用链路占用率公式，分别计算当前接收虚拟节点到主选下一跳和备选下一跳的链路占用率；
(6b)利用链路占用率阈值公式计算链路占用率阈值α；
(6c)将链路占用率小于α的链路状态确定为轻载状态，将链路占用率大于α的链路状态确定为拥塞状态；
(7)判断当前接收虚拟节点到目的虚拟节点的主选下一跳和备选下一跳的链路状态是否都为拥塞状态，若是，则执行步骤(8)，否则，执行步骤(9)；
(8)确定当前接收虚拟节点到目的虚拟节点的下一跳：
从主选下一跳和备选下一跳选择链路占用率最小的作为下一跳；
(9)判断当前接收虚拟节点到目的虚拟节点是否存在下一跳，若是，则执行步骤(11)，否则，执行步骤(10)；
(10)利用主备切换策略，确定当前接收卫星到虚拟节点卫星的下一跳，将数据包转发到下一跳；
(11)卫星路由拥塞避免结束。
本发明中进一步的，所述步骤(1c)中卫星对应虚拟节点发生变化是指：卫星从一个逻辑区域切换到另外一个逻辑区域。
本发明中进一步的，所述步骤(1c)中星间链路通断状态发生变化是指，满足以下条件的任意一种情形：
条件1：有任意卫星运动到地球的极地区域时，该卫星与相邻卫星节点之间的链路断开连接；
条件2：有任意卫星离开地球的极地区域时，该卫星与相邻卫星之间的链路重新建立连接；
条件3：所选卫星接收到路由控制报文UPDATE。
本发明中进一步的，所述步骤(6a)中链路占用率公式如下：
Figure BDA0002982154020000031
其中，ρ表示链路占用率，Q1(t)是t时刻l方向链路缓存队列大小，Ql表示l方向链路缓存队列容量。
本发明中进一步的，所述步骤(6b)中链路占用率阈值α公式如下：
Figure BDA0002982154020000032
其中，δ为检测链路利用率的时间间隔，d为星间链路最大时延，Il表示卫星节点在δ的时间间隔内发往l方向链路缓存队列的数据速率，C表示l方向链路的数据速率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用更新事件触发路由表的方法，卫星只需保存全网星间链路通断状态，无需交换链路状态信息，克服了现有技术中卫星需要存储所有时间片的路由表，增加卫星存储压力的问题，具有节省存储空间的优点。
2、本发明采用更新事件触发路由表的方法，当链路状态改变时触发路由表更新，克服了现有技术抗毁性不足的问题，具有感知链路状态变化及时调整路由的能力。
3、本发明采用主备切换策略确定下一跳的方法，克服了现有技术中卫星仅能避免当前节点拥塞而无法避免下一跳节点拥塞的问题，具有更全面的拥塞避免能力。
附图说明
图1为本发明卫星轨间连接的关系图；
图2为本发明虚拟节点拓扑图；
图3本发明基于虚拟节点的自适应抗毁卫星路由方法的流程图；
图4本发明主备切换策略的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本实施例中使用的LEO卫星网络采用近极轨星座为场景。其反向缝两侧的卫星不建立连接，轨道1和轨道2的卫星之间不建立轨间连接。当轨间相邻的两颗卫星均运动到纬度大于75°的极圈内时，轨间相邻的两颗卫星断开轨间连接，如卫星A和卫星B星均在极圈内时，轨间链路断开。每个卫星最多包含4条星间链路，即轨内两条和轨间两条，最少包含2条星间链路，即轨内两条。本实例选取星座构型为6个轨道，每个轨道12颗卫星的极轨卫星星座。
请参照图2，根据虚拟节点策略，将地面区域划分为不同的72个地面覆盖区域，每个区域经度跨度为30°，纬度跨度为30°，为每个区域赋予逻辑地址，规则为v<p,s>，p代表逻辑轨道编号，s代表逻辑轨内卫星编号。每个区域设置一个虚拟节点，代表进入此区域的卫星。
请参阅图3，本发明提供以下技术方案：一种基于虚拟节点的自适应抗毁卫星路由方法，包括以下步骤：
(1)更新事件触发路由表更新：
(1a)在卫星网络中选取一个未被选择过的卫星；
(1b)所选卫星从其预先保存的全网星间链路通断状态中，统计卫星网络中任意一个卫星与其它每个卫星的星间链路通断状态，将所有通状态对应1，断状态对应0的星间链路状态组成连接矩阵；
(1c)所选卫星判断对应的虚拟节点是否发生变化，或所选卫星判断卫星网络中任意一个卫星与其它每个卫星的当前星间链路通断状态是否发生变化，若是，则执行步骤(1e)，否则，执行步骤(1d)；
(1d)所选卫星根据实际场景所设定的探测链路状态的时间间隔，以及卫星节点对应虚拟节点发生变化的时间间隔，发送路由控制报文HELLO探测链路状态变化，执行步骤(1c)；
(1e)所选卫星用变化的星间链路通断状态更新连接矩阵中对应元素的链路状态；
(1f)所选卫星从其预先保存的全网卫星运动轨迹中，实时获取卫星网络中每个卫星当前所处的经纬度，以地心为空间直角坐标系的原点，获得每个卫星所处经纬度在空间直角坐标系中对应的位置坐标；
(1g)所选卫星计算卫星网络中每个卫星与其星间链路状态为通的邻居卫星之间的当前星间链路距离，将所有星间链路距离组成距离矩阵；
(1h)结合星间链路距离组成的距离矩阵和星间链路状态组成的连接矩阵，生成虚拟节点拓扑矩阵；
(1i)所选卫星获取当前所处逻辑区域的虚拟节点的逻辑地址作为自身的逻辑地址；
(1j)所选卫星利用迪杰斯特拉Dijkstra算法，从更新后的虚拟节点拓扑矩阵中，选出当前虚拟节点与其他虚拟节点的最短路径和次短路径，将最短路径和次短路径存入路由表中，执行步骤(2)；
(2)接收数据包：
当卫星网络中任意一个卫星接收到其它卫星发来的数据包时，该接收卫星从接收到的数据包包头中解析其目的虚拟节点的逻辑地址：
本实施例中，虚拟节点v<2，3>接收到由虚拟节点v<2，2>发往虚拟节点v<3，5>的数据包，从接收数据包中解析其目的虚拟节点的逻辑地址为v<3，5>；
(3)判断接收虚拟节点逻辑地址和目的虚拟节点逻辑地址是否相同，若是，则执行步骤(11)；
本实施例中，接收虚拟节点逻辑地址v<2，3>和目的虚节点逻辑地址为v<3，5>不同，执行步骤(4)；
(4)确定主选下一跳和备选下一跳：
从路由表中，提取接收虚拟节点逻辑地址到目的虚拟节点逻辑地址的最短路径，将该最短路径的下一跳作为主选下一跳，提取接收虚拟节点逻辑地址到目的虚拟节点逻辑地址的次短路径，将该最短路径的下一跳作为备选下一跳；
本实施例中，主选下一跳为v<2，4>，备选下一跳为<3，3>；
(5)判断接收虚拟节点虚拟地址到目的虚拟节点虚拟地址是否同时存在主选下一跳和备选下一跳，若是，则执行步骤(6)，否则，执行步骤(11)；
本实施例中，虚拟节点v<2，3>到目的虚拟节点v<3，5>同时存在主选下一跳和备选下一跳，执行步骤(6)；
(6)确定链路状态：
(6a)利用链路占用率公式，分别计算当前接收虚拟节点到主选下一跳和备选下一跳的链路占用率；
(6b)利用链路占用率阈值公式计算链路占用率阈值α；
(6c)将链路占用率小于α的链路状态确定为轻载状态，将链路占用率大于α的链路状态确定为拥塞状态；
本实施例中，计算到主选下一跳v<2，4>的链路占用率为ρ1，计算到备选下一跳v<3，3>链路占用率为ρ2，利用链路占用率阈值公式计算链路占用率阈值α，ρ1＞α，主选下一跳v<2，4>的链路为拥塞状态，ρ2＞α，备选下一跳v<3，3>为拥塞状态；
(7)判断当前接收虚拟节点到目的虚拟节点的主选下一跳和备选下一跳的链路状态是否都为拥塞状态，若是，则执行步骤(8)，否则，执行步骤(9)；
本实施例中，主选下一跳和备选下一跳链路状态都为拥塞状态，执行步骤(8)：
(8)确定当前接收虚拟节点到目的虚拟节点的下一跳：
从主选下一跳和备选下一跳选择链路占用率最小的作为下一跳；
本实施例中，主选下一跳v<2，4>的链路占用率为ρ1，备选下一跳v<3，3>链路占用率为ρ2，ρ1＞ρ2，选择备选下一跳v<3，3>作为下一跳；
(9)判断当前接收虚拟节点到目的虚拟节点是否存在下一跳，若是，则执行步骤(11)，否则，执行步骤(10)；
本实施例中，作为下一跳为v<3，3>，执行步骤(11)；
(10)利用主备切换策略，参阅图4，确定当前接收卫星到虚拟节点卫星的下一跳，将数据包转发到下一跳；
(11)卫星路由拥塞避免结束。
具体的，步骤(1c)中卫星对应虚拟节点发生变化是指：卫星从一个逻辑区域切换到另外一个逻辑区域。
具体的，步骤(1c)中星间链路通断状态发生变化是指，满足以下条件的任意一种情形：
条件1：有任意卫星运动到地球的极地区域时，该卫星与相邻卫星节点之间的链路断开连接；
条件2：有任意卫星离开地球的极地区域时，该卫星与相邻卫星之间的链路重新建立连接；
条件3：所选卫星接收到路由控制报文UPDATE。
具体的，步骤(6a)中链路占用率公式如下：
Figure BDA0002982154020000061
其中，ρ表示链路占用率，Ql(t)是t时刻l方向链路缓存队列大小，Ql表示l方向链路缓存队列容量。
具体的，步骤(6b)中链路占用率阈值α公式如下：
Figure BDA0002982154020000062
其中，δ为检测链路利用率的时间间隔，d为星间链路最大时延，Il表示卫星节点在δ的时间间隔内发往l方向链路缓存队列的数据速率，C表示l方向链路的数据速率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于虚拟节点的自适应抗毁卫星路由方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)更新事件触发路由表更新：
(1a)在卫星网络中选取一个未被选择过的卫星；
(1b)所选卫星从其预先保存的全网星间链路通断状态中，统计卫星网络中任意一个卫星与其它每个卫星的星间链路通断状态，将所有通状态对应1，断状态对应0的星间链路状态组成连接矩阵；
(1c)所选卫星判断对应的虚拟节点是否发生变化，或所选卫星判断卫星网络中任意一个卫星与其它每个卫星的当前星间链路通断状态是否发生变化，若是，则执行步骤(1e)，否则，执行步骤(1d)；
(1d)所选卫星根据实际场景所设定的探测链路状态的时间间隔，以及卫星节点对应虚拟节点发生变化的时间间隔，发送路由控制报文HELLO探测链路状态变化，执行步骤(1c)；
(1e)所选卫星用变化的星间链路通断状态更新连接矩阵中对应元素的链路状态；
(1f)所选卫星从其预先保存的全网卫星运动轨迹中，实时获取卫星网络中每个卫星当前所处的经纬度，以地心为空间直角坐标系的原点，获得每个卫星所处经纬度在空间直角坐标系中对应的位置坐标；
(1g)所选卫星计算卫星网络中每个卫星与其星间链路状态为通的邻居卫星之间的当前星间链路距离，将所有星间链路距离组成距离矩阵；
(1h)结合星间链路距离组成的距离矩阵和星间链路状态组成的连接矩阵，生成虚拟节点拓扑矩阵；
(1i)所选卫星获取当前所处逻辑区域的虚拟节点的逻辑地址作为自身的逻辑地址；
(1j)所选卫星利用迪杰斯特拉Dijkstra算法，从更新后的虚拟节点拓扑矩阵中，选出当前虚拟节点与其他虚拟节点的最短路径和次短路径，将最短路径和次短路径存入路由表中，执行步骤(2)；
(2)接收数据包：
当卫星网络中任意一个卫星接收到其它卫星发来的数据包时，该接收卫星从接收到的数据包包头中解析其目的虚拟节点的逻辑地址；
(3)判断接收虚拟节点逻辑地址和目的虚拟节点逻辑地址是否相同，若是，则执行步骤(11)；
(4)确定主选下一跳和备选下一跳：
从路由表中，提取接收虚拟节点逻辑地址到目的虚拟节点逻辑地址的最短路径，将该最短路径的下一跳作为主选下一跳，提取接收虚拟节点逻辑地址到目的虚拟节点逻辑地址的次短路径，将该最短路径的下一跳作为备选下一跳；
(5)判断接收虚拟节点虚拟地址到目的虚拟节点虚拟地址是否同时存在主选下一跳和备选下一跳，若是，则执行步骤(6)，否则，执行步骤(11)；
(6)确定链路状态：
(6a)利用链路占用率公式，分别计算当前接收虚拟节点到主选下一跳和备选下一跳的链路占用率；
(6b)利用链路占用率阈值公式计算链路占用率阈值α；
(6c)将链路占用率小于α的链路状态确定为轻载状态，将链路占用率大于α的链路状态确定为拥塞状态；
(7)判断当前接收虚拟节点到目的虚拟节点的主选下一跳和备选下一跳的链路状态是否都为拥塞状态，若是，则执行步骤(8)，否则，执行步骤(9)；
(8)确定当前接收虚拟节点到目的虚拟节点的下一跳：
从主选下一跳和备选下一跳选择链路占用率最小的作为下一跳；
(9)判断当前接收虚拟节点到目的虚拟节点是否存在下一跳，若是，则执行步骤(11)，否则，执行步骤(10)；
(10)利用主备切换策略，确定当前接收卫星到虚拟节点卫星的下一跳，将数据包转发到下一跳；
(11)卫星路由拥塞避免结束。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟节点的自适应抗毁卫星路由方法，其特征在于：所述步骤(1c)中卫星对应虚拟节点发生变化是指：卫星从一个逻辑区域切换到另外一个逻辑区域。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟节点的自适应抗毁卫星路由方法，其特征在于：所述步骤(1c)中星间链路通断状态发生变化是指，满足以下条件的任意一种情形：
条件1：有任意卫星运动到地球的极地区域时，该卫星与相邻卫星节点之间的链路断开连接；
条件2：有任意卫星离开地球的极地区域时，该卫星与相邻卫星之间的链路重新建立连接；
条件3：所选卫星接收到路由控制报文UPDATE。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟节点的自适应抗毁卫星路由方法，其特征在于：所述步骤(6a)中链路占用率公式如下：
Figure FDA0002982154010000021
其中，ρ表示链路占用率，Ql(t)是t时刻l方向链路缓存队列大小，Q1表示l方向链路缓存队列容量。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟节点的自适应抗毁卫星路由方法，其特征在于：所述步骤(6b)中链路占用率阈值α公式如下：
Figure FDA0002982154010000022
其中，δ为检测链路利用率的时间间隔，d为星间链路最大时延，Il表示卫星节点在δ的时间间隔内发往l方向链路缓存队列的数据速率，C表示l方向链路的数据速率，Ql表示l方向链路缓存队列容量。
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