CN113922863B - 一种空间网络负载均衡拓扑路由设计方法 - Google Patents

一种空间网络负载均衡拓扑路由设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种空间网络负载均衡拓扑路由设计方法，基于全球星座组网网络中卫星与卫星、卫星与地面站之间的可见性关系的周期性可预测性，预先规划最优链路拓扑，基于改进的Dijkstra算法计算出的端到端最短路径，在建链及路由规划之初即考虑节点负载情况及业务非对称特性；综合平均端到端时延、最大端到端时延、上下行链路端到端时延和负载均方差等条件变量，利用模拟退火寻找局部最优、卫星模型丢包率数据学习、全星座流量数据学习三步迭代反馈完成条件调节因子的优化，优于单纯以平均端到端时延或以丢包率为优化目标的建链方法，能够实现业务信息在各卫星节点间高效均衡的传输。

Description

一种空间网络负载均衡拓扑路由设计方法
技术领域
本发明属于卫星网络通信技术领域，具体涉及一种空间网络负载均衡拓扑路由设计方法。
背景技术
全球卫星星座组网具备利用境内地面站完成全球卫星管理的能力，利用星间链路通过境内的卫星快速完成境外卫星的测控管理及业务信息传输。基于相控阵天线周期轮询构建星间链路具有短响应时间、高建链精度、长链路寿命、建链灵活的特点，形成了卫星连接拓扑随时间变化的延迟容忍网络。
由于卫星网络的可见性变化导致的时分建链特性，导致在卫星网络路由规划策略有别于地面网络，需要考虑星间拓扑随时间的演化，在路径权值计算时增加建链时间因素。针对延迟容忍网络(Delay Tolerant Network，DTN)网络的路由问题，赵岳基于轮询建链模式构建星间链路分配方案，提出星座内信息传输路径选择方法，Fraire等将接触计划建模为公平系数和平均时延的多目标优化问题，提出利用模拟退火算法求解建链规划，均未考虑网络流量的负载均衡。
全球卫星网络中承载着遥测业务、遥控业务、状态交互业务，其中遥测业务从非接入卫星通过网络转发至接入卫星下行至地面站，而遥控业务通过地面站上传至接入卫星并转发至非接入卫星，使全球卫星网络呈现流量长期非对称的特点。接入卫星在导航卫星网络中作为星地的连接枢纽负载压力更大。
针对负载均衡，Jain等提出了基于本地队列的最早投递和基于全网队列的最早投递路由算法，燕洪成提出一种基于局部队列的的最早投递路由算法，但网络节点间进行队列信息的交互对于延迟容忍网络而言时延较大，队列信息容易过时。而且基于队列状态的负载均衡需要在固定的建链拓扑规划的基础上动态计算路由，无法保证建链计划相对于随机的路由策略的最优化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种空间网络负载均衡拓扑路由设计方法，可以在全球卫星网络的星间链路动态变化时，卫星自主形成最优的建链与路由决策，克服节点负载不均衡及空间网络中业务负载非对称的特性，形成最优的建链拓扑及路由，达到空间网络动态负载均衡的目标。
一种空间网络负载均衡拓扑路由设计方法，包括如下步骤：
步骤(1)、设置模拟退火算法的温度τ，并设初始温度为τ＝1；
步骤(2)、基于卫星之间的可见关系，随机形成初始空间网络建链规划表；
步骤(3)在确定建链规划下利用改进的Dijkstra算法计算出唯一的最短路径，基于最短路径固定卫星节点对中转信息的路由表，具体步骤如下：
1)设定V为星座网络节点集合，Q为最短路径节点集合，L为最短路径集合，Q集合中的元素为已经被纳入至最短路径集合L中的作为源节点的卫星，集合P中元素为尚未纳入至最短路径集合L的作为源节点的卫星，即P＝V-Q。其中，最短路径集合L中包括多条路径以及每条路径对应的最小代价；每条路径由源节点、中继卫星及目的节点按顺序排列表示；
2)计算k时刻集合V中任意两个卫星节点is和卫星id间的边代价其中，根据步骤(2)中建链规划表，若卫星is与卫星id在k时刻直接建链，则边代价仅包含通信带来的时间代价；若卫星is与卫星id在时间t后建立链接，则边代价包含通信时间代价和延迟时间代价Δk；若卫星is与卫星id始终不建链，则边代价为无穷大；
3)将集合V中任意一个卫星节点作为源节点is，将源节点与集合V中其它每一个卫星作为目的节点id分别构成一个路径，存储到集合L中，并将每条路径的最小代价更新为该路径对应的边代价；/>表示在k时刻卫星is与卫星id间的最小代价；此时根据集合L，更新集合P和集合Q中元素；
4)在集合P中找到从源节点is出发的最小代价最小的卫星节点，将其定义为iu，并将iu加入至集合Q，同时将其从集合P中删除；
5)、遍历路径集合L中的每条路径，将iu作为中继节点，和每条路径组成新路径，判断每条路径的最小代价与对应的新路径的最小代价，如果后者最小代价小于前者，则将新路径作为最短路径添加到集合L中，并修改该路径的最小代价；
重复步骤3)至5)，直至所有卫星节点均被纳入最短路径节点集合Q，即Q＝V；最后集合L中的最短路径即为路由；
步骤(4)、设定卫星存储量无限大且星间中转无丢帧情况，根据步骤(2)中的建链规划和步骤(3)路由表，计算平均端到端时延DAverage，最大端到端时延DMax，接入卫星上行平均端到端时延DAeverageUp，接入卫星下行平均端到端时延DAverageDown，卫星节点负载均方差EMeanSquare，其中卫星节点负载利用最优路径集合L中节点出现次数表征。
步骤(5)、定义求解最优建链规划的目标函数为f(x)＝αDAverage+βDMax+γDAeverageUp+δDAverageDown+εEMeanSquare；以α、β、γ、δ、ε为各指标的调节因子；
步骤(6)、设定地面站上行信息流量Sup，卫星产生的下行信息流量Sdown及星间交互信息流量Sinter，接入卫星数量为Ng，全星座卫星数量为Nall，令 令ε＝1，β＝α+γ+δ。
步骤(7)、计算当前评价函数值，记为；
步骤(8)、对于全球组网卫星，随机改变其中任意两个卫星之间的可见关系，则形成新的空间网络建链规划表；
步骤(9)、基于新的建链规划计算得到新的评价函数值，记为fnew(x)；
步骤(10)、计算增量Δf＝fnew(x)-fold(x)；
步骤(11)、若Δf<0则接受新的建链规划，否则以概率接受新的建链规划；
步骤(12)、连续执行步骤(8)至步骤(11)，若在连续的设定调整次数均未接受新的建链规划，则结束优化，执行步骤(13)；若在设定次数之内即接受新的建链规划，则跳转至步骤(8)；
步骤(13)、更新τ＝τ×0.5，当τ>τmin时，转至步骤(8)；当τ≤τmin时，执行步骤(14)；τmin表示设定的最小温度；
步骤(14)、将优化结果产生的建链规划和路由输入全星座卫星模型，设定地面站上行信息流量Sup，卫星产生的下行信息流量Sdown及星间交互信息流量Sinter，获得固定时间内的丢包率，若存在丢包，则更新ε＝ε×2，转至步骤(1)；若不存在丢包，则路由调整完成。
较佳的，所述步骤(2)中，利用卫星轨道根数、天线数量、天线波束角度范围、卫星高度计算全球组网卫星之间的可见关系。
较佳的，所述步骤(6)中，地面站上行信息流量为4kbps，卫星产生的下行信息流量Sdown为32kbps及星间交互信息流量Sinter为4kbps，设定接入卫星数量Ng为6，全星座卫星数量Nall为30。
较佳的，所述步骤(10)中，设定次数取10次。
进一步的，还包括步骤(15)，按照设定的周期返回步骤(1)，执行步骤(1)至(14)，完成一次优化路由操作。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种空间网络负载均衡拓扑路由设计方法，基于全球星座组网网络中卫星与卫星、卫星与地面站之间的可见性关系的周期性可预测性，预先规划最优链路拓扑，基于改进的Dijkstra算法计算出的端到端最短路径，在建链及路由规划之初即考虑节点负载情况及业务非对称特性；综合平均端到端时延、最大端到端时延、上下行链路端到端时延和负载均方差等条件变量，利用模拟退火寻找局部最优、卫星模型丢包率数据学习、全星座流量数据学习三步迭代反馈完成条件调节因子的优化，优于单纯以平均端到端时延或以丢包率为优化目标的建链方法，能够实现业务信息在各卫星节点间高效均衡的传输；本发明方法中步骤可由卫星自主计算实施，实现网络动态拓扑规划与路由，并根据先验状态信息动态调整负载均衡优化因子，实现网络自适应。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
一种空间网络负载均衡拓扑路由设计方法，具体实施步骤如下：
(1)设置模拟退火算法的温度τ，并设初始温度为τ＝1。
(2)利用卫星轨道根数、天线数量、天线波束角度范围、卫星高度计算全球组网卫星之间的可见关系，基于卫星之间的可见关系，随机形成初始空间网络建链规划表。
(3)在确定建链规划下利用改进的Dijkstra算法计算出唯一的最短路径。基于最短路径固定卫星节点对中转信息的路由选择策略,以确保网络中的信息均能够沿着最优路径传递。改进的Dijkstra算法步骤如下：
1)设定V为星座网络节点集合，Q为最短路径节点集合，L为最短路径集合，Q集合中的元素为已经被纳入至最短路径集合L中的作为源节点的卫星，集合P中元素为尚未纳入至最短路径集合L的作为源节点的卫星，即P＝V-Q。其中，最短路径集合L中包括多条路径以及每条路径对应的最小代价；每条路径由源节点、中继卫星及目的节点按顺序排列表示；
2)计算k时刻集合V中任意两个卫星节点is和卫星id(id∈V,is≠id)间的边代价其中，根据步骤(2)中建链规划表，若卫星is与卫星id在k时刻直接建链，则边代价仅包含通信带来的时间代价；若卫星is与卫星id在时间t后建立链接，则边代价包含通信时间代价和延迟时间代价Δk；若卫星is与卫星id始终不建链，则边代价为无穷大。
3)将集合V中任意一个卫星节点作为源节点is，将源节点与集合V中其它每一个卫星作为目的节点id分别构成一个路径，存储到集合L中，并将每条路径的最小代价更新为该路径对应的边代价；/>表示在k时刻卫星is与卫星id间的最小代价；此时根据集合L，更新集合P和集合Q中元素；
4)在集合P中找到从源节点is出发的最小代价最小的卫星节点，将其定义为iu，并将iu加入至集合Q，同时将其从集合P中删除；其中，id∈P；
5)、遍历路径集合L中的每条路径将iu作为中继节点，和每条路径组成新路径，判断每条路径的最小代价与对应的新路径的最小代价，如果后者最小代价小于前者(is到iu的最小代价与iu到id的边代价之和小于is到id的最小代价)，则将新路径作为最短路径添加到集合L中，并修改该路径的最小代价/>
重复步骤3)至5)，直至所有卫星节点均被纳入最短路径节点集合Q，即Q＝V。最后得到的最短路径即为路由表。
(4)设定卫星存储量无限大且星间中转无丢帧情况，根据步骤(3)中的建链规划和路由计算平均端到端时延DAverage，最大端到端时延DMax，接入卫星上行平均端到端时延DAeverageUp，接入卫星下行平均端到端时延DAverageDown，卫星节点负载均方差EMeanSquare，其中卫星节点负载利用最优路径集合L中节点出现次数表征。
(5)定义求解最优建链规划的目标函数为f(x)＝αDAverage+βDMax+γDAeverageUp+δDAverageDown+εEMeanSquare。以α、β、γ、δ、ε为各指标的调节因子。
(6)设定地面站上行信息流量Sup，卫星产生的下行信息流量Sdown及星间交互信息流量Sinter，设定接入卫星数量为Ng，全星座卫星数量为Nall，令 令ε＝1，β＝α+γ+δ。
本实施例中，地面站上行信息流量为4kbps，卫星产生的下行信息流量Sdown为32kbps及星间交互信息流量Sinter为4kbps，设定接入卫星数量Ng为6，全星座卫星数量Nall为30。
(7)计算当前评价函数值，记为fold(x)。
(8)对于全球组网卫星，随机改变其中任意两个卫星之间的可见关系，则形成新的空间网络建链规划表；此时，由于建链规划改变，则卫星节点间的边代价等发生改变，即步骤(3)中的最短路径发生变化。
(9)基于新的建链规划计算得到新的评价函数值，记为fnew(x)；
(10)计算增量Δf＝fnew(x)-fold(x)；
(11)若Δf<0则接受新的建链规划，否则以概率接受新的建链规划。
(12)连续执行步骤(8)至步骤(11)，若在连续的设定调整次数均未接受新的建链规划，则结束优化，执行步骤(13)；若在设定次数之内即接受新的建链规划，则跳转至步骤(8)。本实施例中，设定次数取10次。
(13)更新τ＝τ×0.5，当τ>τmin时，转至步骤(8)；当τ≤τmin时，执行步骤(14)；τmin表示设定的最小温度；
(14)将优化结果产生的建链规划和路由输入全星座卫星模型，设定地面站上行信息流量Sup，卫星产生的下行信息流量Sdown及星间交互信息流量Sinter，获得固定时间内的丢包率，若存在丢包，则更新ε＝ε×2，转至步骤(1)。若不存在丢包，则转至步骤(15)。
(15)按照设定的周期返回步骤(1)，执行步骤(1)至(14)，完成一次负载均衡优化操作。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种空间网络负载均衡拓扑路由设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)、设置模拟退火算法的温度τ，并设初始温度为τ＝1；
步骤(2)、基于卫星之间的可见关系，随机形成初始空间网络建链规划表；
步骤(3)在确定建链规划下利用改进的Dijkstra算法计算出唯一的最短路径，基于最短路径固定卫星节点对中转信息的路由表，具体步骤如下：
1)设定V为星座网络节点集合，Q为最短路径节点集合，L为最短路径集合，Q集合中的元素为已经被纳入至最短路径集合L中的作为源节点的卫星，集合P中元素为尚未纳入至最短路径集合L的作为源节点的卫星，即P＝V-Q；其中，最短路径集合L中包括多条路径以及每条路径对应的最小代价；每条路径由源节点、中继卫星及目的节点按顺序排列表示；
2)计算k时刻集合V中任意两个卫星节点is和卫星id间的边代价其中，根据步骤(2)中建链规划表，若卫星is与卫星id在k时刻直接建链，则边代价仅包含通信带来的时间代价；若卫星is与卫星id在时间t后建立链接，则边代价包含通信时间代价和延迟时间代价Δk；若卫星is与卫星id始终不建链，则边代价为无穷大；
3)将集合V中任意一个卫星节点作为源节点is，将源节点与集合V中其它每一个卫星作为目的节点id分别构成一个路径，存储到集合L中，并将每条路径的最小代价更新为该路径对应的边代价；/>表示在k时刻卫星is与卫星id间的最小代价；此时根据集合L，更新集合P和集合Q中元素；
4)在集合P中找到从源节点is出发的代价最小的卫星节点，将其定义为iu，并将iu加入至集合Q，同时将其从集合P中删除；
5)、遍历路径集合L中的每条路径，将iu作为中继节点，和每条路径组成新路径，判断每条路径的最小代价与对应的新路径的最小代价，如果后者最小代价小于前者，则将新路径作为最短路径添加到集合L中，并修改该路径的最小代价；重复步骤3)至5)，直至所有卫星节点均被纳入最短路径节点集合Q，即Q＝V；最后集合L中的最短路径即为路由；
步骤(4)、设定卫星存储量无限大且星间中转无丢帧情况，根据步骤(2)中的建链规划和步骤(3)路由表，计算平均端到端时延DAverage，最大端到端时延DMax，接入卫星上行平均端到端时延DAeverageUp，接入卫星下行平均端到端时延DAverageDown，卫星节点负载均方差EMeanSquare，其中卫星节点负载利用最优路径集合L中节点出现次数表征；
步骤(5)、定义求解最优建链规划的目标函数为
f(x)＝αDAverage+βDMax+γDAeverageUp+δDAverageDown+εEMeanSquare；以α、β、γ、δ、ε为各指标的调节因子；
步骤(6)、设定地面站上行信息流量Sup，卫星产生的下行信息流量Sdown及星间交互信息流量Sinter，接入卫星数量为Ng，全星座卫星数量为Nall，令 令ε＝1，β＝α+γ+δ；
步骤(7)、计算当前评价函数值，记为fold(x)；
步骤(8)、对于全球组网卫星，随机改变其中任意两个卫星之间的可见关系，则形成新的空间网络建链规划表；
步骤(9)、基于新的建链规划计算得到新的评价函数值，记为fnew(x)；
步骤(10)、计算增量Δf＝fnew(x)-fold(x)；
步骤(11)、若Δf<0则接受新的建链规划，否则以概率接受新的建链规划；
步骤(12)、连续执行步骤(8)至步骤(11)，若在连续的设定调整次数均未接受新的建链规划，则结束优化，执行步骤(13)；若在设定次数之内即接受新的建链规划，则跳转至步骤(8)；
步骤(13)、更新τ＝τ×0.5，当τ>τmin时，转至步骤(8)；当τ≤τmin时，执行步骤(14)；τmin表示设定的最小温度；
步骤(14)、将优化结果产生的建链规划和路由输入全星座卫星模型，获得固定时间内的丢包率，若存在丢包，则更新ε＝ε×2，转至步骤(1)；若不存在丢包，则路由调整完成。
2.如权利要求1所述的一种空间网络负载均衡拓扑路由设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，利用卫星轨道根数、天线数量、天线波束角度范围、卫星高度计算全球组网卫星之间的可见关系。
3.如权利要求1所述的一种空间网络负载均衡拓扑路由设计方法，其特征在于，所述步骤(6)中，地面站上行信息流量为4kbps，卫星产生的下行信息流量Sdown为32kbps及星间交互信息流量Sinter为4kbps，设定接入卫星数量Ng为6，全星座卫星数量Nall为30。
4.如权利要求1所述的一种空间网络负载均衡拓扑路由设计方法，其特征在于，所述步骤(10)中，设定次数取10次。
5.如权利要求1所述的一种空间网络负载均衡拓扑路由设计方法，其特征在于，还包括步骤(15)，按照设定的周期返回步骤(1)，执行步骤(1)至(14)，完成一次优化路由操作。
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