基于可靠性保证的卫星网络路由构建方法

摘要

本发明公开了一种基于可靠性保证的卫星网络路由构建方法。该方法利用深空通信网络的最大吞吐量路由方法RADSN构建主路径，确定主节点；分别为每个主节点构建备用节点集，从中选择符合要求的备用节点；优先进行主节点的消息传输，完成后，利用备用节点传输与主节点相同的消息，直至目的节点收到消息为止。本发明针对现有技术中卫星网络由于节点的突发故障导致消息丢失的问题，提出基于可靠性保证的卫星网络路由构建方法，通过利用备用节点传输与主节点相同消息的方法，提高了卫星网络传输的可靠性；同时，利用备用节点与主节点共同构成的多条路径进行备份消息的多次传输，将路由冗杂减少至最低，降低了卫星网络的负载。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及卫星网络中的基于可靠性保证的路由构 建方法。本发明可用于解决卫星通信中，由于网络节点不稳定所导致的重传时延过大 或信息丢失的问题。

背景技术

由于卫星通信具有覆盖范围广、通信距离远、不受地理条件限制、传输质量好、 组网灵活等特点，因此在信息传输具有重要的实用价值。但同时卫星通信网络中也存 在链路传播时延长、信道误码率偏高、节点分布稀疏、网络间断连通、端到端路径往 往不存在等问题。

针对端到端路径往往不存在的问题，国际空间数据咨询委员会CCSDS提出存储- 运载-转发模式：当源节点和目的节点不在彼此的通信范围内且不能以多跳的方式建 立连接时，源节点将分组发送给中间节点，中间节点首先将分组存储，然后通过自身 的移动将分组运载至目的节点通信范围内，再将分组转发至目的节点，利用这种方式 可实现卫星网络中非连通路径分组的传输。由于卫星网络端到端路径往往不存在，使 用存储-运载-转发模式，而网络本身具有高传播时延、高误码率等特点，导致原本应 用于Internet网络中的端到端传输协议不再适用。

中国科学院软件研究所的专利申请文件“一种基于卫星网络的跳到跳传输方法” (申请号200910090749.9，公开号CN 101626597B)公开了一种基于卫星网络的跳 到跳传输方法。该方法通过保证分组在每跳内的可靠传输，达到端到端可靠传输的目 的。因此并不需要端到端实时连通的路径，解决了卫星通信环境下多跳所带来的错误 成指数增加的问题，减少了不必要的等待时间及重传时延。

但是，该方法存在的不足是，由于卫星位置的公开性及信道开放性，可以被干扰 和侦收，甚至卫星本身会遭受物理打击导致摧毁。如果中间节点在等待传输的过程中 由于设备故障或被攻击而无法正常工作，由于上一跳已完成传输，上一节点无法知道 该节点失效，该节点也无法向下一节点继续传输，这样就会造成分组的丢失，无法保 证消息传输的可靠性。如果要求目的节点在传输成功后向源节点发送确认消息，由于 卫星网络的高传播时延，将会导致传输时延变得更大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于可靠性保证的卫星网络路 由构建方法，该方法通过为卫星网络主路径的节点选择备用节点解决现有技术中分组 传输可能丢失的问题，进而提高分组传输的成功率。

本发明实现上述目的的具体思路是，首先根据卫星网络连通时序的可精确预知 性，计算源节点到目的节点所有可用路径的通过量，选取通过量最大的一条路径为主 路径；然后依次为每个主节点选择符合要求的备用节点，利用备用节点与主节点共同 构成多条路径；最后，优先进行主节点的消息传输，完毕后利用备用节点传输相同的 消息，直至目的节点收到消息为止，全部传输过程结束。

本发明实现上述目的的具体步骤如下：

(1)构建主路径：利用深空通信网络的最大吞吐量路由方法RADSN构建主路 径，主路径上除源节点和目的节点之外的节点为主节点；

(2)构建备用节点集

2a)为每一主节点构建一个起始点为空的备用节点集；

2b)检查任一主节点的上一跳节点和下一跳节点是否在通信范围之内，如果在， 将该节点确定为备选节点，继续执行下一步骤，否则，排除该节点，对尚未进行判断 其余的所有节点逐一进行判断；

2c)检查备选节点的连通时间段与主节点的传输时间段是否重合，如果有，将备 选节点中重合部分剔除，更新连通时间段，将更新后的节点加入对应主节点的备用节 点集，否则，直接将该备选节点加入对应主节点的备用节点集；

(3)选取备用节点

3a)将备用节点集中每个节点连接主节点构成的路径确定为备用路径，按照路由 方法RADSN中二跳类路径的计算方法，计算每条备用路径的通过量和相应的链路传 输时间段，将通过量最大的备用路径所使用的节点确定为备用节点；

3b)比较备用节点构成的各条备用路径的通过量之和与主路径通过量的大小，如 果备用节点构成的各条备用路径的通过量之和大于或等于主路径通过量，则备用节点 选取完成，否则，将该备用节点从相应的备用节点集中删除，继续检查备用节点集是 否为空，如果为空，则备用节点选取完成，否则，将备用节点集中的其余节点与备用 节点重合的时间段剔除，更新连通时间段，转回至步骤3a)；

(4)传输消息

在主节点的链路传输时间段中传输消息，在备用节点的传输时间段传输与主节点 相同的消息。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

第一，本发明采用构建备用节点传输与主节点相同消息的方法，解决了现有技术 中节点存在在运载过程中可能由于突发故障，导致消息丢失的问题，使得本发明不再 需要等待主节点的下一传输时间段进行故障发现和消息重传，保证了消息以较低时 延、较高可靠性进行传输，提高了卫星网络的可靠性。

第二，本发明采用备用节点与主节点共同构成的多条路径进行消息多次传输的方 法，解决了现有技术中为保证网络可靠性引入大量路由冗杂的问题，使得本发明将路 由冗杂减少至最低，降低了卫星网络的负载。

附图说明：

图1为本发明流程图；

图2为本发明网络拓扑图；

图3为本发明仿真结果图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照附图1，本发明的具体步骤如下：

步骤1，构建主路径

利用深空通信网络的最大吞吐量路由方法RADSN(Routing Algorithm for Deep  Space Communication Network)构建主路径，主路径上除源节点和目的节点之外的节 点为主节点。

RADSN路由方法具体步骤为：首先将源节点到目的节点的所有可以进行通信的 路径，作为可用路径；其次将所有可用路径按跳数分类为一跳类、二跳类和多跳类路 径，分类计算每条路径一个变化周期内链路的传输时间段和路径的通过量，最后将通 过量最大的一条可用路径选为主路径。

本发明实施例中，一跳类、二跳类和多跳类路径的通过量和相应链路传输时间段 的计算方法为：

一跳类路径的通过量为链路一个变化周期内的平均吞吐量。

二跳类路径通过量的计算步骤为：

将两条链路l₁、l₂连通周期的最小公倍数确定为路径通过量的计算周期T。在一 个计算周期内，链路l₁共有i_max个连通时间段其中为链路l₁第i个连通时 间段的开始时刻与截止时刻，i＝1，2，…，i_max；链路l₂共有j_max个连通时间段其中 为为链路l₂第j个连通时间段的开始时刻与截止时刻，j＝1，2，…，j_max。

根据公式确定链路l₁第i₀个传输时间段的开始时刻其中i₀为链路l₁未处理的连通时间段的最小段号，i_avi为链路l₁等待确定的传输时间段的最小段号，为链路l₁第i₀个连通时间段的开始时刻。

比较与链路l₂未处理的各个连通时间段的开始时刻与截止时刻，若在链路l₂第j₀个到第j_max个的连通时间段内，存在第m个连通时间段满足j₀≤m≤j_max，其中j₀为链路l₂未处理的连通时间段的最小段号，为第m个连通 时间段的开始时刻和截止时刻，则链路l₂下一个传输时间段的开始时刻其 中j_avi为链路l₂等待确定的传输时间段的最小段号，此时若m＞j₀，将链路l₂第j₀至第 m-1个连通时间段更新为非连通时间段；若链路存在第m个连通时间段满足 则链路l₂下一个传输时间段的开始时刻若此时 m＞j₀，将链路l₂第j₀至第m-1个连通时间段更新为非连通时间段。

分别计算l₁第i₀个连通时间段内的通过量以及链路l₂相应的开始时刻起 各个连通时间段的通过量之和j＝m，m+1，…，j_max：

${\mathrm{Th}}_{i_0}=\frac{1}{T}{\int }_{t_s^{i_0}}^{t_e^{i_0}}{c}_1\left(t\right)\mathrm{dt},$${\mathrm{Th}}_{j_0}=\frac{1}{T}\underset{j=m}{\overset{j_{\max }}{\Sigma }}{\int }_{t_s^j}^{t_e^j}{c}_2\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中c₁(t)，c₂(t)分别为链路l₁和l₂不同时刻的传输速率，比较这两个值，取较小的值 作为链路l₁第i₀个传输时间段的通过量链路l₁第i_avi个传输时间段的截止时刻 满足下式：

${\mathrm{Tha}}_{i_{\mathrm{avi}}}=\frac{1}{T}{\int }_{t_s^{i_0}}^{{\mathrm{ta}}_e^{i_{\mathrm{avi}}}}{c}_1\left(t\right)\mathrm{dt}$

链路l₂第j_avi+N个传输时间段的截止时刻满足下式：

${\mathrm{Tha}}_{i_{\mathrm{avi}}}=\frac{1}{T}(\underset{j=m}{\overset{m+N-1}{\Sigma }}{\int }_{t_s^j}^{t_e^j}{c}_2\left(t\right)\mathrm{dt}+{\int }_{t_s^{m+N}}^{{\mathrm{ta}}_e^{j_{\mathrm{avi}}+N}}{c}_2\left(t\right)\mathrm{dt})$

其中，链路l₂的第j_avi个至第j_avi+N-1个传输时间段分别与原始链路更新起始时 间后的的第m个至第m+N-1个连通时间段一一对应，第j_avi+N个传输时间段为 将更新为$t_s^{m+N}={\mathrm{ta}}_e^{j_{\mathrm{avi}}+N}.$

如果且i₀＜i_max，将i₀更新为i₀＝i₀+1，将j₀更新为j₀＝m+N，令i_avi＝i_avi+1， j_avi＝j_avi+N+1，继续处理链路l₁的下一个连通时间段，否则，完成链路传输时间段的 计算，计算路径通过量Th为：

$\mathrm{Th}=\frac{1}{T}\underset{i=1}{\overset{i_{\mathrm{avi}}}{\Sigma }}{\int }_{{\mathrm{ta}}_s^i}^{{\mathrm{ta}}_e^i}{c}_1\left(t\right)\mathrm{dt}$

多跳类路径通过量的计算步骤为：

确定路径的变化周期及两条链路的连通时间段，路径的变化周期为所使用的各条 链路变化周期的最小公倍数，按二跳类方法计算第一跳链路和第二跳链路的暂态传输 时间段，用所得第二跳链路的暂态传输时间段构成新的链路连通状态，将其与下一跳 链路的连通时间段相比较，继续按二跳类计算，得到第三跳链路的暂态传输时间段， 以此类推，采用顺序，重复按二跳类计算，得到最后一跳链路的暂态传输时间段，最 后两跳链路的暂态传输时间段均作为传输时间段，取倒数第三跳链路，将其暂态传输 时间段作为链路的连通时间段，将倒数第二跳链路作为下一跳，按二跳类方法计算倒 数第三跳链路的传输时间段，以此类推，采用逆序，更新各跳链路的传输时间段，至 第一跳为止。根据链路的传输时间，计算路径的通过量。

步骤2，构建备用节点集

首先，为每一主节点构建一个起始点为空的备用节点集；然后，检查任一主节点 的上一跳节点和下一跳节点是否在节点通信范围之内，通信范围是指该节点与其余节 点可以进行通信的区域，如果在，将该节点确定为备选节点，继续执行下一步骤；否 则，排除该节点，对尚未进行判断其余的所有节点逐一进行判断；判断完成后，检查 备选节点的连通时间段与主节点的传输时间段是否重合，如果有，将备选节点中重合 部分剔除，更新连通时间段，将更新后的节点加入对应主节点的备用节点集，否则， 直接将该备选节点加入对应主节点的备用节点集。

本发明实施例采用图2的网络拓扑图，图中节点S为源节点，节点D为目的节 点，通过由步骤1所述的路由方法RADSN构建周期为12的主路径S-A-B-C-D，链 路S--A、A--B、B--C、C--D的传输时间段分别为[0，2]、[3，5]、[4，6]、[7，9]，各 条链路的传输速率均为2，主路径的通过量为Th＝0.33，分别为主节点A、B、C构建 备用节点集：

对于主节点A，在节点S、B通信范围之内的节点只有A′，由于A′的连通时间段 为t_SA′[3，5]、t_A′B[5，7]，与S--A、A--B的传输时间段不重合，直接将节点A′加入主 节点A的备用节点集，构建备用节点集{A′}。

对于主节点B，在节点A、C通信范围之内的节点有B′、B″，节点B′的连通时间 段为t_AB′[3，9]、t_B′C[6，10]，其中A--B′与A--B的传输时间段重合，将A--B′重合部 分剔除后，更新A--B′的连通时间段为t_AB′[5，9]，将节点B′加入主节点B的备用节点 集；节点B″的连通时间段为t_AB″[6，8]、t_B″C[7，9]，与A--B、B--C的传输时间段不 重合，直接将节点B″加入主节点B的备用节点集，构建备用节点集{B′，B″}。

对于主节点C，在节点B、D通信范围之内的节点有C′、C″，节点C′的连通时间 段为t_BC′[8，11]、t_C′D[9，13]，其中C′--D与C--D的传输时间段重合，将C′--D重合部 分剔除后，更新C′--D的连通时间段为t_C′D[10，13]，将节点C′加入主节点C的备用节 点集；节点C″的连通时间段为t_BC″[10，12]、t_B″C[13，14]，与B--C、C--D的传输时间 段不重合，直接将节点C″加入主节点C的备用节点集，构建备用节点集{C′，C″}。

步骤3，选取备用节点

将备用节点集中每个节点连接主节点构成的路径确定为备用路径，按照路由方法 RADSN中二跳类路径的计算方法，计算每条备用路径的通过量和相应的链路传输时 间段，将通过量最大的备用路径所使用的节点确定为备用节点。

比较备用节点构成的各条备用路径的通过量之和与主路径通过量的大小，如果备 用节点构成的各条备用路径的通过量之和大于或等于主路径通过量，则备用节点选取 完成，否则，将该备用节点从相应的备用节点集中删除，继续检查备用节点集是否为 空，如果为空，则备用节点选取完成，否则，将备用节点集中的其余节点与备用节点 重合的时间段剔除，更新连通时间段，重新完成本步骤的循环。

本发明实施例中，对于主节点A，节点A′构成的路径的通过量为 Th_SA′B＝2×(5-3)/12＝0.33，其中链路S--A′、A′--B的传输速率为2，备用节点的通过量 之和等于主路径通过量，节点A的备用节点选取完成。

对于主节点B，节点B′构成的路径的通过量为Th_AB′C＝1×(9-5)/12＝0.33，其中链路 A--B′、B′--C的传输速率为1，节点B″构成的路径的通过量为Th_AB″C＝1×(8-6)/12＝0.17， 其中链路A--B″、B″--C的传输速率为1，节点B′的通过量大于节点B″的通过量，选 取节点B′为备用节点，备用节点的通过量之和等于主路径通过量，节点B的备用节 点选取完成。

对于主节点C，节点C′构成的路径的通过量为Th_BC′D＝1×(11-8)/12＝0.25，其中链 路B--C′、C′--D的传输速率为1，节点C″构成的路径的通过量为 Th_BC″D＝1×(14-13)/12＝0.08，其中链路B--C″、C″--D的传输速率为1，节点C′的通过量 大于节点C″的通过量，选取节点C′为备用节点，备用节点的通过量之和小于主路径 通过量，备用节点集更新为{C″}，剔除链路B--C″中与链路B--C′的重合时间段，将节 点C″的连通时间段更新为t_BC″[11，12]、t_B″C[13，14]，继续选择下一备用节点为C″，节点 C″构成的路径的通过量为Th_BC″D＝1×(14-13)/12＝0.08，其中链路B--C″、C″--D的传输速 率为1，备用节点的通过量之和Th_BC′D+Th_BC″D＝0.08+0.25＝0.33，等于主路径通过量， 备用节点全部选取完成。

步骤4，传输消息

首先在主节点的链路传输时间段中传输消息，等待传输过程完毕后，在备用节点 的传输时间段传输与主节点相同的消息。

本发明的效果可通过附图2和附图3进一步说明：

图2是本发明的网络拓扑图，图中实线代表主节点相互之间可以进行通信，虚线 代表备用节点与主节点可以进行通信，构建的主路径为S-A-B-C-D，主节点为A、B、 C。采用本发明后，为节点A构建备用节点A′，为节点B构建备用节点B′，为节点C 构建备用节点C′、C″。引入4个备用节点后，消息传输平均次数为两次，源节点至目 的节点除主路径外共有6条路径：S-A′-B-C-D、S-A-B′-C-D、S-A-B-C′-D、S-A-B-C″-D、 S-A′-B-C′-D、S-A′-B-C″-D，说明了采用本发明后备用节点与主节点共同构成的多条路 径进行消息多次传输，将为保证传输可靠性引入的路由冗杂减少至最低，有效降低了 卫星网络的负载。

图3(a)和(b)是本发明基于矩阵实验室MATLAB(Matrix Laboratory)仿真 平台进行的仿真比较结果。其中，图3(a)的仿真条件是主节点数目为5，图中横轴 代表由于突发故障导致的节点中断概率，纵轴代表消息成功传输概率，虚线代表现有 技术中无备用节点的方法，实线代表本发明有备用节点的方法，从图中可以看出实线 始终高于虚线；图3(b)的仿真条件是主节点中断概率为0.1，图中横轴代表主节点 数目，纵轴代表消息成功传输概率，空心矩形代表现有技术中无备用节点的方法，实 心矩形代表实线代表本发明有备用节点的方法，从图中可以看出，当主节点数目相同 时，实心矩形始终高于空心矩形。图3(a)和(b)均说明，相对于现有技术中无备 用节点，本发明采用有备用节点的方法，消息传输成功概率得到了显著提高，解决了 节点在运载过程中可能由于突发故障，导致消息丢失的问题，使得本发明不再需要等 待主节点的下一传输时间段进行故障发现和消息重传，提高了卫星网络的可靠性。