一种基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法

摘要

本发明涉及卫星时间敏感网络通信技术领域，具体涉及一种基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法；所述方法包括将卫星网络中星内有线和星间无线多节点联合调度构建为串联‑并联排队模型；根据卫星网络中时间敏感业务流的周期性产生特性构建时敏业务流到达曲线；联合星内有线调度机制和星间无线调度机制建立有线无线融合调度服务曲线；基于网络演算理论，同时结合卫星相对运动规律，构建端到端时延边界分析模型，推导出卫星网络中任意两颗卫星之间的端到端时延边界性能；按照时敏业务流设定的端到端时延需求，选择出满足时延约束的最佳传输路径；本方法实现了卫星网络中时敏业务流传输路径的时延按需选择，具有广阔应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星时间敏感网络通信技术领域，具体涉及一种基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法。

背景技术

基于卫星网络的导弹预警、卫星测控、作战响应、远程指控和应急通信等时间敏感型业务对数据传输的端到端时延的确定性提出了非常严格的要求，这类业务要求数据包在有界且较低的时间内完成交付。例如，作战指挥时，若发送的控制指令未在规定时间内到达，则无法实现敌机目标的精准打击，从而导致作战任务失败。所谓的确定性是指时敏业务每次传输的端到端时延可预测，且抖动很小，如微秒级。对于时敏业务而言，端到端时延被视为最重要的性能指标之一，有效地分析端到端时延性能能够为选择符合时敏业务时延要求的传输路径提供理论依据。

网络演算理论被广泛地用于网络性能计算与分析，主要通过最小加理论计算时延和流量积压边界。现有网络演算理论在卫星网络中的研究重点为星间链路时延分析以及数据中继卫星网络随机时延上界分析，这些方法均假设业务流服从泊松分布。然而，在未来更为广阔的卫星时间敏感网络中，这些分析方法显然不适用于时敏业务性能分析。关于时敏业务时延性能分析，现有时间敏感网络(Time Sensitive Networking,TSN)相关研究同样也引入网络演算进行时延性能分析。现有技术重点从业务流特性和交换机节点调度机制等角度进行时延上界分析，重点关注地面有线网络端到端时延分析，并未涉及多跳无线网络。

虽然现有的网络演算理论研究为端到端时延分析提供了一种有效的解决思路，但现有网络演算在TSN网络中的研究重点关注地面有线网络不同调度机制对端到端时延造成的影响，并没有涉及时敏业务在多跳无线链路中的端到端时延分析。在卫星网络中，不仅节点调度机制会对端到端时延造成的影响，而且星间链路时变特性以及多节点资源联合调度均会对端到端时延分析造成影响。

总而言之，现有网络演算分析方法无法解决卫星时间敏感网络中时敏业务端到端时延分析问题，从而无法为时敏业务流选择出符合时延要求的传输路径。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明构建出了面向时敏业务的卫星网络端到端时延分析模型，并对此提出了一种基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法；所述方法包括根据卫星节点之间的连接情况，将卫星网络中星内有线和星间无线多节点联合调度过程构建为串联-并联排队模型；根据卫星网络中时间敏感业务流的周期性产生特性，构建出时敏业务流到达曲线模型；基于所述串联-并联排队模型，联合星内有线调度机制和星间无线调度机制，建立有线无线融合调度服务曲线模型；基于网络演算理论，同时结合卫星相对运动规律，按照时敏业务流到达曲线模型和有线无线融合调度服务曲线模型构建端到端时延边界分析模型，并得出卫星网络中任意两颗卫星之间的端到端时延边界性能；按照时敏业务流设定的端到端时延需求，结合端到端时延边界分析模型选择出满足时延约束的最佳传输路径。

本发明的基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法中，首先依据卫星网络节点间连接情况将星内有线和星间无线多节点联合调度构建为串联-并联排队模型，然后依据时敏业务到达特性和有线无线融合调度机制推导出时敏业务流到达曲线和融合调度服务曲线，其次基于网络演算理论和星间距离计算得到任意两颗卫星之间的端到端时延，最后依据时敏业务端到端时延需求，从可达路径中选择出满足时延约束的最佳传输路径，从而在满足时敏业务流的端到端时延需求的同时提高网络资源利用率。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提出的基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法不再局限于端到端时延分析，而是进一步拓展了网络演算在卫星网络中的应用，能够为时敏业务的路径选择提供一种新的解决方法；本发明综合考虑了卫星网络中时敏业务流特性、卫星节点内部和外部调度机制以及卫星相对运动规律等影响端到端时延的相关参数信息，并以网络演算为理论基础，计算出网络中任意两个节点之间的时延，从而能够在已知源节点和目的节点以及端到端时延需求的条件下快速选择出满足时延约束的传输路径，同时提高网络资源利用率，具有广阔应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中所使用的有线无线融合的卫星时间敏感网络路径选择场景图；

图2为本发明中采用的一种基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法流程图；

图3为本发明实施例中使用的有线无线融合调度网络模型；

图4为本发明中源卫星节点积压期开始时的最大等待时间。

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。

图1是本发明实施例中所采用的一种有线无线融合的卫星时间敏感网络路径选择场景图。为了在卫星网络中对时敏业务提供端到端时延确定性保障服务，卫星节点内部采用IEEE 802.1Qbv调度机制，星间无线链路采用时分多址(TimeDivision MultipleAccess,TDMA)调度机制。从图1中可以看出，在给定源节点和目的节点的条件下，时敏业务流可以通过几条不同路径进行传输，那么选择哪条路径进行传输才能满足时敏业务的端到端时延需求是本发明重点解决的问题。

在上述有线无线融合的卫星时间敏感网络的前提下，图2给出了本发明实施例中的一种基于网络演算的卫星时间敏感网络路径选择方法流程图，如图2所示，所述方法包括以下步骤：

101、根据卫星节点之间的连接情况，将卫星网络中星内有线和星间无线多节点联合调度过程构建为串联-并联排队模型；

在本发明实施例中，可以依据卫星节点之间连接情况可以将星内有线和星间无线多节点联合调度构建为串联-并联排队模型，具体表现为如图3所示的有线无线融合调度网络模型。卫星节点内部的存储器和发送器分别可以被建模为排队和服务器，星间链路的无线调度则可以被等效为无线服务器。从业务流的流向来看，卫星网络中到达的业务流可以被分为贯穿流和交叉流两种类型。贯穿流是指从源卫星传输到目的卫星的时敏业务流，交叉流是指当前卫星节点中除了贯穿流之外的来自其他卫星节点的汇聚流，并且汇聚流在卫星节点有到达和离开两种状态。

卫星网络拓扑可以用有向图G(V,E)表示，其中节点集合V由一系列的卫星节点组成，边集合E由一系列支持全双工通信的星间无线链路组成。由于节点和边之间存在一定关联关系，卫星网络中的无线链路边集合

令A(t)表示[0,t]时间段内时敏业务流的累积到达过程。对于中间卫星节点V

102、根据卫星网络中时间敏感业务流的周期性产生特性，构建出时敏业务流到达曲线模型；

为了准确描述业务流到达模型，需要依据时敏业务流的到达特性，建立符合实际业务特性的达到曲线。卫星网络中时敏业务流通常表现出开关特性，传统的基于泊松分布模型无法很准确地描述业务流的到达特性。根据卫星网络中时间敏感业务流周期性产生特性，即单个时敏流以一定的时间间隔周期性产生数据包，构建时敏业务流f

其中，

可以理解的是，本实施例的时敏业务流到达曲线模型可以基于串联-并联排队模型实现，也可以根据现有的排队模型实现，本发明对此可以不作具体的限定。

103、基于所述串联-并联排队模型，联合星内有线调度机制和星间无线调度机制，建立有线无线融合调度服务曲线模型；

在本发明实施例中，星内和星间采用了不同的调度机制，其中，卫星节点内部采用IEEE 802.1Qbv调度机制。当业务流到达卫星节点输入端口时，卫星节点依据预先配置的路由路径和对应的转发端口，通过节点内部交换结构的处理将这些业务流分配到相应的输出端口。输出端口则依据数据包中携带优先级标识将到达的业务放在不同的队列中以等待被调度，时敏业务具备最高优先级属性。

星内有线调度服务曲线主要受到来自其他卫星节点输入流和本节点有线服务窗口长度的影响，基于卫星节点处流量积压期开始时的最大等待时间W和有线时隙调度窗口最小服务长度ω

其中，β

流量积压期开始时的最大等待时间W被定义为积压期开始时数据帧需要等待的最大时间。对于源卫星节点，到达该节点的数据流随机产生，不受来自前一跳卫星节点调度时隙和周期的约束。因此，积压期开始时的最大等待时间与数据帧到达时刻以及本节点调度周期相关。如图4所示，在积压期开始时，若最大帧在时刻t*到达，当前时隙中剩余服务时间略小于最大帧需要的传输时间，则需要推迟到下一个周期发送，故产生最大等待时间W。源卫星节点积压期开始时的最大等待时间表示如下：

其中，

对于中继卫星节点，该节点的调度受到来自前一跳节点发送时间的约束，因此，积压期开始的时间不能是任意时刻，而是受到来自前一跳卫星节点到达情况约束。中继卫星节点积压期开始时的最大等待时间为：

其中，t

有线时隙调度窗口最小服务长度ω

ω

其中，l

星间无线TDMA调度机制为时敏业务提供周期性开关服务，因此，服务曲线可以表示为：

其中，C为无线链路传输速率，T为TDMA调度周期，ω为无线调度的服务窗口长度；

串联等效定理：设数据流A(t)依次流经H个串联的网络节点获得服务，若这些串联节点为A(t)提供的服务曲线依次为β

结合卫星节点有线和无线调度机制之间的相互关系，以及串联等效定理，卫星节点处有线无线融合调度服务曲线β

更进一步的，联合星内有线IEEE 802.1Qbv调度机制和星间无线TDMA调度机制建立卫星节点的有线无线融合调度服务曲线；结合卫星节点星内有线调度机制和星间无线调度机制之间的相互关系，依据网络节点之间的并联关系，得出N个并联节点的服务曲线β

β

其中，β

本发明通过串联-并联排队模型，能够有效地将网络节点之间的连接关系以及卫星节点调度机制进行联合描述和表征。

104、基于网络演算理论，同时结合卫星相对运动规律，按照时敏业务流到达曲线模型和有线无线融合调度服务曲线模型构建端到端时延边界分析模型，并得出卫星网络中任意两颗卫星之间的端到端时延边界性能；

在卫星网络中，任意两颗卫星之间均存在多条可达路径，通过网络演算理论计算出任意可达路径上的端到端时延，以便为路径选择提供理论依据。时敏业务流在卫星网络中传输时需要经过多跳无线链路才能到达目的端，端到端时延受到卫星无线链路特性、节点调度机制、无线链路时隙分配和传输速率等因素的影响。时敏业务流经M个有线无线融合卫星节点服务后的延迟Delay(t)满足

Delay(t)≤H(α,β)＝sup

时敏业务流A

多卫星节点联合资源分配时，设时敏数据流经M颗卫星到达目的端，l

其中，

105、按照时敏业务流设定的端到端时延需求，结合端到端时延边界分析模型选择出满足时延约束的最佳传输路径。

在本发明实施例中，在给定时敏业务流源节点和目的节点条件下，依据基于网络演算的端到端时延计算方法计算出任意可达路径之间的时延。假设时敏业务流f

由于受到时敏业务时延需求和链路负载情况的影响，并不是每条链路都能够满足时敏业务传输需求。因此，需要结合端到端时延和链路负载状况，从可达路径集合G

在得到时敏业务流可达路径端到端时延集合

如果

本发明实施例中基于网络演算选择出的时敏业务传输路径不仅能够满足时敏业务流的端到端时延需求，又能够避免网络拥塞，提高网络资源利用率。

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。