一種基于模糊理論的ngeo衛(wèi)星路由算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于模糊理論的NGEO衛(wèi)星路由 算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)成為人們?nèi)粘Ｉ钪蝎@取信息、交 流信息必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，人們越來越需要在任何地點任何時間提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)的 基礎(chǔ)設(shè)施。構(gòu)建全球無縫接入的互聯(lián)網(wǎng)大環(huán)境是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢，也是各世界大 國軍事戰(zhàn)略部署中非常重要的一個環(huán)節(jié)。由于地球表面70%為海洋，無法建立地面蜂窩移 動通信，而衛(wèi)星通信由于具有覆蓋面積大、不受地理條件限制等先天優(yōu)勢，在通信發(fā)展的過 程中一直受到人們的重視。
[0003] 從20世紀70年代起截至今天，已經(jīng)建成的能夠完全覆蓋全球的衛(wèi)星導航系統(tǒng)只 有美國的全球定位系統(tǒng)和前蘇聯(lián)的格洛納斯系統(tǒng)。中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、歐盟的伽利 略定位系統(tǒng)正在建設(shè)中。其它國家，包括法國、日本和印度均在發(fā)展區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。因此導 航衛(wèi)星通訊技術(shù)一直以來是各國學者研究的熱點，這其中包括星間通信的路由解決方案。
[0004] 由于衛(wèi)星成本高、節(jié)點數(shù)量少、資源有限等特點，其路由解決方案與地面有很大的 不同。在多層軌道衛(wèi)星系統(tǒng)通信中，低軌道衛(wèi)星間的鏈路持續(xù)時間短，切換頻率高，為路由 算法帶來難度。但是，節(jié)點運動軌跡是沿軌道周期循環(huán)的，可以人為控節(jié)點間鏈路在何時建 立與切換，于是，虛擬動態(tài)網(wǎng)絡(luò)被提出用來描述節(jié)點高速運動且具有周期性的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié) 構(gòu)。
[0005] 傳統(tǒng)的路由算法，比如Dijkstra的最短路徑（DSP)算法總是導致一些星間鏈路 (ISL)過度負載。大家都知道，大多數(shù)人生活在赤道附近或在中煒度地區(qū)。這種現(xiàn)象直接帶 來在一個不平衡的業(yè)務(wù)量分布整個星座：一些衛(wèi)星的擁擠，而一些其他未能得到充分利用。 然而，沒有考慮到用戶流量分布，路由策略會導致以顯著排隊延誤和大量的數(shù)據(jù)包在下降 的擁擠衛(wèi)星。為了滿足的服務(wù)質(zhì)量（QoS)的質(zhì)量的用戶需求，很多研究人員來處理這個問 題。Kandus等提出了一種交通類別相關(guān)的（TCD)路由算法。另外，在上述的分布式負載平 衡技術(shù)，獨立的衛(wèi)星上最好的下一跳決定該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。Taleb等狀態(tài)顯式負載平衡（ELB) 指標走的狀態(tài)下一跳進去，當它選擇最好的下一跳。Song等人引入一個交通燈為基礎(chǔ)的智 能路由戰(zhàn)略考慮當前和下一跳擁堵。此外，在緊急情況下，衛(wèi)星路由算法處理，比如衛(wèi)星失 敗，因此，Lu等實現(xiàn)生存能力路由協(xié)議來處理衛(wèi)星故障。
[0006] 綜上所述，現(xiàn)有NGEO(非靜止軌道）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由機制，其單一性的評價標準，并 不能滿足準確描述衛(wèi)星節(jié)點的擁堵情況，同時，很多路由算法不能滿足負載均衡的要求，如 何在星間通信中提供高效、動態(tài)、負載均衡的路由技術(shù)，降低端至端延遲，更高的吞吐量和 較低的丟包率，這是實現(xiàn)未來通過全球衛(wèi)星系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)無縫接入技術(shù)中迫切需要解決的 問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計合理、能夠在星間通信中 提供高效、動態(tài)、負載均衡路由功能的基于模糊理論的NGEO衛(wèi)星路由算法。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0009] -種基于模糊理論的NGEO衛(wèi)星路由算法，包括以下步驟：
[0010] 步驟1、根據(jù)衛(wèi)星節(jié)點包括的三種不同等級流量的隊列長度及為最高級流量預留 的帶寬信息，采用模糊理論方法計算模糊衛(wèi)星擁塞指標；
[0011] 步驟2、計算路由算法的決定指標，并根據(jù)DSP路由算法找到最短路徑；
[0012] 步驟3、當衛(wèi)星發(fā)生擁塞時，該衛(wèi)星向其相鄰的衛(wèi)星通知其模糊衛(wèi)星擁塞指標的信 令信息；
[0013] 步驟4、當衛(wèi)星接收到擁塞的信令信息后，根據(jù)改進的ELB算法的繞路策略，并根 據(jù)不同的包的優(yōu)先級進行繞路。
[0014] 而且，所述步驟1計算模糊衛(wèi)星擁塞指標的方法包括以下步驟：
[0015] 步驟（1)、收集每個衛(wèi)星節(jié)點的信息，包括流量A的隊列長度、流量B的隊列長度、 流量C的隊列長度以及為流量A預留的帶寬；
[0016] 步驟（2)、將收集到信息經(jīng)過隸屬度函數(shù)映射成模糊值，然后根據(jù)模糊準則、最大 最小準則模糊處理方法進行模糊處理；
[0017] 步驟（3)、根據(jù)區(qū)域中心法進行解模糊化運算，計算得到該衛(wèi)星節(jié)點的擁塞程度。
[0018] 而且，所述步驟（3)解模糊化運算按照如下數(shù)學模型實現(xiàn)：
[0019]
[0020] 其中，(^為模糊衛(wèi)星擁塞指標，w 1、uM、wH和w VH分別為VL、L、M、H、VH的模糊推 理指示，VL、L、M、H、VH分別表示非常低、低、中等、高、非常高。
[0021] 而且，所述步驟2計算路由算法的決定指標的方法包括以下步驟：
[0022] 步驟（1)、收集如下信息：從相鄰衛(wèi)星得到的模糊衛(wèi)星擁塞指標、衛(wèi)星間的傳播時 延以及為流量B和流量C準備的帶寬；
[0023] 步驟（2)、將收集到信息經(jīng)過隸屬度函數(shù)映射成模糊值，然后根據(jù)模糊準則、最大 最小準則模糊處理方法進行模糊處理；
[0024] 步驟（3)、根據(jù)區(qū)域中心法進行解模糊化運算，計算得到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法的決策 指標。
[0025] 而且，所述步驟4改進的ELB算法的繞路策略為：如果一顆衛(wèi)星被堵塞，則數(shù)據(jù)包 根據(jù)預測每個交通流量的百分比類繞道；a，b和c是流量A、B和C的預測流量的比率，X是 請求的流量（X = I-C1)，一次繞道從周邊信令消息接收到衛(wèi)星，衛(wèi)星開始繞道流量C的數(shù)據(jù) 包；如果請求繞道比X的流量更大超過c，流量B的包也開始繞路。
[0026] 本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是：
[0027] 本發(fā)明設(shè)計合理，其采用模糊衛(wèi)星擁塞指標（FSCI)來表征衛(wèi)星節(jié)點的擁塞情況， 使用FRD來表征路由算法的決策指標。其中，F(xiàn)SCI結(jié)合了衛(wèi)星節(jié)點的多個指標，比單一的 衛(wèi)星節(jié)點的排隊時延更能反映出衛(wèi)星的擁堵情況。其次，F(xiàn)RD路由計算，也是整合了衛(wèi)星擁 堵情況，傳播時延和帶寬等指標，從多角度實現(xiàn)了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法的QoS要求。本發(fā)明還 可以有效地處理衛(wèi)星節(jié)點擁堵情況，優(yōu)化的繞路方法，可以從多角度進行分析，同時可以實 現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負載均衡。相對于其他NGEO的路由算法，包括DSP和ELB，可以更加全面的評價整 個衛(wèi)星節(jié)點，同時從全面的角度來計算路由，避免了原有算法單一性和不能滿足負載均衡 的缺點。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明的處理流程圖；
[0029] 圖2為模糊系統(tǒng)模型示意圖；
[0030] 圖3為衛(wèi)星與相鄰節(jié)點之間的示意圖；
[0031] 圖4為衛(wèi)星節(jié)點中FSCI的示意圖；
[0032] 圖5為路由算法中FSCI和FRD示意圖；
[0033] 圖6為平均丟包率的對比圖；
[0034] 圖7為平均端到端時延的對比圖；
[0035] 圖8為總吞吐量的對比圖。
【具體實施方式】
[0036] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例做進一步詳述：
[0037] -種基于模糊理論的NGEO衛(wèi)星路由算法，應(yīng)用于節(jié)點高速運動的NGEO (非靜止軌 道）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。NGEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型是類銥星網(wǎng)絡(luò)，其LEO銥星衛(wèi)星星座由6個軌道構(gòu)成，每 個軌道上有11顆衛(wèi)星，軌道傾角為90度。圖3給出了衛(wèi)星間鏈路的情況，在該星座內(nèi)，每 個衛(wèi)星有四個星間鏈路（ISL)，包括兩個軌道平面內(nèi)的鏈路和軌道間的鏈路。通常情況下， 一個地面站終端可以處在不同的衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)，可以同時和幾個衛(wèi)星通信。但是，一般情 況行，地面站選擇具有最大剩余覆蓋時間的衛(wèi)星為自己的管理者。此外，這種類型的星座的 避免了縫反向旋轉(zhuǎn)的軌道之間。
[0038] 我們將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中流量分成了三類：按優(yōu)先級順序從高到低依次為流量A(TCA， 延遲敏感的）：典型應(yīng)用包括交互式實時應(yīng)用，例如IP語音（VoIP)和交互式視頻應(yīng)用，這 是延遲敏感的應(yīng)用程序；流量B (TCB，吞吐量敏感的）：代表應(yīng)用是視頻點播（VOD)和需要 大文件分布高流量；流量C (TCC，盡力而為）：這交通類代表盡力而為的服務(wù)聞名于互聯(lián)網(wǎng) 并且包括應(yīng)用程序無任何特殊要求。
[0039] -般情況下，排隊時延的計算公式如下：
[0040]
[0041] 其中q(t)是包在隊列中的時間數(shù)T，Lavg是平均數(shù)據(jù)包長度，Δ T是時間間隔路由 更新，和C是鏈路容量。該衛(wèi)星需要持續(xù)監(jiān)測其隊列長度為Qd(t)的。
[0042] 本專利采用模糊理論的決策系統(tǒng)方法。模糊系統(tǒng)的模型如圖2所示，包括模糊化、 推理引擎、解模糊、模糊規(guī)則，輸入值經(jīng)模糊化處理后輸入到推理引擎，推理引擎根據(jù)模糊 規(guī)則對模糊化處理的數(shù)據(jù)進行推理，最后經(jīng)解模糊處理得到輸出值。
[0043] -種基于模糊理論的NGEO衛(wèi)星路由算法計算，如圖1所示，包括以下步驟：
[0044] 步驟1、根據(jù)衛(wèi)星節(jié)點的信息，采用模糊理論方法計算模糊衛(wèi)星擁塞指標（FSCI)。
[0045] 本步驟是根據(jù)衛(wèi)星節(jié)點信息所包括的擁堵狀態(tài)來估算衛(wèi)星之間的擁堵情況。模糊 衛(wèi)星擁塞指標（FSCI)從多個輸入，計算得到了單個衛(wèi)星節(jié)點的擁塞情況。這些角度包括， 三種不同等級的流量的隊列長度，為最高級流量預留的帶寬。
[0046] 本步驟是模糊系統(tǒng)根據(jù)如下四個指標來描述糊衛(wèi)星擁塞指標（FSCI)，如圖4及圖 5所示，這四個指標分別為：流量A的排隊長度（Q a)、流量B的排隊長度（Qb)、流量C的排隊 長度（Qe)和預留給高等級流量的帶寬（也就是流量A) (Ba)的輸入語言變量，來確定的擁擠 程度衛(wèi)星節(jié)點。在四個指標中，三個排隊長度指標用來表示的程度交通擁堵，B a表示公平的 程度。由于系統(tǒng)帶寬優(yōu)先分配給高優(yōu)先級的流量，所以^是與流量A高度相關(guān)的。模糊系 統(tǒng)輸出值為FSCI衛(wèi)星節(jié)點的擁塞程度，用C 1表示。四個輸入指標的集合和輸出指標被定 義為1'%%4)) = {5，1，1}，其中，3代表短，1代表中等，1^代表長；1'收）=也，1〇，其 中，？"代表少，1^代表許多。輸出1'((： 1) = {￥1^1^1，!1，￥田，其中，非常低（￥〇，低仏)、中等 (M)、高⑶、非常高（VH)。
[0047] 計算基于模糊理論的模糊衛(wèi)星擁塞指標（FSCI)的具體步驟如下：
[0048] 步驟（1)、收集每個節(jié)點的相應(yīng)信息，包括流量A的隊列長度、流量B的隊列長度、 流量C的隊列長度、為流量A預留的帶寬。
[0049] 步驟（2)、將收集到信息經(jīng)過隸屬度函數(shù)映射成模糊值。其中，隸屬度函數(shù)是表征 這些參數(shù)處于哪一個部分的。其隸屬度函數(shù)表如下：
[0050] 其隸屬度函數(shù)表如下：
[0051] 表一、在FSCI中每個指標下每個條目的隸屬度函數(shù)
[0052]
[0053] 其中，在上面的表格中，La、LjP La是隸屬度函數(shù)中流量A、流量B和流量C的隊列 長度；込是閾值百分比；C代表了鏈路容量，也就是鏈路帶寬。
[005