衛(wèi)星dtn網絡的時間擴散性路由搜尋方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于深空通信技術領域，尤其涉及一種衛(wèi)星DTN網絡的路由搜尋方法。
【背景技術】
[0002] 近地衛(wèi)星空間網絡是一個具有動態(tài)性，結構復雜的網絡體系。通過有較好覆蓋率 的高軌道衛(wèi)星作為骨干接點，為低軌道遙感衛(wèi)星，無人機等提供數據通信保障，單顆對地觀 測遙感衛(wèi)星由于其軌道特性，與地面站通信時間較短。為支持單一任務而鋪設全球覆蓋的 星座會使得成本太高，而通過數顆衛(wèi)星的中繼網絡可以實現明顯改善時效性傳輸任務。通 過數顆衛(wèi)星中繼的空間網絡與地面網絡相比具有以下幾個特點：
[0003] 1.在軌衛(wèi)星高速運行，網絡拓撲變化頻繁，結構無周期性；
[0004] 2.衛(wèi)星軌道預定的，在三維空間可形成可預測模型；
[0005] 3.雙向鏈路具有不對稱傳輸速率和較高的誤碼率特性，傳播延時較大。
[0006] 現有的通信協(xié)議無法適用于動態(tài)拓撲下的衛(wèi)星網絡和和時變的星間鏈路（ISL)。 NASA開發(fā)的容遲容斷容錯網絡（DTN，Delay/Disrupt_Tolerant Networking)被提出用于 解決深空通信的問題，其核心思想是引入覆蓋層bundle layer將低層協(xié)議互不相同的空間 骨干網和局部網絡互聯，并將協(xié)議打包成"包裹"的形式以一種異步通信方式進行傳輸，為 了在間斷性頻繁的網絡中保障數據可靠傳輸，DTN采取存儲-轉發(fā)模式，bundle在節(jié)點中 存儲于永久存儲設備中直到下一次傳輸機會到來時發(fā)送。為了解決可靠傳輸問題，2002年 JPL提交了一份支持DTN網絡協(xié)議的Licklider協(xié)議（LTP)用以保障在斷續(xù)鏈路和運動模 型的點對點傳輸。在多個實驗中DTN網絡協(xié)議體系被證明可以應對處理各種挑戰(zhàn)性網絡。
[0007] 然而，DTN協(xié)議體系提出時間較短，尚只有一個基本框架，并沒有典型的應用性范 例，在某些協(xié)議細節(jié)方面例如擁塞控制、優(yōu)化傳輸、路由、時間同步等尚待開發(fā)中，具有廣闊 的研究前景。將DTN用于解決近地衛(wèi)星空間網絡已經被廣泛研究，其存儲轉發(fā)機制特別適 合于衛(wèi)星網絡通信。
[0008] 對于多顆星中繼通信，傳統(tǒng)衛(wèi)星網絡的路由決策依賴于具體衛(wèi)星的中繼或轉發(fā)， 如以下幾種，并無優(yōu)化的普遍的解決方案：
[0009] 1.系統(tǒng)分割形路由，利用衛(wèi)星網絡拓撲的可預測性進行系統(tǒng)分割；
[0010] 2.多層衛(wèi)星網絡路由，如MLSR ;
[0011] 3.區(qū)域分割類型路由，將地球表面劃分成若干個區(qū)域，特定時間進入該區(qū)域的衛(wèi) 星獲得與地理位置相對應的邏輯地址。
[0012] 而對于并非特定構型的衛(wèi)星空間DTN網絡而言，目前普遍的研究的是并非拘泥于 衛(wèi)星軌道拓撲變化的傳輸機制，如單副本和多副本的路由，先驗和啟發(fā)相結合的路由方法。 一種成型的方案被寫入了當前版本的ION手冊中，DTN使用一種動態(tài)路由選擇算法（DRSA， Dynamic Route Selection Algorithm)，使用CGR(Contact Graph Routing)進行路由計算 并在CGR計算失敗后選擇次序性傳輸的方法。在擁有網絡連通圖的情況下，當前版本CGR 使用Dijkstra(迪杰斯特拉）算法計算理論上最快到達路徑，Dijkstra算法是典型的單源 最短路徑算法，用于計算一個節(jié)點到其他所有節(jié)點的最短路徑。主要特點是以起始點為中 心向外層層擴展，直到擴展到終點為止。其基本思想是，設置頂點集合S并不斷地來擴充這 個集合。一個頂點屬于集合S當且僅當從源到該頂點的最短路徑長度已知。在擁有網絡連 通圖的情況下，當前版本CGR僅僅使用Dijkstra算法計算理論上最快到達路徑。當無法計 算出滿足傳輸條件的路徑時，DTN將按鄰接節(jié)點的順序依次嘗試發(fā)送。
[0013] 近地衛(wèi)星網絡中，對于暫時性星間鏈路，若傳輸無法在一個網絡連接狀態(tài)完成時， CGR機制無法對其進行量化。網絡誤碼引起的數據包重傳和節(jié)點故障等問題往往會導致理 論上最優(yōu)路徑實際表現糟糕。DRSA在簡單網絡和傳輸時間遠小于網絡變化率下尚可使用， 一旦網絡規(guī)模增加，其傳輸性能便大幅降低。
[0014] 在現有的DTN協(xié)議的BP層使用的DRSA中，CGR進行路由計算并在CGR計算失敗 后選擇次序性傳輸。對于衛(wèi)星網絡而言，尋找最佳路徑面臨著斷續(xù)鏈路和鏈路狀態(tài)變化的 問題，無法通過CGR中的Dijkstra的算法得找到最優(yōu)解。非特定構型的時變衛(wèi)星網絡中經 常不存在端到端鏈路，傳輸無法在一個網絡狀態(tài)完成。因為無法用單網絡拓撲對整體網絡 進行描述，CGR并不能計算出最佳到達時間路徑。在有多條路徑可選擇情況下，忽視間斷性 鏈路會導致對系統(tǒng)吞吐性能低估和資源浪費。
[0015] 在附圖1的例子中，Node 1經過三段暫時性鏈路將數據傳輸給Node 4,全連通路 徑僅存在于t3到t4的時間段內，此階段的系統(tǒng)吞吐量為
[0016] capacity (t3, t4) = (t4_t3) Xmin[b12, b23, b34] (I)
[0017] 而系統(tǒng)從tl到t6的總吞吐量為
[0018] capacity (t" t6) = min {b12X , b23X (t5_t2), b34X (t6_t3)} (2) 公式⑵包含了⑴中忽視的tl到t3段和t4到t5段系統(tǒng)的吞吐量。
[0019] 單條路徑的吞吐量取決于其瓶頸鏈路，附圖2所描述的另一個例子中，Node 1需 要傳輸數據至Node 3。盡管后者可能有更好的鏈路狀況，在存在1-2-3路徑情況下，DRSA 算法會忽視1-4-3路徑。
[0020] 1-2-3路徑的吞吐量為：
[0021] capacity < 1，2, 3 >= Xmin {b12, b23} (3)
[0022] 1-4-3路徑的吞吐量為：
[0023] capacity < 1, 4, 3 > = min {b12 (t2_ti), b23 (t3~t2)} (4)
[0024] 在上述兩個例子中，由于無法通過先驗知識求得全部路由，DRSA算法無法將間斷 路徑進行量化?；趩瓮負鋱D的Di jkstra算法無法為數據包的傳輸任務提供最優(yōu)路徑，并 且會低估系統(tǒng)吞吐性能。
[0025] CGR通過計算連通圖中的信息{鏈路開始時間，鏈路結束時間，鏈路距離，鏈路數 據速率}來獲得理論最佳到達時間。在衛(wèi)星網絡中，上述方法存在兩點問題：1.由于衛(wèi)星 在軌道中高速運動，兩顆衛(wèi)星之間的鏈路距離處于不斷變化中，在拓撲結構無斷裂變化時 使用固定鏈路權值計算所得到的結果會與實際偏差較大。2.當有多條可選擇路徑的情況 下，DRSA機制使用的理論最佳到達時間和最小跳數對路徑進行選取。上述方法忽視了鏈路 中由于的誤碼而導致的重傳現象。一條具備理論最佳到達時間的路徑可能因為其某段鏈路 存在極高的重傳率而導致鏈路擁塞。
[0026] 突發(fā)性的節(jié)點故障等問題往往會導致理論上最優(yōu)路徑實際表現糟糕。DRSA依賴于 簡單網絡和傳輸時間遠小于網絡變化率，一旦網絡規(guī)模增加，其傳輸性能便降低。

【發(fā)明內容】

[0027] 為了解決現有技術中問題，本發(fā)明提供了一種基衛(wèi)星DTN網絡的時間擴散性路由 搜尋方法，計算時變網絡的所有信息，其搜尋到的路徑包括直接連通的端到端路徑和和存 儲等待依靠間斷鏈路進行通信的路徑，并進行量化分析，從而達到更有效率的路由設計和 傳輸質量的目的。
[0028] 本發(fā)明通過如下技術方案實現：
[0029] 一種衛(wèi)星DTN網絡的時間擴散性路由搜尋方法，用于解決間斷性中繼衛(wèi)星網絡的 路由選擇問題，由CGR原理改進得到；所述方法計算時變網絡的所有信息，其搜尋到的路 徑包括直接連通的端到端路徑和和存儲等待依靠間斷鏈路進行通信的路徑，并進行量化分 析；所述方法具體為：
[0030] A.基于迪杰斯特拉Di jkstra算法建立連通信息表SVR :將傳輸任務開始時的拓 撲圖定義為第一個拓撲圖G，在其中尋找圓心點所有可接觸節(jié)點，之后在第二個拓撲圖中將 第一個圓中的所有可達到節(jié)點分別認定為一個新的圓心點，各自尋找其可接觸端點，即將 上一拓撲圖中所有搜尋到節(jié)點認定為下一個拓撲圖的搜尋原型；重復上述過程，直到傳輸 的截止時間；通過這種方式，形成一個記錄路由信息的鏈接表SVR，在獲得到的SVR中使用 bundle到達目的節(jié)點的期望投遞時間EDT確定路徑的優(yōu)先級