一种基于链路稳定优先的空天地一体化网络路由方法

1.本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及空天地一体化网络(space
‑
air
‑
ground network，简称为sag net)中高空高速自组织网络场景下的路由优化策略设计方法。


背景技术：

2.随着高空高速打击武器在现代军事战争中的广泛使用，独立节点作战模式由于生存周期短、打击范围小、作战方式单一越来越不能满足日益复杂作战环境，多节点协同作战在饱和攻击、察打一体等作战应用越来越被重视，于是基于高空高速的无中心自组网系统应运而生。
3.移动自组网中，节点在不断运动导致网络拓扑也在不断的变化，准确、快速地选择从本地节点到达目的节点的路由是网络层的核心问题。路由
4.路由是保证端到端数据传输的重要环节，可以提供数据包从源到目的的路径规划，路由协议则是路由过程中预先定好的标准。其实现要求在于路由算法的高可靠性、低时延和高效率特征。设计的难点在于路由算法要适应拓扑高动态变化的特征、突发流量的负载均衡、链路不稳定的可靠性增强和差异化qos需求等多个方面。
5.高速节点自组网路由协议设计最大的难题在于节点的高速移动的节点间自组网路由与传统组网路由具有很多不同之处：
6.(1)多变拓扑
7.由于高速节点飞行路径多变，并且有可能因命中目标或自毁而停止工作，再加上空中通信信道多变、复杂度高，受地形、飞行高度影响大，信道间相互干扰大等等诸多因素，整个网络拓扑和节点随时都有可能发生变化。
8.(2)多跳路由
9.受体积所限，高速节点自组网数据链天线发射功率普遍较小，通信覆盖范围不大，难以与网络中所有节点建立通信，可通过多跳路由方式与其他节点通信。与普通自组织网不同，本方案的转发通过普通的节点转发，也就是说，每个节点都有节点和路由转发两种功能。
10.(3)带宽受限
11.由于无线信道本来能提供的网络带宽就较低，再加上网络拓扑多变、多节点共享无线通道引起冲突、信号衰减等多种因素的影响，实际能得到的带宽小于理论带宽，并且带宽随时间发生剧烈变化。带宽受限直接导致网络拥塞，如何解决网络拥塞问题是路由协议设计中的重要关注点。
12.(4)安全性差
13.由于通信方式为无线信道，存在多跳路由、单向通道等模式，网络更容易受到窃听和入侵，无线通道的不稳定和网络拓扑的多变性使安全管理更难、实施更加复杂。为此，需要采用可靠的安全策略，如信道加密、抗干扰、用户认证、密钥管理、访问控制等。
14.综上所述，传统的路由协议难以直接应用于高速节点间自组网。因此，本发明针对
高空高速网路节点运动速度、网络拓扑变化快的特点对传统路由协议进行改进。本发明以提升通信链路持续时间为设计目的，使用链路有效性作为路由路径选取的指标。通过选择链路持续时间最长的路径作为路由路径，减少频繁的路由重组操作，降低路由重组引起的对网络信道的长时间占用，提高网络吞吐量。


技术实现要素：

15.本发明的基于链路稳定优先的空天地一体化网络路由方法主要分为两个部分。第一，节点之间根据相对运动速度与运动方向，并根据节点间的链路状态，权值量化后的节点间链路的持续时间。第二，考虑节约频繁的路由重组操作造成的信令开销，本发明通过选择链路持续时间最长的路径作为路由路径，确保节点在高动态网络拓扑下仍能维持正常数据传输服务。
16.如图1所示，基于链路稳定优先的空天地一体化网络路由方法如下：
17.步骤200，在高空高速自组网中，为简化系统模型，本发明假设所有通信节点位于同一高度平面，因此如图2所示，本发明对节点的运动速度v及相对距离进行二维分解：
[0018][0019]
因此两节点i和j的相对运动速度可以表示为：
[0020][0021]
两节点i和j间的相对距离也进行分解表示为：
[0022][0023]
步骤230，链路持续时间t
ld
不仅和节点间距离以及相对运动速度相关，更与节点间的通信传输半径有关。对于通信半径为r的两个节点，有以下表示：
[0024]
其中，
[0025]
将相对距离与相对速度公式代入上式，可得：
[0026][0027]
代入可得：[|v'
x
(i,j)|*t
ld
+d
x
(ij)]2+[|v'
y
(i,j)|*t
ld
+d
y
(ij)]2＝r2。
[0028]
解上式方程可得：t
ld
＝t
′
ld
‑
t
″
ld
，其中：
[0029]
[0030][0031]
步骤210，如图3所示，节点1与节点2、3，节点2与节点3、4，节点3和节点4，节点5和节点3、4均各自的通信范围内，其余节点之间不能直接进行数据交换。将节点1和节点5分别作为源节点与目的节点，由于它们都不在各自的通信范围内，所以需要其它节点进行数据转发。使用链路有效性作为路由路径选取的指标，选择1
→2→4→
5作为数据传输的路由路径。
[0032]
步骤220，多条可达路由被记录，当最优路由质量下降时，不需要重新建立路由，而是直接选用其他路由即可。
[0033]
有益效果
[0034]
本发明的基于链路稳定优先的空天地一体化网络路由方法，以提升通信链路持续时间为设计目的，使用链路有效性作为路由路径选取的指标。通过选择链路持续时间最长的路径作为路由路径，减少频繁的路由重组操作，降低路由重组引起的对网络信道的长时间占用，提高网络吞吐量。
附图说明
[0035]
图1是说明书摘要附图；
[0036]
图2是节点运动速度与相对距离分解示意图；
[0037]
图3是高空高速节点分布示意图；
[0038]
图4是高空高速自组网中典型6个节点分布；
[0039]
图5是本发明中高空高速自组网中端到端时延随节点数目的变化与传统rip路由对比关系图；
[0040]
图6是本发明中高空高速自组网中路由更新周期与节点数目的变化与传统rip路由对比关系图；
具体实施方式
[0041]
基于链路稳定优先的空天地一体化网络路由方法实施步骤：
[0042]
步骤300,如图4所示，以6个节点的典型分布为例，，假设每个节点的通信半径是500km，通过本发明中所列的链路持续时间的计算公式，可以得到下表所示每条链路的持续时间，因此可以得到路由表的更新周期。
[0043]
链路abacaeafbcdeef距离(千米)316.2490.0360.6412.3492.0360.6282.8持续时间(秒)75.02.071.0133.31024.9155.7
[0044]
步骤310,网络内两节点捷星通信时，选择链路持续时间最长的路径作为路由路径。
[0045]
步骤320,根据选取结果，记录节点间多条可达路由，形成路由表，当最优路由质量下降时，不需要重新建立路由，而是直接选用其他路由即可。
[0046]
所给方法的端到端时延和更新周期性能如图5和图6所示。
[0047]
由图5可知，随着节点数目的增加，无论是传统rip路由还是本发明优化路由协议，在端到端时延上都在逐渐增加，这是系统内的链路数增加时，路由跳转的停等时间也会逐渐增加，由此造成端到端时延的延长。同时，性能结果显示，优化路由将链路持续时间考虑在路由选择准则中，舍弃了部分最短路径路由，因此端到端时延有所牺牲，不过端到端时延牺牲小于30ms左右。
[0048]
由图6可知，由于节点数目的增加，传统rip路由协议的最短跳转路径准则的路由选择变得丰富，但这也带来了路由表更新周期的迅速下降，意味着网络的鲁棒性快速下降，路由重组引起的对网络信道的长时间占用；反观本方案的优化路由方案，将链路持续时间考虑在路由选择准则中那个，随着节点数目的增加，路由表更新周期逐渐稳定在链路持续时间阈值10s附近，这为高空高速节点自组网的鲁棒性提高提供增益。
[0049]
综上，本发明提出的基于链路持续时间的优化路由协议，在牺牲一定端到端时延的基础上，对网络鲁棒性上具有其明显优越性。