专利名称：基于负载均衡的卫星网络按需路由方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，涉及路由方法，可用于网络协议中解决卫星网络中的流量负载不均衡问题。
背景技术：
卫星通信网络具有覆盖范围广、不受地理条件限制等先天优势，在通信发展的过程中一直受到人们的重视。卫星网络由一定数量的卫星节点和连接卫星的星际链路ISL构成。大部分具有ISL的卫星网络都采用如图1所示的极轨道星座。以Iridium系统为例，除了反向缝两侧的两个相邻轨道面上的卫星外，每颗卫星均维持4条ISL，分别与同轨道面上前后两颗邻居卫星和左右相邻轨道面上的两颗邻居卫星互连。每颗卫星都由虚拟坐标(X， y)唯一确定，其中χ和ι分别表示卫星轨道坐标号和卫星轨道内坐标号。由于地域和时区差异、星座运转及地球自转，卫星网络承载分布不均衡且具有时变特性的流量负载。单颗卫星既可能覆盖人口稀少的区域，如极地区域和海洋，也可能覆盖人口密集且数据量密集的区域，如发达国家的主要城市。负载不均衡会使得有些路径占用率过高，造成拥塞和分组丢失，因此提出的路由算法应能支持流量负载均衡以避免出现网络拥塞，或者在出现拥塞时能够及时有效地消除拥塞带来的不利影响。目前已有一些学者提出了各种卫星网络负载均衡路由算法。i^ (Hui Li, Xuemai Gu, Adaptive ATM Routing in Walker Delta Satellite Communication Networks,1st International Symposium on Systems and Control in Aerospace and Astronautics, 2006,pp. 368-373.)提出适合面向连接的卫星 ATM 网络的、 动态自适应最小阻塞路由策略。该协议在全球业务量统计模型下，采用适合卫星星座的业务区域划分方式，根据每条链路的流量负载情况评估网络负载状态，选择阻塞概率最小的最优路径。这种方法根据卫星的周期性和空间位置的确定性，事先计算任意时刻两个卫星节点之间的路径，将这些路由信息制定成该时刻的路由表，以备更新。该方法能进行整体路径性能的比较，实现全局优化，但是该算法基于事先确定的统计模型，对于突发的高业务流量缺乏适应性，另外该算法只适用于Walker delta星座卫星网，可移植性低。文献(Yan He，Susanna Pelagatti，CRT :an Adaptive Routing Protocol for LEO Satellite Networks, Information and Communication Technologies，2006. 2nd， PP. 2496-2501.)用少量的控制信息评估网络负载，动态调整路径，在全网中均衡流量负载， 避免拥塞。该方法利用简单的控制信息，为网络拓扑建立一个有向图，用一个拥塞矩阵描述有向图中当前星座的拥塞状态。拥塞矩阵周期性的更新。根据拥塞矩阵动态调整路径。该算法中，每次网络节点状态变化都要在全网广播，因此网络控制开销较大，需要收集的信息过多，有可能无法及时反映高速动态变化的网络状态。文献(Tarik Taleb, Daisuke Mashimo, Abbas Jamalipour, Kazuo Hashimoto, Yoshiaki Nemoto, and Nei Kato, ELB :An Explicit Load Balancing Routing Protocol for Multi-HopNGEO Satellite Constellations， IEEE Globecom 2006， pp 2776-2780)提出了显式负载均衡路由算法，是一种显式地在临近卫星之间交流拥塞状况信息的路由协议。在该路由协议中，相邻两颗卫星显式地交换队列占用状态信息以表示其目前的传输拥塞状况。当卫星队列占用率超过预先确定的阈值时即表示该卫星即将面临拥塞，为避免拥塞以及由此带来的数据分组丢失，高负载的卫星主动要求其临近卫星减少数据转发速率。 作为回应，临近卫星对即将拥塞的卫星减少数据发送率，并寻找其他的不包括该卫星的替代路径，从而确保局部网络的负载均衡，避免拥塞发生。该算法易实现、开销低且能够实现局部负载均衡，但由于阈值是预先设定的，在负载状况剧烈变化时，该预设阈值无法保证能有效反应网络实时负载状态，因此很难实现精确的负载均衡。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种基于负载均衡的卫星网络按需路由方法，以利用卫星网络实时负载状态计算路由，减小网络控制开销，提高负载均衡精确性。本发明是这样实现的一.技术原理本发明在文献(Tarik Taleb, Daisuke Mashimo, Abbas Jamalipour, Kazuo Hashimoto,Yoshiaki Nemoto, and Nei Kato,ELB :An Explicit Load Balancing Routing Protocol for Multi-Hop NGEO Satellite Constellations, IEEE Globecom 2006, pp 2776-2780)的基础上，引入动态阈值和辅助定位概念，将路由请求过程限定在一个矩形区域内，在路由发现过程中，使用动态阈值实时地反映网络负载的平均状态，每个中间节点将自身负载值同动态阈值进行比较，如果自身负载值大于动态阈值，则说明该中间节点负载较重，丢弃请求分组；否则，说明该中间节点仍有余力承担额外流量负载，则转发该请求分组。在转发请求分组时，只将请求分组传播到那些与目的节点方向一致的星际链路上，即获得方向性指导，从而减小路由发现的盲目性，同时中间节点不回复路由应答分组，以保证选路过程中始终运用最新的负载信息；目的节点从接收到的几个路由请求分组中，通过延时应答的方式选择相对的轻负载路径回复路由应答分组，从而在较小的网络控制开销下实现了精确负载均衡。二.实现步骤(1)当源节点有数据发送时，启动限定路由请求区域进程，根据源节点和目的节点的虚拟坐标位置信息，限定路由请求的最小矩形区域；(2)源节点在最小矩形区域中向中间节点发送路由请求分组RREQ ；(3)中间节点收到RREQ分组，根据RREQ分组中的广播号判断是否已经收到过该请求分组，若收到过该RREQ分组，则丢弃，否则转入步骤；(4)中间节点启动节点负载判决机制，将节点自身的负载值与反映网络平均负载值的动态阈值Γ进行比较，若大于动态阈值Γ，则该节点为重负载节点，丢弃分组，否则， 正常转发请求分组RREQ ；(5)中间节点转发RREQ分组时，通过比较各个节点的虚拟坐标，确定导向路径，将 RREQ分组转发给那些与目的节点方向一致的卫星，并返回步骤(3)；(6)目的节点从接收到的几个RREQ分组中，通过延时应答的方式选择负载值最小的路径向源节点回复RREP分组；(7)当源节点收到目的节点回复的RREP分组后，开始发送数据，至此，路由发现过
程结束。本发明与现有路由协议相比具有以下优点1)本发明采用限制路由请求区域方法，路由发现过程在事先确定的限定区域中进行，限制了路由请求分组的广播范围，从而降低了网络路由开销。2)本发明引入中间节点负载判决机制，动态阈值实时地反映网络负载的平均值， 若中间节点的负载大于动态阈值Γ，则该中间节点就丢弃此路由请求分组，避免了此节点负载的进一步加重；若中间节点的负载小于动态阈值Γ，则节点就接受此路由请求，增加了节点自身的业务量。通过此机制保证了网络中节点有大致相同的业务量，实现了卫星网络流量精确负载均衡。3)本发明在路由请求分组转发过程中，通过比较各个节点的虚拟坐标，确定导向路径，使当前节点只将请求分组转发给那些与目的节点方向一致的节点上，降低了路由请求分组转发的盲目性，减少了路由建立所需的请求分组传输数量，进而降低了网络路由开销。
图1是现有典型极轨道星座模型图；图2是本发明的工作流程图；图3是本发明中的路由请求区域示意图。
具体实施例方式假设采用的网络模型为极轨道星座，源节点和目的节点位置确定，其具体实施步骤参照图2，描述如下步骤1，限定路由请求区域。当源节点有数据发送时，启动限定路由请求区域进程，根据源节点和目的节点的虚拟坐标位置信息，按如下步骤限定路由请求的最小矩形区域(Ia)在确知源节点、目的节点虚拟坐标位置的前提下，假设源节点坐标为(i，j)， 目的节点坐标为(k，l)，按照公式^lin = HiinU,k}计算χ方向上的最小边界值^lin,按照公式Xmax = max{i, k}，计算χ方向上的最大边界值Xmax ；(Ib)按照公式ymin = min{j, 1}_1计算y方向上的最小边界值ymin，按照公式ymax =max{j, 1}+1计算y方向上的最大边界值ymax ；(Ic)按边界值iin、Xfflax, yfflin和ymax确定矩形区域即为路由请求的最小区域，如图 3，图3中在y坐标方向放宽限制的原因是当队列时延作为链路代价考虑标准时，最短路径可能不在最小路由请求区域内，要减小这种可能性，则采取适当宽松的区域限制即在y坐标方向放宽限制。步骤2，源节点发送RREQ分组。源节点在路由表中查找是否存在到达目的节点的路由表项，若该路由表项存在且有效，则按照路由表项中的路径发送数据；若相应的路由表项不存在或者路由表项存在但过期，则源节点启动路由发现过程，即源节点在步骤1所确定的最小矩形区域中向中间节点发送路由请求分组RREQ。步骤3，中间节点转发RREQ分组。(3. 1)中间节点收到RREQ分组，首先根据RREQ分组中的广播号来判断是否已经收到过该请求分组；若收到具有相同广播号的RREQ分组，说明收到过该RREQ分组，则丢弃，否则，说明未收到过该RREQ分组，则转入(3. 2)；(3.2)中间节点启动节点负载判决机制，将节点自身的负载与反映网络平均负载值的动态阈值Γ进行比较，若大于动态阈值Γ，说明该节点为重负载节点，丢弃分组，否则说明有能力处理到达的流量业务，正常转发请求分组RREQ ；动态阈值Γ通过如下公式计算确定
权利要求
1.一种基于负载均衡的卫星网络按需路由方法，包括如下步骤(1)当源节点有数据发送时，启动限定路由请求区域进程，根据源节点和目的节点的虚拟坐标位置信息，限定路由请求的最小矩形区域；(2)源节点在最小矩形区域中向中间节点发送路由请求分组RREQ；(3)中间节点收到RREQ分组，根据RREQ分组中的广播号判断是否已经收到过该请求分组，若收到过该RREQ分组，则丢弃，否则转入步骤；(4)中间节点启动节点负载判决机制，将节点自身的负载值与反映网络平均负载值的动态阈值Γ进行比较，若大于动态阈值Γ，则该节点为重负载节点，丢弃分组，否则，正常转发请求分组RREQ ；(5)中间节点转发RREQ分组时，通过比较各个节点的虚拟坐标，确定导向路径，将RREQ 分组转发给那些与目的节点方向一致的卫星，并返回步骤(3)；(6)目的节点从接收到的几个RREQ分组中，通过延时应答机制选择负载值最小的路径向源节点回复RREP分组；(7)当源节点收到目的节点回复的RREP分组后，开始发送数据，至此，路由发现过程结束ο
2.根据权利要求1所述的基于负载均衡的卫星网络按需路由方法，其中步骤(1)所述的限定路由请求的最小矩形区域，按照如下步骤进行(Ia)在确知源节点、目的节点虚拟坐标位置的前提下，假设源节点坐标为(i，j)，目的节点坐标为(k，1)，按照公式= min U，k}计算χ方向上的最小边界值Iin，按照公式Xmax = max{i, k}，计算χ方向上的最大边界值Xfflax ；(Ib)按照公式ymin = min{j，1}_1计算y方向上的最小边界值ymin，按照公式ymax = max{j, 1}+1计算y方向上的最大边界值ymax ；(Ic)用边界值iin、Xfflax, yfflin和ymax定矩形区域即为路由请求的最小区域。
3.根据权利要求1所述的基于负载均衡的卫星网络按需路由方法，其中步骤(4)所述的动态阈值Γ，通过如下公式计算确定fJQ]+Lave+QiY = ^-，+2其中叫为当前节点i的邻居节点个数，A为当前节点i的流量负载值，％为当前节点 i的邻居节点j的流量负载，Lave是RREQ分组中携带的路径负载信息。
4.根据权利要求1所述的基于负载均衡的卫星网络按需路由方法，其中步骤(5)所述的通过比较各个节点的虚拟坐标，确定导向路径，是按如下规则确定若目的节点轨道坐标号大于当前节点轨道坐标号，则当前节点向轨道坐标号大于当前节点轨道坐标号的下一跳节点转发RREQ分组；若目的节点轨道坐标号小于当前节点轨道坐标号，则当前节点向轨道坐标号小于当前节点轨道坐标号的下一跳节点转发RREQ分组。
5.根据权利要求1所述的基于负载均衡的卫星网络按需路由方法，其中步骤(6)所述的目的节点通过延时应答机制选择负载值最小的路径向源节点回RREP分组，是在第一次收到来自源节点的路由请求时，启动计时器开始倒计时，在延时等待阶段，比较几个来自同一源节点的RREQ分组的负载值，当计时器减为0时，立即对负载值最小的路径回复RREP分组。
全文摘要
本发明公开了一种基于负载均衡的卫星网络按需路由方法，主要解决现有卫星网络中流量负载不均衡的问题。其实现步骤是当源节点有数据发送时，根据源节点和目的节点的方位，限定路由请求的最小矩形区域；源节点在最小矩形区域中向中间节点发送路由请求分组RREQ；中间节点对首次收到的RREQ分组，启动节点负载判决机制，根据判决结果有选择性的转发RREQ分组；中间节点转发RREQ分组时，将RREQ分组转发给与目的节点方向一致的节点；目的节点从收到的RREQ分组中，通过延时应答的方式对负载值最小的路径回复RREP分组；源节点收到RREP分组后，开始发送数据，完成路由发现过程。本发明与现有路由协议相比能够实现卫星网络流量精确负载均衡同时降低网络路由开销。
文档编号H04W28/08GK102231896SQ20111020621
公开日2011年11月2日 申请日期2011年7月21日 优先权日2011年7月21日
发明者张晗啸, 李建东, 李恒, 李长乐 申请人:西安电子科技大学