基于资源时变图的空间信息网络连通性分析方法与流程

本发明属于空间信息技术领域，涉及一种空间信息网络连通性的分析方法，特别涉及一种基于资源时变图的空间信息网络连通性分析方法，可用于评估空间信息网络连通性和指导空间信息网络的设计。

背景技术：

资源时变图是一种可以对空间信息网络节点之间随时间不断变化的连通关系进行表征的多层有向图。其构造思路为：对空间信息网络的运行周期均匀划分；初始化一张多层有向图；根据空间信息网络的节点集合和各个节点的通信范围，向多层有向图中添加节点和不同资源弧；多层有向图即为空间信息网络的资源时变图。

空间信息网络是以空间平台(如同步卫星或中、低轨道卫星和有人或无人驾驶飞机等)为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。由于空间信息网络中的节点处于高速运动之中，网络拓扑往往具有随时间变化、断续连通等特点，因此空间信息网络是动态网络的一种。并且卫星节点通常采用存储—携带—转发而不是存储—转发的方式传输数据。与传统地面网络相比，空间信息网络具有覆盖面广、组网灵活、不受地理环境限制等突出特点，从而能够保证高速率传输和提供较宽的带宽，支持灵活的、大规模的网络结构。近年来，空间信息网络在很多方面发挥着越来越重要的作用。

连通性作为衡量通信网络受到干扰后的通信能力的一个重要指标，对网络的规划和优化具有重要意义。根据网络拓扑是否随时间变化将网络分为静态网络和动态网络，因为动态网络节点之间很可能不存在实时连通链路且通常采用存储—携带—转发的方式进行数据传输，动态网络中的路径通常跨越一段时间。在传统的动态网络连通性分析中，如果在给定时间范围内，动态网络中的源结点和目的节点之间存在一条时空路径，则称节点之间具有连通性。传统动态网络中的连通性分析只考虑了在给定时间范围内节点间是否存在路径，无法定量分析动态网络中源结点和目的节点之间路径的数目，导致动态网络连通性分析的准确性较低。

针对上述问题，申请公布号为cn104917650a，名称为“一种挑战网络的空时可达性分析方法”的专利申请中，公开了一种挑战网络的空时可达性分析方法。挑战网络也是一种网络拓扑随时间变化的动态网络，该方法克服了传统动态网络连通性分析方法无法准确定量分析挑战网络通信性能的不足。该方法通过引入时间维度，将静态的网络连接图转变为随时间变化的网络图，在此基础之上提出了较传统的“连通性”更为宽泛的消息“n空时可达性”的概念并进行了分析。该方法考虑了路径数目和时间范围，提高了动态网络的连通性分析的准确性。但存在的缺陷是没有考虑路径之间的关联性，动态网络中存在节点之间的链路可能由于发生故障而导致在连续一段时间内不可用的情况，导致动态网络的连通性分析的准确性仍然较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于资源时变图的空间信息网络连通性分析方法，用于解决现有技术在衡量网络连通性时存在的因为没有考虑路径之间的关联性所导致的连通性分析准确性较低的技术问题。

本发明的技术思路为：利用资源时变图将空间信息网络的动态拓扑用多层有向图表示，在此基础上综合考虑了空间信息网络中的不相交路径数目k、时隙窗口长度l及不相交路径之间的关联性参数n，提出空间信息网络的(k,n,l)连通性指标，并进一步用图论相关算法对连通性指标进行分析，反映了在任意连续多个时隙内，网络受到持续干扰后的通信能力，为空间信息网络的连通性能测量提供了定量分析方法。

根据上述技术思路，实现本发明目的采取的技术方案包括如下步骤：

(1)构建空间信息网络的资源时变图gt(v,a)：

将空间信息网络的运行周期[0,ttotal]划分为t个等长的时隙，并根据得到的空间信息网络的时隙集合γ，以及卫星集合cs和每个卫星节点的通信范围，构造空间信息网络的资源时变图gt(v,a)，其中，γ＝{1,...,t}，t∈[2,∞)，cs＝{cs1,cs2,...,csi,...csm}，m为空间信息网络中卫星的总数目，csi表示第i个卫星节点，i∈[1,m]，v为cs在各个时隙内的副本组成的集合，a为包括存储弧集合as、传输弧集合at和辅助弧集合ar组成的资源弧集合；

(2)定义空间信息网络连通性指标：

(2a)定义资源时变图gt(v,a)中的路径：

将资源时变图gt(v,a)中源节点s和目的节点d之间路径的定义为n条首尾相接的资源弧组成的序列j：j＝{e1,e2,...,ei,ei+1,...,en}，其中，ei∈a，n∈[1,∞)，start(e1)＝s，end(en)＝d，start(ei+1)＝end(ei)，start(ei)和end(ei)分别代表资源弧ei的起始节点和终止节点；

(2b)定义资源时变图gt(v,a)中的n不相交路径：

假设资源时变图gt(v,a)中存在由若干条从源节点s到目的节点d的路径所组成的集合，且该集合中任意两条路径j1和j2满足correlation(j1,j2)＝min{d(e1,e2)，则称该集合中的所有路径为n不相交的，其中，n为不相交路径的关联性参数，如果两条路径是n不相交的，则这两条路径在连续n个时隙内都没有使用相同卫星节点间的链路，当某条链路因为云层遮挡或者故障导致连续n个时隙不可用时，最多会使一条路径失效；

(2c)定义基于资源时变图gt(v,a)的空间信息网络连通性指标：

假设资源时变图gt(v,a)中源节点s和目的节点d在任意连续l个时隙内均存在k条n不相交路径，则将(k,n,l)连通性作为空间信息网络连通性指标，其中，k为源节点s和目的节点d在任意连续l个时隙内存在的n不相交路径的数目，n不相交路径可以同时进行数据传输，l为时隙窗口长度，其数值与数据传输的平均时隙数目相等，且l≤t；

(3)基于资源时变图gt(v,a)分析空间信息网络的连通性：

(3a)初始化参数：

根据网络实际场景及分析需求，对不相交路径的关联性参数n和时隙窗口长度l进行初始化，并判断n是否等于1，若是，执行步骤(3b)，否则执行步骤(3c)；

(3b)分析空间信息网络的连通性指标：

(3b1)初始化参数：

设迭代次数为t并初始化为t＝1，1不相交路径的数目k1＝∞；

(3b2)设置资源时变图gt(v,a)资源弧的容量：

设置资源时变图gt(v,a)中每一条存储弧和每一条辅助弧的容量均为∞，每一条传输弧的容量为1；

(3b3)计算资源时变图中源节点s和目的节点d之间的最大流k'1：

采用增广路算法，通过资源时变图中资源弧的容量，计算中源节点s和目的节点d之间最大流为k'1，其中，表示gt(v,a)中时隙范围为[t,t+l-1]所构成的资源时变图；

(3b4)判断k'1＜k1是否成立，若是，令k1＝k'1，t＝t+1，否则，令t＝t+1；

(3b5)判断当前迭代次数t＞t-l+1是否成立，若是，则空间信息网络具有(k1,1,l)连通性，否则执行步骤(3b3)；

(3c)分析空间信息网络的连通性指标：

(3c1)初始化参数：

设迭代次数为t'并初始化为t'＝1，n不相交路径数目kn＝∞；

(3c2)对资源时变图中资源弧进行权重赋值：

设置资源时变图中每一条存储弧和每一条辅助弧的权重均为0，每一条传输弧的权重为在n个时隙窗口内与传输弧e使用相同卫星节点间链路的传输弧集合的大小，即其中，为gt(v,a)中时隙范围为[t',t'+t-1]所构成的资源时变图，设资源时变图中源节点s和目的节点d之间资源弧权重和最小路径的数目为k'n，并初始化k'n＝0；

(3c3)根据广度优先遍历算法，判断资源时变图中源节点s和目的节点d是否存在路径，若是，执行步骤(3c4)，否则执行步骤(3c5)；

(3c4)计算资源时变图中源节点s和目的节点d之间资源弧权重和最小路径，并更新

采用dijkstra最短路径算法，计算资源时变图中源节点s和目的节点d之间资源弧权重和最小路径，并将最小路径中包含的每一条传输弧和在n个时隙窗口内与传输弧e'使用相同卫星节点间链路的传输弧从中删除，令k'n＝k'n+1，执行步骤(3c3)；

(3c5)判断k'n＜kn是否成立，若是，令kn＝k'n，t'＝t'+1，否则，令t'＝t'+1；

(3c6)判断当前迭代次数t'＞t-l+1是否成立，若是，则空间信息网络具有(kn,n,l)连通性，否则执行步骤(3c2)。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明利用资源时变图获取空间信息网络中的不相交路径数目k、时隙窗口长度l及不相交路径之间的关联性参数n，提出空间信息网络的(k,n,l)连通性指标并进行分析，可以更细粒度地衡量空间信息网络连通性，与现有技术相比，有效地提高了空间信息网络连通性分析的准确性。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明实施例中空间信息网络的资源时变图；

图3是本发明实施例中资源时变图中源节点和目的节点之间的路径图；

图4是本发明实施例中资源时变图中的2不相交路径图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，实施例仅用于说明本发明，并不构成对本发明的任何限制。

参照图1，一种基于资源时变图的空间信息网络连通性分析方法，包括以下步骤：

步骤1)构建空间信息网络的资源时变图g4(v,a)：

考虑由4颗卫星构成的空间信息网络，卫星集合记为cs＝{cs1,cs2,cs3,cs4}，源卫星节点为cs1、目的卫星节点为cs4，设该网络的运行周期为[0,4τ]，将运行周期划分为4个等长的时隙，得到空间信息网络的时隙集合γ＝{1,2,3,4}，根据卫星集合cs、时隙集合γ以及每个卫星节点的通信范围，构造空间信息网络的资源时变图g4(v,a)；

步骤1a)初始化：

将待构造的空间信息网络的资源时变图g4(v,a)初始化为一张空白的4层有向图，其中，v为cs在各个时隙内的副本组成的集合，a为包括存储弧集合as、传输弧集合at和辅助弧集合ar组成的资源弧集合，令

步骤1b)向4层有向图中添加节点：

遍历卫星集合cs中的所有卫星节点，对每一个卫星节点csi∈cs，向t层有向图中添加节点其中，位于第l层有向图中，更新节点集合

步骤1c)向4层有向图中添加传输弧at：

遍历卫星集合cs中的所有卫星节点对csi,csj∈cs，csi≠csj，根据星历表中的卫星轨迹和卫星节点的通信范围可知，和和和和和和和和和和和互相在通信范围内，因此，在4层有向图中添加传输弧资源弧为无向弧，更新资源弧集合a＝a∪at；

步骤1d)向4层有向图中添加存储弧as：

遍历卫星集合cs中的所有卫星节点，对每一个卫星节点csi∈cs，在t层有向图中所有相邻层的csi之间添加存储弧存储弧为有向弧，更新资源弧集合a＝a∪as；

步骤1e)向4层有向图中添加源节点s和目的节点d：

在4层有向图中中加入源节点s和目的节点d，更新节点集合v＝v∪{s,d}；

步骤1f)向4层有向图中添加辅助弧ar：

向源节点s与源卫星节点cs1在4层有向图中所有时隙内的副本之间，以及目的卫星节点cs4在4层有向图中所有时隙内的副本与目的节点d之间，添加辅助弧辅助弧是有向弧，更新资源弧集合a＝a∪ar，添加有节点和资源弧的t层有向图即为空间信息网络的资源时变图g4(v,a)，如图2所示，其中的实线、虚线和点画线分别代表资源时变图g4(v,a)中的存储弧、传输弧和辅助弧；

步骤2)定义空间信息网络连通性指标：

步骤2a)定义资源时变图g4(v,a)中的路径：

因为空间信息网络中的链路具有断续连通特性，因此空间信息网络中的路径可以跨越多个时隙，对应的资源时变图中的路径可以跨越多层。基于上述性质，将资源时变图g4(v,a)中源节点s和目的节点d之间路径的定义为n条首尾相接的资源弧组成的序列j：j＝{e1,e2,...,ei,ei+1,...,en}，其中，ei∈a，n∈[1,∞)，start(e1)＝s，end(en)＝d，start(ei+1)＝end(ei)，start(ei)和end(ei)分别代表资源弧ei的起始节点和终止节点，图3中的粗实线箭头表示的是资源时变图g4(v,a)中源节点s和目的节点d之间的一条路径

步骤2b)定义资源时变图g4(v,a)中的n不相交路径：

假设资源时变图g4(v,a)中存在由若干条从源节点s到目的节点d的路径所组成的集合，且该集合中任意两条路径j1和j2满足则称该集合中的所有源节点s到目的节点d之间的路径为n不相交的，其中，n为不相交路径的关联性参数。如果两条路径是n不相交的，则这两条路径在连续n个时隙内都没有使用相同卫星节点间的链路，当某条链路因为云层遮挡或者故障导致连续n个时隙不可用时，最多会使一条路径失效。在图4中，粗实线箭头所表示的两条路径和是2不相交的；

步骤2c)定义基于资源时变图g4(v,a)的空间信息网络连通性指标：

假设资源时变图g4(v,a)中源节点s和目的节点d在任意连续l个时隙内均存在k条n不相交路径，则将(k,n,l)连通性作为空间信息网络连通性指标，其中，k为源节点s和目的节点d在任意连续l个时隙内存在的n不相交路径的数目，n不相交路径可以同时进行数据传输，l为时隙窗口长度，其数值与数据传输的平均时隙数目相等，且l≤t。如果空间信息网络具有(k,n,l)连通性，从任一时隙开始的l个时隙内可以同时使用k条n不相交路径同时传输数据，并且某条链路连续n个时隙不可用时，仍然可以使用其余k-1条路径进行传输，空间信息网络的连通性得到保障；

步骤3)基于资源时变图g4(v,a)分析空间信息网络的连通性：

步骤3a)初始化参数：

根据网络实际场景及分析需求，对不相交路径的关联性参数n和时隙窗口长度l进行初始化，n可以取1或大于1任何整数。在本实施例中，分析空间信息网络在l＝3，n分别为1和2两种情况下的连通性，当n等于1时，执行步骤(3b)，当n等于2时，执行步骤(3c)；

步骤3b)分析空间信息网络的连通性指标：

步骤3b1)初始化参数：

设迭代次数为t并初始化为t＝1，1不相交路径的数目k1＝∞；

步骤3b2)设置资源时变图g4(v,a)资源弧的容量：

设置资源时变图g4(v,a)中存储弧和辅助弧的容量均为∞，传输弧的容量均为1；

步骤3b3)计算资源时变图中源节点s和目的节点d之间的最大流k'1：

采用增广路算法，通过资源时变图中资源弧的容量，计算中源节点s和目的节点d之间最大流为k'1＝4，其中，表示g4(v,a)中时隙范围为[1,3]所构成的资源时变图；

步骤3b4)k'1＜k1成立，令k1＝k'1＝4，t＝t+1＝2；

步骤3b5)当前迭代次数t＞2不成立，执行步骤3b6)；

步骤3b6)计算资源时变图中源节点s和目的节点d之间的最大流k'1：

采用增广路算法，通过资源时变图中资源弧的容量，计算中源节点s和目的节点d之间最大流k'1＝3，其中，表示g4(v,a)中时隙范围为[2,4]所构成的资源时变图；

步骤3b7)k'1＜k1成立，令k1＝k'1＝3，t＝t+1＝3；

步骤3b8)当前迭代次数t＞2成立，则空间信息网络具有(3,1,3)连通性；

步骤3c)分析空间信息网络的连通性指标：

步骤3c1)初始化参数：

设迭代次数为t'并初始化为t'＝1，2不相交路径数目k2＝∞；

步骤3c2)对资源时变图中资源弧进行权重赋值：

设置资源时变图中存储弧和辅助弧的权重均为0，每一条传输弧的权重为在n个时隙窗口内与传输弧e使用相同卫星节点间链路的传输弧集合的大小，即因此，传输弧权重越大，说明这条传输弧对其他传输弧产生的影响越大。为g4(v,a)中时隙范围为[1,3]所构成的资源时变图，设资源时变图中源节点s和目的节点d之间资源弧权重和最小路径的数目为k'2，并初始化k'2＝0；

步骤3c3)根据广度优先遍历算法得出资源时变图中源节点s和目的节点d之间存在路径，执行步骤3c4)；

步骤3c4)计算资源时变图中源节点s和目的节点d之间资源弧权重和最小路径，并更新

采用dijkstra最短路径算法，计算出资源时变图中源节点s和目的节点d之间资源弧权重和最小路径为对于最小路径中包含的传输弧由于不存在2个时隙窗口内与传输弧使用相同卫星节点间链路的传输弧只需将从中删除，令k'2＝k'2+1＝1，执行步骤3c5)；

步骤3c5)根据广度优先遍历算法得出资源时变图中源节点s和目的节点d之间存在路径，执行步骤3c6)；

步骤3c6)计算资源时变图中源节点s和目的节点d之间资源弧权重和最小路径，并更新

采用dijkstra最短路径算法，计算出资源时变图中源节点s和目的节点d之间资源弧权重和最小路径为将最小路径中包含的传输弧和及在2个时隙窗口内与和使用相同卫星节点间链路的传输弧从中删除，令k'2＝k'2+1＝2，执行步骤3c7)；

步骤3c7)根据广度优先遍历算法得出资源时变图中源节点s和目的节点d之间存在路径，执行步骤3c8)；

步骤3c8)计算资源时变图中源节点s和目的节点d之间资源弧权重和最小路径，并更新

采用dijkstra最短路径算法，计算出资源时变图中源节点s和目的节点d之间资源弧权重和最小路径为将最小路径中包含的传输弧和及在2个时隙窗口内与和使用相同卫星节点间链路的传输弧和从中删除，令k'2＝k'2+1＝3，执行步骤3c9)；

步骤3c9)根据广度优先遍历算法得出资源时变图中源节点s和目的节点d不存在路径，执行步骤3c10)；

步骤3c10)k'2＜k2成立，令k2＝k'2＝3，t'＝t'+1＝2；

步骤3c11)当前迭代次数t'＞2不成立，执行步骤3c12)；

步骤3c12)对资源时变图中资源弧进行权重赋值：

设置资源时变图中存储弧和辅助弧的权重均为0，每一条传输弧的权重为在n个时隙窗口内与传输弧e使用相同卫星节点间链路的传输弧集合的大小，即因此，传输弧权重越大，说明这条传输弧对其他传输弧产生的影响越大。为g4(v,a)中时隙范围为[2,4]所构成的资源时变图，设资源时变图中源节点s和目的节点d之间资源弧权重和最小路径的数目为k'2，并初始化k'2＝0；

步骤3c13)根据广度优先遍历算法得出资源时变图中源节点s和目的节点d之间存在路径，执行步骤3c14)；

步骤3c14)计算资源时变图中源节点s和目的节点d之间资源弧权重和最小路径，并更新

采用dijkstra最短路径算法，计算出资源时变图中源节点s和目的节点d之间资源弧权重和最小路径为对于最小路径中包含的传输弧和由于不存在2个时隙窗口内与传输弧和使用相同卫星节点间链路的传输弧因此只需将和从中删除，令k'2＝k'2+1＝1，执行步骤3c15)；

步骤3c15)根据广度优先遍历算法得出资源时变图中源节点s和目的节点d之间存在路径，执行步骤3c16)；

步骤3c16)计算资源时变图中源节点s和目的节点d之间资源弧权重和最小路径，并更新

采用dijkstra最短路径算法，计算出资源时变图中源节点s和目的节点d之间资源弧权重和最小路径为将最小路径中包含的传输弧和及在2个时隙窗口内与传输弧和使用相同卫星节点间链路的传输弧和从中删除，令k'2＝k'2+1＝2，执行步骤3c17)；

步骤3c17)根据广度优先遍历算法得出资源时变图中源节点s和目的节点d之间不存在路径，执行步骤3c18)；

步骤3c18)k'2＜k2成立，令k2＝k'2＝2，t'＝t'+1＝3；

步骤3c19)当前迭代次数t'＞2成立，则空间信息网络具有(2,2,3)连通性。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。