多路径最大吞吐量的星群网络遥感业务传输方法与流程
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种星群网络遥感业务传输方法，可用于链路断续连通的遥感网络环境中，提升任务规划的最大吞吐量。
背景技术：
自1972年美国发射了第一颗陆地卫星后，标志了航天遥感的开始。遥感网络获取数据速度快，周期短，获取手段多样，信息量大，范围广，可为人类探索地物特征提供有力的手段，广泛应用与军事、地质矿产勘探、自然资源调查、城市管理等领域，是其他技术手段所无法比拟的，因此它逐渐成为卫星通信领域研究的热点。
然而遥感卫星网络存在断续连通、误码率高、时延长等特点，若直接将现有的地面tcp/ip协议应用与卫星网络中，节点的高速移动性导致其拓扑的断续连通，数据传输效率将会十分低下。如何合理分配网络数据流，最大化端到端网络吞吐量，是亟需解决的问题，需设计一种适用于遥感卫星网络的最大吞吐量的传输方法。
为了更好的解决遥感卫星网络最大流问题，需要构建合适的模型来描述遥感卫星网络。因此很多学者利用传统的静态图解决空间网络数据传输问题，将卫星网络按时间分割为一系列的快照图，按照传统的静态图网络思想在静态图里面寻找最短时延路径或者最大流，由于传统的静态图割裂了不同时段间的拓扑联系，导致不同的选路顺序所求的最大流不同。如附图2所示，若先选s-a-d，再选s-a-b-d，求得最大流为5；若先选择s-a-d，再选择s-b-d，求得最大流为7。正是由于选路顺序带来的影响，至今没有在快照图上找到求解最大流的有效方法，制约了遥感卫星网络的最大流数据传输。
技术实现要素：
本发明目的在于针对上述问题，提出一种多路径最大吞吐量的星群网络遥感业务传输方法，以解决现有的遥感卫星数据分发领域大数据传输量低下，下载速率慢，数据获取周期长的问题，为遥感业务数据的最大传输与路由规划提供了理论指导，提升了网络最大吞吐量。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
(1)获取遥感任务需要传输的数据量mflow和任务传输的时间约束t；
(2)根据遥感卫星网络拓扑信息，获得链路容量序列：
获取遥感卫星在约束时间范围内的网络拓扑信息，将任务时间约束t划分为m个不定间隔的时间段，使得遥感网络在一个固定的时间段t内的拓扑是固定不变的，依据划分的m个时间段，计算每条链路的时间容量序列c(t)＝(c1,c2,...,ct,...,cm)，其中t是给定的时间约束范围，ct是指链路在给定时间段t的总容量；
(3)初始化存储传递序列，构建时间扩展图：
用时间扩展图中每个节点不同时段间的链路构成一个存储传递序列：s(t)＝(s1,s2...,st,...,sm-1)，其中，st是指在在t-1时段向t时段存储转移的数据量，并初始化st为无穷大；依据链路容量序列c(t)和存储传递序列s(t)构建时间扩展图，即在同一时段不同的节点之间添加链路容量边ct，在不同时段的相同节点间添加存储边st；
(4)在时间扩展图中寻找增广路径：
(4a)设定时间扩展图所描述的卫星网络当前最大流：totfmax(t)＝0；
(4b)将源节点s设为增广路径l的当前找路出发点，并将出发时间tbegin设定为第一个时间段tbegin＝1；
(4c)依据当前的节点邻接关系，寻找有效的邻接链路：
若节点存在一条邻接链路满足t≥tbegin，且链路容量ct≥0，则该邻接链路有效，并记录所有有效的邻接链路，执行(4d)；反之，当前节点不存在可用的邻接链路，执行(4e)；
(4d)从所有的有效的邻接链路中选择具有最早连通时段tnew＝min(t)的一条链路，将此链路的终止节点作为增广路径的下一跳节点，并将此链路的终止节点设置为新的找路节点，设定当前节点的找路出发时间为tbegin＝tnew，执行步骤(4f)；
(4e)判断当前节点是否为源节点s：
若当前节点为源节点s，则不存在增广路径，结束循环，输出卫星网络最大流totfmax(t)，执行(8)，否则，将当前节点的上一跳邻接链路设为无效，在增广路径l中删除该节点，同时把当前节点的上一跳节点设为增光路径l新的找路节点，返回步骤(4c)；
(4f)判断当前节点是否为终点d：
若当前节点为终点d，执行步骤(5)，否则执行步骤(4c)；
(5)结束当前找路，得到网络的一条增广路径l，设定增广路径l的临时最大流为fmax(t)，并初始化为0。
(6)计算临时最大流并获得残余网络
(6a)依据找到的增广路径计算当前链路所允许的最大可行流f(t)；
(6b)更新增广路径l的临时最大流fmax(t)＝f(t)，依据可行流计算当前链路剩余容量以及反向链路容量，更新残余网络。
(7)将计算出的增广路径l的临时最大流fmax(t)与totfmax(t)累加，累加的结果作为网络当前的最大流totfmax(t)，返回步骤(4b)。
(8)判断totfmax(t)是否大于遥感业务需求量mflow，若是，则输出最大流方案规划，结束。反之，则认为网络传输最大吞吐量为totfmax(t)，不能在给定的的时间段内完成遥感任务规划。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
第一，传统快照图中不同时间段网络拓扑的割裂会导致数据包的大量丢弃，本发明利用时间扩展图对遥感网络进行建模，能够对遥感网络传输需求进行精确表征，并通过缓存转移序列，联系了不同时间段的拓扑，充分利用了卫星节点的缓存资源，有效提升了数据包的投递率。
第二，本发明在时间扩展图中对网络进行求解，通过多次寻找最先时刻连通的增广路经，不断更新残余网络，直到无法找到一条有效的增广路经，得到时间扩展图中端到端的网络最大流，进而得到多路径最大吞吐量的遥感业务传输方法，能够有效指导遥感业务的最大流路由规划。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是本发明使用的时间扩展图模型示意图；
图3是本发明求解网络最大流实施例的示意图。
具体实施方式
下面参照附图，对本发明实施例进行详细描述：
参照图1，本实例的实现步骤如下：
步骤1，获取遥感任务需求
本实施例中，假定获取到的遥感任务需要传输的量为mflow＝14，时间约束t＝10。
步骤2，获得链路容量序列
(2a)获取遥感卫星在约束时间范围内的网络拓扑信息，将任务时间约束t划分为m个不定间隔的时间段，使得遥感网络在一个固定的时间段t内的拓扑是固定不变的；
(2b)依据划分的m个时间段，计算每条链路的时间容量序列：c(t)＝(c1,c2,...,ct,...,cm)，其中t是给定的时间约束范围，ct是指链路在给定时间段t的容量；
如附图2(a)所示，本实施例的时间扩展图中有4个节点(s，a，b，d)和5条有向链路集合{(s,a),(s,b),(a,b),(a,d),(b,d)}，假设网络在1s的时间段内拓扑是固定不变的，就可以1s为时间间隔把t＝5s分割成m＝5个时间段，每个时间段的链路容量等于ct＝bt×t，bt是给定时间段t的链路带宽，t是划分的时间段。
下面以链路(s，a)为例说明时间容量序列c(t)的计算方法：
给定链路(s，a)的带宽序列b(t)＝(4,0,6,0,0)，t＝1，则
c(t)＝(4×1,0×1,6×1,0×1,0×1)＝(4,0,6,0,0)，
按照上述方式，计算出所有链路的容量序列。
步骤3，构建时间扩展图
(3a)用时间扩展图中每个节点不同时段间的链路构成一个存储传递序列：
s(t)＝(s1,s2...,st,...,sm-1)，
其中，st是指在在t-1时段向t时段存储转移的数据量，并初始化st为无穷大，其中1≤t≤m-1；
(3b)依据链路容量序列c(t)和存储传递序列s(t)构建时间扩展图，即在同一时段不同的节点之间添加链路容量边ct，在不同时段的相同节点间添加存储边st；
如附图2(b)所示，将所有链路容量序列c(t)＝(c1,c2,...,ct,...,cm)标注在对应边上，以(s，a)为例说明其添加方法：
由步骤2可知，链路(s，a)的容量序列为(4,0,6,0,0)，将1时段的(s，a)链路容量标注为4,将3时段的(s，a)链路容量标注为6；
对所有节点的不同时段间添加存储链路,以s节点为例，说明其添加方法：
由(s，a)的链路容量序列可知，s节点只有1时段、2时段和3时段的邻接链路，所以在1时段和2时段之间添加有向存储边，在2时段和3时段之间添加有向存储边，为了方便，设存储边的大小为无穷大，不进行标注。
(3c)按照上述(3a)到(3b)的过程，添加所有链路的容量边和所有节点的存储边，添加完成之后，完成时间扩展图的构建。
步骤4，在时间扩展图中寻找增广路径。
(4a)设定时间扩展图所描述的卫星网络当前最大流为：totfmax(t)＝0；
(4b)将源节点s设为增广路径l的当前找路出发点，并将出发时间tbegin设定为第一个时间段tbegin＝1；
(4c)依据当前的节点邻接关系，寻找有效的邻接链路：
若节点存在一条邻接链路满足t≥tbegin，且链路容量ct≥0，则该邻接链路有效，并记录所有有效的邻接链路，执行(4d)；反之，当前节点不存在可用的邻接链路，执行(4e)；
(4d)从所有的有效的邻接链路中选择具有最早连通时段tnew＝min(t)的一条链路，将此链路的终止节点作为增广路径的下一跳节点，并将此链路的终止节点设置为新的找路节点，设定当前节点的找路出发时间为tbegin＝tnew，执行步骤(4f)；；
本实施例中，如附图3(a1)所示，源点s的有效邻接链路有(s,a)和(s,b)，对应的有效连通时段分别为t(s,a)＝1，t(s,a)＝3和t(s,b)＝2，其中，t(s,a)表示链路(s，a)的连通时段，t(s,b)表示链路(s，b)的连通时段，选择具有最早连通时段的tnew＝min(1,3,2)＝1的邻接链路(s,a)，将链路(s,a)的终止节点a作为增光路径l的下一跳节点，并将节点a设置为新的当前找路节点，并设定当前a节点的找路出发时间为tbegin＝tnew＝1；
(4e)判断当前节点是否为源节点s：
若当前节点为源节点s，则不存在增广路径，结束循环，输出卫星网络最大流totfmax(t)，执行步骤6，否则，将当前节点的上一跳邻接链路设为无效，在增广路径l中删除该节点，同时把当前节点的上一跳节点设为增光路径l新的找路节点，返回步骤(4c)；
(4f)判断当前节点是否为终点d：
若当前节点为终点d，结束当前找路，得到网络的一条增广路径l，设定增广路径l的临时最大流为f(t)，并初始化为无穷大；否则，返回步骤(4c)；
本实施例，通过循环寻找下一跳来求得增广路径，a节点的邻接链路有(a，b)和(a，d)，对应的有效连通时段t(a,b)＝1，t(a,d)＝4，t(a,d)＝5，其中t(a,b)表示链路(a，b)的连通时段，t(a,d)表示链路(a，d)的连通时段，选择具有最早连通时段的tnew＝min(1,4,5)＝1的邻接链路(a,b)，得到节点a的下一跳节点b，并将节点b设置为新的当前找路节点，并设定当前b节点的找路出发时间为tbegin＝tnew＝1，同理，可以求得节点b的下一跳节点d，由于节点d是终点，所以得到的增广路径l为：s→a→b→d，如附图3(a1)所示。
步骤5，计算临时最大流，获得残余网络
(5a)依据找到的增广路径计算当前链路所允许的最大可行流f(t)；
本实施例，选取增广路径s→a→b→d后，计算当前链路允许的最大可行流，其计算方式为：
其中，(a,b)，(p,q)，(u,v)分别代表网络中不同的链路，t1，t2，t3分别代表不同的时间段，
根据图3(a1)可以得到，链路(s，a)的容量：
(5b)依据可行流计算当前链路反向链路容量以及剩余容量，更新残余网络；
(5b1)按如下公式计算链路的反向链路容量：
cfv,u(t)＝f(t)，(v,u)∈e
其中cfv,u(t)是链路反向容量，fu,v(t)是链路最大可行流量，
本实例，根据(5a)中得到的最大可行流4，计算得到反向链路容量等于最大可行流4；
(5b2)按如下公式计算链路剩余流量：
cfu,v(t)＝cu,v(t)-f(t)，(u,v)∈e
其中cfu,v(t)是链路剩余容量，cu,v(t)是当前链路容量，e是时间扩展图中链路的集合；本实例中，(s，a)链路的当前容量为4，(a，b)链路的当前容量为6，(b，d)链路的当前容量为4，计算得到(s，a)链路的剩余流量为：4-4＝0，(a，b)链路的剩余流量为：6-4＝2，链路(b，d)的链路剩余流量为：4-4＝0；
(5b3)将链路的反向链路容量和链路剩余流量标注在对应边上，得到其残余网络，如图3(a2)所示。
步骤6，循环找路过程，累加得到网络最大流。
将计算出的增广路径l的临时最大流fmax(t)与totfmax(t)相加，相加的结果作为网络当前的最大流totfmax(t)，返回步骤(4b)，继续循环找路过程，直到源节点没有一条有效的增广路径为止。
如附图3所示，本实例的左边是增广路径，右边是残余网路。根据步骤4，先在附图3(a1)中找到一条增广路径s→a→b→d，通过步骤5计算得到增广路径s→a→b→d的最大流为4，并得到增广路径的剩余路径和残余网络，如图3(a2)；
再在图3(b1)中继续寻找一条s→b→a→d的增广路径，通过计算得到增广路径s→b→a→d的最大流为4，并得到增广路径的剩余路径和残余网络，如图3(b2)所示；
接着，在3(c1)中继续寻找s→a→d的增广路径，通过计算得到增广路径s→a→d的最大流为2，并得到增广路径的剩余路径和残余网络，如图3(c2)所示；
接着，在3(d1)中继续寻找s→a→d的增广路径，通过计算得到增广路径s→a→d的最大流为4，并得到增广路径的剩余路径和残余网络，如图3(d2)所示；
继续在3(d2)中寻找路经，直到从源节点s开始，没有一条有效的邻接链路，则结束寻找，最终得到网络最大流为totfmax(t)＝4+4+2+4＝14。
步骤7，判断是否能够完成遥感业务规划。
判断totfmax(t)是否大于等于遥感业务需求量mflow，若是，则输出最大流方案规划，结束传输方案规划过程，反之，则认为传输需求最大为totfmax(t)，不能完成业务按需规划。
本实施例中，mflow＝14，等于最大流14，能够在时间约束t＝5s内完成任务规划。
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改和改变，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和保护范围之内。
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