一种基于时变图的LEO卫星网络多业务组播路由方法

本发明涉及通信，特别涉及一种基于时变图的leo卫星网络多业务组播路由方法。

背景技术：

1、传统的地面网络无法满足偏远农村地区的通信需求，而低地球轨道卫星网络以其广覆盖、高带宽、低时延等特点成为弥补地面网络覆盖盲区最有效的解决方案，是未来天地一体化网络的重要组成部分。卫星通常由太阳能电池板供电，其能量有限，卫星通信是卫星能源消耗的主要部分之一。组播路由技术可将相同的业务一次性传输给多个接收者，相比单播路由技术能够有效地降低卫星能耗。但是，在组播路由中，同一个目的节点可能会同时请求多个组播业务，若针对每个组播业务都分别建立组播树进行传输，这将使得部分节点重复传输造成卫星能源浪费，尤其在高动态的低轨卫星网络中，由于卫星节点的高速移动，卫星网络拓扑动态变化，也将给组播路由带来很大挑战。此外，目前低轨卫星网络中大量的组播业务具有时效性，即组播业务要求在预定的时间范围内完成传输，并且不同的节点对于同一业务的时延需求具有差异性，例如不同节点对于卫星遥感数据的时延需求不同。因此，在高动态低轨卫星网络中，针对具有时效性的组播业务，设计一种高效的多组播业务路由算法是降低卫星网络能耗的一个关键问题。

2、图1给出的天地一体化网络多业务组播路由场景，该网络拓扑被划分为3个连续的时隙由低轨卫星节点(r1、r2、r3)、地面用户源节点(u1、u2)和地面目的节点(g1、g2、g3)组成。源节点u1、u2分别发送组播业务x1、x2，其有效时间分别为目的节点g1、g3分别请求组播业务x2、x1，目的节点g2同时请求组播业务x1、x2；传播链路上的权重分别为传播能耗和传播时延，例如[20,2]表示传播能耗为20j，传播时延为2s。图1中单独传输组播业务x1的能耗最小组播树能耗为60j，播业务x2的能耗最小组播树能耗为70j，则完成组播业务x1、x2传输需要消耗的总能耗为130j。若将不同的组播业务进行联合传输得到一颗多业务的组播树，其总能耗为110j，这极大地降低多业务进行组播传输所消耗的能量。

3、因此，针对高动态的低轨卫星网络，如何充分考虑星地和星间链路的动态性，在满足组播业务的时效性和各目的节点的接收时延约束的前提下，以尽可能小的能耗完成多组播业务传输是亟须解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出一种基于时变图的leo卫星网络多业务组播路由方法，具体包括以下步骤：

2、采用能耗时变图模型来描述网络拓扑结构、卫星的节点能耗和链路能耗、传输时延，构架组播能耗时变图；

3、将每个单独的组播业务生成的总能耗最小的组播树组成为初始组播森林；

4、计算初始组播森林中每个目的节点的路径能耗，并根据所有目的节点的路径能耗计算初始组播森林的总能耗；

5、若目的节点找到一条新路径使得组播路径的能耗更低，则发出更新请求；

6、更新时先更新目的节点集合，再更新目的节点集合中所有目的节点使用边所需能耗成本，并将目的节点的路径更新为成本更低的路径；

7、当所有目的节点被更新完成，则得到最终路由图。

8、进一步的，组播能耗时变图表示为：

9、ec-mtvg＝(v*,e*,ε*,d*)；

10、其中，ec-mtvg表示组播能耗时变图，该图由节点集合v*、边集合e*、能耗集合ε*、时延集合d*组成；节点集v*＝vs∪g∪u∪vg∪vu∪vr，表示所有时隙中的卫星节点集合，表示第h个时隙的第i个卫星节点，vi表示第i为卫星节点，s表示卫星节点集合，h为总时隙数；g＝{vz|1≤z≤z}表示目的节点集合，vz表示第z个目的节点，z表示目的节点的数目；u＝{vm|1≤m≤m}表示源节点集合，vm表示第m个源节点，m表示源节点的数目；表示所有时隙中的地面目的节点集合，表示在第h个时隙中的第z个地面目的节点；表示所有时隙中的地面源节点集合，表示在h个时隙中的第m个地面源节点；表示虚拟中继卫星节点集合，表示第h个时隙的中继卫星vi的虚拟卫星节点边集合e*＝et∪ec∪el∪em∪eg∪eu，et为由传播链路组成的边集合，表示在第h个时隙从节点vi到节点vj的传播链路，且ec表示由存储链路组成的边集合，表示节点vi到从第h个时隙到第h+1个时隙的存储链路，且el表示虚拟传输链路集合，表示在第h个时隙中节点vi到虚拟中继节点的传播链路，且em表示虚拟组播链路集合，表示在第h个时隙从虚拟中继节点到卫星源节点vj的传播链路，且eg表示目的虚拟聚合链路，表示第h个时隙中的地面目的节点到目的节点vz的虚拟传播链路，且eu表示源虚拟聚合链路，表示从源节点vm到第h个时隙中的地面源节点的虚拟传播链路，且能耗集合ε*＝εe∪εl∪εm∪εc∪εg∪εu，表示在第h个时隙中传播链路bij上的能耗；表示在第h个时隙中虚拟组播链路的能耗；表示在第h个时隙中虚拟链路的传播能耗；表示从第h个时隙到第h+1个时隙的存储链路bii上的存储能耗；εg表示目的虚拟聚合链路的能耗；εu表示源虚拟聚合链路的能耗；时延集合d*＝dt∪dc∪dm∪dl∪dg∪du，表示在第h个时隙中传播链路bij上的延迟；表示从第h个时隙到第h+1个时隙的存储链路bii上的时延；表示在第h个时隙中虚拟组播链路的时延；在第h个时隙中虚拟链路的时延，且dg表示目的虚拟聚合链路的时延，其值为0，其值为，du表示源虚拟聚合链路的时延，其值为0。

11、进一步的，计算能耗集合中两个节点之间的能耗包括：

12、en＝cμtd2

13、其中，c为任意两个节点之间传播链路上传播的数据量大小；μ表示传播链路的传播功率参数，t为传播链路上的传播时间，d为传播链路上的传播距离。

14、进一步的，地面源节点um到每个目的节点gz的路径时延表示为：

15、

16、其中，表示地面源节点vm到每个目的节点vz的路径时延；χij、χmi、χiz、yi、为布尔变量，当yi＝1时，表示节点vi开启工作状态，当yi＝0时，表示节点vi关闭工作状态；当yi＝1，时，表示节点vi开启存储功能，否则关闭存储功能；若χij＝1，则yi＝1且yj＝1表示链路bij被选择加入组播树，且节点vi、vj同时开启工作状态，否则不被选择；若χmi＝1，则ym＝1且yi＝1，表示链路bmi被选择加入组播树，且节点vm、vi同时开启工作状态，否则不选择；若χiz＝1，则yi＝1且yz＝1，表示下行星地链路biz被选择加入组播树，且vi、vz同时开启工作状态，否则不选择；表示链路bij的时延，tmi表示链路bmi的时延，tiz表示链路biz的时延，表示节点vi的存储时延，n表示卫星节点的数目。

17、进一步的，若组播森林tr^＝{p1^,...,pz^}中的目的节点gz找到一条新路径pz*使得组播路径的成本更低，即：

18、

19、其中，δk(tr*)为组播森林tr*中第k个目的节点的组播路径能耗；λin表示新加入路径pz*的边，λin＝pz*-pz^；θf表示经过边f的目的节点集合；δz(tr*)为组播森林tr*中目的节点vz的组播路径能耗；ef、er分别表示边f、r的能耗；λex表示被路径pz*删除的边，λex＝pz^-pz*。

20、进一步的，优化最小化总能耗的问题，优化后表示为：

21、

22、约束条件：

23、

24、

25、

26、c4:0≤c≤ω

27、c5:ci≤bufi

28、

29、其中，tr表示组播森林，表示链路bij的能耗，bij表示组播森林中的一条链路；表示地面源节点vm发送组播业务xi到目的节点vz的路径，δti*为组播业务xi的有效时间，表示组播业务xi的截止时间，表示组播业务xi的开始时间；表示地面目的节点vz对组播业务xi的接收时延；cji表示节点vj流入到节点vi的数据量，ri+表示所有流入节点vi的邻居集合，rji表示节点vj的数据流入节点vi，n表示节点vi接收的数据的节点数目；cik表示节点vi流出到节点vk的数据量，ri-＝{rik},k＝1,...,m，rik表示节点vi的数据流入节点vk，m表示节点vi数据到达的节点数量；c表示任意链路上的数据量，ω表示任意链路的带宽上限；ci表示节点vi存储的数据量，bufi表示节点vi存储的存储空间；z表示目的节点的数目，v*表示节点集合。

30、本发明多业务组播与现有技术对每个组播业务都分别建立组播树进行传输相比，可以避免部分部分节点重复传输造成卫星能源浪费，针对具有时效性的组播业务，也能有效降低卫星网络能耗。