一种基于虚拟节点的分布式geo/leo混合网络路由方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于虚拟节点的分布式GE0/LE0混合网络路由算法，属于卫星通 信领域。
【背景技术】
[0002] 卫星网络可以满足一系列数据通信需要，如商业，军事及个人业务。卫星服务可以 提供在郊区、农村。偏远地区及其他地面网络不可接入的地方提供宽范围的区域覆盖。卫 星通信还有独特的广播机制。鉴于卫星通信的这些特有的优势，毫无疑问，卫星通信将成为 下一代互联网不可缺少的一部分。
[0003] 卫星在实现全球通信时有很多应用技术值得深入研究，在所有技术中，对于专有 的有效的路由算法的改善是众多技术面临的挑战之一。正如我们知道地那样，一种有效的 路由算法会给卫星通信带来非常大的好处。
[0004] 近几年来，许多研究人员提出了许多路由方法和优化机制。在这里，可以近似研究 的路由算法成两类，一类是在固定轨道类型的情况下可以预先估计出拓扑结构的情况，这 些拓扑的信息可以由地面终端设备提前预测，然后通过这些预测信息计算路由表，由地面 设备在发业务时携带路由信息，网络中的各卫星节点根据收到的路由表传送业务。另一种 是卫星实时收集周围卫星的信息，包括位置信息和状态信息。然后通过这些他们收集的信 息，自己为自己计算路由表，这种方法被称为分布式路由算法，Eylem Ekici在LE0网络下 研究了一种分布式路由算法，他主要考虑最小化传播延时，但是延时除了传播延时还有许 多其他延时，如处理延时，队列延时，传输延时等等。这些延时情况都会随着各个卫星位置 的变化和网络中负载比重的变化而有很大的浮动。
[0005] 在设计卫星路由算法首先要考虑其独特的变化的拓扑结构，现有的消除卫星移动 性带来的拓扑变化的方法有两大类，一类是虚拟拓扑的方法，另一类是采用虚拟节点的方 法。现有的路由算法更多的为基于虚拟拓扑的算法。
[0006] 针对以上问题，本发明在GE0/LE0网络平台上，通过基于虚拟节点的方法消除卫 星的移动性带来的拓扑的不断变化的问题，在研究时延的问题上考虑了排队时延的影响。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是为了解决现有的卫星网络路由算法不能实时计算路由且考虑排 队时延后时延过长的问题，提供一种基于虚拟节点的分布式GE0/LE0混合网络路由方法。
[0008] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
[0009] -种基于虚拟节点的分布式GE0/LE0混合网络路由方法，所述方法以3颗GE0 (静 止轨道卫星）和66颗LE0(低轨卫星）形成的双层网络结构为基础实现的，其过程为：
[0010] 步骤一、区域划分：根据经炜度将地球表面平均划分为72份逻辑区域，通过式（1) 将LE0层卫星和所述逻辑区域建立联系，
[0011]
[0012] 其中，lorv^lat^分别代表卫星S(m，η)的经度和炜度；而lonp, q，latp,>v别代表 逻辑区域L〈p，q〉的经度和炜度；N表示LEO层卫星的轨道数，取值为6，M表示LEO层每条 轨道上卫星的数量，取值为11 ;
[0013] 步骤二、卫星分组管理：利用GE0将底层LE0卫星分为三组，每组成为一个LE0族， 分组过程如下：
[0014] 当LE0卫星D (66颗LE0中的任意一颗）满足下面的关系式时，是属于GE0卫星 B (3颗GE0中任意一颗）的分组的成员，
[0016] 其中：
[0017] Φ表示GE0卫星B投影区覆盖面积的半边中心角，Φ通过式（3)计算，B'是GE0 卫星B在地球表面上的投影点，RE是地球半径，lu是LE0的高度，D表示GE0卫星B在 地球表面上的投影点和LE0卫星D的距离；Z B ^ 0D表示GE0卫星B在地球表面上的投影 点和地心的连线与LE0卫星D和和地心的连线二者之间的夹角；
[0019] 式中，RE是地球半径，lu是LE0的高度，h s是GE0的高度，ε _是GE0到LE0的最 小射角；
[0020] 在覆盖同一颗LE0的2颗GE0选择覆盖时间最长的GE0作为LE0接入的GE0 ;
[0021] 步骤三、数据驱动：控制在LE0卫星收到通信业务时更新路由表；
[0022] 步骤四、路由更新：采用步骤三的更新机制，其更新过程为：
[0023] 搜集当前网络结构的状态信息，用传输时延信息作为所述状态信息，两颗相邻LE0 卫星X，y之间的传输时延通过步骤一进行区域划分对应的逻辑区域〈P，q〉，y对应逻辑 区域〈1，s〉，p, 1 e {〇,…，N-1}，q, s e {〇,…，M-1}，X，y e 66 颗 LE0,卫星 X，y 传输时延 记录为 Delaypq -ls;
[0024] 每个轨道上的LEO卫星首先将上述传输时延信息传给该LEO卫星所在轨道上的发 言者，由每个轨道发言者之间传输各自总的时延信息，通过搜集到的整个网络结构的时延 信息更新路由表；
[0025] 步骤五、路由计算方法：
[0026] 利用dijkstra算法根据步骤四中时延信息得到路由表，从路由表中查询源节点 到目的节点的路径；利用查到的路径传输通信业务，在人口密集业务分布密集的地区提前 设置传输门限值，
[0027] LE0卫星收到业务包的数量/LE0卫星的容限超过门限值时，Type-Ι类通信业务由 备选路径传输；否则由查到的路径传输；
[0028] LE0卫星收到业务包的数量/LE0卫星的容限超过门限值时，Type-2类通信业务由 当前LEO卫星转发到GEO层传输，否则继续通过LEO层使用查到的路径传输；
[0029] Type-Ι表示对延时敏感的业务包类型，用来传送话音信号等对延时敏感的业务。 [0030] Type-2表示对延时不敏感的业务包类型，用来传送短信业务等不需要实时传送的 业务信息。
[0031] 在步骤五中，所述备选路径的确定过程为：
[0032] 根据改进的最小跳路径确定备选路径，将地球分为三个区域，用权值来代替LE0 卫星之间的实际距离，在区域1和区域3中将不同轨道间星间链路权值设为1，而区域2的 不同轨道见的星间链路设为2,所有同轨道间的星间链路的权值设为2 ;区域1是指北炜60 度以外的区域，区域2是指北炜60度至南炜60度之间的区域，区域3是指南炜60度以外 的区域；利用权值使用最小跳算法计算备选路径。
[0033] 本发明的构思是：在基于数据驱动网络机制的基础上，采用虚拟节点的方法消除 卫星的移动性，在双层网络结构（GE0和LE0组合）的网络平台上研究路由算法，在底层的 LE0网络上应用dijkstra算法，但是增加了队列延时这个影响因素，通过从高层GE0网络传 包来解决队列等待延时过长的问题。本发明对LE0层分组的概念，用GE0作为管理者对LE0 进行分组管理。通过分类包类型，我们可以使用底层来传输全部的对延时敏感类型的包业 务和少部分对时延不敏感的包业务，高层传输另一部分对时延不敏感的包业务，这么做可 以让实时业务类型的包排队时间减少，最短时延变短。
[0034] 本发明的有益效果是：
[0035] 本发明考虑了静止轨道和低轨卫星的特点，静止轨道卫星GE0可以提供很广的覆 盖面积，但是由于它的高度很高，在提供服务时，长的延时的特点使得它对传输延时敏感性 的应用有明显的限制；而另一方面，低轨卫星LE0在实时业务方面有着不可替代的地位，本 地地面终端可以通过许多需要的低轨卫星设备连接整个地球的各个位置。综合这两种轨道 卫星的优势互补，本发明在GE0/LE0这种混合网络的基础上研究路由算法。本发明首先将 业务分为两种类型，即实时业务和非实时业务，根据他们不同的需求，综合利用GE0网络和 LE0网络各自特有的优势，构建一种双层的卫星网络，在这种混合网络中采用通过不同层传 不同类别的包的方法，来避免卫星在当前跳时刻发生拥塞的情况。本发明主要研究目标是 通过双层结构利用GE0层参与传包，减少排队包的数量来减少实时业务的排队时延。本发 明应用两种算法，第一种是在LE0层应用di jkstra最短路径算法的基础上，通过GE0层转 发实现的优化的路由算法；第二种在第一种的基础上使用一种利用区域划分的概念改进的 最小跳路由算法作为备选路径来减少时延。
[0036] 从仿真结果中可以看出，我们按包的不同类型收集type-Ι传包时延，当发包速率 超过队列处理后的发送速率后，type-Ι类型的包即时延敏感的业务封包在时延方面有明显 的改善。当发包速率达到2Mbps时，场景2方法采用双层优化的最短路径算法时延相比单 层下降39. 7%，当发包速率达到2. 5Mbps时，场景2中的方法相比单层仅下降3. 9%，经过 进一步改进的添加了备选路径的场景3中时延比单层下降38. 6%，相比场景2下降36. 1% (参见图5)。
【附图说明】
[0037] 图1为本发明的3GE0+66LE0双层卫星网络场景图；
[0038] 图2为本发明的LEO与GEO层间关系示意图；图3为本发明的静止卫星B覆盖情 况示意图；图2和图3构成本发明的双层卫星分群管理示意图，
[0039] 图4为地球区域划分示意图；
[0040] 图5为本发明的Type-Ι时延仿真结果图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0041] 一：如图1~4所示，本实施方式所述的一种基于虚拟节点的分布式 GE0/LE0混合网络路由方法以3颗GE0和66颗LE0形成的双层网络结构（如图1)为基础 实现的，其过程为：
[0042] 步骤一、区域划分：根据经炜度将地球表面平均划分为72份逻辑区域，通过式（1) 将LE0层卫星和所述逻辑区域建立联系，如图4，
[0044] 其中，l〇nm,n、latm, n分别代表卫星S(m, η)的经度和炜度；而lonp,q，latp,q分别代表 逻辑区域L〈p，q〉的经度和炜度；N表示LE0层卫星的轨道数，取值为6，M表示LE0层每条 轨道上卫星的数量，取值为11 ;
[0045] 步骤二、卫星分组管理：利用GE0将底层LE0卫星分为三组，每组成为一个LE0族， 分组过程如下（如图2和3):
[0046] 当LE0卫星D (66颗LE0中的任意一颗）满足下面的关系式时，是属于GE0卫星 B (3颗GE0中任意一颗）的分组的成员，
[0048] 其中：
[0049] Φ表示GE0卫星B投影区覆盖面积的半边中心角，Φ通过式（3)计算，B'是GE0 卫星B在地球表面上的投影点，RE是地球半径，lu是LE0的高度，D表示GE0卫星B在 地球表面上的投影点和LE0卫星D的距离；Z B ^ 0D表示GE0卫星B在地球表面上的投影 点和地心的连线与LE0卫星D和和地心的连线二者之间的夹角；
[0051] 式中，RE是地球半径，lu是LE0的高度，h s是GE0的高度，ε _是GE0到LE0的最 小射角；
[0052] 在覆盖同一颗LE0的2颗GE0选择覆盖时间最长的GE0作为LE0接入的GE0 ;
[0053] 步骤三、数据驱动：控制在LE0卫星收