卫星dtn网络的时间扩散性路由搜寻方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于深空通信技术领域，尤其涉及一种卫星DTN网络的路由搜寻方法。
【背景技术】
[0002] 近地卫星空间网络是一个具有动态性，结构复杂的网络体系。通过有较好覆盖率 的高轨道卫星作为骨干接点，为低轨道遥感卫星，无人机等提供数据通信保障，单颗对地观 测遥感卫星由于其轨道特性，与地面站通信时间较短。为支持单一任务而铺设全球覆盖的 星座会使得成本太高，而通过数颗卫星的中继网络可以实现明显改善时效性传输任务。通 过数颗卫星中继的空间网络与地面网络相比具有以下几个特点：
[0003] 1.在轨卫星高速运行，网络拓扑变化频繁，结构无周期性；
[0004] 2.卫星轨道预定的，在三维空间可形成可预测模型；
[0005] 3.双向链路具有不对称传输速率和较高的误码率特性，传播延时较大。
[0006] 现有的通信协议无法适用于动态拓扑下的卫星网络和和时变的星间链路（ISL)。 NASA开发的容迟容断容错网络（DTN，Delay/Disrupt_Tolerant Networking)被提出用于 解决深空通信的问题，其核心思想是引入覆盖层bundle layer将低层协议互不相同的空间 骨干网和局部网络互联，并将协议打包成"包裹"的形式以一种异步通信方式进行传输，为 了在间断性频繁的网络中保障数据可靠传输，DTN采取存储-转发模式，bundle在节点中 存储于永久存储设备中直到下一次传输机会到来时发送。为了解决可靠传输问题，2002年 JPL提交了一份支持DTN网络协议的Licklider协议（LTP)用以保障在断续链路和运动模 型的点对点传输。在多个实验中DTN网络协议体系被证明可以应对处理各种挑战性网络。
[0007] 然而，DTN协议体系提出时间较短，尚只有一个基本框架，并没有典型的应用性范 例，在某些协议细节方面例如拥塞控制、优化传输、路由、时间同步等尚待开发中，具有广阔 的研究前景。将DTN用于解决近地卫星空间网络已经被广泛研究，其存储转发机制特别适 合于卫星网络通信。
[0008] 对于多颗星中继通信，传统卫星网络的路由决策依赖于具体卫星的中继或转发， 如以下几种，并无优化的普遍的解决方案：
[0009] 1.系统分割形路由，利用卫星网络拓扑的可预测性进行系统分割；
[0010] 2.多层卫星网络路由，如MLSR ;
[0011] 3.区域分割类型路由，将地球表面划分成若干个区域，特定时间进入该区域的卫 星获得与地理位置相对应的逻辑地址。
[0012] 而对于并非特定构型的卫星空间DTN网络而言，目前普遍的研究的是并非拘泥于 卫星轨道拓扑变化的传输机制，如单副本和多副本的路由，先验和启发相结合的路由方法。 一种成型的方案被写入了当前版本的ION手册中，DTN使用一种动态路由选择算法（DRSA， Dynamic Route Selection Algorithm)，使用CGR(Contact Graph Routing)进行路由计算 并在CGR计算失败后选择次序性传输的方法。在拥有网络连通图的情况下，当前版本CGR 使用Dijkstra(迪杰斯特拉）算法计算理论上最快到达路径，Dijkstra算法是典型的单源 最短路径算法，用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径。主要特点是以起始点为中 心向外层层扩展，直到扩展到终点为止。其基本思想是，设置顶点集合S并不断地来扩充这 个集合。一个顶点属于集合S当且仅当从源到该顶点的最短路径长度已知。在拥有网络连 通图的情况下，当前版本CGR仅仅使用Dijkstra算法计算理论上最快到达路径。当无法计 算出满足传输条件的路径时，DTN将按邻接节点的顺序依次尝试发送。
[0013] 近地卫星网络中，对于暂时性星间链路，若传输无法在一个网络连接状态完成时， CGR机制无法对其进行量化。网络误码引起的数据包重传和节点故障等问题往往会导致理 论上最优路径实际表现糟糕。DRSA在简单网络和传输时间远小于网络变化率下尚可使用， 一旦网络规模增加，其传输性能便大幅降低。
[0014] 在现有的DTN协议的BP层使用的DRSA中，CGR进行路由计算并在CGR计算失败 后选择次序性传输。对于卫星网络而言，寻找最佳路径面临着断续链路和链路状态变化的 问题，无法通过CGR中的Dijkstra的算法得找到最优解。非特定构型的时变卫星网络中经 常不存在端到端链路，传输无法在一个网络状态完成。因为无法用单网络拓扑对整体网络 进行描述，CGR并不能计算出最佳到达时间路径。在有多条路径可选择情况下，忽视间断性 链路会导致对系统吞吐性能低估和资源浪费。
[0015] 在附图1的例子中，Node 1经过三段暂时性链路将数据传输给Node 4,全连通路 径仅存在于t3到t4的时间段内，此阶段的系统吞吐量为
[0016] capacity (t3, t4) = (t4_t3) Xmin[b12, b23, b34] (I)
[0017] 而系统从tl到t6的总吞吐量为
[0018] capacity (t" t6) = min {b12X , b23X (t5_t2), b34X (t6_t3)} (2) 公式⑵包含了⑴中忽视的tl到t3段和t4到t5段系统的吞吐量。
[0019] 单条路径的吞吐量取决于其瓶颈链路，附图2所描述的另一个例子中，Node 1需 要传输数据至Node 3。尽管后者可能有更好的链路状况，在存在1-2-3路径情况下，DRSA 算法会忽视1-4-3路径。
[0020] 1-2-3路径的吞吐量为：
[0021] capacity < 1，2, 3 >= Xmin {b12, b23} (3)
[0022] 1-4-3路径的吞吐量为：
[0023] capacity < 1, 4, 3 > = min {b12 (t2_ti), b23 (t3~t2)} (4)
[0024] 在上述两个例子中，由于无法通过先验知识求得全部路由，DRSA算法无法将间断 路径进行量化。基于单拓扑图的Di jkstra算法无法为数据包的传输任务提供最优路径，并 且会低估系统吞吐性能。
[0025] CGR通过计算连通图中的信息{链路开始时间，链路结束时间，链路距离，链路数 据速率}来获得理论最佳到达时间。在卫星网络中，上述方法存在两点问题：1.由于卫星 在轨道中高速运动，两颗卫星之间的链路距离处于不断变化中，在拓扑结构无断裂变化时 使用固定链路权值计算所得到的结果会与实际偏差较大。2.当有多条可选择路径的情况 下，DRSA机制使用的理论最佳到达时间和最小跳数对路径进行选取。上述方法忽视了链路 中由于的误码而导致的重传现象。一条具备理论最佳到达时间的路径可能因为其某段链路 存在极高的重传率而导致链路拥塞。
[0026] 突发性的节点故障等问题往往会导致理论上最优路径实际表现糟糕。DRSA依赖于 简单网络和传输时间远小于网络变化率，一旦网络规模增加，其传输性能便降低。
【发明内容】
[0027] 为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种基卫星DTN网络的时间扩散性路由 搜寻方法，计算时变网络的所有信息，其搜寻到的路径包括直接连通的端到端路径和和存 储等待依靠间断链路进行通信的路径，并进行量化分析，从而达到更有效率的路由设计和 传输质量的目的。
[0028] 本发明通过如下技术方案实现：
[0029] 一种卫星DTN网络的时间扩散性路由搜寻方法，用于解决间断性中继卫星网络的 路由选择问题，由CGR原理改进得到；所述方法计算时变网络的所有信息，其搜寻到的路 径包括直接连通的端到端路径和和存储等待依靠间断链路进行通信的路径，并进行量化分 析；所述方法具体为：
[0030] A.基于迪杰斯特拉Di jkstra算法建立连通信息表SVR :将传输任务开始时的拓 扑图定义为第一个拓扑图G，在其中寻找圆心点所有可接触节点，之后在第二个拓扑图中将 第一个圆中的所有可达到节点分别认定为一个新的圆心点，各自寻找其可接触端点，即将 上一拓扑图中所有搜寻到节点认定为下一个拓扑图的搜寻原型；重复上述过程，直到传输 的截止时间；通过这种方式，形成一个记录路由信息的链接表SVR，在获得到的SVR中使用 bundle到达目的节点的期望投递时间EDT确定路径的优先级