基於多業務的衛星全光網絡波長路由方法與流程

2023-06-01 09:54:51 3

本發明屬於衛星光通信領域，具體說是一種基於多業務的衛星全光網絡波長路由方法。

背景技術：

隨著氣象、遙感和軍事領域應用需求的不斷擴大，對衛星通信技術提出了新的要求。除了傳輸傳統的遙測、遙控數據之外，還需要雙向傳輸視頻、音頻、科學實驗等多種不同類型的數據，傳輸數據量大，從幾bit/s到幾百兆bit/s不等。傳統的微波式衛星很難滿足技術發展的要求，雷射鏈路式衛星具有通信容量大、功耗低、保密性和抗毀性強以及技術更新快、成本低等優勢，能夠很好的滿足衛星通信的發展需求，成為當今研究的熱點。

在衛星光網絡中，研究的難點是波長路由問題，即波長和路由的分配RWA問題，動態的RWA問題已經被證明是NP-hard問題。如何利用雙層衛星體系結構的優勢以及根據全光網絡帶寬大、功耗低和抗毀性強等優點，建立雙層衛星結構下的基於多業務的衛星全光網絡波長路由方法是急需解決的問題。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明結合MEO/LEO衛星星座特點，提出一種基於多業務的衛星全光網絡波長路由方法。該方法選路時的鏈路權重綜合考慮時延、可用波長數因素，同時引入波長衝突度機制，從而使衛星網絡節點負載均衡，減小節點壓力，同時減小網絡節點的阻塞率，提高了波長利用率，滿足不同業務的通信需求。

為決解衛星光網絡波長路由問題，本發明的技術方案是這樣實現的：一種基於多業務的衛星全光網絡波長路由方法，具體包括：

S1：收集LEO/MEO衛星參數:軌道高度h、俯仰角θ、衛星星曆參數，通過計算LEO、MEO衛星星下點之間距離的方法，以及「星下點距離最短」原則，建立LEO和MEO之間的網絡拓撲結構，確定LEO衛星與唯一的MEO衛星建立鏈路，將LEO衛星劃分區域；

S2：根據業務類型劃分等級，確定業務優先級集F＝{f1,f2,···,fm}；

S3：統計衛星的波長數，以業務優先級F＝{f1,f2,···,fm}將波長分簇，形成波長分簇集合C＝{c1,c2,···,ck}，並使m＝k；使最高優先級業務擁有最大的波長簇，即可用波長數最多；簇與簇之間可用波長有交集，提高波長利用率；

S4：以可用波長數和時延初始化鏈路權重C0(u,v)，其中u,v為衛星節點；

S5：確定K條關鍵路徑，鏈路權重使用初始權重C0(u,v)；

S6：基于波長衝突度的K條關鍵路徑鏈路權重調整，當確定關鍵路徑後，需要重新設置網絡中關鍵鏈路權重，將關鍵鏈路權重分為兩部分，初始權重和波長衝突度；

S7：從調整權重後的K條關鍵路徑中選擇鏈路權重和最小的路徑建立路由，並以業務優先級為依據在對應的波長簇中分配波長；

S8：更新網絡拓撲結構，重新計算鏈路權重。

進一步地，步驟S1中建立衛星網絡拓撲時，以「星下點距離最短」為原則，唯一確定LEO向MEO接入的衛星，保證LEO衛星與唯一的一個MEO衛星相連接，且兩者之間的空間距離最短，減小傳輸時延。

進一步地，步驟S2中根據業務類型劃分等級具體為：

①根據業務對時延敏感程度劃分，對時延要求高的業務有較高優先級，對時延要求較低的業務有較低的優先級；②根據服務質量約定劃分，按照用戶級別不同，擁有不同的服務質量，劃分業務不同的優先級；③根據業務重要程度劃分，相對重要的業務具有較高的優先級，而一般業務具有較低的優先級。

進一步地，步驟S3中波長分簇時，波長分簇集合中可用波長數以業務優先級為對應依次減少，各波長簇中波長可以有交集，提高波長利用率。

進一步地，步驟S4中鏈路初始權重計算公式為：

其中，λ(u,v)為鏈路(u,v)的剩餘波長數，λmax為當前網絡鏈路中鏈路剩餘波長數的最大值，網絡中剩餘波長數最大的鏈路的權重為1，而鏈路剩餘波長數越小，對應權重越大。D(u,v)為鏈路(u,v)的傳輸時延，Dmin為所有鏈路的最小時延，α1和β為鏈路權重調節因子。

更進一步地，步驟S5使用Dijkstra最短路徑方法，求解K條最短路徑，取K＝3-4。

更進一步地，步驟S6中波長衝突度計算公式為：

其中

式中，(s′,d′)為某一(S,D)節點對，(s,d)為當前業務流請求的(S,D)節點對，P是所有(S,D)節點對的集合，p＝|P|是集合P中元素的個數，SETi(s'd')為(s′,d′)的第i條關鍵路徑，εi(s'd')表示路徑權重的增量；μ為符號標識，當(s′,d′)與(s,d)申請的波長相同時，μ＝1；當(s′,d′)與(s,d)申請的波長不同時，μ＝-1。

作為更進一步地，更改關鍵路徑鏈路權重計算公式為：

，其中α1、β、α2分別為剩餘波長數、時延、波長衝突度權重調節因子。

本發明由於採用以上技術方案，能夠取得如下的技術效果：相較於現有技術，本發明基於多業務的衛星全光網絡波長路由方法結合MEO/LEO雙層衛星光網絡特點，以MEO為區域管理者，將LEO劃分區域，在每個區域內LEO有唯一的MEO衛星與其對應，路由更新在區域內進行，從而減少路由交換，提高路由收斂速度，並將波長分簇，使波長簇與業務優先級集相對應，提高波長利用率。在此基礎上，綜合考慮鏈路波長剩餘數和傳輸時延，計算初始鏈路權重，同時考慮波長衝突度對關鍵路徑鏈路權重的影響，進行更新建立路由。

本發明可以實現網絡負載均衡和資源的合理利用，提高了衛星光網絡中波長利用率，滿足不同業務的通信需求，同時使網絡的阻塞率大大降低，為衛星全光網絡的研究和發展提供更加有利和高效的波長路由算法。

附圖說明

本發明共有附圖1幅：

圖1為基於多業務的衛星全光網絡波長路由方法流程圖；

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述。

建立MEO/LEO雙層衛星網絡拓撲結構，根據衛星的軌道參數和運行星曆，統計一個星曆周期內MEO和LEO衛星的星下點軌跡，以「星下點距離最短」為原則，建立LEO與唯一MEO衛星的對應關係，將LEO衛星劃分區域，每個區域有一顆MEO衛星作為該區域的管理者，進行本區域LEO衛星路由信息的匯聚與更新以及相鄰區域路由信息的交換。MEO/LEO雙層全光網絡中存在的星間鏈路眾多、路由匯聚任務繁重等問題。採用分區域管理策略可以減少路由更新信息量，提高路由收斂速度。

多業務波長分配，將業務劃分優先級集合，波長分簇。針對不同等級業務採取波長分簇分配方法，以達到降低高優等級業務阻塞率的目的，提高波長利用率。

為了適應多樣化業務需求對QoS的不同要求，並根據光網絡當前的資源使用情況提供針對性的服務，可以將用戶不同類型的業務依照以下方法之一進行劃分：

(1)根據業務重要程度劃分：相對重要的業務具有較高的優先級，而一般的業務配置為較低的優先級；

(2)根據業務性能指標要求(如時延敏感程度)劃分：對時延要求比較高的業務具有較高的優先級，對時延要求較低的業務具有較低的優先級；

(3)根據服務質量約定劃分：如按照用戶級別的不同，分別提供不同的服務質量。

依照以上業務優先級劃分策略，選擇一種策略將業務劃分優先級，形成業務優先級集合F＝{f1,f2,···,fm}，一般取m＝3或m＝4。

波長分簇，以業務優先級F＝{f1,f2,···,fm}為對應將波長分簇C＝{c1,c2,···,ck}，保證每個優先級對應一個波長簇即m＝k，波長簇中可用波長數以優先級為對應依次減少，各波長簇中波長可以有交集。

初始化鏈路權重，定義衛星網絡鏈路權重為鏈路波長數以及鏈路傳輸時延的綜合函數；

根據鏈路剩餘波長數和傳輸時延求取各個(S,D)節點對的K條最短路徑，也叫關鍵路徑。選取關鍵路徑的原則是，各個(S,D)節點對選取鏈路權重是由鏈路波長數和傳輸時延計算得出的最短(最小權值)路徑。鏈路權重與鏈路剩餘波長數有關，有利於保持網絡鏈路的暢通，實現網絡負載均衡。同時也與傳輸時延有關，有利於保證實時數據的傳輸時延。

每個(S,D)節點對請求的實際路徑需要綜合考慮所有(S,D)節點對對鏈路的需求狀況。求取某個S、D節點對的K條關鍵路徑的步驟如下：

①根據鏈路剩餘波長和時延設置每條鏈路的初始權重為：

式(1)中λ(u,v)為鏈路(u,v)的剩餘波長數，λmax為當前網絡鏈路中鏈路剩餘波長數的最大值，網絡中剩餘波長數最大的鏈路的權重為1，而鏈路剩餘波長數越小，對應權重越大。D(u,v)為鏈路(u,v)的傳輸時延，Dmin為所有鏈路的最小時延。α1和β為鏈路權重調節因子。

②應用式(1)得到的鏈路權重，通過Dijkstra算法，求出(S,D)節點對之間的一條最短路徑作為關鍵路徑。在求下一條關鍵路徑之前，從網絡中刪除當前路徑中權重最大的一條鏈路，從而保證下一條關鍵路徑不會同前一條路徑重複。

③重複②的動作，直到當前(S,D)節點對之間不存在可達路徑或獲得的路徑數為K(一般K取3-4)。用K′表示該(S,D)節點對間的實際關鍵路徑數。對所有(S,D)節點對執行①到③過程，會得到所有節點的關鍵路徑集。

更改關鍵路徑的鏈路權重，當確定關鍵路徑後，需要重新設置網絡中關鍵鏈路的權重，將關鍵鏈路的權重定義為兩部分，初始權重和波長衝突度。初始權重即式(1)，波長衝突度則定義為：

其中

式(2)中(s′,d′)為某一(S,D)節點對，(s,d)為當前業務流請求的(S,D)節點對，P是所有(S,D)節點對的集合，p＝|P|是集合P中元素的個數，SETi(s'd')為(s′,d′)的第i條關鍵路徑，εi(s'd')表示路徑權重的增量；μ為符號標識，當(s′,d′)與(s,d)申請的波長相同時，μ＝1；當(s′,d′)與(s,d)申請的波長不同時，μ＝-1。

重新設置關鍵鏈路的權重為：

即鏈路的初始權重和波長衝突度之和。

通過對關鍵鏈路權重的調整，綜合考慮了鏈路的資源狀態即剩餘波長，以及各節點對在鏈路上的衝突和競爭。上式反應了衝突避免和競爭機制的結合，在為某(S,D)節點對預留波長鏈路的同時，應儘量避開其它(S,D)節點對申請相同波長的鏈路。當某條鏈路中的波長號與請求節點對外的其它節點對的申請的波長號相同時，該鏈路的衝突度增加μεi(s'd')(μ＝1)，意味著該鏈路的權重也要增加，當前請求選擇路徑應儘量避開該鏈路；而如果某條鏈路屬於請求(S,D)節點對本身的路徑時，該鏈路的衝突度增加μεi(s'd')(μ＝-1)，意味著該鏈路的權重也要降低。因此，在為當前請求選擇路徑時，會在一定程度上優先選擇該鏈路。這樣，在衝突避免的基礎上引入競爭策略，使得在為當前請求選擇路徑時，一方面儘量避開申請相同波長號的其它節點對路徑上的鏈路，另一方面，儘量優先選擇當前請求節點對的路徑上的鏈路，從而保證算法性能的高效。

本發明可以實現網絡負載均衡和資源的合理利用，提高了衛星光網絡中波長利用率，滿足不同業務的通信需求，同時使網絡的阻塞率大大降低，為衛星全光網絡的研究和發展提供更加有利和高效的波長路由算法。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術範圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。