[發明專利]基于隊列監測與擁塞預測的衛星網絡動態路由方法

有效

• 申請號: 201910549801.6
• 申請日: 2019-06-24
• 公開（公告）號: CN110290066B
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發明（設計）人: 徐楠;呂原草;韓笑冬;王鳳春;馮彥君;邢川;計平;孔令軍
• 申請（專利權）人: 中國空間技術研究院
• 主分類號: H04L12/721
• 分類號: H04L12/721;H04L12/801;H04L12/851;H04B7/185
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 王衛軍

基于隊列監測與擁塞預測的衛星網絡動態路由方法，適用于網絡流量較大且變化頻繁的低軌衛星網絡，具有高魯棒性，星上計算資源能夠滿足其需求的輕量級特性，屬于通信技術領域。本發明以動態路由算法為基礎，能夠適應衛星快速運動引起的網絡拓撲結構變化。利用隊列監測的方法進行本星流量監控，能夠針對同一節點所連接的不同鏈路進行負載率的計算，從而避免節點上某一鏈路擁塞導致所有流量繞行，浪費該節點其他可用鏈路的帶寬資源。同時通過預測隊列即將發生的擁塞，可以在擁塞發生之前進行負載的分流，從而減小因為已發生的擁塞而造成的丟包。

技術領域

本發明涉及基于隊列監測與擁塞預測的衛星網絡動態路由方法，

背景技術

近年來，低軌移動衛星(LowEarthOrbit,LEO)組網成為衛星通信領域的熱點，要實現衛星組網，首先必須解決衛星間的路由問題。與中高軌衛星相比，LEO衛星軌道高度低，軌道周期短，故能為用戶提供(與同步通信衛星相比)低時延的高速連接，是衛星通信發展的重要方向。但由于其繞地球高速運動，衛星之間構成的鏈路也會隨之發生通斷變化，造成星座網絡的拓撲結構變化頻繁。星間鏈路的變化主要包含星座運行過程中部分鏈路故障及網絡擁塞的情況。

對LEO衛星來說，其衛星軌道與星座排布是確定的，每顆衛星通常有四條星間鏈路，整個網絡為網狀拓撲結構。星間網絡存在的主要特點及對路由協議設計的制約因素有：

(1)網絡拓撲結構動態變化，鏈路切換頻繁，路由有效時間短，鏈路傳輸時延長，誤碼率高。

(2)星間網絡是網狀結構，任意兩顆星座衛星之間均存在多條跳數相近的可用路徑(如附圖1所示)，故改變輸出端口造成的傳播延遲增量較小，但極易產生環路。

(3)承載數據流量分布不均衡，與地面網關連接的星間網絡網關節點容易發生節點和鏈路的擁塞。

(4)網絡中的流量業務種類繁多，存在不同時延敏感性的流量，如果不對網絡業務優先級加以區分，難以滿足不同業務的不同QoS需求。

(5)網絡流量過程是呈長相關自相似特性的非線性過程。

目前星間網絡常用的靜態路由基本方法是基于快照(SNAPSHOT)的路由方法。靜態路由思想充分利用衛星星座運轉的周期性和可預測性特點，將星座周期分為若干個時間片，把每個時間片內的網絡拓撲看作一個虛擬的固定拓撲，將拓撲結構以路由表的形式提前進行計算，在星上裝訂或由地面注入，數據包到達后只需要查表轉發。然而靜態路由無法對網絡的突發性拓撲變化及擁塞狀況作出適應性調整。與之相比，動態算法能夠較好的適應衛星網絡的高動態變化特征，減少因突發的鏈路故障造成的丟包。

在擁塞控制方面，目前常見的有多路徑路由、基于鏈路代價計算路由等方法。目前星間網絡方面，具有擁塞控制和負載均衡功能的自適應動態路由算法具有以下局限性：

(1)星間網絡鏈路時延長，誤碼率較大，且鏈路帶寬有限。網絡各節點難以在同一時間得知其他所有節點的鏈路負載程度，從而難以做出統一的路徑規劃。當各節點的鏈路狀態數據庫不同時，其所計算得到的路由表也不同，在該過程中傳輸的數據包容易產生環路。

(2)由于網絡難以在同一時間實現某條鏈路信息的泛洪，因此某條鏈路或節點的擁塞對其所在區域的影響較大，而對與其距離較遠區域的影響較小。且當大量鏈路負載信息在網絡中泛洪時，將加重網絡擁塞狀況。因此，擁塞鏈路或節點附近的節點對其擁塞狀況作出的響應對緩解擁塞的效果最大。

(3)判斷鏈路或節點擁塞時，以是否發生擁塞作為判定標準會導致系統在發生擁塞后再采取措施，造成丟包。鏈路上業務流的自相似特性使其具有可預測性，可以對其即將發生的擁塞進行預報，但其復雜性也提高了預測的難度。

(4)星間網絡作為一個自治網絡，通常是一個無連接的網絡。對于對時延抖動敏感的話音業務，多路徑路由雖然能夠進行負載均衡，但難以保證其數據包的按序到達。

發明內容