[發明專利]一種空天地一體化網絡路由方法

有效

• 申請號: 202110315051.3
• 申請日: 2021-03-24
• 公開（公告）號: CN113099505B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 任品毅;石曉景;杜清河
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W40/12;H04L45/121
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 朱海臨

1.一種空天地一體化網絡路由方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1，在空天地一體化網絡的每個節點處設置用于存儲需要完成的數據任務的鏈路隊列；

S2，在每個時隙開始時刻，將數據源產生的數據分組并傳入節點對應的鏈路隊列末尾，同時根據新產生的數據計算當前數據總量、節點剩余能量和鏈路帶寬利用率；

S3，以最低時延為目標，節點剩余能量和鏈路帶寬利用率為約束條件來進行路由，依次從隊列中選取任務傳輸至被選取的下一跳，層層遞進，直到到達目的節點；

以最低時延為目標即令總時延最短，目標函數如下：

其中，λ為數據流的泊松分布參數，i，j代表網絡節點；

以節點剩余能量和鏈路帶寬利用率為約束條件：

所有節點i在任意時刻t的最小剩余能量E_ir(t)大于等于閾值η₁(λ)：

每條鏈路ij的帶寬利用率小于等于網絡擁塞率η₂(λ)：

其中，L_pkt為數據包長度，N_pkt為單位時間內的數據包數量，B_ij為鏈路帶寬；

空天地一體化網絡狀態空間中的所有節點s；其輸入為網絡鄰接矩陣，輸出當前狀態下的最佳路由選擇；依據貪婪策略選取節點s狀態的出口鏈路a，根據公式更新Q值表：

Q(s,a)←Q(s,a)+α[R+γmaxQ(s',a')-Q(s,a)]

α為學習率，γ為折扣率；

R為獎勵函數，是對在不同狀態下選擇不同動作的評估，其設計如下：

r_E是當節點剩余能量過小引起的懲罰；r_B是帶寬利用率過高引起的懲罰，是絕對值最大的負數；所有閾值均為λ的函數；若到達目的節點，則數據傳輸任務完成，獎勵值為0；-1用來記錄數據包傳輸的跳數。

2.根據權利要求1所述的一種空天地一體化網絡路由方法，其特征在于，所述空天地一體化網絡路由系統包括衛星網絡、空中平臺網絡和地面網絡，衛星網絡分別與空中平臺網絡和地面網絡通信，衛星網絡包括若干LEO極軌衛星，空中平臺網絡包括若干節點間保持相對靜止的空中網絡節點，地面網絡包括地面站和用戶，用戶位置服從兩個同心圓分布，最大半徑20km。

3.根據權利要求2所述的一種空天地一體化網絡路由方法，其特征在于，衛星網絡、空中平臺網絡和地面網絡之間形成的鏈路包括層內鏈路和層間鏈路，層間鏈路包括相鄰層鏈路和間隔層鏈路。

4.根據權利要求1所述的一種空天地一體化網絡路由方法，其特征在于，在鏈路隊列非空時，當前數據包的等待時間等于上一個數據包離開時刻減去當前數據包到達時刻，而離開時刻則等于上一個數據包離開時刻加上鏈路傳輸時間。

5.根據權利要求1所述的一種空天地一體化網絡路由方法，其特征在于，在時隙t，由無向圖G(V,E(t))表示網絡拓撲，V代表網絡中的節點，E(t)代表網絡中的鏈路；依據每個拓撲下的鄰接矩陣來進行路由，鄰接矩陣元素為時延，計算公式如下：

其中，c_ij為鏈路傳輸速度，w_ij為鏈路權值，d_ij(t)為鏈路距離。

6.根據權利要求5所述的一種空天地一體化網絡路由方法，其特征在于，對于無法獲取距離的鏈路，采用以下公式求得：

其中，Δh為高度差，水平距離d_h由以下Haversine公式計算：

其中，R代表地球半徑，λ、分別代表經緯度。

7.根據權利要求2所述的一種空天地一體化網絡路由方法，其特征在于，所述空中平臺網絡總節點i的能耗為：

其中，L_pkt為數據包長度，d為鏈路距離；E_elec為發送/接收單位數據的能耗，E_fs為自由空間傳輸單位數據的能耗，E_mp為多路徑傳輸能耗；

8.根據權利要求2所述的一種空天地一體化網絡路由方法，其特征在于，極軌星座中衛星j在t時隙的能耗為：

其中，x_ji(t)和x_ij(t)分別為t時刻衛星節點的流入、流出數據量，等于數據包數量乘以長度；B為鏈路帶寬，Δ_t為更新間隔時間；P_s、P_r、P_o分別為衛星發射、接收和運行功率；

衛星j在t時刻的充電能量為：

E_jc(t)＝P_c×max{Δ_t,S_j(t)} (6)其中，P_c為衛星充電功率，S_i(t)為Δ_t間隔內的光照時長；

衛星j在t時刻的剩余能量為：

E_jr(t)＝min{E_jnitial,E_jr(t-1)-E_j(t)+E_jc(t)} (7)

其中，E_jnitial為衛星j的初始能量；

鏈路平均帶寬利用率的計算公式如下：

其中，t_trans為傳輸時間。