[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

本發明公開了一種空天地一體化網絡路由方法，通過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；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；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，本發明以最低時延為目標，并實時檢測剩余能量和帶寬利用情況并進行更新，能夠滿足不同領域用戶的各種需求，相比Floyd路由，時延、丟包率和帶寬利用率性能均獲得了顯著提升，適用于日益增長的通信需求。

技術領域

本發明涉及到無線通信領域，具體涉及一種空天地一體化網絡路由方法。

背景技術

通信行業的發展日新月異，然而當前各類通信網絡卻各自存在一定的局限性。地面通信網絡存在通信盲/弱區，容易受地理因素影響。而空中通信網絡能量受限，網絡可靠性不足。衛星通信網絡又存在長時延及帶寬受限問題，適用場景有限。隨著用戶需求的不斷提高，漸漸衍生出一種新趨勢：空天地一體化。低成本的空基成為天基和地基之間的中繼。作為目前最具發展前景的網絡之一，空天地一體化具有協作性、泛在性、高效性三大特點，能夠滿足不同領域用戶的各種需求。然而，空天地一體化網絡因具有時變性、異構性、自組織、分布式、開放性等特點，引發了一系列新的挑戰。如體系設計、網絡控制、頻譜管理、能量管理、路由和切換管理、安全防護等。本文主要圍繞其中的路由問題展開研究。空天地一體化需要實現多網間的大容量數據傳輸，因此研究多層網絡間的路由顯得尤為重要。目前已有的路由方案均沒有針對飛行器能量受限、衛星帶寬資源有限等聯合做出有效改善，無法保證帶寬利用率性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種空天地一體化網絡路由方法，以克服現有技術的不足，本發明能夠在約束剩余能量和帶寬利用率的同時降低端到端時延。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種空天地一體化網絡路由方法，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。

進一步的，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。

進一步的，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+γmax Q(s′，a′)-Q(s，a)]

α為學習率，γ為折扣率；