技术领域
[0001] 本
发明属于通信技术领域，更进一步涉及深空通信网络技术领域中一种具有服务
质量(Quality of Service QoS)保障的深空网络路由方法。本发明可以在深空网络中保证业务通过量的前提下，确定链路传输时间，选择时延最小的路径，有效提升深空网络的性能。
背景技术
[0002] 深空通信网络包括深空探测、卫星开发及载人航天三大主要航天活动中的空间
飞行器构成的通信网络。随着技术不断发展，卫星和探测器发射成本将会降低，未来的深空通信系统将采用网络形式。如在地球周围构建卫星中继网，在火星周围构建火星卫星中继网，通过多跳路径实现火星探测器与地面站之间的通信路径。深空通信业务随着空间探测技术的发展越来越多样化，除了常规的遥测、遥控和
跟踪数据外，还出现了科学实验数据、话音、运动图像和静止图像等海量数据传输业务。层出不穷的应用对网络的服务质量提出了更高的要求。在深空网络中，由于
节点距离非常远，星体的运动可通过查阅星历表获得，星体运动具有周期性，节点间的链路呈现间断性连接的特性，链路传播时延较大。因此，目前适用于地面网络的具有QoS保障的路由机制无法直接应用于深空通信网络，如何在具有间断性的深空网络中满足业务的QoS需求成为一个重要的技术问题。
[0003] 西安
电子科技大学的
专利申请“间断性连通网络中的路由选择方法”(公开号CN101562564，申请号CN 200910022727.9)公开了一种间断性连通网络中获取最大通过量的路由选择方法。该方法利用间断性连通网络中链路连通情况的精确预知，计算各链路有效传输时间段，求得路径的最大通过量，选择通过量最大的路径作为最优路径。但是该方法存在的不足是，首先，没有考虑传播时延对于数据传输的影响，造成业务传输过程中链路断开从而导致传输失败；其次，没有考虑链路连通时间和传播时延对于具体业务的影响，选择的通过量最大的路径存在对于当前业务时延较大的问题，无法保证业务对于时延的QoS需求。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服上述
现有技术的不足，提出一种具有QoS保障的深空网络路由方法。本发明依据深空网络链路连通情况的预知性，充分考虑深空网络环境高传播时延和相对较低的传输速率对数据传输的影响，采用存储转发机制，在保证业务通过量的条件下，减小路径时延，以实现更好利用网络资源，达到更好的传输性能。
[0005] 本发明实现上述目的的具体思路是：首先采用传播时延截断的方法，对链路的连通时间段进行修正；然后对于具体业务，根据链路连通时间段、传播时延和链路传输速率，确定各链路传输时间段；最后在确定路径时延时，选择时延最小的路径作为最优路径。
[0006] 本发明实现上述目的的步骤包括如下：
[0007] (1)获取链路信息
[0008] 业务发起节点查阅星历表获取网络中各链路连通时间段、传播时延及传输速率，并采用传播时延截断的方法进行连通时间段修正，形成可用连通时间段。
[0010] 2a)列出源节点到目的节点的所有路径；
[0011] 2b)任选所有路径中一条未进行时延计算的路径作为选定路径。
[0012] (3)获得第一跳链路时间段
[0013] 采用第一跳计算方法，对第一跳链路可用连通时间段和链路传输速率进行计算，获得业务传输时间段。
[0014] (4)获得其他链路时间段
[0015] 4a)选取第二跳链路为本跳链路，则上一跳链路为第一跳链路；
[0016] 4b)采用其他链路计算方法，对上一跳链路未进行计算的第一段传输时间段和本跳链路可用连通时间段进行计算，获得本跳链路相应的传输开始时刻和结束时刻；
[0017] 4c)记录传输开始时刻和结束时刻；
[0018] 4d)对于上一跳链路，判断是否完成最后一段传输时间的计算，若完成则执行下一步；否则，更新上一跳链路未进行计算的传输时间段和本跳链路可用连通时间段，转向步骤4b)。
[0019] (5)修正传输时间段
[0020] 采用重合选取的方法，对步骤(4)中计算得到的传输开始时刻和结束时刻修正，确定本跳链路传输时间段。
[0021] (6)判断选定路径是否完成最后一跳链路传输时间的计算，如果完成，则执行下一步；否则，更新本跳链路和上一跳链路，转向步骤4b)。
[0022] (7)确定路径时延
[0023] 采用路径时延计算方法，对业务在第一跳链路传输开始时刻与在最后一跳链路传输结束时刻进行计算，确定路径时延。
[0024] (8)判断是否存在未进行时延计算的路径，若不存在则执行下一步，否则转向步骤2b)。
[0025] (9)路径确定
[0026] 在各路径中选择时延最小的作为最优路径。
[0027] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0028] 1、本发明采用对于具体业务考虑链路传播时延和链路
数据速率，计算路径时延的方法，克服了现有技术中确定的最优路径对于当前业务路径时延较大的问题，使得本发明具有了计算获得的路径时延更为准确，选择的最优路径具有最短时延，在保障业务通过量的同时满足业务对时延的QoS需求的优点。
[0029] 2、本发明采用传播时延截断的方法进行连通时间段修正的方法，克服了现有技术中由于链路存在传播时延造成业务传输过程中链路断开从而导致传输失败的问题，使得本发明具有了数据传输时间安排更加合理，数据发送的盲目性小，数据在链路上传输时因链路断开造成传输失败的概率低，网络性能得到提高的优点。
附图说明
[0031] 图2是仿真链路连通时间段示意图；
[0032] 图3是仿真结果比较图
具体实施方式
[0033] 下面结合附图1对本发明作进一步的详细描述。
[0034] 步骤1，获取链路信息
[0035] 业务发起节点查阅星历表获取网络中各链路连通时间段、传播时延及传输速率，并采用传播时延截断的方法进行连通时间段修正，形成可用连通时间段。连通时间段的修正方法为：在每条链路的每段连通时间段的末尾部分截去与链路传播时延相同的一段时间，形成可用连通时间段，若连通时间段小于传播时延，则舍弃该时间段。
[0036] 本发明的
实施例是，业务发起节点查阅星历表获取深空网络中节点的运动轨迹，得到节点任一时刻的距离；节点处于通信范围内，且无其他星体遮挡时，链路连通；传输速率和传播时延由星体的在深空中
位置确定。两个节点的某段连通时间段表示为[ta，tb]，其中ta是连通时间段开始时刻，tb是连通时间段结束时刻，链路传播时延为tp。连通时间段修正方法是，若tb-ta＜tp，则舍弃该时间段，否则在连通时间段末尾部分截去与链路传播时延tp相同的一段时间，修正后的连通时间段表示为[ta，tb-tp]。
[0037] 进行连通时间段修正后，数据在可用连通时间段内传输时，不会出现由于存在传播时延，数据传输过程中链路断开，造成传输失败的问题。
[0038] 步骤2，路径选定
[0039] 首先，列出源节点到目的节点的所有路径。本发明的实施例是，网络中存在源节点S，节点X，节点Y，目的节点D，则源节点到目的节点的所有路径为S-D，S-X-D，S-Y-D和S-X-Y-D。
[0040] 其次，任选所有路径中一条未进行时延计算的路径作为选定路径。本发明可以适用网络中所有路径，但是，对于长路径所需计算的步骤多，复杂；而
短路径所需计算的步骤少，简单。所以，本发明的实施例选取能够完整体现本发明流程的最短路径S-X-D作为选定路径。
[0041] 步骤3，获得第一跳链路时间段
[0042] 第一步，将第一跳链路第一段可用连通时间的开始时刻作为传输开始时刻。本发明的实施例是，选定路径S-X-D的第一跳为链路是S-X，其可用连通时间段表示为[1，3]，[4，7]，[9，10]，则S-X的传输开始时刻为1。
[0043] 第二步，传输结束时刻通过下式计算：
[0044]
[0045] 其中，D是业务数据量，∫是积分符号，t1是传输开始时刻，t2是待求的传输结束时刻，c(t)是链路传输速率c随时间t变化的函数，当链路断开时传输速率为0。
[0046] 上述公式是在链路传输速率速率和传输开始时刻已知的情况下，计算业务在链路传输的结束时刻。本发明针对具体业务进行计算，计算得到的时延更为准确。本发明的实施例是，业务数据量为20，链路传输速率为5，由公式可求得传输结束时刻为6。
[0047] 第三步，将传输开始时刻和传输结束时刻之间的可用连通时间段作为业务传输时间段。本发明的实施例是，求得S-X传输开始时刻是1，结束时刻是6，业务传输时间段为1和6之间的可用连通时间段，是[1，3]，[4，6]。
[0048] 步骤4，获得其他链路时间段
[0049] 首先，选取第二跳链路为本跳链路，则上一跳链路为第一跳链路。本发明的实施例是，选取X-D为本跳链路，上一跳链路为S-X。
[0050] 其次，对上一跳链路未进行计算的第一段传输时间段和本跳链路可用连通时间段进行计算，获得本跳链路相应的传输开始时刻和结束时刻。
[0051] 本发明的实施例是，S-X的未进行计算的第一段传输时间段是[1，3]，本跳链路X-D可用连通时间段是[1，3]，[5，8]，[9，11]。
[0052] 第一步，上一跳链路第i段传输时间段的开始时刻和结束时刻分别为 和 链路传播时延为Tp，在本跳各段可用连通时间段中选择大于 的最小时刻作为本跳第i部分的传输开始时刻 本发明的实施例是，S-X的第一段传输时间段的开始时刻和结束时刻分别为1和3，链路传播时延为1，则X-D第一部分传输开始时刻为2。
[0053] 第二步，上一跳链路第i段传输时间段内传输的数据量可由下式确定：
[0054]
[0055] 其中，Ti是上一跳链路第i段传输时间段内传输的数据量，是上一跳链路第i段传输时间段的开始时刻，是上一跳链路第i段传输时间段的结束时刻，c(t)是上一跳链路传输速率c随时间t变化的函数，当链路断开时传输速率为0。
[0056] 本发明的实施例是，S-X的第一段传输时间段的开始时刻和结束时刻分别为1和3，链路传输速率为5，则由公式可得S-X第一段传输时间段内传输的数据量为10。
[0057] 第三步，本跳链路第i部分传输结束时刻可通过下式计算：
[0058]
[0059] 其中，Ti是上一跳链路第i段传输时间段内传输的数据量，是本跳链路第i部分传输开始时刻，是本跳链路第i部分传输结束时刻，c(t)是本跳链路传输速率c随时间t变化的函数，当链路断开时传输速率为0。
[0060] 本发明的实施例是，S-X第一段传输时间段内传输的数据量为10，X-D第一部分传输开始时刻为2，链路速率为4，由公式可求得X-D第一部分传输结束时刻为6.5。
[0061] 然后，记录传输开始时刻和结束时刻。
[0062] 最后，对于上一跳链路，判断是否完成最后一段传输时间的计算，若完成则执行下一步；否则，更新上一跳链路未进行计算的传输时间段和本跳链路可用连通时间段，继续进行传输时间段的计算。
[0063] 本发明的实施例是，对于S-X，完成第一段传输时间[1，3]的计算，第二段传输时间段[4，6]未进行计算，则将S-X的未进行计算的传输时间段更新为[4，6]，X-D可用连通时间段更新为[6.5，8]，[9，11]，继续进行X-D传输时间开始时刻和结束时刻的计算。若完成S-X第二段传输时间[4，6]的计算，则执行步骤5。
[0064] 步骤5，传输时间段修正
[0065] 对步骤4中计算得到的传输开始时刻和结束时刻修正，确定本跳链路传输时间段。具体方法是，选取本跳链路列表中的各部分传输时间段，与步骤(1)中得到的可用连通时间段比较，选取重合的时间段作为本跳传输时间段。
[0066] 本发明的实施例是，步骤4中得到的X-D第一部分开始时刻为2，结束时刻为6.5，X-D的可用连通时间段为[1，3]，[5，8]，[9，11]，则比较后得到X-D的传输时间段为[2，3]，[5，6.5]。同理，可得X-D剩余部分的传输时间段。本发明的传输时间段修正是将计算得到的各部分传输时间段中的链路断开部分除去，得到传输时间段，以进行后续计算。
[0067] 步骤6，判断选定路径是否完成最后一跳链路传输时间的计算，如果完成，则执行下一步；否则，更新本跳链路和上一跳链路，转向计算传输时间段。
[0068] 本发明的实施例是，选定路径是S-X-D，最后一跳链路是X-D，完成X-D的计算，执行下一步。若选定路径为S-X-Y-D，完成X-Y的计算，则更新本跳链路为Y-D，上一跳链路为X-Y，转向计算传输时间段。
[0069] 步骤7，确定路径时延
[0070] 对业务在第一跳链路传输开始时刻与在最后一跳链路传输结束时刻进行计算，按照下式确定路径时延；
[0071] Td＝tl-tf+Tp
[0072] 其中，Td是路径时延，tl是最后一跳链路的最后一段传输结束时刻，tf是第一跳链路传输开始时刻，Tp是最后一跳链路传播时延。
[0073] 上述公式中，最后一跳链路的传输结束时刻指的是最后一跳链路发送节点发送业务完成的时刻，由于存在链路传播时延Tp，所发送的数据在经过Tp后到达目的节点，所以，路径时延是最后一跳链路传输结束时刻与第一跳链路传输开始时刻之差，加上最后一跳链路的传播时延。本发明的实施例是，路径S-X-D的第一跳链路S-X的传输开始时刻是1，最后一跳链路X-D传输结束时刻是10，最后一跳链路的传播时延是0.5，则路径时延为9.5。
[0074] 步骤8，判断是否存在未进行时延计算的路径，若不存在则执行下一步，否则选取未进行时延计算的路径，转向步骤2，进行传输时间段的计算。
[0075] 步骤9，路径选择
[0076] 在各路径中选择时延最小的作为最优路径。本发明选定的路径在保障一定业务通过量的前提下，具有最小时延，满足业务对时延的要求。
[0077] 下面结合仿真图对本发明效果做进一步的描述。
[0078] 附图3是本发明和现有技术路径时延比较图。该比较图采用的仿真
软件是MATLAB(Matrix Laboratory)；仿真采用方法为本发明和现有技术的专利申请文件“间断性连通网络中的路由选择方法”中提出的方法；仿真场景是深空网络中存在源节点A，节点B，节点C和目的节点D，源节点通过两条路径A-B-D和A-C-D将业务量为8KB的业务传输到目的节点，路径中链路连通情况如图2所示。
[0079] 附图2是仿真中两条路径的连通时间段示意图，通过查阅星历表得到。其中，图2(a)是路径A-B-D中链路A-B和链路B-D的连通时间段，图2(b)是路径A-C-D中链路A-C和链路C-D的连通时间段。以图2(a)为例说明各部分含义，A-B表示其右侧对应的连通时间段为链路A-B的连通时间段，连通时间段中横轴代表时间，单位为秒(s)；在矩形范围内链路处于连通状态，其中，填充为白色的矩形是链路连通时间修正后形成的可用连通时间段，填充为灰色的矩形是链路连通时间修正时截去的连通时间段。矩形的沿竖直方向的长度代表数据传输速率的大小，长度越长速率越大，路径A-B-D的各链路数据速率为3KB/s，路径A-C-D的各链路数据速率为2KB/s。与本发明对比的方法中提到了系统周期的概念，图
2(a)中T＝20，表示连通时间段的周期为20s。图2(a)中表示链路A-B连通时间段为[0，
3]，[9，16]，传播时延为1s，修正后形成的可用传输时间段是[0，2]，[9，15]。同理，其他链路连通时间段表示方法相同。
[0080] 在图3中，横坐标表示不同路由方法的最优路径，分别为现有技术和本发明。纵坐标表示路径时延，单位为秒(s)。
[0081] 从图3中可见采用现有技术所述方法传输业务时，所确定最优路径的路径时延较大，采用本发明所述方法传输业务时，所确定最优路径的路径时延明显减小。虽然路径A-B-D链路传输速率大，连通时间段长，传输的数据总量大，但是对于当前业务，在业务传输开始的一段时间内路径A-B-D能够传输的数据量小于A-C-D。“间断性连通网络中的路由选择方法”所选择的路径在较长的一段时间内能够传输的数据量大，但是，传输当前业务时延大。本发明能够对于当前业务选择时延最小的路径，满足业务对时延的QoS需求。
