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基于改进蚁群的SDN卫星网络多QoS约束路由方法

阅读：250发布：2023-12-28

专利汇可以提供基于改进蚁群的SDN卫星网络多QoS约束路由方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于改进蚁群的SDN卫星网络多QoS约束路由方法，通过利用SDN思想对传统卫星网络进行重构，实现了卫星网络系统的轻量化、便捷、可靠运行；在路由路径的选取上具有全局最优性，可以避免链路拥塞情况的发生，使流量分布在具有更优服务质量的链路上；利用链路QoS参数信息重构蚁群算法的启发函数，并改进蚁群信息素更新机制，通过多属性融合评价时延、带宽、丢包率等不同路径QoS参数信息来进行多QoS约束路由，解决了如何减轻卫星运转压力，使其在保证可靠通信服务质量的同时实现高效、轻量化运转；以及如何根据用户具体业务需求，实现业务区分型的多QoS约束路由的问题。，下面是基于改进蚁群的SDN卫星网络多QoS约束路由方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于改进蚁群的SDN卫星网络多QoS约束路由方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过SDN技术对多层卫星网络进行组网重构，基于SDN卫星网络的逻辑架构可分为用户层、控制层、数据转发层以及南向接口和北向接口，其中各卫星间的通信链接又分为ISL星际链路、IOL星际链路和UDL星际链路；
S2、通过增强分组虚拟拓扑策略对数据转发层进行拓扑优化，得到数据转发层MEO/LEO双层优化网络拓扑；
S3、通过控制层和南向接口获取当前时隙内数据转发层MEO/LEO的全局网络状态信息，并采用图论将数据转发层MEO/LEO双层优化网络拓扑抽象为加权图模型；
S4、根据SDN卫星网络的控制层对于全局网络状态信息掌控的工程特征对蚁群算法进行改进，得到改进的蚁群算法；
S5、通过改进的蚁群算法对加权图模型进行多QoS约束路由计算，得到符合QoS约束的最优路径。
2.根据权利要求1所述的基于改进蚁群的SDN卫星网络多QoS约束路由方法，其特征在于，所述步骤S1中用户层通过控制层提供的北向API接口，实现对SDN卫星网络安全、路由以及资源分配业务的灵活可编程配置操作；
所述控制层包括地面超级控制中心和中继设备；
所述地面超级控制中心通过南向接口探测数据转发层中卫星间链路与节点的状态信息，以完成捕获数据转发层的全局网络拓扑状态信息，并以全局最优的视角进行集中运算控制，完成策略制定、路由计算、流表生成、拓扑管理以及资源分配的任务；
所述中继设备包括从属地面站群和GEO卫星群；
所述从属地面站群用于收集汇总数据转发层的网络拓扑状态信息，并将信息传送至地面超级控制中心处理；所述GEO卫星群包括左GEO卫星GEO_L、中GEO卫星GEO_M和右GEO卫星GEO_L，用于实现对全球的完全覆盖，并以广播的形式将地面超级控制中心的流表快速下发至数据转发层；
所述数据转发层为MEO/LEO双层卫星网络，其包括MEO卫星和LEO卫星；所述组长MEO卫星用于收集组内LEO以及MEO组长卫星自身网络状态信息，并将网络参数信息下发至覆盖范围下的从属地面站；同时MEO卫星负责接收GEO卫星群广播的流表信息，并发送至具有相应路由请求的组内LEO卫星，且设置源目卫星只能为LEO卫星，然后源卫星根据流表信息完成在MEO/LEO双层卫星网络间的数据包策略转发；
所述南向接口用于在控制层和数据转发层间传递信息；
所述北向接口用于在用户层和控制层间传递信息；
所述ISL星际链路为同层星际链路，其包括轨内星间链路和轨间星间链路；所述轨内星间链路用于进行相同高度且同一轨道内卫星的数据交互；所述轨间星间链路用于进行相同高度不同轨道间卫星的数据交互；
所述IOL星际链路为不同高度层卫星之间的星际链路，用于进行不同高度层卫星的数据交互；
所述UDL星际链路为用户数据链路，用于进行地面通信终端用户或网关站与卫星之间的数据交互。
3.根据权利要求2所述的基于改进蚁群的SDN卫星网络多QoS约束路由方法，其特征在于，所述步骤S2中增强分组虚拟拓扑策略具体为：对LEO卫星进行分组划分管理，使每一个LEO卫星选择对其信号覆盖时间最长的MEO卫星作为其管理员，重构MEO/LEO拓扑网络。
4.根据权利要求3所述的基于改进蚁群的SDN卫星网络多QoS约束路由方法，其特征在于，所述步骤S3中采用图论将数据转发层MEO/LEO双层优化网络拓扑抽象为加权图模型的步骤包括：
A1、采用图论将MEO卫星和LEO卫星抽象为加权图中的节点；
A2、采用图论将ISL星际链路、IOL星际链路和UDL星际链路抽象为加权图中的边e；
A3、采用图论将QoS参数集抽象为各边e对应的权值，其中，QoS参数集包括时延、剩余带宽和丢包率；
A4、对QoS参数集进行约束限制，并建立以其为基础的最优路径抉择函数f。
5.根据权利要求4所述的基于改进蚁群的SDN卫星网络多QoS约束路由方法，其特征在于，所述步骤A4中的最优路径抉择函数f为：
其中，(s，d)为源卫星节点s与目的卫星节点d之间的路由路径；delay(s，d)为路径时延，其值小于等于时延上限Dσ；bandwith(s，d)为路径剩余带宽，其值大于等于带宽下限Bσ；
loss(s，d)为路径丢包率，其值小于等于丢包率上限Lσ，w1为时延权重，w2为剩余带宽权重，w3为丢包率权重。
6.根据权利要求1所述的基于改进蚁群的SDN卫星网络多QoS约束路由方法，其特征在于，所述步骤S4中改进的蚁群算法的启发函数θuv为：
其中，delay*(u，v)为实际链路参数归一化后的链路(u，v)时延，bandwith*(u，v)为实际链路参数归一化后的链路(u，v)带宽，loss*(u，v)为实际链路参数归一化后的链路(u，v)丢包率。
7.根据权利要求6所述的基于改进蚁群的SDN卫星网络多QoS约束路由方法，其特征在于，所述步骤S4中改进的蚁群算法的状态转移规则表达式为：
其中，α为信息素浓度值对于蚂蚁路径寻优的影响因子，β为启发函数θuv对于蚂蚁路径寻优的影响因子，τuv(t)为t时刻链路(u，v)上的信息素浓度值，u和v为任意两卫星节点，allowedk表示蚂蚁k在节点u选择下一节点的集合，p为取值范围在[0，1]之间的随机数，P0∈[0，1]为常数参数，有P0比例的蚂蚁若在节点u会选择具有[τuv(t)]α[θuv]β最大值的节点作为下一跳节点v，相对应有1-P0比例的蚂蚁若在节点u会以概率公式进行下一跳节点v的偏向性搜索，y代指allowedk集合中的任意节点。
8.根据权利要求7所述的基于改进蚁群的SDN卫星网络多QoS约束路由方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤：
S51、初始化各参数，包括：初始信息素浓度τ(0)、源节点卫星s，目的节点卫星d、信息素因子α、启发函数因子β、信息素残留系数ρ、搜素蚂蚁数量Mnum以及设置的最大迭代次数NCmax；
S52、将蚂蚁置于源卫星节点s，并将此节点加入禁忌表；
S53、根据状态转移规则函数，完成蚂蚁对下一跳节点的跳转，并将选中的节点写入禁忌表，防止重复走此节点；
S54、判断蚂蚁此时所处节点是否为目的卫星节点，若是，则表示此蚂蚁寻路成功，跳转至步骤S56；若否，则执行步骤S55；
S55、蚂蚁需要判断此时所处节点的集合allowed是否为空集，若是，则表示没有下一跳可选节点跳转，此蚂蚁寻路失败，跳转至步骤S56；若否，则跳转至步骤S53；
S56、进行信息素的更新：蚁群每次迭代结束后，采用TOPSIS算法对各可行路径的多QoS参数信息进行融合评价，以完成对各路径的信息素增量值计算；建立各可行路径的m×n阶的属性矩阵H＝(xmn)，并依次求得加权矩阵Q＝(qmn)、理想最佳解q+，理想最差解q-、单只蚂蚁的相似紧密度值与信息素增加量经过链路(u，v)所有蚂蚁新释放的
信息素总增量值Δτuv(t，t+1)，进而以公式τuv(t+1)完成对全部路径的信息素更新，并将迭代次数NC自增1；
S57、判断迭代次数NC是否达到最大设定迭代次数NCmax，若是，则跳转至步骤S58，若否，则跳转至步骤S52；
S58、判断所有蚂蚁是否都沿着相同的路径游走，若是，则此时的路径即为当前问题的最优解路径；否则跳转至步骤S59；
S59、采用minf函数进行路径抉择，得到符合QoS约束的最优路径。
9.根据权利要求8所述的基于改进蚁群的SDN卫星网络多QoS约束路由方法，其特征在于，所述各可行路径属性矩阵
其中，1≤i≤m，1≤j≤n；所述加权矩阵
其中每一个元素所述理想最佳解
其中，Kb为收益准则
值，Kc为花费准则值；所述理想最差解
所述相似紧密度值其中，距离
参数距离参数所述单只蚂
蚁在链路(u，v)上新释放信息素增量值其
中，R为信息素强度参量；所述链路(u，v)信息素更新公式τuv(t+1)＝ρτuv(t)+Δτuv(t，t+1)，其中，ρ为信息素残留系数，τuv(t)为链路(u，v)上原始信息素值，
为经过链路(u，v)的所有蚂蚁新释放的信息素总增量值。

说明书全文

基于改进蚁群的SDN卫星网络多QoS约束路由方法

技术领域

[0001] 本发明涉及卫星组网领域，具体涉及一种基于改进蚁群的SDN卫星网络多 QoS约束路由方法。

背景技术

[0002] 近年来，互联网技术的迅猛发展给人们生活带来了巨大的便捷性，人们对于网络通信技术的需求也呈指数级增长，同时，随着人们所需通信范围的不断增大，传统地面通信网络难以覆盖像偏远山区、荒漠、海洋这种基站难以建立的地方。因此，卫星网络通信系统的优势逐渐凸显出来，它具有通信容量大、覆盖范围大、传输距离远、不受地面自然灾害影响、组网灵活等特点，因此，卫星网络通信系统已发展成为整个全球通信系统中不可或缺的重要组成部分。

[0003] 在传统卫星网络技术中，路由表的计算、存储以及数据的转发均由卫星自身承担，随着人们对于卫星网络通信服务种类以及业务量需求的急剧增加，卫星将承载着越来越大的运行压力。因此，如何减轻卫星运转压力，使其在保证可靠通信服务质量的同时实现高效、轻量化运转；以及如何根据用户具体业务需求，实现业务区分型的多QoS约束路由，这两个问题目前已经成为卫星网络通信系统研究中两个亟待解决的工程难题。

发明内容

[0004] 针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于改进蚁群的SDN卫星网络多QoS约束路由方法解决了如何减轻卫星运转压力，使其在保证可靠通信服务质量的同时实现高效、轻量化运转；以及如何根据用户具体业务需求，实现业务区分型的多QoS约束路由的问题。

[0005] 为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于改进蚁群的SDN卫星网络多QoS约束路由方法，包括以下步骤：

[0006] S1、通过SDN技术对多层卫星网络进行组网重构，基于SDN卫星网络的逻辑架构可分为用户层、控制层、数据转发层以及南向接口和北向接口，其中各卫星间的通信链接又分为ISL星际链路、IOL星际链路和UDL星际链路；

[0007] S2、通过增强分组虚拟拓扑策略对数据转发层进行拓扑优化，得到数据转发层MEO/LEO双层优化网络拓扑；

[0008] S3、通过控制层和南向接口获取当前时隙内数据转发层MEO/LEO的全局网络状态信息，并采用图论将数据转发层MEO/LEO双层优化网络拓扑抽象为加权图模型；

[0009] S4、根据SDN卫星网络的控制层对于全局网络状态信息掌控的工程特征对蚁群算法进行改进，得到改进的蚁群算法；

[0010] S5、通过改进的蚁群算法对加权图模型进行多QoS约束路由计算，得到符合QoS约束的最优路径。

[0011] 进一步地：步骤S1中用户层通过控制层提供的北向API接口，实现对SDN 卫星网络安全、路由以及资源分配业务的灵活可编程配置操作；

[0012] 所述控制层包括地面超级控制中心和中继设备；

[0013] 所述地面超级控制中心通过南向接口探测数据转发层中卫星间链路与节点的状态信息，以完成捕获数据转发层的全局网络拓扑状态信息，并以全局最优的视角进行集中运算控制，完成策略制定、路由计算、流表生成、拓扑管理以及资源分配的任务；

[0014] 所述中继设备包括从属地面站群和GEO卫星群；

[0015] 所述从属地面站群用于收集汇总数据转发层的网络拓扑状态信息，并将信息传送至地面超级控制中心处理；所述GEO卫星群包括左GEO卫星GEO_L、中GEO卫星GEO_M和右GEO卫星GEO_L，用于实现对全球的完全覆盖，并以广播的形式将地面超级控制中心的流表快速下发至数据转发层；

[0016] 所述数据转发层为MEO/LEO双层卫星网络，其包括MEO卫星和LEO卫星；所述组长MEO卫星用于收集组内LEO以及MEO组长卫星自身网络状态信息，并将网络参数信息下发至覆盖范围下的从属地面站；同时MEO卫星负责接收GEO卫星群广播的流表信息，并发送至具有相应路由请求的组内LEO卫星，且设置源目卫星只能为LEO卫星，然后源卫星根据流表信息完成在MEO/LEO 双层卫星网络间的数据包策略转发；

[0017] 所述南向接口用于在控制层和数据转发层间传递信息；

[0018] 所述北向接口用于在用户层和控制层间传递信息；

[0019] 所述ISL星际链路为同层星际链路，其包括轨内星间链路和轨间星间链路；所述轨内星间链路用于进行相同高度且同一轨道内卫星的数据交互；所述轨间星间链路用于进行相同高度不同轨道间卫星的数据交互；

[0020] 所述IOL星际链路为不同高度层卫星之间的星际链路，用于进行不同高度层卫星的数据交互；

[0021] 所述UDL星际链路为用户数据链路，用于进行地面通信终端用户或网关站与卫星之间的数据交互。

[0022] 进一步地：步骤S2中增强分组虚拟拓扑策略具体为：对LEO卫星进行分组划分管理，使每一个LEO卫星选择对其信号覆盖时间最长的MEO卫星作为其管理员，重构MEO/LEO拓扑网络。

[0023] 进一步地：步骤S3中采用图论将数据转发层MEO/LEO双层优化网络拓扑抽象为加权图模型的步骤包括：

[0024] A1、采用图论将MEO卫星和LEO卫星抽象为加权图中的节点；

[0025] A2、采用图论将ISL星际链路、IOL星际链路和UDL星际链路抽象为加权图中的边e；

[0026] A3、采用图论将QoS参数集抽象为各边e对应的权值，其中，QoS参数集包括时延、剩余带宽和丢包率；

[0027] A4、对QoS参数集进行约束限制，并建立以其为基础的最优路径抉择函数 f。

[0028] 进一步地：步骤A4中的最优路径抉择函数f为：

[0029]

[0030] 其中，(s，d)为源卫星节点s与目的卫星节点d之间的路由路径；delay(s，d)为路径时延，其值小于等于时延上限Dσ；bandwith(s，d)为路径剩余带宽，其值大于等于带宽下限Bσ；loss(s，d)为路径丢包率，其值小于等于丢包率上限Lσ，w1为时延权重，w2为剩余带宽权重，w3为丢包率权重。

[0031] 进一步地：步骤S4中改进的蚁群算法的启发函数θuv为：

[0032]

[0033] 其中，delay*(u，v)为实际链路参数归一化后的链路(u，v)时延， bandwith*(u，v)为实际链路参数归一化后的链路(u，v)带宽，loss*(u，v)为实际链路参数归一化后的链路(u，v)丢包率。

[0034] 进一步地：步骤S4中改进的蚁群算法的状态转移规则表达式为：

[0035]

[0036]

[0037] 其中，α为信息素浓度值对于蚂蚁路径寻优的影响因子，β为启发函数θuv对于蚂蚁路径寻优的影响因子，τuv(t)为t时刻链路(u，v)上的信息素浓度值，u和v 为任意两卫星节点，allowedk表示蚂蚁k在节点u选择下一节点的集合，p为取值范围在[0，1]之间的随机数，P0∈[0，1]为常数参数，有P0比例的蚂蚁若在节点u会选择具有[τuv(t)]α[θuv]β最大值的节点作为下一跳节点v，相对应有1-P0比例的蚂蚁若在节点u会以概率公式进行下一跳节点v的偏向性搜索， y代指allowedk集合中的任意节点。

[0038] 进一步地：步骤S5包括以下步骤：

[0039] S51、初始化各参数，包括：初始信息素浓度τ(0)、源节点卫星s，目的节点卫星d、信息素因子α、启发函数因子β、信息素残留系数ρ、搜素蚂蚁数量Mnum以及设置的最大迭代次数NCmax；

[0040] S52、将蚂蚁置于源卫星节点s，并将此节点加入禁忌表；

[0041] S53、根据状态转移规则函数，完成蚂蚁对下一跳节点的跳转，并将选中的节点写入禁忌表，防止重复走此节点；

[0042] S54、判断蚂蚁此时所处节点是否为目的卫星节点，若是，则表示此蚂蚁寻路成功，跳转至步骤S56；若否，则执行步骤S55；

[0043] S55、蚂蚁需要判断此时所处节点的集合allowed是否为空集，若是，则表示没有下一跳可选节点跳转，此蚂蚁寻路失败，跳转至步骤S56；若否，则跳转至步骤S53；

[0044] S56、进行信息素的更新：蚁群每次迭代结束后，采用TOPSIS算法对各可行路径的多QoS参数信息进行融合评价，以完成对各路径的信息素增量值计算；建立各可行路径的m×n阶的属性矩阵H＝(xmn)，并依次求得加权矩阵 Q＝(qmn)、理想最佳解q+，理想最差解q-、单只蚂蚁的相似紧密度值与信息素增加量经过链路(u，v)所有蚂蚁新释放的信息素总增量值Δτuv(t，t+1)，进而以公式τuv(t+1)完成对全部路径的信息素更新，并将迭代次数NC自增1；

[0045] S57、判断迭代次数NC是否达到最大设定迭代次数NCmax，若是，则跳转至步骤S58，若否，则跳转至步骤S52；

[0046] S58、判断所有蚂蚁是否都沿着相同的路径游走，若是，则此时的路径即为当前问题的最优解路径；否则跳转至步骤S59；

[0047] S59、采用minf函数进行路径抉择，得到符合QoS约束的最优路径。

[0048] 进一步地：各可行路径属性矩阵

[0049] 其中，1≤i≤m，1≤j≤n；所述加权矩阵其中每一个元素所述理想最佳解
其中， Kb为收益准
则值，Kc为花费准则值；所述理想最差解
所述相似紧密度值其中，距离
参数距离参数所述单只蚂
蚁在链路(u，v)上新释放信息素增量值
其中，R为信息素强度参量；所述链路(u，v)信息素更新公式τuv(t+1)＝ρτuv(t)+Δτuv(t，t+
1)，其中，ρ为信息素残留系数，τuv(t)为链路(u，v)上原始信息素值，
为经过链路(u,v)的所有蚂蚁新释放的信息素总增量值。

[0050] 本发明的有益效果为：

[0051] 1、通过利用SDN思想对传统卫星网络进行重构，实现了卫星网络系统的轻量化、便捷、可靠运行，且地面超级控制中心具有全局网络拓扑优化的优势，使得在路由路径的选取上具有全局最优性，可以最大程度地避免链路拥塞情况的发生，使流量分布在具有更优服务质量的链路上。同时，与传统卫星网络路由表的计算采取以虚拟拓扑离线计算、实际卫星路由转发按时刻查询静态路由表的固定模式相比，本发明中所提出的基于SDN卫星网络架构下的路由表则是依据实时卫星网络状态运行参数计算所得，具有实时性、真实动态性。

[0052] 2、通过利用链路QoS参数信息来重构蚁群算法的启发函数，使得蚂蚁在下一跳节点选择时，易于偏向走QoS优的链路。

[0053] 3、改进蚁群信息素更新机制，通过TOPSIS多属性算法融合评价各路径时延、带宽、丢包率等不同QoS参数信息，采用全局信息素更新的方式，以相似紧密度值大小来表征信息素增量值大小，路径QoS越优，则相似紧密度值越大，信息素增量值也就越大，使得蚂蚁在路径选取时，可根据实际具体的QoS参数要求以及根据不同业务需求，赋予时延、带宽、丢包率等参数不同的权重，以选取更加满足用户需求的多QoS约束最优解路径，改变了传统路由算法中仅考虑以最短距离或是单QoS需求的路由计算方法。附图说明

[0054] 图1为一种基于改进蚁群的SDN卫星网络多QoS约束路由方法示意图。

具体实施方式

[0055] 下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

[0056] 如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种基于改进蚁群的SDN卫星网络多QoS约束路由方法，包括以下步骤：

[0057] S1、通过SDN技术对多层卫星网络进行组网重构，基于SDN卫星网络的逻辑架构可分为用户层、控制层、数据转发层以及南向接口和北向接口，其中各卫星间的通信链接又分为ISL星际链路、IOL星际链路和UDL星际链路；

[0058] 步骤S1中用户层通过控制层提供的北向API接口，实现对SDN卫星网络安全、路由以及资源分配业务的灵活可编程配置操作；

[0059] 所述控制层包括地面超级控制中心和中继设备；

[0060] 所述地面超级控制中心通过南向接口探测数据转发层中卫星间链路与节点的状态信息，以完成捕获数据转发层的全局网络拓扑状态信息，并以全局最优的视角进行集中运算控制，完成策略制定、路由计算、流表生成、拓扑管理以及资源分配的任务；

[0061] 所述中继设备包括从属地面站群和GEO卫星群；

[0062] 所述从属地面站群用于收集汇总数据转发层的网络拓扑状态信息，并将信息传送至地面超级控制中心处理；所述GEO卫星群包括左GEO卫星GEO_L、中GEO卫星GEO_M和右GEO卫星GEO_L，用于实现对全球的完全覆盖，并以广播的形式将地面超级控制中心的流表快速下发至数据转发层；

[0063] 所述数据转发层为MEO/LEO双层卫星网络，其包括MEO卫星和LEO卫星；所述组长MEO卫星用于收集组内LEO以及MEO组长卫星自身网络状态信息，并将网络参数信息下发至覆盖范围下的从属地面站；同时MEO卫星负责接收GEO卫星群广播的流表信息，并发送至具有相应路由请求的组内LEO卫星，且设置源目卫星只能为LEO卫星，然后源卫星根据流表信息完成在MEO/LEO 双层卫星网络间的数据包策略转发；

[0064] 所述南向接口用于在控制层和数据转发层间传递信息；

[0065] 所述北向接口用于在用户层和控制层间传递信息；

[0066] 所述ISL星际链路为同层星际链路，其包括轨内星间链路和轨间星间链路；所述轨内星间链路用于进行相同高度且同一轨道内卫星的数据交互；所述轨间星间链路用于进行相同高度不同轨道间卫星的数据交互；

[0067] 所述IOL星际链路为不同高度层卫星之间的星际链路，用于进行不同高度层卫星的数据交互；

[0068] 所述UDL星际链路为用户数据链路，用于进行地面通信终端用户或网关站与卫星之间的数据交互。

[0069] S2、通过增强分组虚拟拓扑策略对数据转发层进行拓扑优化，得到数据转发层MEO/LEO双层优化网络拓扑；

[0070] 步骤S2中增强分组虚拟拓扑策略具体为：对LEO卫星进行分组划分管理，使每一个LEO卫星选择对其信号覆盖时间最长的MEO卫星作为其管理员，重构MEO/LEO拓扑网络。

[0071] S3、通过控制层和南向接口获取当前时隙内数据转发层MEO/LEO的全局网络状态信息，并采用图论将数据转发层MEO/LEO双层优化网络拓扑抽象为加权图模型；

[0072] 步骤S3中采用图论将数据转发层MEO/LEO双层优化网络拓扑抽象为加权图模型的步骤包括：

[0073] A1、采用图论将MEO卫星和LEO卫星抽象为加权图中的节点；

[0074] A2、采用图论将ISL星际链路、IOL星际链路和UDL星际链路抽象为加权图中的边e；

[0075] A3、采用图论将QoS参数集抽象为各边e对应的权值，其中，QoS参数集包括时延、剩余带宽和丢包率；

[0076] A4、对QoS参数集进行约束限制，并建立以其为基础的最优路径抉择函数 f。

[0077] 步骤A4中的最优路径抉择函数f为：

[0078]

[0079] 其中，(s，d)为源卫星节点s与目的卫星节点d之间的路由路径；delay(s，d)为路径时延，其值小于等于时延上限Dσ；bandwith(s，d)为路径剩余带宽，其值大于等于带宽下限Bσ；loss(s，d)为路径丢包率，其值小于等于丢包率上限Lσ，w1为时延权重，w2为剩余带宽权重，w3为丢包率权重。

[0080] S4、根据SDN卫星网络的控制层对于全局网络状态信息掌控的工程特征对蚁群算法进行改进，得到改进的蚁群算法；

[0081] 步骤S4中改进的蚁群算法的启发函数θuv为：

[0082]

[0083] 其中，delay*(u，v)为实际链路参数归一化后的链路(u，v)时延， bandwith*(u，v)*为实际链路参数归一化后的链路(u，v)带宽，loss (u，v)为实际链路参数归一化后的链路(u，v)丢包率。

[0084] 步骤S4中改进的蚁群算法的状态转移规则表达式为：

[0085]

[0086]

[0087] 其中，α为信息素浓度值对于蚂蚁路径寻优的影响因子，β为启发函数θuv对于蚂蚁路径寻优的影响因子，τuv(t)为t时刻链路(u，v)上的信息素浓度值，u和v 为任意两卫星节点，allowedk表示蚂蚁k在节点u选择下一节点的集合，p为取值范围在[0，1]之间的随机数，α βP0∈[0，1]为常数参数，有P0比例的蚂蚁若在节点u会选择具有[τuv(t)][θuv] 最大值的节点作为下一跳节点v，相对应有1-P0比例的蚂蚁若在节点u会以概率公式进行下一跳节点v的偏向性搜索， y代指allowedk集合中的任意节点。

[0088] S5、通过改进的蚁群算法对加权图模型进行多QoS约束路由计算，得到符合QoS约束的最优路径。

[0089] 步骤S5包括以下步骤：

[0090] S51、初始化各参数，包括：初始信息素浓度τ(0)、源节点卫星s，目的节点卫星d、信息素因子α、启发函数因子β、信息素残留系数ρ、搜素蚂蚁数量Mnum以及设置的最大迭代次数NCmax；

[0091] S52、将蚂蚁置于源卫星节点s，并将此节点加入禁忌表；

[0092] S53、根据状态转移规则函数，完成蚂蚁对下一跳节点的跳转，并将选中的节点写入禁忌表，防止重复走此节点；

[0093] S54、判断蚂蚁此时所处节点是否为目的卫星节点，若是，则表示此蚂蚁寻路成功，跳转至步骤S56；若否，则执行步骤S55；

[0094] S55、蚂蚁需要判断此时所处节点的集合allowed是否为空集，若是，则表示没有下一跳可选节点跳转，此蚂蚁寻路失败，跳转至步骤S56；若否，则跳转至步骤S53；

[0095] S56、进行信息素的更新：蚁群每次迭代结束后，采用TOPSIS算法对各可行路径的多QoS参数信息进行融合评价，以完成对各路径的信息素增量值计算；建立各可行路径的m×n阶的属性矩阵H＝(xmn)，并依次求得加权矩阵 Q＝(qmn)、理想最佳解q+，理想最差解q-、单只蚂蚁的相似紧密度值与信息素增加量经过链路(u，v)所有蚂蚁新释放的信息素总增量值Δτuv(t，t+1)，进而以公式τuv(t+1)完成对全部路径的信息素更新，并将迭代次数NC自增1；

[0096] S57、判断迭代次数NC是否达到最大设定迭代次数NCmax，若是，则跳转至步骤S58，若否，则跳转至步骤S52；

[0097] S58、判断所有蚂蚁是否都沿着相同的路径游走，若是，则此时的路径即为当前问题的最优解路径；否则跳转至步骤S59；

[0098] S59、采用minf函数进行路径抉择，得到符合QoS约束的最优路径。

[0099] 各可行路径属性矩阵

[0100] 其中，1≤i≤m，1≤j≤n；所述加权矩阵其中每一个元素所述理想最佳解
其中， Kb为收益准
则值，Kc为花费准则值；所述理想最差解
所述相似紧密度值其中，距离
参数距离参数所述单只蚂
蚁在链路(u，v)上新释放信息素增量值
其中，R为信息素强度参量；所述链路(u，v)信息素更新公式τuv(t+1)＝ρτuv(t)+Δτuv(t，t+
1)，其中，ρ为信息素残留系数，τuv(t)为链路(u，v)上原始信息素值，
为经过链路(u，v)的所有蚂蚁新释放的信息素总增量值。

[0101] 本发明通过利用SDN思想对传统卫星网络进行重构，实现了卫星网络系统的轻量化、便捷、可靠运行，且地面超级控制中心具有全局网络拓扑优化的优势，使得在路由路径的选取上具有全局最优性，可以最大程度地避免链路拥塞情况的发生，使流量分布在具有更优服务质量的链路上。同时，与传统卫星网络路由表的计算采取以虚拟拓扑离线计算、实际卫星路由转发按时刻查询静态路由表的固定模式相比，本发明中所提出的基于SDN卫星网络架构下的路由表则是依据实时卫星网络状态运行参数计算所得，具有实时性、真实动态性。并通过利用链路QoS参数信息来重构蚁群算法的启发函数，使得蚂蚁在下一跳节点选择时，易于偏向走QoS优的链路。本发明还改进了蚁群信息素更新机制，通过TOPSIS多属性算法融合评价各路径时延、带宽、丢包率等不同QoS参数信息，采用全局信息素更新的方式，以相似紧密度值大小来表征信息素增量值大小，路径QoS越优，则相似紧密度值越大，信息素增量值也就越大，使得蚂蚁在路径选取时，可根据实际具体的QoS参数要求以及根据不同业务需求，赋予时延、带宽、丢包率等参数不同的权重，以选取更加满足用户需求的多QoS 约束最优解路径，改变了传统路由算法中仅考虑以最短距离或是单QoS需求的路由计算方法。

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基于改进蚁群的SDN卫星网络多QoS约束路由方法

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