技术领域
[0001] 本
发明属于无线通信领域，涉及一种路由选择方法，特别涉及一种适用于在深空通信中时延容忍网络DTN的多路径路由选择方法。
背景技术
[0002] 时延容忍网络简称为DTN(Delay-Tolerant Networks)，是一种具有高时延、低
数据速率特点的间断性连通网络。在深空环境下，由于网络的复杂性和动态性，端到端路径呈现出间断连通的特点，所以
深空网络是一种典型的DTN。在这种特殊的网络环境下，受限的
节点资源和链路资源决定了端到端的数据传输只能通过节点的存储转发策略实现。
[0003] 现有的DTN路由方法大多是建立在单路径路由的
基础上，在源节点和目的节点之间寻找一条时延最短、递交率最高的最优路径进行数据的传输。Tamer
Abdelkader，Kshirasagar Naik，Amiya Nayak在“Choosing the Objective of Optimal RoutingProtocols in Delay Tolerant Networks”中提出，根据最小端到端延迟、源端到目的端的最小跳数和网络可传递的最大容量三个参数来计算并选择最佳路由。该路由方法只在一条路径上传输数据，由于深空网络中链路的不可靠性，会导致数据包的大量丢失。
[0004] 为克服上述缺点，有一些改进的DTN单路径路由方法中将等待传送的数据经一次或多次复制发送到备用路径上去，但只有一条路径能正确地传输数据，其他路径上传送的都是所发送数据段的备份数据。其中有一类被称为机会路由方法，最早的版本是传染路由(Epidemic routing)，它不需要获取节点的预测信息就直接把数据传送给相遇的节点。由于传染路由方法试图将每个消息发送到网络所有可能的路径上，因此每条消息被复制转发的次数很多，这将产生极大的冗余，浪费网络资源。还有一类是基于预测信息的路由方法，它可以根据所获取的节点之间相遇和节点
位置的历史信息预测接下来使用哪一个节点。例如适合时延容忍网络的概率路由协议PROPHET(参考：A.Lindgren，A.Doria，and O.Schel′en，“Probabilistic routing in intermittentlyconnected networks”，ACM SIGMOBILE Mobile Computing Communications Review，Volume 7Issue 3，July 2003)，它在路由选择过程中利用了节点以前的运动规律和节点之间递交数据的历史信息，依据节点对历史的连通频繁程度推测节点对当前及未来一段时间连通的概率，进而构建端到端路径。
[0005] 上述DTN单路径路由选择方法中只有一条路径能将数据正确地传输到目的端，复制数据包也是为了提高数据的成功递交率，这虽然包含多路径的思想，但是工作起来效率很低，在一段时间内所有链路上会传送相同数据，浪费链路资源。所以这些现有的单路径路由协议不能满足现在对于深空通信日益增长的需求。
发明内容
[0006] 本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种适用于在深空通信中时延容忍网络DTN的多路径路由方法，以充分利用链路连通时序，选择多条路径进行传输，显著提高链路利用率和网络通过量。
[0007] 为实现上述目的，本发明的多路径路由选择方法，包括以下步骤：
[0008] 1)根据星历表中星体的运动轨迹，在深空通信网络的链路连通周期T内，构建链路的原始连通时序图；
[0009] 2)根据连通时序图中链路的连通时间段，寻找出星体源端到目的端的所有可用路径；
[0010] 3)分别计算所有可用路径在周期T内的通过量和链路的有效传输时间段；
[0011] 3.1)把可用路径按跳数进行分类，分为两跳类路径和多跳类路径；
[0012] 3.2)计算两跳类路径S-X-D在周期T内的通过量和链路的有效传输时间段；
[0013] 3.2a)获取第一跳链路SX的连通时序TSX和第二跳链路XD的连通时序TXD：
[0014]
[0015]
[0016] 其中，TSX由n个连通时间段组成，TXD由p个连通时间段组成， 表示链路SX第i个连通时间段的起始时刻， 表示链路SX第i个连通时间段的结束时刻，
1≤i≤n， 表示链路XD第j个连通时间段的起始时刻， 表示链路XD第j
个连通时间段的结束时刻，1≤j≤p；
[0017] 3.2b)在第一跳链路SX的第i个连通时间段 中，修正该连通时间段中链路SX及链路XD的传输速率cSX(t)和cXD(t)，其中在i＝1时进行第一次修正：
[0018] 设链路SX和链路XD的最大速率分别为a和b，ΥSX_start定义为链路SX当前处理的第i个连通时间段的传输起始时刻，ΥXD_start定义为链路XD上与ΥSX_start对应的传输起始时刻，根据a和b的大小关系以及ΥSX_start和ΥXD_start的大小关系，分三种情况修正链路SX和链路XD的传输速率：
[0019] b1)如果a≥b，则cSX(t)、cXD(t)分别修正为：
[0020]
[0021] b2)如果a＜b且ΥSX_start＝ΥXD_start，则cSX(t)、cXD(t)分别修正为：
[0022]
[0023] b3)如果a＜b且ΥSX_start＜ΥXD_start，则cSX(t)、cXD(t)分别修正为：
[0024]
[0025] 其中TXD1为链路XD以速率b传输的时间段的集合，TXD2是链路XD的连通时序中除去TXD1的剩余部分，TXD1UTXD2＝TXD；
[0026] 3.2c)根据修正的传输速率，计算链路SX在第i个连通时间段的通过量thi：
[0027]
[0028] 3.2d)根据链路SX在第i个连通时间段的通过量thi计算链路SX的传输结束时刻： 并由所述ΥSX_start和ΥSX_end组成链路SX的有效传输
时间段
[0029] 3.2e)根据链路SX在第i个连通时间段的通过量thi计算链路XD的传输结束时刻： 并由所述ΥXD_start和ΥXD_end组成链路XD的有效传输
时间段 其中j，j+1，L，jmax表示传
输数据时所占用的链路XD连通时间段的序号；
[0030] 3.2f)如果 或 将此时i的值赋给m，m表示计算路径S-X-D的通过量thSXD完成时所占用的链路SX连通时间段的个数，1≤m≤n，转到步骤
3.2g)；否则，将i更新为i+1，转到步骤3.2b)；
[0031] 3.2g)在周期T内，将路径S-X-D的通过量thSXD，链路SX和XD的有效传输时间段lSX，lXD分别表示为：
[0032] 3.3)计算多跳类路径S-X1-X2-X3-…-Xk-2-Xk-1-Xk-D，在周期T内的通过量和链路的有效传输时间段，其中，k表示在星体源端S到目的端D之间的中继节点的个数，k≥2：
[0033] 首先，按照步骤3.2)计算多跳路径中第一个两跳路径S-X1-X2的通过量 以及链路X1X2的临时有效传输时间段
[0034] 然后，根据链路X1X2的临时有效传输时间段 和第三跳链路X2X3的连通时序计算由第二跳和第三跳链路组成的两跳路径X1-X2-X3的通过量 以及链路X2X3
的临时有效传输时间段
[0035] 以此类推，按照步骤3.2)一直计算到最后一个两跳类路径Xk-1-Xk-D的通过量得到多跳类路径S-X1-X2-X3-…-Xk-2-Xk-1-Xk-D的通过量 以及链路Xk-1Xk和链路XkD的临时有效传输时间段 和 其中链路Xk-1Xk和链路XkD的临时有效
传输时间段即为它们的有效传输时间段 和
[0036] 再根据倒数第三跳链路Xk-2Xk-1的临时有效传输时间段 倒数第二跳链路Xk-1Xk的有效传输时间段 和通过量 计算出链路Xk-2Xk-1的有效传输段 以
此类推，逆序计算出各链路的有效传输时间段
[0037] 4)根据步骤3)计算的所有可用路径的通过量，选取具有最大通过量的那条路径作为第N路径，N是选取路径的次数；
[0038] 5)修正链路连通时序图：
[0039] 对第N路径中的每一跳链路，首先构建该链路的冲突链路集合，然后在链路连通时序图中，从冲突链路集合中链路的连通时序减去该链路的有效传输时间段，得到修正的链路连通时序图；
[0040] 6)重复步骤2)到步骤5)，直至链路的连通时序图中无星体源端到目的端的可用路径为止。
[0042] 1)本发明不仅利用了单路径路由方法中使网络通过量达到最大的单条路径，在对链路连通时序图修正后，就可以找到不干扰该路径传输的情况下存在其他可用路径的可能性；
[0043] 2)本发明提出了对链路传输速率的修正，利用修正的传输速率计算路径通过量和链路有效传输时间段，使计算更加精确，更加符合数据传输的实际情况；
[0044] 3)本发明依据网络拓扑和路径通过量，可以充分利用各链路的连通时间段，通过多条路径传输，显著提高网络通过量。
附图说明
[0045] 图1是本发明的多路径路由选择方法总
流程图；
[0046] 图2是本发明使用的由四个节点构成的网络拓扑图；
[0047] 图3是本发明构建的链路原始连通时序图；
[0048] 图4是本发明中判断第二跳链路当前的传输起始时刻的位置图；
[0049] 图5是本发明中两跳类路径的链路传输速率修正图；
[0050] 图6是本发明中第一次修正的链路连通时序图；
[0051] 图7是本发明中第二次修正的链路连通时序图；
[0052] 图8是本发明中第三次修正的链路连通时序图；
[0053] 图9是分别采用单路径方法和本发明的多路径方法对归一化网络通过量的仿真对比图。具体实施方式、
[0054] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，参照附图，对本发明作进一步详细说明。
[0055] 本发明的多路径路由选择实例基于图2所示的四个节点构成的网络拓扑图进行，但不局限于四个节点的网络。
[0056] 参照图1，本发明的具体实现步骤如下：
[0057] 步骤1，构建链路原始连通时序图。
[0058] 参照图2，在源节点A和目的节点D周围还有两个节点B和C，由A、B、C和D四个节点组成五条单向通信链路，即链路AB，链路AC，链路BC，链路BD和链路CD，选取时间T作为深空通信网络的链路连通周期，在一个周期开始时执行多路径路由选择方法，设T＝200s，通过查找星历表中星体的运动轨迹，在深空通信网络的链路连通周期T内构建出图3所示链路的原始连通时序图，其中，链路的连通时序定义为组成该链路各连通时间段的集合；
[0059] 由源节点S和目的节点D组成的链路SD的连通时序TSD由n个的连通时间段组成，表示为：
[0060]
[0061] 其中， 表示链路SD第i个连通时间段的起始时刻， 表示链路SD第i个连通时间段的结束时刻，1≤i≤n；
[0062] 根据上述对链路连通时序的定义，构建出网络中各链路的连通时序，分别表示为TAB：[0，100]；TBD：[40，70]，[130，200]；TAC：[20，60]，[90，110]；TCD：[50，110]，[160，200]；TBC：[30，80]，[100，155]；单位为s，由所有链路的连通时序组成的链路原始连通时序图如图3所示，链路连通时序图中的横坐标为每条链路连通的时间，纵坐标为每条链路的传输速率。
[0063] 步骤2，寻找所有可用路径。
[0064] 根据连通时序图中链路的连通时间段，寻找出星体源端到目的端的所有可用路径；
[0065] 参照图2的网络拓扑图，找出星体源端到目的端的所有路径，即路径A-B-D，路径A-C-D和路径A-B-C-D；
[0066] 在链路的连通时序图中，任意一个节点的上一跳链路中第1个连通时间段的起始时刻，必须早于该节点下一跳链路的最后一个连通时间段的结束时刻，满足这一条件的链路组成的路径，即为星体源端到目的端的可用路径；
[0067] 参照图3所示原始连通时序图，根据上述判定条件有路径A-B-D，路径A-C-D和路径A-B-C-D均为星体源端到目的端的可用路径。
[0068] 步骤3，分别计算所有可用路径在周期T内的通过量和链路有效传输时间段；
[0069] 3A)把可用路径按跳数进行分类，分为两跳类路径和多跳类路径：
[0070] 两跳类路径：路径AB-D和路径A-C-D，
[0071] 多跳类路径：路径A-B-C-D；
[0072] 3B)以源节点S、目的节点D和中继节点X组成的两跳可用路径S-X-D为例，计算两跳类路径S-X-D在周期T内的通过量和链路的有效传输时间段；
[0073] 3Ba)获取第一跳链路SX的连通时序TSX和第二跳链路XD的连通时序TXD；
[0074]
[0075]
[0076] 3Bb)计算链路SX在每个连通时间段的通过量，以及链路的有效传输时间段；
[0077] 由于第一跳链路SX有n个连通时间段，并且路径S-X-D在周期T内的通过量是根据链路SX的连通时间段逐步进行计算的，所以路径S-X-D的通过量至多进行n次计算。现以计算链路SX第1个连通时间段的通过量为例，说明路径通过量和链路有效传输时间段的获得如下：
[0078] 先根据链路SX和链路XD传输起始时刻和链路最大速率的关系，修正链路SX和链路XD传输速率cSX(t)和cXD(t)：
[0079] 设链路SX和链路XD的最大传输速率分别为a和b，单位kbps，ΥSX_start定义为链路SX当前处理的第i个连通时间段的传输起始时刻，1≤i≤n，ΥXD_start定义为链路XD上与ΥSX_start对应的传输起始时刻，在第1个连通时间段中， 要根据ΥSX_start在链路SX的连通时序图上可能出现的具体位置，来确定ΥXD_start的取值。参照图4，在ΥSX_start的两种不同位置 和 的情况下，对应的ΥXD_start分别取为：
和
[0080] 根据a和b的大小关系以及ΥSX_start和ΥXD_start的大小关系，分三种情况修正链路SX和链路XD的传输速率：
[0081] b1)如果a≥b，则cSX(t)、cXD(t)分别修正为：
[0082]
[0083] b2)如果a＜b且ΥSX_start＝ΥXD_start，则cSX(t)、cXD(t)分别修正为：
[0084]
[0085] b3)如果a＜b且ΥSX_start＜ΥXD_start，则cSX(t)、cXD(t)分别修正为：
[0086]
[0087] 其中TXD1为链路XD以速率b传输的时间段的集合，TXD2是链路XD的连通时序中除去TXD1的剩余部分，TXD1UTXD2＝TXD，图5所示为在b3)情况下，计算链路SX第1个连通时间段的通过量时，对链路SX和链路XD的速率修正的结果，TXD1包括链路XD前w-1个连通时间段的全部和第w个连通时间段的部分，TXD1和TXD2的临界时刻T0可以通过下式计算得出：
[0088]
[0089] 3Bc)根据修正的链路速率，计算链路SX第1个连通时间段通过量th1：
[0090]
[0091] 3Bd)根据链路SX在第1个连通时间段的通过量th1计算链路SX的传输结束时刻： 并由所述ΥSX_start和ΥSX_end组成链路SX的第1个有
效传输时间段
[0092] 3Be)根据链路SX在第1个连通时间段的通过量th1计算链路XD的传输结束时刻： 并由所述ΥXD_start和ΥXD_end组成链路XD的第1个
有效传输时间段 其中j，j+1，L，
jmax表示传输数据时所占用的链路XD连通时间段的序号。
[0093] 链路SX的第1个连通时间段的通过量计算完成之后，如果 或则在周期T内，两跳类路径S-X-D的通过量th＝th1，链路SX的有效传输
时间段 链路XD的有效传输时间段 否则，从TSX，TXD中分别剔除 和 按照
步骤3Bb)到3Be)的方法求得第2个连通时间段的通过量th2和与th2对应的有效传输时
间段 和 以此类推，在 或 时得到前m个连通时间段
内的通过量th1，th2…thm、链路SX有效传输时间段 以及链路XD有效传输时间段
1≤m≤n，则在周期T内，两跳类路径S-X-D的通过量 链路SX
的有效传输时间段 链路XD的有效传输时间段
[0094] 根据上述计算一般情况下两跳类路径在周期T内的通过量和链路有效传输时间段的方法，对本发明使用的网络拓扑，计算在周期T内两跳类路径A-B-D的通过量为thABD＝2kbps，链路AB的有效传输时间段lAB：[0，50]和链路BD的有效传输时间段lBD：[40，70]，[130，200]，其中，参照图3构建的链路原始连通时序图有路径A-B-D中链路AB的连通时序为TAB：[0，100]，速率cAB(t)＝8kbps，链路BD的连通时序为TBD：[40，70]，[130，200]，速率cBD(t)＝4kbps；根据上述计算一般情况下两跳类路径在周期T内的通过量和链路有效传输时间段的方法，对本发明使用的网络拓扑，计算在周期T内两跳类路径A-C-D的通过量为thACD＝1.5kbps，链路AC的有效传输时间段lAC：[20，60]，[90，110]和链路CD的有效传输时间段lCD：[50，110]，其中，参照图3得路径A-C-D中链路AC的连通时序为TAC：[20，
60]，[90，110]，速率cAC(t)＝5kbps，链路CD的连通时序为TCD：[50，110]，[160，200]，速率cCD(t)＝5kbps。
[0095] 3C)计算多跳类路径S-X1-X2-X3-…-Xk-2-Xk-1-Xk-D，在周期T内的通过量和链路的有效传输时间段，其中，k表示在星体源端S到目的端D之间的中继节点的个数，k≥2：
[0096] 首先，按照步骤3.2)计算多跳路径中第一个两跳路径S-X1-X2的通过量 以及链路X1X2的临时有效传输时间段
[0097] 然后，根据链路X1X2的临时有效传输时间段 和第三跳链路X2X3的连通时序计算由第二跳和第三跳链路组成的两跳路径X1-X2-X3的通过量 以及链路X2X3
的临时有效传输时间段
[0098] 以此类推，按照步骤3.2)一直计算到最后一个两跳类路径Xk-1-Xk-D的通过量得到多跳类路径S-X1-X2-X3-…-Xk-2-Xk-1-Xk-D的通过量 以及链路Xk-1Xk和链路XkD的临时有效传输时间段 和 其中链路Xk-1Xk和链路XkD的临时有效
传输时间段即为它们的有效传输时间段 和
[0099] 再根据倒数第三跳链路Xk-2Xk-1的临时有效传输时间段 倒数第二跳链路Xk-1Xk的有效传输时间段 和通过量 计算出链路Xk-2Xk-1的有效传输段 以
此类推，逆序计算出各链路的有效传输时间段
[0100] 根据上述方法，对本发明使用的网络拓扑，计算在周期T内多跳路径A-B-C-D的通过量为thABCD＝1.575kbps，链路AB的有效传输时间段lAB：[0，40]，链路BD的有效传输时间段lBC：[30，80]，[100，155]和链路CD的有效传输时间段lCD：[50，80]，[100，110]，[160，183]，其中，参照图3构建的链路原始连通图有路径A-B-C-D中链路AB的连通时序为TAB：
[0，100]，速率cAB(t)＝8kbps，链路BC的连通时序为TBC：[30，80]，[100，155]，速率cBC(t)＝3kbps，链路CD的连通时序为TCD：[50，110]，[160，200]，速率cCD(t)＝5kbps。
[0101] 步骤4，选取第N路径，N是选取路径的次数。
[0102] 根据步骤3计算的所有可用路径的通过量，选取具有最大通过量的可用路径，作为第N路径。本发明中由步骤3计算得在周期T内路径A-B-D的通过量最大，因此选取路径A-B-D作为第1路径，路径A-B-D的链路的有效传输时间段为第1路径的链路有效传输
时间段。
[0103] 步骤5，修正链路连通时序图。
[0104] 以第一次修正链路连通时序图为例，首先参照图2，找出与链路AB冲突的链路集合，即{链路AB，链路AC}，然后在图3中，将集合中链路的连通时序都减去链路AB的有效传输时间段lAB；同理找出与链路BD冲突的链路集合，即{链路BD，链路BC，链路CD}，将集合中链路的连通时序都减去链路BD的有效传输时间段lBD。获得第一次修正的链路连通时序图，如图6所示。具体步骤如下：
[0105] 首先，找出与链路AB冲突的链路集合，即{链路AB，链路AC}，在原始连通时序图中，从链路AB的连通时序TAB：[0，100]和链路AB的连通时序TAC：[20，60]，[90，110]中分别减去lAB，得到经过第一次修正的链路AB的连通时序TAB：[50，100]和链路AC的连通时序TAC：[50，60]，[90，110]，其中，lAB为第1路径中链路AB的有效传输时间段lAB：[0，50]；
[0106] 然后，找出与链路BD冲突的链路集合，即{链路BD，链路BC，链路CD}，在原始连通时序图中，从链路BC的连通时序TBC：[30，80]，[100，155]，链路BD的连通时序TBD：[40，70]，[130，200]和链路CD的连通时序TCD：[50，110]，[160，200]中分别减去lBD，得到经过第1次修正的链路BC的连通时序TBC：[30，40]，[70，80]，[100，130]，链路BD的连通时序TBD：[0]和链路CD的连通时序TCD：[70，110]，其中，lBD为第1路径中链路BD的有效传输时间段lBD：[40，70]，[130，200]；
[0107] 由以上步骤就得到经过第一次修正的链路连通时序图，如图6所示。
[0108] 步骤6，重复步骤2)到步骤5)，找出所有源端到目的端的其他可用路径。
[0109] 参照图6第一次修正的链路连通时序图，继续寻找在该连通时序图中A节点到D节点的所有可用路径为：路径A-B-D，路径A-C-D和路径A-B-C-D；根据步骤3计算在周期T内每条路径的通过量和链路有效传输时间段，选择在周期T内路径通过量最大的路径作为第2路径，此时得到路径A-C-D为第2路径，再对第2路径每跳链路的连通时序进行修正，得到第二次修正的链路连通时序图，如图7所示；从图7中，继续按以上方法选择出路径A-B-C-D作为第3路径，得到第三次修正的链路连通时序图，如图8所示。由于图8中已经不存在任何可用路径，因此多路径路由选择方法结束。
[0110] 本发明方法的优点可以通过仿真结果进一步说明：
[0111] 1、仿真场景
[0112] 在从地球地面站到火星表面探测器的深空通信网络中，存在着众多中间节点，如地球周围的月球以及众多人工发射卫星，火星周围的有火卫1和火卫2。为简化问题，在星体源端到目的端构建只有两个中间节点的深空网络拓扑，如图2所示，网络中链路的原始连通时序如图3所示。
[0113] 2、仿真内容及结果
[0114] 仿真内容是在改变链路AB的连通时间占空比的情况下，分别采用单路径方法和本发明多路径方法，对比采用不同数量的路径时的归一化的网络通过量，以网络全连通时所得的网络通过量为最大值进行归一化。仿真结果如图9所示。
[0115] 从图9可见，本发明的多路径路由方法能显著提高网络通过量，充分利用链路的连通时序，提高链路利用率，减少了DTN链路间断性连通对数据传输的不利影响。
