[发明专利]基于多重性能自适应配对堆的时间演化图路由算法

说明书

技术领域

本发明属于卫星网络路由技术领域，尤其是一种基于多重性能自适应配对堆的时间演化图路由算法。

背景技术

近年来，随着卫星网络的迅速发展，通信卫星被广泛应用于各个领域，例如军事、导航、定位、天气预报、电视直播等等。根据不同的轨道高度可以将卫星网络系统分为三种，即低轨道(LEO)、中轨道(MEO)和高轨道(GEO)卫星网络系统。

单颗LEO卫星的覆盖范围有限，且存在卫星与用户之间切换过于频繁的问题。GEO卫星也存在一些致命的缺陷，比如长距离导致延时过大，轨道资源稀缺，通信限制和巨大的信号衰落。基于以上原因，MEO卫星可以作为GEO卫星和LEO卫星的折衷选择。相比于GEO卫星系统，MEO卫星系统的传输损耗较小，传播延迟约为GEO的四分之一，相比于LEO卫星系统，MEO的移动速度较慢，且由于其覆盖范围较大，MEO星座所需要的卫星数量较少。因此，从某种程度上来看，MEO卫星网络系统克服了GEO和LEO卫星网络系统的缺点，同时，其服务性能、服务寿命、传输时延、技术和实施风险、系统复杂度和系统开销都在可以控制在一个合适的可以接受的范围内。众所周知，路由在这样的动态拓扑通信网络中占有非常重要的地位。然而，当今针对于MEO卫星网络的路由算法仍非常缺乏。

MEO卫星网络随时间变化，当节点移动时，它的拓扑结构随之改变。针对于单层卫星网络，现有的路由算法大致可以分为两大类：虚拟拓扑路由算法和虚拟节点路由算法。对于虚拟拓扑路由算法，卫星网络的运行时间被分为若干个时隙，而其拓扑在每个时隙中被看作固定不变的，但是这种算法对实时变化的适应性非常差，例如链路拥塞或者节点失效，更糟糕的是，庞大的卫星数目使得路由表非常大且计算时间极高。对于虚拟节点路由算法，地球的物理拓扑被虚拟节点组成的逻辑拓扑覆盖，其用户密度高度不均匀，且一个地区骨当前提供服务的卫星不能提供一个很好的覆盖，虚拟节点和真实卫星节点之间的映射并没有看起来那么简单。考虑到上述的问题以及基于分时隙通信的MEO卫星网络系统的特点，传统的虚拟拓扑和虚拟节点路由算法是不适用的。它们不能满足本发明中建立的MEO卫星网络系统的通信需求。

在很多科学领域中，图理论都有很好的应用，尤其是在分析和设计固定拓扑的网络路由方面。另外，时间演化图可以从动态和暂态两方面自然并准确地捕捉到图中实体之间关系的演化过程。Xuan，Ferreira和Jarry第一个研究了依据固定时间表动态变化的网络中的路由问题，网络在不同时间间隔内的拓扑结构是可以预知的，他们利用了演化图来捕捉这样的动态网络的变化特征。近期，Monteiro J，Goldman A和ArantesL应用演化图来评估不同的ad-hoc和DTN路由协议。在时间演化图理论中，很多算法可以用于寻求最短路径，这些算法中最典型的是迪杰斯特拉算法(Dijkstra)，它可以计算出图中两点间的最优路径。Dijkstra算法中的关键步骤是“寻找到源节点的最小相邻节点并从节点表中删除它”。然而，Dijkstra算法的问题在于，它花费了过长的时间来转换节点表，删除最小节点并更新节点表。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、网络性能指数优且能够明显降低时间复杂度的基于多重性能自适应配对堆的时间演化图路由算法。

本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于多重性能自适应配对堆的时间演化图路由算法，包括以下步骤：

步骤1、构造一个按照通信时隙表分时隙通信的中轨道卫星网络系统；

步骤2、根据24颗卫星的通信时隙表构造中轨道卫星网络系统的时间演化图模型；

步骤3、采用多重性能自适应配对堆优化迪杰斯特拉最短路径算法的数据存储结构；

步骤4、在时间演化图模型中应用优化的迪杰斯特拉最短路径算法计算最优路由。

而且，所述步骤1构建方法为：采用STK仿真环境构造Walker星座及其轨道模型，利用STK仿真环境生成轨道数据信息，将轨道数据信息导入OPNET应用在中轨道卫星网络系统中，使分时隙通信的中轨道卫星网络系统中的24颗卫星按照其既定轨道正常运转。

而且，所述Walker星座为Walker-24/3/1结构星座群，每个卫星节点内配置应用层、传输层、网络层、链路层和物理层；每个卫星节点配置一对定向收发天线，在某一方向上增益为200分贝，在其他方向上增益均为0；每个卫星的收发天线按照通信时隙表自动转换指向并与其他卫星建链通信。