【空间光网络模型设计和路由算法分析案例6900字】

1空间光网络模型设计和路由算法分析案例空间光网络模型设计和路由算法分析案例 1 1.1.1网络模型 21.1.2路由算法 41.2基于跨层设计的路由算法 71.2.1理论模型 81.2.2路由算法 1.3多约束QOS路由算法 1.1.1理论模型 1.1.2路由算法 尽管Dijkstra算法方法很简单，但它没有考虑网络状态信息，相同的源-目标节点将仅选择相同的传输路径，这很容易导致链路的部分拥塞。参考文献24提供了一个基于SDN的LEO卫星网络，该网络在光学卫星网络的最短路径中使用Dijkstra算法。将SDN的思想与LEO卫星网络相结合，可以实现对网络的更加灵活的监视和管理，使网络扩展更为便捷。通过结合深度搜索(DFS)的思想和Dijkstra的算法，对于大量基于SDN的LEO移动卫星网络，提高了计算效率，并提高了计算结果可靠性。如图1.1显示了基于SDN的光卫星网络的逻辑架构。其中，网络体系结构的应用层由各种空间任务组成。控制层是整个体系结构的核心，由几个GEOAerospaceEarthNavigatTT&Cobservationpositioning图1.1基于SDN的卫星光网络逻辑架构图1.2显示了基于SDN的光卫星网络路由机制的基本过程。GEO卫星用3作SDN控制器，以通过南接□与LEO卫星光网络进行通信。点链接信息。然后，通过部署在GEO卫星中的波长路由算法对该信息进行处pathof图1.2基于SDN的卫星光网络路由算法点之间不存在连接关系，则该时间段内的网络拓扑可以认为是静态的。因此，虚拟拓扑的思想可以用来将卫星绕卫星网络运行的时间T划分TheoperationperiodofsatellitenetworkThenetworktopologyiscalculatedaccordiorbitparametersandpositioninformatioAccordingtothenetworkcolonyoptimizationalgorithmisusedtocalculateAccordingtothecalculatedpathinformation,5杂度非常高，为0(n!)。因此，当卫星节点数量达到数百或更高时，算法的计算效率将极低。卫星的拓扑可能已更改，因为它尚未计算所需的路径。可以采用修剪以提高DFS算法的效率。修剪的关键思想是删除无用的搜索分支。常用的修剪方法是可行修剪，概率修剪，最优修剪等。由于Dijkstra算法只需要找到源节点和目的节点之间开销最小的链路，因此该算法的时间复杂度较低，为平方阶O(n²),因此计算效率较高。但是它仅以最小的链路开销找到路径的一部分，因此在查找路径时，它可能会跳过所需的必要节点，并且找到的路径不符合要求，从而导致路由失败。图1.4显示了卫星通信网络拓扑的一部分，其中S代表源卫星，D代表目的卫星，而S1是必需的卫星节点。Dijkstra算法将根据链路成本选择链路成本较小的路径，计算出的传输路径为S-S2-D,可以看出该路径不包括不满足传输需求的必要卫星节点S1。要求。在DFS算法将计算源节点与目的地节点之间的所有传送路径，所以结果包含两个路径小号-S2-D和S-S1-D,根据通信要求，因此可以根据需要选择传输路径为S-S1-D。因此，在LEO卫星网络中计算路由信息时，可以考虑这两种算法的优点。因此，将两种算法结合起来，不仅可以提高算法的效率，而且可以提高找到的所需路径的可靠性。D图1.4部分拓扑在有大量卫星节点的情况下，我们将DFS和Dijkstra算法集成在一起，以提高计算效率。根据网络的实时情况，将LEO卫星网络划分为一系列集群。因此，根据不同恒星群的链接条件，采用了DFS算法和Dijkstra算法。在网络流量大，网络拥塞高的组中使用Dijkstra算法，在有大量必要卫星的组中采用DFS算法。它不仅可以提高通信路径的计算效率，而且避免了Dijkstra算法的局限性，可能导致计算结果不符合要求。图1.5显示了联合DFS和Dijkstra算法的过程。首先，在卫星通信过程中，我们设置了源卫星，目的卫星和必要的卫星节点集。在源卫星节点处，使用Dijkstra算法查找从其他卫星节点到源卫星节点的链路成本最低的路径。当与之间的第一发现需要卫星节点和源卫星最小的链路成本的路径被找到时，Dijkstra算法端和Subsetnode-1,其中Subsetnode代表所需的必要卫星节点数。然后，我们使用第一个找到的必要卫星节点N₁作为起始节点，采用DFS算法，即DFS(N₁),每次搜索必要节点Ni时，检查Subsetnode等于0,如果Subsetnode≠0,我们将继续使用DFS算法进行深度搜索，即DFS(Ni),否则，如果Subsetnode=0,则DFS算法结束。最后，我们将最后找到的必要卫星节点作为起始节点，并采用Dijkstra算法找到最后找到的必要卫星节点与目的卫星之间的链路开销最小的路径。通过整合以上步骤，我们可以找到符合要求的通信这样，可以通过减小DFS算法的问题量表的大小来大大减少计算时间，并且由于使用深度优先搜索不会跳过必要的卫星节点，因此提高了路径的可靠性。Dijkstra算法可以有效地避免卫星组中业务量分布较大的卫星节点超出必要的卫星节点，从而减少了机载存储器中数据包的排队时间，并减少了数据的平均端到端延迟通信，从而提高了卫星网络的效率。theDijkstraalgorithmeFindtheithnecessarNi,Subsetnode-1图1.5联合DFS和Dijkstra算法文献25提出了一种基于跨层设计的蚁群波长分配和路由算法 (CLACRWA),该算法可以克服多普勒波长向光学卫星网如图1.6所示，系统架构由卫星网络，网关地球站(GES)和卫星用户组成。卫星网络由具有光学ISL的Walker星座组成，可以实现全球空基通信服务。P是轨道平面数，每个轨道由S个卫星组成，F是相位因素。用于网络连接的ISL有两种类型：轨道内ISL和轨道间ISL由于两个轨道内ISL卫星的相对距离是固定的，因此无法检测到多普勒频移。但是，由于两个轨道间ISL卫星之间的相对距离随时间变化，因此可以分配多普勒波长偏移。图1.6系统架构假设在光学卫星网络中采用常规星座，具有波长路由的WDM体系结构可用于ISL,并且中间节点中没有波长转换器，则应在波长连续性约束下建立光跨层优化可以将协议栈的各层集成到一个综合的分类框架中，从而可以提高卫星网络的性能[161。在CLACRWA中，光卫星网络中在波长连续性约束下RWA问题的跨层设计架构如图1.7所示。它由两个主要部分组成：应用程序和跨层优化模型。systems[J].ActaAstronautica,2006,61(7):648-658.[16]HWang,QZhang,XXin,etaforlowearthorbitsatellitenetworks[J].Ch9在图1.7中，第一部分描述了应用的QoS要求的两个重要因素，包括传输偏移越多，BER的增加就越快。建立了跨层优化模型以保证应用的QoS要求。TransmissionDelayBERTransmissionDelayWavelengthUsageAntColonyAlgorithm图1.7体系结构的跨层设计的问题Minmize:Cost.(t)[17]FDong,OLi,XRan,etal.AdynamicprotoHocnetwork[J].ChinaCommunications,2016,13[S1]:43-51.[18]ZHaitao,ZShaojie,EmilianoGarcinNextGenerationHigh-DensityWiFiNetworks[J].ChinaCommunications,201首先，也是最重要的，相关的符号定义如下所示，在图1.8中，P(s,d)代n是在P(s,d)上一个卫星，是输入链接，是卫星7的输出链接到在P(s,d)上的下一个节点，link(n,J)是一个ISL从卫星n,通过输出链接j,到在P(s,d)上的网络。W是网络中的波长候选人的总数，λ是k波长光学ISL。图1.8光路的原理图TDn(t)表示在时刻t从卫星n通过输出链路j到下一个卫星的传输延迟。迟，分别表示为PDn(t)和PRDn(t)。所以TDn(t可以形容为△λn(t)表明从卫星n多普勒波长位移，通过输出链接j,在时刻t到下一个第三，TDa和△λ是传输延迟阈值和多普勒波长位移阈值，其实时传输业务可以分别在光学卫星网络容忍。P(s,d)的传输延迟和多普勒波长偏移的最后，wn(t)是用在link(n,j)∈P(s,d)上的波长连接请求。为了满足波长λ用于建立光路P(s,d)。1.2.2路由算法在CLACRWA中，信息素集中根据三种信息，包括路径长度，波长使用和多普勒波长偏移来计算。对于前向蚂蚁，路径长度越短，则蚂蚁越有可能通过。关于蚂蚁一定移动的可取性的启发式信息称为可取性，并定义为其中，nna是前向蚂蚁选择卫星n到卫星d的输出链路j的可取性，xna(t)I是从n到d的最短路径的长度。波长使用量是通过特定输出链路和波长对资源保留的度量。若资源预留成功，将提高信息素浓度，否则浓度将降低。多普勒波长偏移可以通过特定的输出链路反映BER特性。当多普勒频移的technology,2000,18([20]QYang,LTan,JMa.Dopplconstellations[J].OpticsCommunications,2009,282(17):3547-[21]HZang,JPJue,BMukherjee.Areviewofwave-length-routedopticalWDMnetworks[J].OpticalNetworksMagazine,2000,1(1):4表1信息素表1T¹,2.1,1T¹,2.1,1211对于每个目标卫星d,建立其在时刻t从卫星n到卫星d的可用相邻卫星的候选如图1.9所示，一旦初始化阶段结束，它将等待进入实施阶段。当源到目InitializationphaseNNAssignmentRulex(1)=,An=-1RuninitialwavelengtjeN(1)x“()=x()U{link(n,z)LocalNAn=1orantreachesdestinatix(1)=x(1)-{link(n,z))x()=⑧orfeedbackxd(t)记录转发蚂蚁通过的路径。AntBlacked表示蚂蚁是否被阻止。AntBlocked=1表示蚂蚁被阻止，而AntBocked=-1具有相反的含义。如果满足以下一个或多个条件，则蚂蚁将被破坏：1)蚂蚁在其路径上被阻挡；2)蚂蚁的寿命超过预定值TTL(生存时间);3)蚂蚁在其路径上检测到回路；4)反馈蚂蚁通过前向路径传播，该路径由于卫星移动而不再连接到任何一个通信实体。图1.9所示，在实施阶段有四个部分：初始波长分配、状态转换规则，局部更新规则和全局更新规则。每个部分的细节描述如下。(1)初始波长分配首先，前向蚂蚁从光源开始，运行初始波长分配规则，选择输出链路u和波长λN(t)随着W(t)网络状态变化而变化，β是确定信息素相对于路径长度的相对重要性的参数。(2)状态转换规则随后，当来自输入链路的前向蚂蚁到达中间卫星时，它使用以下状态转换规则选择输出链路“切换到下一个卫星。r~U(0,1),r。∈[0,1]是一个参数，用于确定开发与探索的相对重要性：前向蚂蚁采样一个随机数0≤r≤1。如果r不大于r那是最好的输出链接，根据等式上被选择，否则根据下式选择输出链接。/根据概率分布。(3)局部更新规则成功进行切换预留后，波长可用，并且多普勒波长偏移小于△λ+,则在将蚂蚁转发到下一个卫星之前应用本地更新规则。对于已实现保留的输出链接，将信息素路径更新为α₁∈(0,1)是信息素的增量系数。中是衰减常数。(4)全局更新规则当转发蚂蚁被阻止或到达目的地时，卫星将会创建一个反馈蚂蚁并执行全局更新规则。反馈蚂蚁沿着路径前进，然后沿着路径返回源卫星，并在此过程中更新信息素浓度。该规则显示为β₁∈(0,1)是信息素衰减参数。Y:n确定是否使用正反馈或负反馈来更新信息素浓度，其定义如式(1.10)所示。△T是反馈蚂蚁沉积的新信息素的量，如方程式所示(1.10),取值为true的标志成功应满足以下条件：1)转发蚂蚁成功到达目的卫星；2)路径上每个ISL的波长使用和多普勒波长偏移应满足约束。当success是true的时，沿着这条道路x⁴(t)就会有积极的反馈。沿路径的每颗卫星”从输入链路到波长^到输出链路“的信息素浓度都得到了增强。如果success是flase的，那么这条路径上就会出现负面反馈。负反馈有两种不同形式：1)当由于在k的第k个波长上的波长资源保留失败而使卫星m中的前向蚂蚁被阻挡时，沿路径的每个卫星”的输入链路到波长到输出链路“的信息素浓度会减弱；2)当由于多普勒波长偏移大于导致在卫星m中阻止前向蚂蚁时，到卫星m的输出链路“的信息素浓度会减弱。如(1.11)中所述，信息素沉积经历指数衰减并且衰减常数为。△l=|x°(t)I-|xt(t)分别是减法的值，到目前为止蚂蚁所遵循的路径长度以及从处理它的当前卫星到该蚂蚁起点的最短路径的长度。当反馈蚂蚁到达源卫星时，蚂蚁的搜索行为结束了，将重复进行直到所有蚂蚁都完成搜索行为为止。然后通过使用等式(1.1)中的成本表达式。在整个蚂蚁找到的所有可用路径中确定最佳路径。最终，建立了可靠的光路。另外，由于卫星相对于用户处于运动中，并且由于指向，获取和跟踪要求，某些星座具有非永久性ISL,因此连接可能会在其整个生命周期中断开。在这种情况下，连接将完全重新路由22]。在波长分配方面，如果不对业务进行区分服务，会导致高QoS需求的业务以及高优先级的业务不能得到及时处理，从而降低网络性能。因此，在进行路径选择和波长分配时，应充分考虑网络结构的动态变化、业务差异化QoS需求以及网络的波长使用和阻塞情况23]。但是上述两种算法缺少时延、丢包率等文献26针对卫星光网络，提出了一种基于SDN的蚁群优化波长路由算法首先，对传统的蚁群算法进行了改进，将4种业务的QoS需求与蚁群算法相结合，作为蚂蚁选路的考虑因素，进而选出一条满足多种QoS的路径。其次，对业务进行分类，为不同业务分配不同的波长集，从而降低高优等级业务的阻随着空间技术的飞速发展，卫星光网络已经从仅需要提供传输功能的运营商网络发展成为需要为用户提供各种服务的企业网络。在光卫星网络中，空间服务的类型主要包括控制服务，语音服务，视频服务和数据服务。不同类型的空间服务必须满足不同的服务质量要求。针对单个QoS参数优化的路由算法不再能够满足用户需求。卫星光网络应该支持不同QoS的自适应路由过程，而不[22]LFranck,GMaral.RoutinginnetworElectronicSystems,2002,38(03):90ConferenceSeries:Ma是仅仅支持传输，因此，在业务路由过程中应充分考虑业务的动态变化特征和不同的QoS要求。卫星光网络的QoS路由算法通常应考虑以下因素：(1)波长空闲率式中：I₁(t)是t时刻链路(1,上空闲波长数占总波长数的概率；|Nl表示链路(1.J上的波长总数；n(t)表示t时刻链路(1.J(2)时延式中：path(1,j是节点到节点j之间的路径；delay(n)是节点上排队时(3)时延抖动时延抖动是时延的变化率。式中(4)丢包率式中：loss(e)表示单位时间内路