【《空间光网络模型的基于跨层设计的路由算法概述》4000字】

空间光网络模型的基于跨层设计的路由算法概述目录TOC\o"1-3"\h\u14496空间光网络模型的基于跨层设计的路由算法概述 1216251.1网络模型 1150051.2路由算法 41.1网络模型如图1.4所示，理论模型由卫星网络，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。沃克星座可以表示为θ：N/P/F[15]，其中θ是轨道平面的倾斜度，N是卫星总数，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1.4理论模型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路。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[16]。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。在图1.5中，第一部分描述了应用的QoS要求的两个重要因素，包括传输延迟和BER[17]。在卫星光网络中，BER受多普勒波长偏移的影响。多普勒波长偏移越多，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。在跨层优化模型中，有一个共享数据库，所有层均可访问[18]。物理层首先在共享数据库中存储三种信息，包括波长偏移、波长使用和传输延迟。然后，网络层检索这三种类型的信息，并实施蚁群算法为每次光传输搜索最佳路径和波长。接下来，物理层使用最佳路由和波长分配信息来完成交换配置。最终，数据被传输和交换。图1.5体系结构的跨层设计问题目的是为每个源到目的地的连接请求寻找总成本最低的光路。考虑到传输延迟，多普勒波长偏移和波长连续性的约束，将跨层优化模型描述为Minmize：Costsubjectton∈P(s,d)∀∀(1.1)首先，也是最重要的，相关的符号定义如下所示，在图1.6中，P(s,d)代表一个光路从源卫星s连接请求开始，经过一系列的中间节点，到达目的卫星d。n是在P(s,d)上一个卫星，i是输入链接，j是卫星n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)上的下一个节点。Ω={λ1，…，λk，…,λ图1.6光路的原理图其次，Costsd(t)表示P(s,d)在时刻t的光路总成本。Costsd(t)由两部分组成，分别是由传输延迟引起的链路成本和由多普勒波长偏移引入的链路成本。因此Costsd(t)Cost(1.2)在式中TDmax和|∆λTDnj(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。它由两部分组成，信号通过link(n,j)的传播延迟和中间节点转发信号的处理延迟，分别表示为PDnj(t)和PRTD(1.3)在此，PDnj(t)由两颗卫星之间的距离确定。PRD∆λnjt表明从卫星n多普勒波长位移，通过输出链接j，在时刻t到下一个卫星。两个ISL卫星的相对距离变化随着时间的推移，∆λnj正如TDnj(t)和∆λ第三，TDth和∆λth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ISL不能大于TD最后，wnjt是用在linkn,j∈P(s,d)上的波长连接请求。为了满足波长连接约束每个ISL沿着光路中使用的波长应该是一样的[21]。wnjt1.2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n(1.4)其中，nnjd是前向蚂蚁选择卫星n到卫星d的输出链路j的可取性，|xnjd(t)|是从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。当多普勒频移的值大于时，信息素浓度将降低。每个卫星都有一个信息素表（PT）。表1显示了具有两个输入和输出链接，两个波长和两个目的地的信息素表示例。信息素值具有以下含义：i是输入链路，j是输出链路，k是在两个卫星之间切换的波长，而d是目标卫星。表1信息素表输出链接目的地目的地1目的地2输入链接波长链接1链接2链接1链接21ττττ链接12ττττ1ττττ链接22ττττCLACRWA由两个主要阶段组成：初始化阶段和实施阶段。在初始化阶段，将初始化参数。对于每颗卫星n，都会初始化其信息素表。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列表，用Nnd(t)表示。同样地，来自于卫星可用波长的候选人名单n，通过输出链路j到卫星d在时刻t，由下式Wnj如图1.7所示，一旦初始化阶段结束，它将等待进入实施阶段。当源到目标的连接请求到达时，实现阶段开始，源卫星将创建许多前向蚂蚁。实施阶段中使用的相关符号和条件解释如下。图1.7CLACRWA算法xd（t）记录转发蚂蚁通过的路径。Antblocked表示蚂蚁是否被阻止。Antblocked=1表示蚂蚁被阻止，而Antblocked=-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λu，λ(1.5)Nndt随着W（2）状态转换规则随后，当来自输入链路i的前向蚂蚁到达中间卫星n时，它使用以下状态转换规则选择输出链路u切换到下一个卫星。u=(1.6)r~U(0，1)，r0∈[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r0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。p(1.7)(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∆λτ(1.8)∝1∈(0,1)是信息素的增量系数。（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

τijkd(1.9)β1∈(0,1)是信息素衰减参数。γijk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。γ(1.10)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xdt就会有积极的反馈。沿路径的每颗卫星n从输入链路v到波长λ到输出链路u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n的输入链路v到波长到输出链路u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的输出链路如（1.11）中所述，信息素沉积经历指数衰减并且衰减常数为w。∆l=|x∆(1.11)当反馈蚂蚁到达源卫星时，蚂蚁