[发明专利]一种基于演化图全路由预测的定向蚁群路由优化方法

说明书

技术领域

本发明属于移动自组网路由技术领域，尤其是一种基于演化图全路由预测的定向蚁群路由优化方法。

背景技术

随着无线通信技术和互联网的蓬勃发展，网络成为人们日常生活中获取信息、交流信息必不可少的基础设施，人们越来越需要在任何地点任何时间提供互联网接入服务的基础设施。构建全球无缝接入的互联网大环境是未来网络发展的必然趋势，也是各世界大国军事战略部署中非常重要的一个环节。由于地球表面70％为海洋，无法建立地面蜂窝移动通信，而卫星通信由于具有覆盖面积大、不受地理条件限制等先天优势，在通信发展的过程中一直受到人们的重视。

从20世纪70年代起截至今天，已经建成的能够完全覆盖全球的卫星导航系统只有美国的全球定位系统和前苏联的格洛纳斯系统。中国的北斗卫星导航系统、欧盟的伽利略定位系统正在建设中。其它国家，包括法国、日本和印度均在发展区域导航系统。因此导航卫星通讯技术一直以来是各国学者研究的热点，这其中包括星间通信的路由解决方案。

由于卫星成本高、节点数量少、资源有限等特点，其路由解决方案与地面有很大的不同。在多层轨道卫星系统通信中，低轨道卫星间的链路持续时间短，切换频率高，为路由算法带来难度。但是，节点运动轨迹是沿轨道周期循环的，可以人为控节点间链路在何时建立与切换，于是，虚拟动态网络被提出用来描述节点高速运动且具有周期性的网络拓扑结构。

虚拟动态网络认为在很小的一个时间段内，网络拓扑结构是固定不变的，可以人为地把卫星环绕地球一周的周期划分成若干时隙，链路连接关系在同一时隙内是固定不变的，在不同时隙间有所不同。因此，整个卫星网络是由若干个静态拓扑组成的虚拟动态网络。这样做的目的是将传统地面路由算法应用到卫星网络中，其弊端是，预先为每个节点每个时隙计算一个固定的路由表并配置在卫星节点上，其弊端是网络总吞吐量低，应对紧急情况时灵活性差。又由于卫星链路有效时间短，切换频繁，采用现有移动自组网路由技术，将加重节点计算负担，不可通信节点对数量多。

为了克服了以上路由算法的缺点，2002年法国学者最先提出演化图模型。该模型分析了星间链路调度切换所导致的星座动态变化的网络拓扑结构，在虚拟动态模型基础上建模。近几年陆续提出基于演化图模型的最早到达路径、最短跳数、最短时延的路由算法。在给定的节点链路调度方案对算法进行模拟验证，得到的平均吞吐量、平均丢包率、平均时延性能均优于无线自组网按需平面距离矢量路由协议(Ad hoc on-demand distance vector routing，AODV)和动态源路由协议(Dynamic Source Routing,DSR)。2013年有学者将演化图模型运用到车载移动自组网中，提出基于演化图的可靠路由策略，较动态源路由协议性能有所提高。

随着卫星无线收发技术的发展，实现多播路由将是未来卫星通信的发展趋势，而现有基于演化图模型的路由算法仅能针对不同指标预测出唯一的最优路由，不能满足路由技术发展的需求。

此外，在人工智能领域中经常使用蚁群算法。蚁群算法是一种用来在图中寻找优化路径的机率型算法，它由Marco Dorigo于1992年在他的博士论文中提出。以蚁群算法为代表的分布式人工智能研究的应用成为近些年的一个研究热点，许多源于蜂群和蚁群模型设计的算法己越来越多地被应用于路由算法、着色问题、车辆调度以及企业的运转模式等领域的研究，它为解决又多目标寻优问题提供一种简单有效地机制。目前的研究多数将智能算法应用在地面移动自组网中，尚未提出针对虚拟动态拓扑的解决方案，由于该类网络链路频繁切换，传统蚁群算法存在严重的慢收敛问题。传统算法应用于节点对网络拓扑未知的环境下，蚁群的每一步转移依赖于节点计算出的转移概率，因此节点处的计算开销较大，不适用于卫星计算资源有限的情况。

综上所述，现有星间通信的路由机制依赖于地面控制中心预先为卫星节点配置的静态路由表，而且仅能实现简单的消息收发，不具备动态路由功能，无法实现与地面互联网实时通信。如何在星间通信中提供高效、动态、自适应的路由技术是实现未来通过全球卫星系统与互联网无缝接入技术中迫切需要解决的问题。

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、能够在星间通信中提供高效、动态、自适应的路由功能的基于演化图全路由预测的定向蚁群路由优化方法。

本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于演化图全路由预测的定向蚁群路由优化方法，包括以下步骤：