[发明专利]一种基于负载感知的多层卫星网络路由方法

说明书

本发明公开了一种基于负载感知的多层卫星网络路由方法，利用多层卫星网络层次化构架来对网络的负载进行周期性地感知，并根据收集的负载信息来动态地调整业务在MEO层和LEO层的分流比例，达到网络的负载均衡，通过将业务的QoS需求与网络的结构特性相匹配，在网络业务负载较重时最先分流对时延要求最低的业务，使其从MEO层传输，而时延敏感业务始终从LEO层传输。本发明缓解了由于业务分布不均匀所导致的局部拥塞，使网络的吞吐量提高，避免了LEO层内卫星由于计算路由带来的频繁信息交互，降低了系统的开销，减小了信息交换的时延，使得网络能够更迅速地从节点故障或链路中断中恢复过来，提高了网络的自适应性和鲁棒性。

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于负载感知的多层卫星网络路由方法。

背景技术

多层卫星网络(MLSN)作为下一代卫星通信构架的杰出代表，在近年来得到了广泛的关注和研究。与传统的单层卫星网络不同，多层卫星网络由低轨道卫星(LEO)、中轨道卫星(MEO)以及地球同步轨道卫星(GEO)等多种卫星星座融合而成，因此，它具有覆盖范围广、传送时延短、网络容量大等优点。此外，这种层次化的网络构架便于网络的高效管理，从而使得信息交互的开销更小，网络的鲁棒性更高，能够快速地从节点故障、链路中断等情况中恢复过来。为了能够有效地在多层卫星网络中传输业务，路由策略是必不可少的。然而，由于卫星周期性地绕地球转动，导致卫星网络的拓扑快速变化，链路中断和切换频繁发生，这对路由协议的有效性提出了巨大挑战。此外，受气候、经济、地形等因素影响，地球表面人口分布极度不均匀，导致业务的需求呈现较大的差异性，从而出现某些卫星已经非常拥塞并开始大量丢包，而一部分卫星并未得到充分利用的情况。因此，有必要提出一种有效的路由协议来捕捉并利用网络的拓扑变化，并实现网络的负载均衡，提高整体的吞吐量性能。

目前，为了提高LEO/MEO多层卫星网络的吞吐量，研究者已经提出了许多路由算法。按照对MEO层卫星利用程度的不同，这些算法大致可以分为两大类：一类是借助MEO层卫星来实现网络的管理，另一类则是利用MEO层卫星实现远距离业务的传输。具体来说，第一类路由算法中，MEO层主要用来周期性地收集LEO层星间链路的状态信息，如链路中断、传播时延、排队时延等，它利用此类信息为LEO层卫星建立路由信息表并分发给LEO层卫星，而LEO层卫星则负责业务的传输；第二类路由算法的核心在于利用MEO层卫星传输远距离的业务，LEO层则用来传输近距离的业务，从而使得MEO层卫星与LEO层卫星得到不同程度地利用，缓解了LEO层的拥塞。总而言之，上述两类算法分别利用了MEO层的不同功能来做路由决策，从而使得多层卫星网络的吞吐量提高。

但是，上述提出的两类算法都没有很好地融合多层卫星网络中MEO层兼具网络管理与远距离业务传输的特性。具体来说，第一类算法没有充分利用MEO层传输业务的能力，因此当LEO层负载较重并出现丢包时，MEO层卫星仍未被用来缓解LEO层的传输压力，从而不能达到网络的负载均衡；第二类算法则将业务按照源到目的节点的距离长短分类，而不是基于业务的具体服务质量(QoS)需求(例如时延、吞吐量等)来区分，这在一定程度上限制了网络对不同QoS业务的保障能力，另一方面，此类算法没有利用MEO层卫星便于网络管理的优点，网络交互信息的开销较大，占用了一部分传输资源，限制了网络的吞吐量。此外，上述两类算法都没有根据网络的负载变化情况进行路由决策，来动态地调整业务在MEO层和LEO层的分流比例，并将业务的QoS需求与网络的结构特性相匹配，使得不同类型的业务能通过最合适的层来传输，从而在实现负载均衡的基础上进一步保障不同业务的QoS。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于负载感知的多层卫星网络路由方法，旨在解决现有的卫星通信中存在的LEO/MEO多层卫星网络的吞吐量较低，不能达到网络的负载均衡，网络交互信息的开销较大的问题。