[发明专利]基于合作博弈的LEO卫星网络最优收益路由方法

说明书

技术领域

本发明属于卫星通信领域，具体涉及一种基于合作博弈的LEO卫星网络最优收益路由方法。

背景技术

随着卫星技术的发展，卫星移动通信和人们生活的联系越来越紧密，地位也越来越重要。与传统的地面移动通信系统相比，卫星移动通信系统的特点在于能较快的实现大区域的覆盖，无需大量的地面配套基础设施，在偏远的山区、海岛、受灾区、远洋船只及远航飞机等通信方面更具独特的优越性。

通信卫星按轨道高度可分为低轨LEO卫星，中轨MEO卫星和地球同步轨道GEO卫星。GEO卫星比较适合广播业务和固定用户高数据率业务，目前GEO通信卫星已广泛应用于广播、电视业务。但是由于GEO卫星位于距离地球表面35800公里的地球同步轨道上，导致GEO卫星的传播时延太大，不利于实时通信业务的开展，而位于距地500-2000公里轨道上的LEO卫星与用户的距离大大缩小，能把星地往返传播时延降低到毫秒量级，且地面移动终端用较小的天线就能实现和LEO卫星的通信。

1998年，第一个真正意义上具备星上交换和星上处理能力的LEO卫星网络Iridium铱星通信系统投入运行之后，学术界和产业界对LEO卫星网络的研究热度和资金投入逐年增加。随着卫星通信技术的快速发展，LEO卫星具有的研制周期短、发射难度小、制造成本低、技术更新快等优点使其成为未来面向服务的应用型通信卫星的发展方向。

LEO卫星网络中用户对通信的实时性、传输时延、丢包情况以及带宽资源的服务要求较高，其通过同一轨道内或不同轨道间的一系列星间链路构成了一个拓扑结构动态变化的多跳自组织网络。但相比于地面移动自组织网络中节点的随机运动，LEO卫星节点的运动具有显著的周期性规律，因而其网络拓扑结构具有一定的可预测性，利用这一特点，可以极大的提高卫星网络的运行效率和资源利用率。

LEO卫星网络中，路由选择及控制技术是影响卫星网络整体性能的一个关键技术，如何保证传输路径的可靠性及流量分布的均衡性是当前卫星网络研究的关键问题。但是目前LEO卫星网络路由策略并没有一个具有普遍适应性的标准化协议体系或技术框架。现有的各种解决方案适应性不强，未充分考虑网络应用场景和流量分布不均衡问题，对于LEO卫星星上系统的计算能力、存储能力、信号接收发射能力要求苛刻，对于卫星节点可靠性、网络抗毁性进行了过于过度简化忽略或乐观的场景假设。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种设计合理、网络性能指数优且能够显著提高网络负载均衡程度的基于合作博弈的LEO卫星网络最优收益路由方法。

本发明基于合作博弈的LEO卫星网络最优收益路由方法，包括：

构造一个满足预定条件的类铱星星座的网格状LEO卫星通信系统；其中，所述的类铱星星座的网格状LEO卫星通信系统的构造方法具体包括：设定卫星的轨道倾角、轨道高度参数；为每颗卫星建立与相邻卫星相连接的星间链路，包括同轨道星间链路和跨轨道星间链路；同轨道卫星在运行期间保持相对静止，星间链路是稳定建立并长久保持的；极轨道卫星运行到高纬度地区时，跨轨道星间链路会临时关闭；

根据LEO卫星星座网络的周期性运动规律及其网格状多径路由属性，将一条从源卫星节点到目的卫星节点路由路径上的多个LEO卫星中继节点作为一个合作博弈中的联盟对待，并利用吞吐量、延时、丢包率等网络性能指标定义联盟收益函数；

基于合作博弈论中联盟博弈算法，采用夏普里值分配机制对联盟合作收益进行分配，卫星节点依据实时收集的网络及节点状态，独立计算加入各路由联盟的合作收益，选择加入合作收益最高的路由联盟，数据分组沿着该路由联盟确定的路由路径进行合作转发到目的卫星节点。

进一步地，所述的类铱星星座的网格状LEO卫星通信系统满足的预定条件包括：

卫星节点有能力与相邻的同轨或异轨节点间建立可靠的星间链路，或者能够感知已经存在的链路的通断状态；每个卫星节点具有基本的独立数据处理、队列缓存能力；每个卫星节点知道星座中自己所处轨道内的节点个数、轨道面数量、运行参数；

每条星间链路的数据传输能力是双向的，也即两个卫星节点间的链路一旦建立起来后，数据能够从任何一个节点发送到对应节点上；星间链路的连通持续时间大于数据在该链路的传输延迟时间；

卫星节点和星间链路允许失效；一个失效的星间链路将无法实现两端卫星节点间的数据传输，一个失效的卫星节点将同时失效所有包含该节点的星间链路；