[发明专利]一种基于网络编码的低轨道卫星分布式动态多径路由方法

说明书

本发明专利提出了一种基于网络编码的卫星分布式动态多径路由算法NC‑DDMR，该算法不需要节点获得全网拓扑信息来计算、维护固定的多路径。节点仅需要邻居节点提供的信息，就可以判断链路的失败、拥塞等情况，选择合适的下一条路径，降低了协议复杂度和算法开销。在数据包转发时，算法根据下游节点状态动态分配转发概率，降低网络拥塞；并对其转发失败概率进行冗余补偿，提高数据包成功投递率；最后，算法通过流内网络编码降低冗余包与原始数据包的相关性，从而提高相同冗余度下数据包的成功投递率。

技术领域

本发明专利涉及一种基于网络编码的多径路由方法，适用于低轨道卫星网络领域。

背景技术

网络编码技术将编码与路由两个概念相融合，通过对不同数据链路中传输的信息进行编码，再以广播的形式将编码后的信息进行转发，从而使网络中的通信节点同时具备了编码与路由的双重功能。

多径路由应用于卫星通信网络，相比于单径路由算法有着带宽领用率高、拥塞和突发处理能力强等独特的优势。但是，在卫星网络上应用多径路由，一方面多条路径并行传输数据报文，由于各路径跳数、带宽不同，造成报文传输时延差异较大，会在目的端造成报文乱序现象；另一方面，由于网络拓扑变化和链路失效，容易造成丢包现象。网络编码依据自己的优势可以对多径路由技术进行很好的补充。基于网络编码的多径路由技术，在达到相同可靠性时，需要的冗余数据包更少，大大较少了网络能量的消耗。

1)基于网络编码的改进MORE协议

先前大部分关于MORE协议的研究都是基于地面网络，并且关注更多的是传输质量问题，而且要求节点能够检测其它节点，这种策略用在资源紧张的卫星网络上不太适合，所以提出一种改进的MORE路由协议——路径可扩网络编码协议(PSNC)。

为了将MORE策略应用到卫星网络，并提高带宽利用率，算法通过引入机会路由策略来降低传输路径数。在网络中，源节点在MEO中选出最优路径作为主路径，在LEO中选择备用路径。节点依然通过广播方式传输信息，这样每个节点可以收到信息，但只有和MEO链路、LEO链路相连的节点才进行编码转发，并不是所有中间节点都要进行编码操作，这就大大优化了算法的性能，降低了算法复杂度。算法在提高带宽利用率及数据包正确投递率有着很好的效果。该算法虽然有一定的效果，但不是完全基于LEO的多径路由策略。

2)基于网络编码的机会路由算法

基于网络编码的机会路由算法将网络编码和机会路由相结合，利用各自的优势，来更好的服务于动态卫星网络。算法可以看做是基于位置信息的按需路由的一种扩展。算法主要目标是在保证较低端到端时延、时延抖动及更小信令开销的前提下，提高带宽利用率。它包括路由发现、编码机会计算及数据包转发三个阶段。路由发现用来寻找N条路径，编码机会通过节点缓冲区信息来计算，数据包依据编码机会进行编码转发。算法中，数据包可以通过跳数更多的路径来传输，实现拥塞避免，同时，在网络负荷较大的时候，有着较高的数据包投递率。但是算法的每一个阶段都要进行计算判断，包括路由选择、编码机会等待，使得算法计算量大，对于非广播的卫星来说，实现难度较大。此算法基于流间网络编码，不适合单播场景。

3)集成网络编码的卫星多径路由算法

针对卫星网络链路时变性、不可靠性和间断性，以及在卫星网络中应用多径路由容易造成报文乱序，算法利用基于传统多径路由的网络编码算法来解决这种问题。算法引入了虚拟拓扑的概念，将LEO卫星网络的动态拓扑结构转化为静态拓扑结构，然后依据网络的周期性、可预测性，在关口站预先计算好任意一对节点之间的K条最短路径，然后将路由表装载到各卫星上。算法通过数据包冗余来提高成功投递率。仿真表明，在同等冗余条件下，引入网络编码可以大大提高数据包的成功投递率。