[发明专利]一种空天地一体化网络路由方法

权利要求书

1.一种空天地一体化网络路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在空天地一体化网络的每个节点处设置用于存储需要完成的数据任务的链路队列；

S2，在每个时隙开始时刻，将数据源产生的数据分组并传入节点对应的链路队列末尾，同时根据新产生的数据计算当前数据总量、节点剩余能量和链路带宽利用率；

S3，以最低时延为目标，节点剩余能量和链路带宽利用率为约束条件来进行路由，依次从队列中选取任务传输至被选取的下一跳，层层递进，直到到达目的节点；

以最低时延为目标即令总时延最短，目标函数如下：

其中，λ为数据流的泊松分布参数，i，j代表网络节点；

以节点剩余能量和链路带宽利用率为约束条件：

所有节点i在任意时刻t的最小剩余能量E_ir(t)大于等于阈值η₁(λ)：

每条链路ij的带宽利用率小于等于网络拥塞率η₂(λ)：

其中，L_pkt为数据包长度，N_pkt为单位时间内的数据包数量，B_ij为链路带宽；

空天地一体化网络状态空间中的所有节点s；其输入为网络邻接矩阵，输出当前状态下的最佳路由选择；依据贪婪策略选取节点s状态的出口链路a，根据公式更新Q值表：

Q(s,a)←Q(s,a)+α[R+γmaxQ(s',a')-Q(s,a)]

α为学习率，γ为折扣率；

R为奖励函数，是对在不同状态下选择不同动作的评估，其设计如下：

r_E是当节点剩余能量过小引起的惩罚；r_B是带宽利用率过高引起的惩罚，是绝对值最大的负数；所有阈值均为λ的函数；若到达目的节点，则数据传输任务完成，奖励值为0；-1用来记录数据包传输的跳数。

2.根据权利要求1所述的一种空天地一体化网络路由方法，其特征在于，所述空天地一体化网络路由系统包括卫星网络、空中平台网络和地面网络，卫星网络分别与空中平台网络和地面网络通信，卫星网络包括若干LEO极轨卫星，空中平台网络包括若干节点间保持相对静止的空中网络节点，地面网络包括地面站和用户，用户位置服从两个同心圆分布，最大半径20km。

3.根据权利要求2所述的一种空天地一体化网络路由方法，其特征在于，卫星网络、空中平台网络和地面网络之间形成的链路包括层内链路和层间链路，层间链路包括相邻层链路和间隔层链路。

4.根据权利要求1所述的一种空天地一体化网络路由方法，其特征在于，在链路队列非空时，当前数据包的等待时间等于上一个数据包离开时刻减去当前数据包到达时刻，而离开时刻则等于上一个数据包离开时刻加上链路传输时间。

5.根据权利要求1所述的一种空天地一体化网络路由方法，其特征在于，在时隙t，由无向图G(V,E(t))表示网络拓扑，V代表网络中的节点，E(t)代表网络中的链路；依据每个拓扑下的邻接矩阵来进行路由，邻接矩阵元素为时延，计算公式如下：

其中，c_ij为链路传输速度，w_ij为链路权值，d_ij(t)为链路距离。

6.根据权利要求5所述的一种空天地一体化网络路由方法，其特征在于，对于无法获取距离的链路，采用以下公式求得：

其中，Δh为高度差，水平距离d_h由以下Haversine公式计算：

其中，R代表地球半径，λ、分别代表经纬度。

7.根据权利要求2所述的一种空天地一体化网络路由方法，其特征在于，所述空中平台网络总节点i的能耗为：

其中，L_pkt为数据包长度，d为链路距离；E_elec为发送/接收单位数据的能耗，E_fs为自由空间传输单位数据的能耗，E_mp为多路径传输能耗；

8.根据权利要求2所述的一种空天地一体化网络路由方法，其特征在于，极轨星座中卫星j在t时隙的能耗为：

其中，x_ji(t)和x_ij(t)分别为t时刻卫星节点的流入、流出数据量，等于数据包数量乘以长度；B为链路带宽，Δ_t为更新间隔时间；P_s、P_r、P_o分别为卫星发射、接收和运行功率；

卫星j在t时刻的充电能量为：

E_jc(t)＝P_c×max{Δ_t,S_j(t)} (6)其中，P_c为卫星充电功率，S_i(t)为Δ_t间隔内的光照时长；

卫星j在t时刻的剩余能量为：

E_jr(t)＝min{E_jnitial,E_jr(t-1)-E_j(t)+E_jc(t)} (7)

其中，E_jnitial为卫星j的初始能量；

链路平均带宽利用率的计算公式如下：

其中，t_trans为传输时间。