基于多目标决策的leo卫星网络多业务路由算法-杨力.pdf

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1、2016年10月 Journal on Communications October 2016 2016192-1 第37卷第10期 通 信 学 报 Vol.37 No.10基于多目标决策的LEO卫星网络多业务路由算法 杨力1,2，孙晶1,2，潘成胜1，邹启杰1,2（1. 大连大学信息工程学院，辽宁 大连 116622；2. 通信与网络重点实验室，辽宁 大连 116622） 摘 要：针对低轨（LEO, low earth orbit）卫星网络中，链路资源利用不均衡以及差异化业务的服务质量(QoS, quality of service)要求难以满足，容易导致网络整体运行效率降低的问题，提出了一

2、种基于多目标决策的路由算法。将LEO卫星网络传输的业务定义为时延敏感、带宽敏感和可靠性敏感3类，采用本征向量法计算业务权值，并利用一致性比率判定所得权值可被接受，进一步，基于多目标决策理论，结合卫星网络节点与链路的实际状态与业务的具体要求，计算满足业务QoS需求的路径，从而实现LEO卫星网络的多目标动态优化路由。建立基于g19141星网络g13007g13491的g1235g11507实g20576g5191g2500，g8181g6323网络时延、g2109g1325带宽和g16835g2010g13464率g12573不g11842定g10317征，为g19555g7438g1147g10

3、995的3类业务进行路由g16280g2022，g1235g11507结g7536g15932g7138，算法g3324满足QoSg13434g7475的g2528时，g14033g7389效g3332均衡卫星链路的业务g17139g17745，而g1000g3324g2546g2532量g12573g7053g19766的性g14033均g7389g17751g7138g7186提g2331。 关键词：LEO卫星网络g727QoS路由算法g727多目标决策 中图分类号g726TP393 文献标识码g726A LEO multi-service routing algorithm based

4、on multi-objective decision making YANG Li1,2, SUN Jing1,2, PAN Cheng-sheng1, ZOU Qi-jie1,2(1. Information and Engineering College, Dalian University, Dalian 116622, China; 2. Communication and Networks Key Laboratory, Dalian 116622, China) Abstract: In low earth orbit(LEO) satellite networks, in vi

5、ew of the unbalanced link resource, its difficult to meet dif-ferentiated quality of service(QoS) requirements and easily lead to reduce the efficiency of the whole network. A routing algorithm based on multi-objective decision making was proposed which defined LEO satellite network transmission ser

6、-vice as the delay sensitive, sensitive bandwidth and reliability sensitive three categories. It used the eigenvector method to calculate service weights, and used the consistency ratio to determine whether it can be accepted. Based on the multi-objective decision making theory, it combined with the

7、 actual state of satellite network nodes and links and the spe-cific requirements of the business, calculating the path that meets the QoS requirements of the service, so as to realize the LEO satellite network multi objective dynamic routing optimization. Established simulation platform based on th

8、e irid-ium network system simulated network delay, the uncertain characteristics like the residual bandwidth and packet error rate, route planning for the randomly generated three classes of business. The simulation results show that, the algorithm not only satisfies the QoS constrain while balancin

9、g the traffic load of the satellite link effectively, but also improves the performance on the throughput. Key words: LEO satellite network, QoS routing algorithm, multi-objective decision making 1 引言 随着卫星网络技术的不断发展，低轨卫星系统已能较好地实现全球移动通信。具有星间链路的 LEO 卫星网络能实现全球覆盖，并且与地球同步轨道(GEO, geosynchronous earth orbit

10、)卫星网络收稿日期g7262016-01-30g727修回日期g7262016-09-03 基金项目g726g3281g4490g14270g9994g12197学基g18341资g2173g20045目（No.61301151, No.91338104） Foundation Item: The National Natural Science Foundation of China (No.61301151, No.91338104) doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2016192 万方数据26 通 信 学 报 第37卷 相比，它能够有效降低传输时延，减少卫星对

11、地面节点的依赖，并能够更好地支持地面移动终端。但 LEO 卫星网络不同于一般的地面网络，它具有高误码率、长时延等空间通信的特点1,2，与此同时，卫星网络业务类型不同，其对端到端传输时延、传输带宽等服务的需求也有所不同，因此，卫星网络中不仅要满足不同业务传输的QoS参数要求，而且还需尽可能地提高网络传输效率，充分利用网络资源。而针对 QoS 所提出的路由，无论是按需路由还是流量分配路由，大多g18129是g13783g15397g7588一g12193g61222g12193链路g4658g5627g7481g1927g4462，g1186而g5585g11065其g1194g13434g747

12、5g7477g1226，g17837g7691g4493g7143g4560g14280网络的g4628g18108g17139g17745g17819大。因此，路由g12651g8873需要g3324g1872g20050多g13434g7475g7477g1226的g5785g1929g991,尽量g5191g15925地利用网络资源35。 2 相关工作 g7693g6466卫星网络动g5589g6311g6181可g20056g11705g5627g2656g2620g7411g5627的特点，路由g12651g8873可g1209g18331用一g1135g6311g6181g6523

13、g2058g7438g2058g7481g4643g15121其g6311g6181的g2476g2282，g7424g7003是g18331用g3534于g12175g6967g2282的g15406g6323g6311g6181g4570系统g2620g7411g2022分时间g10267，g1889对g19757g5589的g5219g2027g16757g12651路由。 g11458g2081，有g1863 LEO 卫星网络的路由g12651g8873中g13783g15397链路g10378g5589特g5461的g12651g8873有g1209g991g1972g12193。g

14、7003g104986提出一g12193g5224用于节点的g12946g11842g17139g17745g3355g15925(ELB, explicit load balancing)g12586g11065，它g7693g6466g991一g17351链路的时延，g5415节点出现链路数g6466g6329g3634时，发g17877信g2507g13485g18063g4633节点，g18063节点g17885g6333g8437g1260路g5464，g1186而减少网络g6329g3634。g7003g104987提出g1114一g12193g2475g19492g7380g11

15、713路g5464g1260g1820(CSPF, constraints shortest path first)g12651g8873，g17837是一g12193g6925g17839的g7380g11713路g5464g1260g1820g12651g8873，它g1038g1114g18003g1825网络g6122节点g6329g3634，g4570链路带宽的g2465比g4462g1053链路g7447g18337，g7693g6466业务的特g4462要求，g3324链路g10378g5589数g6466g5223的g3534g11796g990，g5483到g7380终g73

16、80g11713路g5464。多路g5464 QoS 路由(MPQR, multi-path QoS routing)g12651g88738是g5415卫星g6922到传输g16843求时，g16757g12651同时满足时延g2656带宽g19492g2058的g7380g1260路g5464。 此g3818，g13783g15397QoS业务分类的g12651g8873有g1209g991g1972g12193。g7693g6466业务分类，g7003g104989提出一g12193多服务按需路由 (MOR, multiservice on-demand routing)g2339g16

17、770，它g2345g10432对各类服务流量g17839行路由。g7003g104983提出一g12193多业务类QoS路由 (MQoSR, multi-class QoS routing) g12651g8873，该g12651g8873g7693g6466时延g2656带宽g4570业务分g10382类，利用相对空闲链路g7481减少链路g6329g3634。由于g17837g1135g12651g8873有的只g13783g15397链路g10378g5589信息，有的只g13783g15397到业务分类，而没有g4570g17837两者结合起g7481，没有针对g5415g2081业

18、务g2656实时的链路g10378g5589g1038业务g17885g6333合适的路g5464，g17837g7691很难保证卫星网络资源整体利用率。 针对g990述问题，g7424g7003提出一g12193g3534于多g11458标g1927g12586的 LEO 卫星网络多业务路由g12651g8873。该g12651g8873评价g1114各链路的通信g4658g5627：时延、剩余带宽、误分组率，g16757g12651g1114不同业务的通信g4658g5627g7447g18337；利用多g11458标g1260g2282g1927g12586模型，g17885g6333适

19、合业务特g5461的通信节点作g1038路由g11458标对象；g7380后，g7424g7003对该路由g12651g8873g17839行g1114g5627能的仿真实验。 3 相关概念 3.1 QoS介绍 QoS 的g4462g1053g7380早是由国际电信联盟（ITU, International Telecommunication Union）提出的，即服务g5627能的综合体现，它所g2465映的是网络对用户所能提供的端到端服务的各g12193参数描述10。由此可g11705，g1038业务提供可靠的端到端服务相g1863的质量保证是 QoS 的g11458标，而g17837意味

20、着不同业务具有不同的g5627能需求，即QoS指标。 常用的网络通信链路g2656路g5464的g3534g7424 QoS 指标有带宽、时延抖动、分组丢失率等，它们度量函数的特g5461可g1209分g1038：凹g5627参数、可加g5627参数g2656可乘g5627参数。g1038便于描述，用 ()we表示链路的g7588个QoS 指标值， ()wp表示路g5464的相g5224g7588个 QoS 指标值，则QoS的相g1863度量参数分类g2656g16757g12651规则如表1所示。 表1 QoS参数分类和计算规则 QoS参数类型 计算公式 应用代表 凹性参数 () min()

21、epwp we= 带宽 可加性参数 () ()epwp we=时延、时延抖动、跳数可乘性参数 () 1 (1 ()epwp we= 分组丢失率 3.2 LEO卫星网络模型 LEO 卫星网络的高速运动导致拓扑不断变化，相比地面网络，其路由机制将面临如下限制：1) 随着业务增多，多种业务的数据分组难免经过相同的卫星节点，从而对网络时延和吞吐量等性能产生影响；2) 星上处理和存储资源十分受限，充分利用资源势在必行。同时，LEO 卫星网络也有可预知性、周期性、恒定性等。基于上述2016192-2 万方数据第10期 杨力等：基于多目标决策的LEO卫星网络多业务路由算法 27 特点设计路由算法时，建立 L

22、EO 卫星网络模型既要描述通信节点之间的关系，又要能够计算各节点的流量。 假设将卫星运行周期 T 分成 n 个时间片，t0=0,t1, t1,t2,t2,t3,midhorizellipsis,tn1,tn=T。在每个时间片内，假定拓扑g13479g7512不变，g1000g19154路的g2011g6454和网络拓扑的变化g2494在时间点t0,t1,midhorizellipsis,tn时g2063g2469生。 定义 1g3 用 (),GVEg7481g15932g12046卫星网络拓扑基g7424模型。其g1025，VMN=g15932g12046在星g5243g1025g1861有分

23、g5079于Mg7477卫星g17724g17959，每g7477g17724g17959有Ng20075卫星，Eg1207g15932卫星之间的星间g19154路g708ISLg709，用kE g15932g12046节点ig2052j的g17805g19610，其g1025， ,ij V 。 定义 2 用,sdw g15932g12046网络g1025g6164有可能的源、g11458的g708SDg709节点对，g2029,12( ), sd k KQw E E E E= midhorizellipsismidhorizellipsisg1207g15932g980g7477路g5464

24、g5219g2027，g7171SD节点之间通过Kg7477g19154路g17842g6521。 g1038g1114g15932g12046g2345个g19154路上的流量，g1208g19154路g2265g2559g2001数g1038 ,(),1, ( )0, ( )sdkksdQwEksdEQwEQw=(1) 其g1025，g14521路g5464经过g19154路kE g2029,()sdkQwE g2474 1，g2465之g24740。用 C g15932g12046每个节点g2533其g1194节点g2469g17877的数据分组数量，g2029g7588个路g5464上

25、的流量计算g5347g1038 ()kLE = ,()1sdkKQwEkC=。 3.3 多目标决策问题 多g11458g7643g1927g12586g19394g20076g7171g6363在g980定数量的g3803g17885g7053g7708上g17839行g1571g3921g1927g12586，如g17885g6333、g6502g5219、g16792g1227等，g5194g1000其g1927g12586过g12255g13783g15397多个g1867有g11695g11474性g1000g15925量g7643g1946不g13491g980的g11458g764

26、3的g16792g1227。g8504g12879g19394g20076由可行g7053g7708、g11458g7643g19610、g1571g3921信g5699、g7447g18337g1209g2462g1927g12586g2345g1815组成。 多g11458g7643g1927g12586g19394g20076g1025，可g1391g17885g6333的g7053g7708g19610g103812 ,mX = x xxmidhorizellipsis ；用12(, , )iii inYyy y= midhorizellipsis g15932g12046g7053g

27、7708ix 的n个g4658性g1552，其g1025，ijy g7171g12544i个g7053g7708的g12544 j个g4658性g1552；由g11458g7643g2001数g1038jf g7512成g11458g7643g2001数g19610g103812 ,nF ff f= midhorizellipsis ，g2375 ()ij j iyf= x ， 1, 2, ,im= midhorizellipsis ，1, 2, ,j n= midhorizellipsis 。g1038g15925量对于g11458g7643g4658性g1552的不同要g8726，用12(

28、, , )nww w=w midhorizellipsis g15932g12046g7588g11458g7643的 n 个g4658性的要g8726g12255g5242，g5194g1000g9397g1728711niiw=，iwg15932g12046g7588g4658性的g7447g18337g1552。 由ijy g7512成g1927g12586g11709g19465，g17885g6333g17878g2524的多g11458g7643g1927g12586g7053g7708，g14731g5483g5415g2081g7380g1260g16311 x ，g9397g

29、17287g1571g3921g5219 ,i x xfollows iXx 。 可g16277，卫星网络多业务路由g19394g20076g4613g7171g980个多g11458g7643g1927g12586g19394g20076，g4439g17878g2524g18331用多g11458g7643g1927g12586理g16782g1260化路由过g12255。 4 算法描述 g7424g7003算法的基g7424g5617g5831g7171：g19036对卫星网络拓扑g13479g7512动g5589特性，g13783g15397不同业务的 QoS 要g8726，g7693

30、据g19154路的时延、g2109g1325g5114g4497和g16835分组g10587定g1053计算不同的g7447g1552系数，g5194建立多g11458g7643g1260化模型，对g13434束g7477件和g11458g7643g2001数g17839行确定，通过g8726g16311与理g5831g19154路g7380g6521近的g19154路g5483g2052g7380g1260路g5464。 4.1 问题定义 g7693据数据语音视频等多样化的业务的 QoS 要g8726，g7424g7003把业务划分成3种：Ag12879g7171实时业务，g2375时延敏

31、感业务，如对时间要g8726高的g6363g1208语音等；Bg12879g7171可允许g980定时延，g2375g5114g4497敏感业务，例如对地观测业务；Cg12879g7171可靠性敏感业务，主要体现在对g16835分组g10587要g8726较g1038苛g2063的业务上11。在g8504基础上对业务的g1260先级g17839g980步规定，g7424g7003暂g1000定g1053 Ag12879业务高于Bg12879业务，Bg12879业务高于Cg12879业务。 对于网络模型 (, )GVE ，在g7588g980时g2063t ，用12,kk knEE Eaa am

32、idhorizellipsis g15932g12046g12544kE g7477g17805的n个g4658性g1552，图1g6164g12046g1038网络拓扑图和g4439相应的抽象模型。 由于g7424g7003涉g2462 3 g12879业务，用123,kkkEEEaaag7481分别g15932g12046g12544kE g17805的时延、g2109g1325g5114g4497和g16835分组g10587。 因g8504g19154路的总时延 ()( ),111sdkkKQwEEkaa=g2109g1325g5114g4497 () ,222min 1,2, ,sd

33、kkQwkEEaaak K= =midhorizellipsis g16835分组g10587 ()( ),33111sdkkKQwEEkaa= 定义 3 多业务路由的多g11458g7643g1927g12586g19394g20076 P，g7171g6363在可行g19154路域 12, ,mVvv v= midhorizellipsis g1025，g7693据g5415g2081g19154路状g5589g1209g2462业务QoS要g8726，如何g14731g5483g7380g1260g19154路v。g2375 2016192-3 万方数据28 通 信 学 报 第37卷 a

34、ppr ( )s.t.ijj jwf aVijvv其g1025，g4658性g2001数g1961012 ,nF ff f= midhorizellipsis g1025jf 用于g16792g1227每g7477g19154路的g12544 j 个g19154路g4658性，g2375 ()ij j iafv= ；ija g15932g12046g12544 i g12879业务g12544 j 个g4658性的理g5831g1552，g2029业务路由g1038g8726逼近g19394g20076，apprg15932g12046g8726逼近；不同 QoS 业务对于g19154路g46

35、58性的要g8726强g5242不同，g237512(, ,kww=w midhorizellipsis )nw g15932g12046g12544kg12879业务对于n个g4658性的要g8726g12255g5242，g9397g1728711niiw=。 4.2 基于业务特征的权值计算 g16311g1927多g11458g7643g1927g12586g19394g20076各g11458g7643之间g11695g11474性的关键在于g7447g1552系数的确定，g7424g7003算法运用g7424征g2533量法。由g1927g12586人把n个g4658性的g18337

36、要性成对比较，把g12544p个g4658性对g12544q个g4658性的相对g18337要性记g1038pq ，g5194认g1038g4439g4613g7171g4658性p的g7447pw 和g4658性q的g7447qw 之比的近似g1552，ppqqww = ，n 个g11458g7643成对比较的g13479果形成g11709g19465A。 11 12 121 22 212nnnn n =midhorizellipsismidhorizellipsisvertellipsisvertellipsis vertellipsismidhorizellipsis (2) 定义 4

37、基于业务特征的g7447g18337g7171g6363把g125441个g4658性时延的g74471w和g12544 2 个g4658性g2109g1325g5114g4497的g74472w 之比记g103812 ，g125442个g4658性g2109g1325g5114g4497的g74472w 和g125443个g4658性g16835分组g10587的g74473w 之比记g103823 ，g1209g8504g12879推，g7512成g1927g12586g11709g19465。g2029 ()0n=w 其g1025， g7171g2345位g11709g19465，g14

38、521g11709g19465g1025的g1552估计g1946确，上g5347严格等于 0，g14521估计不够g1946确，g2029g1025g1815素的小的摄动g1207g15932g7424征g1552的小的摄动，于g7171有 max=ww (3) 其g1025，max g7171g11709g19465的g7380大g7424征g1552。可g1209g7693据该g5347g8726g5483g7424征g2533量g2375g7447g2533量12,nww w=w midhorizellipsis 。 g1038g1114判定g11709g19465在g8504g705

39、3法g1025的科学性，引入g980致性比g1058712(CR, consistence rate)的概念，g4439用g980致性g6363g7643(CI, consistence index)与随机g6363g7643(RI, random index)的比g1552g7481g15932g12046，可g1209用g7481判定g11709g19465g7171否被g6521受。其g1025，max1nCIn =，对于阶数g1038n的g11709g19465对应的RIg1552如g159322g6164g12046。 g14521 CR0.1，说明各g1815素pq 的估计g980

40、致性太差，应g18337新估计；g14521CR0.1，可认g1038pq 的估计基g7424g980致，可用g5347(3)g8726g5483w。 图1 网络拓扑及其抽象 2016192-4 万方数据第10期 杨力等：基于多目标决策的LEO卫星网络多业务路由算法 29 表2 阶数为n的矩阵对应的RI值 n RI 2 0.0 3 0.58 4 0.90 5 1.12 6 1.24 7 1.32 4.3 求解 在路由g17885g6333的开始阶段，首先g7693据卫星网络的拓扑g13479g7512g17839行时间片划分，g19036对不同的业务分g12879计算g7447g1552系数，

41、对可行g19154路12 ,pV = vv vmidhorizellipsis 运用g1260g17885法13对g19154路g19610g2524g17839行筛g17885，淘汰g980些处于劣势的g19154路g7053g7708，g5483g2052筛g17885后的g19154路g19610g252412 ,qV= vv vmidhorizellipsis ，qp ，在路由过g12255g1025，对可行g19154路g17839行g19036对不同业务的g11709g19465g16792估，然后g8726出g11458g7643g2001数的理g5831g19154路，在路g5

42、464g19610g1025找出g7380g6521近理g5831g19154路的路g5464从而g5483g2052g19394g20076的帕累托g7380g1260g16311。 对于 LEO 卫星网络多业务路由g1927g12586g19394g20076的g8726g16311基于g1209下定g1053。 定义 5 业务需g8726下的理g5831g19154路，g7171g6363可行g19154路域Vg1025，g19154路*v 的各项g4658性g9397g17287*() ()iiFFvv或*() ()iiFFvv ，其g1025， in ，g2029称*v g1038理

43、g5831g19154路。 假设这个多g11458g7643g1927g12586g19394g20076有很多g7477g19154路可g17885，作g1038可行g19154路域，在g13434束g7477件内，g7693据不同的业务g12879型，对于 A g12879业务，有g19154路*Av ，分别都g9397g17287时延*1A 1() ()FFvv 、g2109g1325g5114g4497*2A 2() ()FFvv和g16835分组g10587*3A 3() ()FFvv 的要g8726，g2029称*Av g1038多g11458g7643绝对g7380g1260g1

44、9154路，绝对g7380g1260g19154路g7512成g19154路g19610g2524，g19154路g19610存在g980个理g5831g19154路*A()if v ，g9397g17287 1*1A1min ( ) ( )mpiiidff=vv 同理，Bg12879和Cg12879业务分别有*B()if v 和*C()if v ，g6164g5483g2052的这个理g5831g1552可能g7171存在g7588g7477g19154路，也可能g7171在g7588几g7477g19154路之间的虚拟路g5464，在g13434束g7477件下，可g18331用动g558

45、9规划14等g7053法g5483g2052g6164需理g5831g19154路。 定义 6 实际通信g19154路的性能与理g5831g19154路性能的差异g7171g63632g7477g19154路g4658性g2533量的加g7447欧氏距离。 设用实际通信g19154路和理g5831通信g19154路的性能分别用n维g2533量12(, , )iii invv v=v midhorizellipsis 和* *12(, ,)nvv v=v midhorizellipsisg15932g12046，g2029g4439们之间的差距g1038 *2*2 *211 1 22 2(, )

46、 ( ) ( ) ( )ii i nindwvvwvvwvv=+vv midhorizellipsis 其g1025，12,nww wmidhorizellipsis g2375g1038n个g11458g7643g2001数的g7447g1552，g9397g1728711niiw=，g1000 0,1( 1,2, , )iwi n=midhorizellipsis 。 g7424g7003算法的g13434束g7477件g7171确保g75882个节点之间有g1000g2494有g980g7477路g5464，g15932g12046g1038(),1sdkKQwEkK=。 g7424g7

47、003算法g1867体流g12255如下。 Step1 卫星 s g6521收g2052数据传输要g8726，g11458的节点g1038d。 Step2 g14731g2474拓扑g13479g7512时间片，业务需g8726时延g10381a ，g5114g4497g10382a ，g16835分组g10587g10383a 。 Step3 筛g17885可行g19154路g19610g2524V，g5483V，g7693据业务分g12879建立g19154路g16792g1227g11709g19465。 Step4 判断理g5831g19154路*v g7171否存在，如果存在g872

48、6g16311g13479束。 Step5 如果理g5831g19154路不存在，g8726g7380g6521近理g5831g19154路的路g5464iv ，作g1038下g980个通信g19154路。 g1038能够g17839g980步清晰描述负载均g15925能力，引入负载分g5079g6363数112121niiniixfnx=(4) 其g1025，ng1038LEO卫星g19154路总数；ix g15932g12046经过g12544ig7477g19154路的数据分组数量； 0,1f ，g15932g12046网络g1025的流量均g15925情况，fg1552g17246大g15932明负载g17246均g15925。 g7424g7003算法的时间g3809g7446g5242分g7524如下。由于g19036对每个节点需计算 3 个g4658性g1552，时间g3809g7446g5242 ()Okn，3k = ；同时g17836要计算g19154路的加g7447欧氏距离，g23752()On ；因而时间g3809g7446g5242g10382()On kn+ ，其g1025，kg7171需要g16792g1227的节点g4658性数量，g7380g13468算法时间g3809g7446g5242g10382()On 。