论文研究-面向移动通信星座网络的自主管理分簇算法.pdf

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论文研究-面向移动通信星座网络的自主管理分簇算法.pdf,  具有高度动态性的低轨(LEO)卫星星座系统是移动通信的重要组成部分.由于卫星网络具有动态性高、星间传输时延大、资源有限和网络拓扑周期时变等特点,使得LEO星座系统的自主 管理非常困难. 针对上述问题,提出了具有针对性的CDCA算法, 通过构建簇的方法来实现对星座系统的管理.CDCA的设计中充分考虑了LEO星座的实际特性和资源情况,
增刊2 江玉洁,等:面向移动通信星座网终的自主管理分簇算法 205 连接发生变化称为一个拓扑更新,则一个轨道周期内共有96次拓扑更新从图2还可以看出:该星座网络中 对异轨节点在一个轨道周期内存在两个时间段可以建立链路,大约为3min.由于 Walker星座的轨道对 称性,S18和S26这一节点对与S14和S22节点对的链路建立时间段相同,同样的情况也在其它节点对中发 生,因此可将一个轨道周期内的拓扑更新次数简化为48次 32簇生成的原则 在C冂CA模型中将节点的身份定义为以下四种:游离节点、簇管理者、簇内核心成员、簇内一般成员 其中,游离节点表示该节点不属于任何簇,其余三种则分别代表了节点在簇内的不同地位.由于在任意时刻, 节点的度数是不完全相同的,故可采用节点旳度数来作为初始选择簇管理者的标准.为了保持簇的稳定性, 充分利用了同轨链路的长久性,将簇的结构表示为图3所示 簇管理者 簇内核心成员 (与簇管理者同轨 簇内一般成员 (与簇管理者昇轨) 图3管理簇结构示意图 如图3所示,与簇管理者链路距离较近的几个同轨道节点成为簇内核心成员,核心成员是簇内的稳定元 素,它们与簇管理者之间的连接关系在正常情况下是恒定不变的.簇内一般成员是与簇管理者或簇内核心成 员相连的异轨节点,它们与簇的关系随网络拓扑的变化而变化,是簇内的不稳定元素.本文提出的算法将“同 轨链路上的节点组成簇内核心成员”作为组簇的一个约束条件,并根据轨道面的分布来作为划分簇的依据, 因此本文提出的算法是基于约束条件的分布式分簇算法(CDCA 33簇生成算法 簇的形成通常分为两个阶段:簇的建立和簇的保持.下面分阶段阐述本论文所提出的管理星簇形成算法 A、管理星簇的建立 簇建立的目标是找寻到合适的节点作为簇管理者,该阶段需要根据每个节点广播的度数来选择簇管理 者,并通过节点之间的同轨或异轨关系选择簇内核心成员.主要利用的是同轨道节点的相对固定连接关系 来保持管理簇的稳定性.在阐述本文算法之前首先对有关名词进行说明:度数指节点的邻居个数总和;邻居 节点指一跳范围内的节点; 簇建立的步骤如下: Step1每个卫星节点向同轨的邻居节点发送度数声明 Degree inforn:<my-id, Degree>,其中包含了 它的ID号和度数D,D;指轨道面i上编号为j的卫星节点的邻居个数;并转发来自同轨节点的度数声 明消息 Degree_Inform,最终使每一个卫星节点能够收到所有同轨面的卫星节点的度数; Step2轨道面i=1的节点比较同轨面上节点的度数,度数最大的节点以簇管理者的身份向其所有的 邻居节点发送成簇通知 Clustering_IuforIll:<Tag,Cid>,这里的邻居节点包含了异轨节点 Step3收到成簇通知的节点向簇管理者发送成簇应答消息 ACK Clustering Inform:<myid,Cid> 同时,其中与簇管理者同轨的节点(核心成员)向其一跳的同轨游离邻居节点(核心成员)转发收到的成簇通 知 Clustering Infor,同样,收到该成簇通知的节点向簇管理者发送应答消息,此时建立的簇称为初始簇; step4已入簇的节点向邻居节点发布成簇广播 Clustering declare:<mvid,Cid>,使每一个节点都 被告知其邻居节点的成簇情况 206 系统工程理论与实践 第31卷 step5收到 Clustering -Declare的游离节点、将自己的 Degree值修改如下: Number(clustering- Declare Step6对轨道面i++的节点重复 Steps2-5,直到i>n,这里n指星座的轨道面个数; step7还未入簇的节点向异轨的已入簇邻居节点发送相应的入簇申请 Register_message:<myid, Cid> stcp8收到入簇申请的簇管理者返回成簇通知给申请者,申请节点以最先收到的簇管理者I接受管 理,并向簇管理者发送成簇应答消息 ACK_Clustering_Inform:<myid,Cid>; 最后,当星座网络中没有游离状态的节点时,管理簇建立过程完成 B、管理星簇的保持 第二个阶段是星簇的保持,启动簇保持过程的条件包含两种:一是由于节点的拓扑连接关系改变,二是 节点(包括簇管理者和簇内节点)尖效 第一种情况下的簇保持过程如下: a)簇内节点保存有拓扑变化的时刻表,当下一个拓扑时刻到来之前2s时,簇内一般成员节点检查与簇 内核心成员节点的连接关系是否变化,若变化,则向簇管理者发送离簇通告 Move Declare:<myid,Cid> b)离簇的节点在下一个拓扑时刻到来之后重新选择新簇加入,过程同前; 第二种情况比较复杂,簇管理者、簇内核心节点和簇内一般节点失效时对簇的影响程度均不同,分别如 1)对于簇管理者失效的情况 a)簇内成员在一定时间内得不到簇管理者的应答,则需重新选择簇管理者,簇内所有成员状态重新修改 回游离状态,同时重新计算自己的度数值D,j b)在原簇管理者所在轨道重新选择簇管理者,原则仍然是度数D,j最大者成为簇管理者,如前所述步 骤 Steps1-4建立初始簇 c)初始簇建立之后,仍处于游离状态的节点采用 Steps7-8米选择利加入簇; 2)对于簇内核心节点失效的情况 检测与该簇内核心节点直接相连的节点是否与簇管理者直接相连,若不与簇管理者直接相连,则修改 它们的状态为游离态; b)处于游离状态的节点采用 Steps78来选择和加入簇; 3)对于簇内一般节点失效的情况:簇管理者在一段时间监测不到该节点消息,将其从簇管理列表中删除 即可,本质上对于簇的管理结构没有影响 表1对本算法中用到的消息类型进行了总结 表1CDCA中簇建立与保持过程中消息类型 描述 Dcgrcc_Inform: my id, Dcgrcc 声明节点的id和度数值 Clustering _Inform: Tag Cid> 声明节点的id和簇管理者身份 Clustcring-Dcclarc: my_id, Cid> 告知郐居节点已入簇的消息以及归属管理的簇管理者id ACK -Clustering_Inforn:<my-id,Cid>簇管理者对于节点入簇申请的应答 Register_message: my_id, Cid> 游离状态节点申请入簇的消息 Move declare: my_id, Cid> 节点向簇管理者发出的的离簇通告 4仿真与分析 本文对CDCA在星座网络中的性能作了仿真,并与DWCA作了比较仿真场景采用轨道高度为1450km 轨道倾角为30度的(24,3.1) Wa. lker星座.仿真时长取一个轨道周期,这么做是由于星座网络的拓扑结构变 化随轨道周期变化,因此一个轨道周期内的性能基本可以代表整个星座正常运行状态时的性能 衡量一个分簇算法的优劣主要有以下几个标准:簇结构的稳定性、负载均衡度、网络开销等等.其中,负 载均衡度主要针对根据分簇设计业务数据路由的应用场景,对于本文讨论的星座网络,分簇只是应用于星座 增刊2 江玉洁,等:面向移动通信星座网终的自主管理分簇算法 207 自主运行时的管理,不涉及业务数据流量,并且管理的开销与业务流量相较所占比例并不大,因此这里不讨 论负载均衡度.我们从以下两个方面说明CDCA的性能. 4.1簇结构的稳定性 对自主管理的星座网络来说,簇结构的稳定性直接影响管理开销的多少,簇结构越稳定,管理开销越少 这里对地面传统DwCA分簇算法应用在我们的星座网络中的性能进行了仿真,并与本文提出的CDCA算 法进行了比较,如图4所示 图4是两种算法在一个卫星轨道周期内的节点状态变化次数的比较,横坐标表示拓扑更新次数,一个轨 道周期内共有48次节点状态变化是指节点的身份发生变化、节点的隶属簇关系发生变化两种.节点状态 变化次数越多,簇的结构越不稳定.统计表明,一个轨道周期内,DWCA节点状态变化次数平均526次,而 CDCA为60次,明显优于DwCA算法 42网络开销 卜图是(DCA和DwCΔ两种算法在网络开销方面的性能比较,仿真了簇建立过程和簇保持过程中所 产生的包个数总和,其中簇保持过程的网络开销对应一个轨道周期内每次拓扑更新时刻所产生的包数量 从图5可以看出:在初始的簇建立过程中,CDCA和DWCA所产生的包开销基本在一个量级,CDCA 略少于DwCA,这是由于CDCA在进行簇管理者选择时只进行定向的消息广播.而在随后的簇保持过程中 可看出DWCA的开销明显大于本文的CDCA算法 120 口CDCA C DVCA 16 14 △△ △△△△ 一《项 10 习△口 0 HHI 拓扑更新次数 拓扑更新次数 图4CDCA簇结构稳定性 图5CDCA的刚络通信开销 5结束语 本文对应用于星座网络自主管理的分簇算法进行了研究,尤其对于链路带宽资源受限、业务实时性要求 高的通信星座网络来说,分簇管理是其进行分布式管理的基础.在深入分析低轨通信星座网络特性的基础 上根据卫星旳实际运动模式与通信特性提出了基于约束条件的分布式分簇算法CDCA.该算法充分利用了 网络本身所固有的同轨链路稳定的特性,使所建立的簇结构具有更好的稳定性,从而有效降低簇维护所造成 的网络开销,减轻了网络负担,使得分簇管理在星座网络中的应用更加实用,为星座网络的高效自主管理莫 定了基础.仿真分析结果表明:与其它分簇算法比较,CDCA具有更好的簇稳定性和更少的维护开销.在研 究的过程中发现该算法在应对网络链路故障时的包开销较大,在下一步硏究工作中需继续完善,从而提高算 法的鲁棒性 参考文献 Todorova P Network management. in ATM LEO satellite networks[C// Proc of the 35t.h Hawaii Interna.tional Conference on System Scicnces, Big Island, HI, USA, 2002: 360-365 2 Philippe J, Flatin M, Znaty S, et al. 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WCA: A weighted clustcring algorithm for mobilc ad hoc nctworks[J] Journal of Cluster Computing: Special Issue on Mobile Ad Hoc Networks, 2002(5): 193-204 5 Choi W, Woo M. a distributed weighted clustering algorithm for mobile ad hoc networks[Cl// Proceedings of the Advanced International Conference on Telecommunications and International Conference on Internet and Web Applications and Services, 2006: 73 6 Anitha V S, Sebastian M P SCAM: Scenario-based clustering algorithm for mobile ad hoc networks Cl// Proceed ings of the First International Conference on Communication Systems and Networks and Workshops, Bangalore 2009:18. [7 Muthuramalingam S, RajaRam R, Pethaperumal K, et al. A dynamic clustering algorithm for MANETs by modifying weighted clustering aIgorithm with mobility prediction[J. Internationa l Journal of Computer and Electrical Engineering, 2010, 2(1): 1793-8163 8 Jahani s, Bagherpour M. 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