论文研究-卫星通信网中DRA路由算法的研究与改进 .pdf

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卫星通信网中DRA路由算法的研究与改进,王莹,,本文针对星座网络中低轨LEO卫星网络拓扑变化有规律、可预知的特点,提出了一种对数据报路由算法DRA的改进方案,设计出了LeapFrogDRA算�
国武技论文在线 http:/www.papcr.cdu.cn 85強阶段,在两个备选方向中选出优先级高的方向发送数据。如果只有个备选方向,或是虽 有两个备选方向,但是其中一个方向上链路异常,则按照这个唯一的能发送成功的方向发送 数据包。如果备选方冋上都存在链路异常则按照υ ijkstra算法算岀短路径即预定路径,并 存储到薮据包头,按照预定路径发送数据包 链路状态读写阶段 方向预测阶段 方向选择阶段 图1 LeapFrog dra算法的主要步骤 21链路状态读写阶段 当配置了 Leap Frog dra路出算法的每个卫星节点在接收到一个数据包后,执行以下操 作 数据包时间戳是否在当前时间片内,如果在当前切换时间内,卫星节点将数据包头部的 的异常链路信息表,添加到自匚维护的异常链路信息ξ里面,之后将自己的异常链路信息表 添加到数据包的异常链路信恳表軍面(柑同的异常链路信息会被覆盖),否则执行卫星节点 清空数据包头部携带的异常链路信息和预定路径(按 Dijsktra算法计算岀来的写在数据包头 部的逐跳路径)表,将卂星本地冇储的异洺链眳信息写入数据包头里面,并将当前时刻填入 100数据包头部为其打上新的时间戳。 22方向预测阶段 方向预测阶段涉及最短跳数的计算以及可能的下一跳的方向的确定。在方向预测阶段只 为判断岀最少跳数的路径不计链路长度,并使川源、∏的节点的逻辑地址<Sp,SsDp,Ds> (地球表面被模拟化成为一个有规则的网状结构,何一个虚拟节点拥有一个逻辑地址,逻辑 105地址表示成p,s>的形式,其中p-0,1.N-1,代表轨道号,s=0,M-1,代表轨道内虚拟节点号, 处于某个虚拟节点附近的卩星将拥有这个虚拟节点的逻辑地址,我们选择0度终线所在区域 为第轨道区域,将0度经线与南极相交的区域为原点,按经度增加的方向增加轨道号)分 別计算出穿越极地地区以及不穿越极地地区这炳种路径方式各自的最小跳数,两种路径方式 中跳数少的将被确定作为最短跳数,并以此最短跳数求出所有可能的下一跳的方向(下文中 l10M表示轨道内虚拟节点数,N表示轨道数)。方向预测阶段流程如下: (1)首先,如果源、且的节点之间有直连星间链路,那么直接发送数据包给目的节点 (2)如果接收端是地面站,那么将日的节点的ID吏改为与地面站有连接的节点的ID,接着进 入(3) (3)使用当前源、目的节点的逻辑地址<Sp,SS>,Dp,DS>求出它们的的相对位置关系,用 state 115表示相对位置关系,stae=1表示同在东半球;sate=2表示同在西半球; state=3表示源节点 在东半球,日的节点在西半球; state4表示源节点在西半球,目的节点在东半球。 (3-Dif(Ss<M/2&&DS<M/2)state=li 国武技论文在线 http:/www.papcr.cdu.cn 即如果Ss<M/2且Ds<M2,那么源、日节点同在东半球 (3-2)if(Ss>M/2&&Ds>M/2)state=2 i 120即如果Ss>M2且DsM2,那么源、日节点同在西半球 (3-3)if(Ss<M/2&&Ds>M/2)state=3 即如果SS<M2且Ds>M2,那么源节点在东半球、目的节点在西半球 (3-4)if(Ss>M/2&&Ds<M/2)state=4 如果SS>M2且Ds<M2,那么源节点在西半球、目的节点在东半球; 125(4)由于卫星冈终整体是个球形网终,且卫星轨道都通过极地所以从源节点到目的节点可 以选择的路径有两种形式,一种穿越极地另外一种不穿越极地。确定了源、目的节点的相对 位置关系后,根据相对位置关系分别计算穿过极地地区的最短路径跳数P以及不穿越极地 的最短路径跳薮Ph,讣算方法如下(以下规定:沿轨道号递增方向水平跳跃为向右跳,沿 轨道内区域号递减方向垂直跳跃为向上跳跃): 130 对于源、目的节点同在东半球或者同在西半球,即在反向缝的同一侧,求Ph与Pv的 伪码如下: if(state==l state==2) Ph=Ss-Ds+ Sp-Dp 135} if(stateD) Pv= N-Sp-Dpl+ min(Ss+Ds-1, M-(Ss+Ds-1)) 140 else if(state==2 P= N-Sp-Dpl+ min(= M-(Ss+DS-1), DS+ Ss-1)-M 伪码含义如下 145 源、目的节点同在东半球或者同在西半球时,Ph的纵向跳数Y是|SsDs,既把数据包 垂直发送到∏的节点或与∏的节点在在同·横向环上的卫星节点上的最小跳数:橫向跳数X 是| Sp-Dpl,既把数据包水平发送到目的节点或与目的节点在同一轨道:的卩星节点的最小跳 数,它们的和是Ph的跳数,即Ph=X+Y。 即:对于Ph=X+Y 150源、日的节点在个半球 X-SS-D Y-Sp-Dp 在图2中,节点S,D通信,S的逻辑地址是<1,3>,D的逻辑地址是<4,2>,那么Ph的 纵向跳数Y是3-2=1,水平跳数Ⅹ是4=3,Ph-=1+3=4,从图中巾可以看出数据包水平向右3 155垗冉垂直向上I跳,或者垂直向上跳在水平向石3跳即可到达D。 4 国武技论文在线 http://www.papcr.cdu.cn 4,2 DirecTion movemen <1.3> 图2反向缝同侧卫星Ph计算方法图 源、目的节点同在东半球或者同在西半球时,Py的横向跳数X-N-Sp-Dp,既把数据包 沜着樻向环水平发送到令一半球与目的节点在相同轨道的卫星节点的跳数。如果源、日的节 160点同在东半球,由于逻辑地址中在地球两极的虚拟节点编号不同,一级是1,另一极是M2, 数据包纵间发送可能通过虚拟节点编号为1的点,那么通过的纵向跳数是Y-(Ss+Ds-1), 如果通过虚拟节点编号为M2的点,那么纵向跳数为Ny=M(Ss+Ds-1),所以纵向跳数 Y-min{SsDs-1,M(Ss-D)s-l)}、同理如果源、日的节点同在西半球,纵向跳数 Y=min{2*M-(Ss+Ds-1)、(Ds+S-1)-M},既从另一半球与源节点在同一横向坏且与目的节点在 165相同轨道的卫星节点沿垂直方向穿越极地发送到目的节点的最小跳数。横向跳数与纵向跳数 的和是Pv的跳数。 即,对于Pv=XY源、日的节点在个半球 X-SS-Ds 170源目的节点同在东半球 X-Sp-Dp Y=SS+DS-I, M-(SS+DS-1) 源、日的节点同在西半球 X- N-Sp-D Y-min (2 M-(Ss+ Ds-1),(Ds+Ss-1)-M 对丁源、目的节点在不同半球,即在反向缝的两侧时,求Ph与P的伪码如下: if(stale==3 state==4)i Ph=M-Ss-Ds+1+N-Sp-Dpl Pv=Sp-Dpl-minSs-DsL, M-Ss-DsH 源、目的节点在不同半球时,对于Ph,纵向跳数Ny= M-SS-Ds+1,既把数据包垂直发 送到与∏的节点在同横向环上的节点的最小跳数,横向跳数Nx=N-Sp-Dp,既把数据包 沿着横向环水平发送到令一半球H与目的节点在相同轨道的卩星节点上的最小跳数。 即,对于Ph-X+Y I85源、目的节点在不同半球时 X-M-SS-Ds+1 Y=N-Sp-D 图3中,源节点S逻辑地址是<1,4>,目的节熏的逻辑地址是<11,23>,纵向跳数 Y=24-4-23+1|=2,横向跳数Ⅹ=12-11-1=2,从图中可以看出,数据包水平向左两跳穿过反 190向缝币垂直向上两跳即可到达D。 国武技论文在线 http:/www.papcr.cdu.cn 源、∏的节点在不同半球吋,对于Pv,横向眺数Ⅹ-Sp-Dp,既把数据包水平发送到与∏的 节点在相同轨道的星节点的最小跳数,纵向跳数Y=min{SsDs,M-SsDs},既把数据包 垂直发送到与∏的节点在同·横向环的节点的最小跳数。 即,对于Pv=X+Y源、目的节点在不同半球时 X-Sp-D Y-min(Ss-Ds, M-SS-Ds) 在图3中,横向跳数Ⅹ=1-11=10,纵向跳数Y=min{4-23124-14-23}=5,可以看出,数 据包先水平向冇10跳到达逻辑地址为<11.4>的节点,接着垂直向下5跳即可到达D。 即当源节点与目的节点在不同半球时: ○○③-000-○◎ 11,23 Direction ○( aeD③◎ <1.4 200 图3反向缝两侧Ph,P计算方法图 (5)求出Ph与Pv后,其中较小者被确定作为最短跳数 (6)若Ph较小,对照表1,若P较小,对照表42,确定岀可能的下跳的横向朓跃方向或 纵向跳跃方向。(其中dv表小纵向跳跃,dv=-1表示垂直向下、dv=1表示垂直向上:、dv=0 205表示垂自不跳跃;h表示水平跳跃,dh=1表示水平向左、dh=1表示水平向右、dh=0表示 水半个跳跃)。 表1Ph的方向确认 源、目的节点在同一半球 SS<Ds SS≥Ds SS=Ds Sp<Dp Sp>Dp Sp-Dp v=1 dv=0 dh=-1 dh=0 源、日的节点在不同半球 (M+1-Ss)<Ds(M+1-Ss)>Ds(M+1-Ss)=Ds Sp<Dp Sp>Dp Sp=Dp dy=1 dh=1 表错误!文档中没有指定样式的文字。-1PV的方向计算 源、日的节点同在东半球 2(SS+DS-1)M 2(Ss+Ds-1)-M 2(Ss+Ds-1)>M Sp<Dp Sp>Dp Sp-Dp dv=l dv--1 dh- 源、目的节点同在西半球 2(Ss+DS-1)<3M 2(Ss+Ds-1 )= 2(Ss+Ds-1)>3M Sp<Dp Sp>Dp pDp 国武技论文在线 http://www.papcr.cdu.cn dv=-1 dy=-1 dh=-1 dh=1 源节点在东半球,日的节点在西半球 2(DS-SS)<M 2(DS-SS=M 2(DS-SS)>M psDp Sp >Dp Sp-=Dp dv=l dh=-1 源节点在西半球,目的节点在东半球 2(Ss-DS)<M 2(SS-DS)M 2(SS-DS)>M Sp<Dp Sp>Dp Sp-Dp dy=1 dy=. dh=-1 dh=0 21023方向预测阶段 在方向増强阶段中,星节点将会根据钪道间链路岬离的个同决定方向预测阶段求出的 纵向传送方向与横向传送方向的优先级关系,优先级高的将被称为主方向,优先级低的被称 为次方向。方向的优先级按照以下方式决定 (1)如果源节点在极地地区,出于极地地区卫星只有轧道内链路,数据包只能发送给轨道内 215的下一颗卫星,那么如果d不等于0,d被给予较高优先级。如果dv等于0,d不等于0, 数据包只需要水平发送,但是极地地区的节点没有水平的轨道间链路,因此,数据包必须垂 直转发给岬离自己最近的横向环上的卫星,然后从横向环上水平转发。依此决定dv并为d 给予较高优先级。 (2)如果源节点在堩离极地地区最近的一个横向环上,由于该橫向环内的水半链路具有最短 220时延,因此水平跳跃拥有较高的优先级。如果dh不是0,dh被给予较高优先级。否则,dv 被赋予铰高优先级 (3)其他的情况中如果在方向预测阶段决定的路径需要穿越极地,那么dv被给予较高优先级。 (4)在其他所有情况下,需要比较源节点和日的节点的逻辑卫星号,如果源节点与目的节点 相比更接近极地或者dv=0,dh被给予较高优先级,否则dν被给予较高优先级。 2253 Leap Frog dra算法的测试结果及分析 31仿真软件介绍 NS是面向对象的、离散刂件驱动的网络环境模拟器。NS模拟器封装了很多功能模 块,包括吋间调度器、节点、链路、队列、代理、数据包头模块,差错控制模块和事件跟 踪模块 trace等。此外,NsS还包括了可视化工具 gnuplot、 xgraph和nam等,这些模 230块和软件枃成使得用户可以很方便的搭建网络模拟平台,进行网终模拟 32仿真测试设备及测试拓扑 测试设备包括: Liux环境下,1台安装了NS2软件和 Gnuplot软件的虚拟机。 操作系统 Centos的版本为 Centos6.5,Ns2的版本为ns- allinone 235 gnuplot的版本为 gnuplo-426 测试拓扑: 网络测试拓扑设置为12个轨道,每个轨道有24颗卫星,共288颗卫星的LEO单层卫 星样。其中:轨道高度为780km,轨道倾角为90°。每个轨道的卫星间纬度相差15°,相 国武技论文在线 http:/www.papcr.cdu.cn 邻轨道间经度相差15 24033测试结果及分析 Packet Drap Rate AnalysIs 05 DRA20% LeapFrogDRA20%—米一 04 03 0.2 0.1 500100015002000250030003500400045005000550060006500 Simulation Time(s 图4网终破坏20%时丢包率对比图 表2网络破坏20%时总丢包率总结表 路由算法 破坏20%节点后总丢包率(%) DRA算法 25.627 LeapFrogdra算法 245 其中:DRA0%表示路由算法为DRA算法,破坏结点数为20%, Leap Frog DRA20%表示 路由算法为 Leap Frog dra算法,破坏结点数为20% 中测试结果可以看出,在网络无破坏和破坏度20%的场景下, Leap FrogDRA协议的丢 包率测试结果明显小于DRA协议和 LFDRA协议。两种路由协议在800s左右的丢包率均出 现峰值,此时链路第三次切换,最多薮量的破坏节点进入极低闔,两种路由算法的丢包率迅 速增加ε两种路由协议丢包率都呈现锯齿波状,是由于链路尔300s左右进行一次切换,每 次切换会产生大量丢包,由图中可以看出 Leap Frog DRA算法相比DRA算法,丢包率变换 分布较平缓,说明 Leap Frog dra协议具有更强的抵抗破坏的能力。 4结论 255 本文给出了LEO卫网络中DRA算法的一种改进方案,即 Lcap Frog DRA算法。 利用该算法,当网络中多颗卫星失效时,该算法通过在数据包头携带其所绎过节点的链路 异常状态信息的方式,在原DRA算法基础上加入异常检测功能,当DRA算法陷入转发无 国武技论文在线 http://www.papcr.cdu.cn 限循环的异常吋,玊星节点能够利川用这些信息切换到 Dijsktra算法做最短路径选择,避开异 洺节点,使数据包送达凵的地,仿真结果表明 Leap frog dr∧算法相比于DR∧算法可以 260在树络大规模破坏的情况下,显著降低丢包率。 致谢(可选) [参考文献]( References) [1] H UZunalioglu, I F Akyildiz, Y Ycsha Footprint handover rerouting protocol for LEO satcllilc nctworks[J]] 265 ACM-Baltzer Journal of Wireless Networks, 1999, 20(5): 327-337 265 [2] M Wemer, C Delucchi, H Vogel etc. ATM-based routing in LEO/ MEO satellite networks with intersatellite links[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1997, 15(1): 69-82 [3]K Tsai, R Ma Darling. A cost cffcctivc rouling alternative for large spacc-bascd dynamic topology nctworks[J] IEEE Milcon,199595(2:682-687 4 Ekici E, Akyildiz I F, Bender M D. a distributed routing algorithm for datagram traffic in LEO satellite 270 networks[J]. IEEE/ACM Trans Networking, 2001, 9(2): 137-147 [S]王汝传等.星通信网络路由技术及其模拟[M]北京:人民邮电出版社,2010 [6]T H Chan, B S YcO, L F Tuncr. A localized routing scheme for LEO satcllitc networks[J]. Procccding ofAIAA 2lst International Communications Satcllile Systcms Confcrcncc and ExhibiL, 2003, 4(1): 23.57-2364 2757]李建秋,嫌正是成际镇NS2移动代琲网络仿真功能扩展设计和实现[统仿真学报,2004,16(1):5-90

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