空间光网络技术 课件 【ch10】空间光网络路由与波长分配算法

空间光网络技术空间光网络路由与波长分配算法第十章通信与导航专业系列教材01空间光网络路由算法空间光网络路由算法概述空间光网络中的路由可以分为ISL路由和边界路由，如图10-1所示。边界路由解决空间光网络与地面网络之间的融合。空间光网络路由算法研究现状空间光网络是一种区别于地面固定拓扑网络、移动蜂窝无线网络和Ad-hoc网络的特殊无线移动网络，用户接入具有高度动态特性，不存在固定基站。空间光网络各节点的位置及节点间的相对距离都是以时间为变量的函数；节点的邻居状况遵循一定的规则；整个网络节点总数不会发生变化；节点间距比较大，且距离变化也很大，不能忽略；网络各节点间的拓扑关系呈周期性变化。根据网络结构可以把空间光网络路由分为单层网络路由和多层网络路由，根据网络层采用的机制可以把空间光网络路由分为面向连接(connection-oriented)路由和面向无连接(connectionless-oriented)路由。面向连接路由指在星上实现ATM交换或类似ATM的交换。面向无连接路由指在星上实现分组的分布式转发。空间光网络路由算法的分类在非静止轨道卫星通信系统中，最初研究的是像ATM交换一样面向连接的路由协议，Iridium系统是典型代表。面向连接路由的路径选择集中于最初路径建立阶段，路径的计算在地面进行，然后上传给卫星节点对星上路由表进行更新，卫星只需要查找路由表。面向连接的空间光网络路由算法随着因特网的快速发展，有大量用于文件和电子邮件等对时延、时延抖动要求不高的数据信息，在空间光网络中传输IP流量并实现IP路由有着广阔的市场，成为人们的研究热点。此时，卫星节点就是一个IP路由器，空间光网络就是一个面向无连接的网络，各个卫星独立地在星上实现数据分组转发。面向无连接的空间光网络路由算法02空间光网络RWA算法原理算法原理RWA算法是指在空间光网络中给定节点之间的连接请求后，为其选择一条合适的路由，并分配合适的波长。使用优化的RWA算法进行路由选择，可以很好地提升网络的服务需求，降低网络时延，提高波长的利用率。在RWA算法中，需要满足以下两个约束条件：一是冲突约束，即共享同一链路的两条光通道不能使用相同的波长。二是波长连续性约束。如果网络中的节点没有配置波长转换器，则光通道的路由沿线必须使用相同的波长传输数据。03波长变换的空间光网络多QoS波长路由算法问题描述波长变换的RWA算法可以分为路由选择和波长分配两部分。在路由选择方面，目前的路由算法主要可以分为两种：第一种为最短路径算法，该算法虽然简单，但是没有考虑网络的状态信息，相同的源-目的节点选择同一转发路径，容易造成部分链路拥塞。第二种是多QoS波长路由算法，即在选路时综合考虑用户的QoS需求。多QoS波长路由算法要解决的主要问题是多约束路径问题，解决这类问题的算法是众所周知的启发式算法。其中，蚁群算法具有正反馈机制，且收敛快、适应性强，可用于求解空间光网络中的多约束路径问题。在多业务的空间光网络环境下，不同优先级的业务如果采用完全共享同一分配方式占用网络资源，则会出现某一时刻网络资源被低优先级业务完全占据，而高优先级业务请求会因为无波长可以使用而拥塞的情况。因此需要对多业务进行区分服务，对不同优先级的业务采取分组波长分配策略，以达到降低高优先级业务阻塞率的目的。分组波长分配策略为了对算法性能进行验证，首先对空间光网络进行模拟仿真，在此基础上对算法进行仿真验证。空间光网络的仿真模型分别由LEO

空间光网络和4颗GEO

卫星组成。GEO

卫星负责收集LEO

卫星中的节点和链路信息，制定路由策略，LEO

卫星只需要根据GEO

卫星下发的流表项进行路由转发。仿真选用Iridium系统作为LEO空间光网络的仿真场景，星间链路波长数为10.结果分析04波长连续的空间光网络多QoS波长路由算法在采用波长转换器的空间光网络RWA算法研究中，路径选择和波长分配是分开进行的，但是由于波长转换器的高功耗、不成熟的制造技术和性能的限制，波长转换器在目前的空间光网络中应用较少。因此大部分空间光网络仍然采用波长连续的RWA算法，即路径选择和波长分配同时进行，且需要满足波长一致性原则。问题描述在空间光网络中，为了能为用户提供有效的数据传输服务，RWA算法的策略制定需要综合考虑光网络中激光链路的传输质量及链路的调度效率，同时满足传输业务对传输时延及波长空闲率的需求。多QoS约束模型算法参数优化粒子群算法必须选择合适参数，以提升计算效率，参数优化分为以下四个方面。(1)惯性权重。实验选择了三个惯性权重区间：[0.3,0.6],[0.7,0.9]和[1.0,1.2]。(2)加速因子。(3)粒子数。当粒子数为100时，算法性能最佳。(4)最大粒子更新速率。结果分析为了验证SN-RWA算法的性能，对空间光网络的场景进行了模拟仿真。首先，建立了空间光网络的网络场景，网络场景由4颗GEO控制器和LEO空间光网络组成。然后，将Iridium系统作为LEO空间光网络的仿真场景，在上述仿真场景的基础上，对算法进行了仿真分析。基于损伤感知的RWA(Impairment-Aware

based

RWA,IA-RWA)算法是常用的光网络RWA算法，因此本节将波长随机分配RWA(IA-RWA