基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)優(yōu)化的衛(wèi)星流控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)問(wèn)題，尤其涉及一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)優(yōu)化的 衛(wèi)星流控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有覆蓋面廣、組網(wǎng)靈活、使用便捷等優(yōu)點(diǎn)，可為全球用戶提供大容 量、遠(yuǎn)距離和機(jī)動(dòng)靈活的音視頻、數(shù)據(jù)等通信業(yè)務(wù)；同時(shí)，衛(wèi)星通信可提供不受地理環(huán)境、氣 候條件限制的通信服務(wù)，便于構(gòu)建無(wú)中斷全球覆蓋移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。因此，借助在軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn) 全球范圍內(nèi)的測(cè)控、導(dǎo)航和組網(wǎng)通信，已成為下一代網(wǎng)絡(luò)的重要研宄方向之一。2006年，原 國(guó)防科工委副主任、載人航天工程副總指揮，現(xiàn)任浙江大學(xué)航空航天學(xué)院院長(zhǎng)，航天測(cè)控專 家沈榮駿院士提出了建設(shè)天地一體化網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想。2012年，隨著"天鏈一號(hào)03星"的成功 發(fā)射升空，中國(guó)第一代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)通過(guò)三顆衛(wèi)星進(jìn)行了全球組網(wǎng)運(yùn)行，向中、低軌衛(wèi)星與 載人飛行器提供了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與中繼服務(wù)。2012年12月27日，由14顆衛(wèi)星組成的"北斗" 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式向亞太地區(qū)開(kāi)放，該系統(tǒng)初步具備了網(wǎng)絡(luò)通信的短報(bào)文功能。隨著中國(guó) 航天事業(yè)的發(fā)展，衛(wèi)星發(fā)射愈加頻繁，在軌衛(wèi)星數(shù)量越來(lái)越多，星間組網(wǎng)技術(shù)的研宄已迫在 眉睫。
[0003] 軟件定義網(wǎng)絡(luò)的概念標(biāo)準(zhǔn)OpenFlow在2008年由斯坦福大學(xué)、華盛頓大學(xué)、麻省理 工大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、普林斯頓大學(xué)、圣路易斯華盛頓大學(xué)等高校聯(lián)合提出。初期 軟件定義網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃希望通過(guò)在普通以太網(wǎng)交換機(jī)上增加對(duì)OpenFlow協(xié)議的支持，以實(shí)現(xiàn) 將傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，在校園小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中支持實(shí)驗(yàn)性的網(wǎng)絡(luò)協(xié) 議測(cè)試功能[1,2]。根據(jù)OpenFlow LO標(biāo)準(zhǔn)，典型的OpenFlow交換機(jī)包括一個(gè)內(nèi)部的流 表和標(biāo)準(zhǔn)化的外部接口來(lái)增加或刪除流表項(xiàng)。同時(shí)，OpenFlow交換機(jī)通過(guò)一個(gè)加密的安全 通道與控制器相連，接收來(lái)自控制器的命令，同時(shí)向控制器匯報(bào)交換機(jī)的運(yùn)行情況[3]。隨 著SDN技術(shù)的發(fā)展，在OpenFlow 1. 3版本中，已經(jīng)加入了多流表串行處理機(jī)制以應(yīng)對(duì)復(fù)雜 的流控制需求[4]。
[0004] 參考文獻(xiàn)：
[0005] [1]N. McKeown, T. Anderson, et al.，OpenFlow:Enabling Innovation in Campus Networks, ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 38(2):69-74, 2008.
[0006] [2]N. Gude, T. Koponen and et al. , NOX: towards an operating system for networks, ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 38(3):105-110, 2008
[0007] [3] OpenFlow Switch Specification, version I. 0·0· [EB/0L]，http://www. openflow. org/documents/openflow-spec-vl. 0. 0. pdf, 2014/02/21.
[0008] [4] OpenFlow Switch Specification, version I. 3. 0· [EB/0L]，https :// www. opennetworking, org/images/stories/downloads/specification/openflow-s pec-vl. 3. 0. pdf, 2014/02/21.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是提供一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)優(yōu)化的衛(wèi)星流控制方法。
[0010] 一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)優(yōu)化的衛(wèi)星流控制方法的步驟如下：
[0011] DLEO衛(wèi)星通過(guò)GEO或MEO衛(wèi)星通告控制器其具體的經(jīng)煒度信息；
[0012] 2)控制器依據(jù)各LEO衛(wèi)星的通告信息，實(shí)時(shí)形成衛(wèi)星鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0013] 3)衛(wèi)星終端通過(guò)LEO衛(wèi)星向目的結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包；
[0014] 4) LEO衛(wèi)星檢查自身流表，當(dāng)衛(wèi)星鏈路的目的地已存在本地，則將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至下 一跳鏈接；當(dāng)衛(wèi)星鏈路的目的地未存在本地，則將數(shù)據(jù)包通過(guò)GEO或MEO衛(wèi)星傳送至控制 器；
[0015] 5)控制器記錄數(shù)據(jù)包的源地址，并檢查數(shù)據(jù)包的目的地址是否已知，當(dāng)目的地址 未知，則放棄數(shù)據(jù)包；當(dāng)目的地址已知，則傳遞源地址與目的地址和當(dāng)前衛(wèi)星拓?fù)浣o多目標(biāo) 優(yōu)化器，通過(guò)遺傳算法規(guī)劃非劣路徑。
[0016] 所述的遺傳算法規(guī)劃非劣路徑的方法如下：
[0017] 首先作如下定義：對(duì)于兩個(gè)任意決策變量XA，xBe X f，XfS可行解集合，
[0018] 1)當(dāng)且僅當(dāng)= {1,2,…,k.}:弘％:: < f|時(shí)，稱A占優(yōu)于B ;
[0019] 2)當(dāng)且僅當(dāng) v/i ? {1,2, , k): 4(?) S f|且 3i = {1,2,…，k}: A(X4) < f:時(shí)， 稱A弱占優(yōu)于B ;
[0020] 3)當(dāng)且僅當(dāng)A不占優(yōu)于B，且B不占優(yōu)于A時(shí)，稱A與B無(wú)差別。
[0021] 遺傳算法主要包括分層算法和擁擠度比較算法。
[0022] 所述的分層算法為：
[0023] 1)設(shè) i = 1 ;
[0024] 2)對(duì)于所有的j = 1，2, η且j乒i，按照以上定義比較個(gè)體Xi和個(gè)體X」之間的支 配與非支配關(guān)系；
[0025] 3)如果不存在任何一個(gè)個(gè)體Xj優(yōu)于X i，則Xi標(biāo)記為非支配個(gè)體；
[0026] 4)令i = i+Ι，轉(zhuǎn)到步驟（2)，直到找到所有的非支配個(gè)體；
[0027] 通過(guò)分層算法得到的非支配個(gè)體集是種群的第一級(jí)非支配層，然后，忽略這些已 經(jīng)標(biāo)記的非支配個(gè)體，即這些個(gè)體不再進(jìn)行下一輪比較，再遵循步驟1)-步驟4)，就會(huì)得到 第二級(jí)非支配層，依此類推，直到整個(gè)種群被分層；
[0028] 所述的擁擠度比較算法為：
[0029] 每個(gè)點(diǎn)的擁擠度id置為0 ;
[0030] 針對(duì)每個(gè)目標(biāo)，對(duì)種群進(jìn)行非支配排序，令邊界的兩個(gè)個(gè)體擁擠度為無(wú)窮，即Od = Id=00 ；
[0031] 對(duì)其他個(gè)體進(jìn)行擁擠度的計(jì)算：
[0032]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)優(yōu)化的衛(wèi)星流控制方法，其特征在于它的步驟如 下： 1. LEO衛(wèi)星通過(guò)GEO或MEO衛(wèi)星通告控制器其具體的經(jīng)煒度信息； 2) 控制器依據(jù)各LEO衛(wèi)星的通告信息，實(shí)時(shí)形成衛(wèi)星鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 3) 衛(wèi)星終端通過(guò)LEO衛(wèi)星向目的結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包； 4. LEO衛(wèi)星檢查自身流表，當(dāng)衛(wèi)星鏈路的目的地已存在本地，則將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳 鏈接；當(dāng)衛(wèi)星鏈路的目的地未存在本地，則將數(shù)據(jù)包通過(guò)GE0或ME0衛(wèi)星傳送至控制器； 5) 控制器記錄數(shù)據(jù)包的源地址，并檢查數(shù)據(jù)包的目的地址是否已知，當(dāng)目的地址未知， 則放棄數(shù)據(jù)包；當(dāng)目的地址已知，則傳遞源地址與目的地址和當(dāng)前衛(wèi)星拓?fù)浣o多目標(biāo)優(yōu)化 器，通過(guò)遺傳算法規(guī)劃非劣路徑。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)優(yōu)化的衛(wèi)星流控制方法，其特 征在于所述的遺傳算法規(guī)劃非劣路徑的方法如下： 首先作如下定義：對(duì)于兩個(gè)任意決策變量xA，xBeXf，XfS可行解集合， 1) 當(dāng)且僅當(dāng)
I時(shí)，稱A占優(yōu)于B; 2) 當(dāng)且僅當(dāng)
時(shí)，稱A弱占優(yōu)于B; 3) 當(dāng)且僅當(dāng)A不占優(yōu)于B，且B不占優(yōu)于A時(shí)，稱A與B無(wú)差別，遺傳算法主要包括分 層算法和擁擠度比較算法。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)優(yōu)化的衛(wèi)星流控制方法，其特 征在于所述的分層算法為： 1) 設(shè)i= 1 ; 2) 對(duì)于所有的j= 1，2,n且j辛i，按照以上定義比較個(gè)體Xi和個(gè)體x」之間的支配與 非支配關(guān)系； 3) 如果不存在任何一個(gè)個(gè)體&優(yōu)于xp則Xi標(biāo)記為非支配個(gè)體； 4) 令i=i+1，轉(zhuǎn)到步驟（2)，直到找到所有的非支配個(gè)體； 通過(guò)分層算法得到的非支配個(gè)體集是種群的第一級(jí)非支配層，然后，忽略這些已經(jīng)標(biāo) 記的非支配個(gè)體，即這些個(gè)體不再進(jìn)行下一輪比較，再遵循步驟1)-步驟4)，就會(huì)得到第二 級(jí)非支配層，依此類推，直到整個(gè)種群被分層。
4. 如權(quán)利要求2所述的一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)優(yōu)化的衛(wèi)星流控制方法，其特 征在于所述的擁擠度比較算法為： 每個(gè)點(diǎn)的擁擠度id置為〇 ; 針對(duì)每個(gè)目標(biāo)，對(duì)種群進(jìn)行非支配排序，令邊界的兩個(gè)個(gè)體擁擠度為無(wú)窮，即〇d= 1 d= 〇〇 ? ， 對(duì)其他個(gè)體進(jìn)行擁擠度的計(jì)算：
其中，id表示i點(diǎn)的擁擠度，表示i+1點(diǎn)的第j個(gè)目標(biāo)函數(shù)值，表示i-1點(diǎn) 的第j個(gè)目標(biāo)函數(shù)值； 擁擠度指的是種群中給定點(diǎn)的周圍個(gè)體的密度，多目標(biāo)優(yōu)化器在每次完成分層算法后 將啟動(dòng)擁擠度比較算法對(duì)每個(gè)個(gè)體計(jì)算其擁擠度并排序； 多目標(biāo)優(yōu)化器將每層依次排序，同層內(nèi)按擁擠度排序，淘汰適應(yīng)度較低的一半，將適應(yīng) 度較高的一半進(jìn)行位反轉(zhuǎn)的變異和按位雜交的方式產(chǎn)生同樣個(gè)數(shù)的新個(gè)體后，加入下一輪 優(yōu)化計(jì)算的初始種群中，開(kāi)始啟動(dòng)下一輪優(yōu)化計(jì)算，當(dāng)多目標(biāo)優(yōu)化器在默認(rèn)的步數(shù)內(nèi)無(wú)法 產(chǎn)生路徑，則放棄該數(shù)據(jù)包；當(dāng)多目標(biāo)優(yōu)化器在默認(rèn)的步數(shù)內(nèi)產(chǎn)生了相應(yīng)的路徑，則通知控 制器更新相關(guān)結(jié)點(diǎn)的流表，形成邏輯鏈路。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)優(yōu)化的衛(wèi)星流控制方法。本發(fā)明通過(guò)引入多目標(biāo)優(yōu)化框架，實(shí)時(shí)地將多QoS需求的流，通過(guò)遺傳算法進(jìn)行擬合計(jì)算，得到若干個(gè)非劣解集，并將解集傳輸給控制器，為相應(yīng)的交換設(shè)備產(chǎn)生合適的流表，建立相應(yīng)的邏輯鏈路。該方法具有的優(yōu)點(diǎn)如下：采用集中式控制，相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分布式?jīng)Q策系統(tǒng)，路由收斂更快，能夠適應(yīng)快速變化的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可預(yù)知的地理位置信息和鏈路帶寬信息能夠被引入到多目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)中，可以有效地提高路由效率；采用多目標(biāo)優(yōu)化算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，能夠處理復(fù)雜QoS需求，降低了復(fù)雜QoS情況下無(wú)法找到路徑的機(jī)率。
【IPC分類】H04B7-185
【公開(kāi)號(hào)】CN104579454
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510025629
【發(fā)明人】楊波威, 高梓賀, 宋廣華, 吳粵, 侯喆, 鄭耀
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月17日