CN110138437B - 基于时延性能的卫星通信网络关键链路序列检测方法 - Google Patents

基于时延性能的卫星通信网络关键链路序列检测方法 Download PDF

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CN110138437B CN201910264314.5A CN201910264314A CN110138437B CN 110138437 B CN110138437 B CN 110138437B CN 201910264314 A CN201910264314 A CN 201910264314A CN 110138437 B CN110138437 B CN 110138437B
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Abstract

本发明属于空间信息网络领域，公开了一种基于时延性能的卫星通信网络关键链路序列检测方法；包括：获取目标卫星网络拓扑以及业务信息；构建时间扩展图建模目标卫星网络；在时间扩展图中计算虚拟源顶点到虚拟目的顶点的最小传输弧割集；计算最小传输弧割集中每条传输弧的冲突路径集合；根据冲突路径集合，计算表征传输弧关键程度的指标时延贡献值；根据传输弧的时延贡献值，计算关键链路序列。基于最小传输弧割集能够代表所有源顶点到目的顶点间的路径且包含传输弧数目最少的特点，本发明通过在最小传输弧割集中检测关键链路序列，可以缩小搜索空间，有效的降低计算时间。

Description

基于时延性能的卫星通信网络关键链路序列检测方法
技术领域
本发明属于空间信息网络领域，尤其涉及一种基于时延性能的卫星通信网络关键链路序列检测方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：近年来，卫星通信网络由于通信覆盖范围广等优点在军事和民用领域发挥着越来越重要的作用。随着卫星通信网络规模的不断增长，网络结构也变得日益复杂，网络中的关键链路成为对网络进行有效维护亦或攻击的关键要素。从网络运营维护的角度出发，通过对关键链路进行维护可以以较小开销保障网络遭受各种突发性破坏(如自然灾害、设备故障、恶意攻击等)后的性能；从网络攻击的角度出发，通过对网络中的关键链路进行攻击可以以较小开销使网络服务能力严重损坏。因此，如何根据卫星通信网络的拓扑结构特点对网络的脆弱性进行评估，以确定网络的关键链路对网络的有效维护/攻击具有十分重要的意义。不同于传统的地面网络，卫星通信网络的拓扑由于卫星节点沿着轨道高速运动而具有高动态特性。因此，卫星通信网络的关键链路也具有时变特性；对于卫星通信网络，需要搜索获得其在不同时间段内的关键链路，即关键链路序列。
传统的网络关键链路检测方法大都基于静态图理论，核心思想是通过研究静态网络的拓扑结构性质得到可将网络有效分割的关键链路。缺点是所求关键链路是不随时间变化的，不适用于动态变化的卫星通信网络。因此需要对卫星通信网络的动态特性进行研究检测关键链路序列。现有一部分对于有关动态网络关键链路的研究，现有技术一将网络分割成离散的拓扑快照，并把全局互连通性作为网络脆弱性评估指标，通过分析每个拓扑快照内链路对当前网络全局互连通性的贡献，给出了影响网络全局连通性的关键链路自适应搜索算法。该方法只单独的分析每个拓扑快照内链路对当前网络全局互连通性的贡献，无法刻画卫星网络中存在的大量通过存储-携带-转发方式到达目的的跨快照业务，因此该方法的缺陷是仅能给出每个独立快照内对网络性能影响最大的链路，这些链路对网络中的跨快照业务的影响十分有限。解决该问题可以很好地提高卫星网络关键链路检测的准确性。现有技术二考虑了动态网络中跨快照的业务，利用可以刻画跨快照业务的线形图工具来计算了分割网络源-目的节点的最小关键链路集合。因为该方法只是在线形图基础上利用传统的最大流-最小割算法对网络源-目的节点进行了分割，所以该方法具有只能给出网络割集而无法量化网络中的链路的关键程度的缺陷。在实际的卫星通信网络中，由于成本限制，可以保护/攻击的链路数量是有限的，因此量化网络中链路的关键程度，对网络中具有成本限制的保护/攻击方案的制定具有重要的意义。
除此以外，卫星通信网络中存在大量时延敏感业务，例如应急指令、预警信息等，这类业务要求在有限的时延范围内抵达目的节点。检测对这类业务影响最大的关键链路序列需要考虑网络的信息传输时延，而上述现有的关键链路检测技术都是基于网络全局连通性，无法保证找到的关键链路对于网络时延的影响，进而无法保证对网络中时延敏感业务的维护/攻击的准确性。因此，为了准确检测卫星网络中的关键链路序列，需要提出一种针对网络时延性能的新方法。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有的关键链路检测方法大多基于网络全局连通性，无法保证找到的关键链路对于网络时延的影响。
解决上述技术问题的难度：
解决上述技术问题，需要建立可以刻画卫星网络中跨快照业务的网络模型，并且要从网络时延的角度出发制定可以量化网络中链路关键程度的指标，从而设计算法实现给定数目的关键链路检测的目标。因此如何建立一个可以刻画跨快照业务且可以量化此类业务的存储-携带-转发通信时延的模型以及如何制定和网络时延性能相关且可以反映链路关键程度的指标成为解决上述技术问题的最大难点。
解决上述技术问题的意义：
解决上述技术问题，可以更加准确地检测卫星通信网络中影响网络传输时延性能的关键链路序列，进而更加精确地指导网络维护/攻击方案的制定，降低网络的维护/攻击的代价。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于时延性能的卫星通信网络关键链路序列检测方法。
本发明是这样实现的，一种所述基于时延性能的卫星通信网络关键链路序列检测方法，其特征在于，所述基于时延性能的卫星通信网络关键链路序列检测方法首先利用时间扩展图模型刻画了卫星通信网络中跨快照的业务。然后运用Ford–Fulkerson算法计算时间扩展图中虚拟源顶点到虚拟目的顶点间的最小割集，将集合命名为最小传输弧割集。最后基于最小传输弧割集能够代表所有源顶点到目的顶点间的路径且包含传输弧数目最少的特点，在最小传输弧割集中检测关键链路序列。
进一步，所述基于时延性能的卫星通信网络关键链路序列检测方法包括：
步骤一，初始化步骤，获取目标卫星网络拓扑以及业务信息；
步骤二，构建时间扩展图GT(V,A)建模目标卫星网络；
步骤三，在时间扩展图中计算虚拟源顶点
Figure GDA0002913579620000031
到虚拟目的顶点
Figure GDA0002913579620000032
的最小传输弧割集R；
步骤四，计算最小传输弧割集R中每条传输弧的冲突路径集合；
步骤五，根据冲突路径集合path(i)(ri∈R)，计算表征传输弧ri关键程度的指标：时延贡献值tc(i)，其中tc(i)越小，传输弧ri越关键；
步骤六，根据传输弧的时延贡献值，计算关键链路序列S。
进一步，所述步骤一获取目标卫星网络拓扑以及业务信息具体包括：
(1)初始化卫星网络卫星集合V1＝{v1,v2,...,vn,...,vM}，业务源节点vs、业务目的节点vd，可攻击链路数目K；
(2)将空间信息网络的规划周期[0,ttotal]划分为T个等长的时隙，每个时间间隔的长度为τ＝ttotal/T；
(3)根据星历表中卫星的运动轨迹，计算各个时隙不同卫星节点的可见情况。
进一步，所述步骤二构建时间扩展图GT(V,A)建模目标卫星网络具体包括：
(1)初始化一张空白的T层有向图，其中第k层代表卫星通信网络的第k个时隙；
(2)遍历卫星集合V1中所有的卫星，每一观测卫星vn∈V1，时间扩展图中添加顶点
Figure GDA0002913579620000041
其中顶点
Figure GDA0002913579620000042
位于时间扩展图的第k层，表示在第k个时隙中的卫星vn，将时间扩展图中的卫星顶点集合记为
Figure GDA0002913579620000043
(3)添加传输弧：对于任意一对卫星节点vi和vj，若在第k个时隙两颗卫星相互可见，则在时间扩展图中添加传输弧
Figure GDA0002913579620000044
k＝1,2,…,T，将时间扩展图的传输弧集合记为
Figure GDA0002913579620000045
(4)添加存储弧：对于卫星vn∈V1，在时间扩展图中添加存储弧
Figure GDA0002913579620000046
k＝1,2,…,T-1，将时间扩展图的存储弧集合记为
Figure GDA0002913579620000047
(5)添加加虚拟源顶点
Figure GDA0002913579620000048
虚拟目的顶点
Figure GDA0002913579620000049
作为时间扩展图上的源和目的顶点，添加虚拟弧
Figure GDA00029135796200000410
k∈[1,T]和
Figure GDA00029135796200000411
k∈[1,T]使虚拟源、目的顶点与网络中源、目的节点相连，将时间扩展图的虚拟弧集合记为
Figure GDA00029135796200000412
(6)令时间扩展图为GT(V,A)，其中A＝At∪As∪Avir，
Figure GDA00029135796200000413
采用
Figure GDA00029135796200000414
作为源顶点，
Figure GDA00029135796200000415
作为目的顶点。
进一步，所述步骤三在时间扩展图中计算虚拟源顶点
Figure GDA00029135796200000416
到虚拟目的顶点
Figure GDA00029135796200000417
的最小传输弧割集R具体包括：
(1)将时间扩展图中的所有传输弧容量设为1，即对
Figure GDA00029135796200000418
令c(u,v)＝1；
(2)将时间扩展图中的存储弧和虚拟弧容量设为无穷，即对
Figure GDA0002913579620000051
令，c(u,v)＝∞；
(3)运用Ford–Fulkerson算法计算时间扩展图虚拟源顶点
Figure GDA0002913579620000052
到虚拟目的顶点
Figure GDA0002913579620000053
间的最小割集，将该集合命名为最小传输弧割集R。
进一步，所述步骤四计算最小传输弧割集R中每条传输弧的冲突路径集合具体包括：
(1)初始化最小传输弧割集R中每条传输弧冲突路径集合，即对于
Figure GDA0002913579620000054
令
Figure GDA0002913579620000055
其中ri表示最小传输弧割集R中第i条传输弧，path(i)表示ri的冲突路径集合；
(2)计算时间扩展图排除最小传输弧割集后的残余图Gs，即令Gs＝GT\R；
(3)对
Figure GDA0002913579620000056
执行以下步骤更新其冲突路径集合path(i)：
1)在图G1＝Gs∪{ri}中计算顶点
Figure GDA0002913579620000057
到
Figure GDA0002913579620000058
之间经过传输弧ri的最短路径pii，并将该路径在时间扩展图中经过的层数tii记为该路径的时延，令path(i)＝path(i)∪{pii}；
2)对
Figure GDA0002913579620000059
j≠i，在G2＝Gs∪{ri,rj}中计算vs到vd的过R(i)的最短路径pij；若pij满足：①时延值tij＜tii；②tij＝min{t1j,…tnj}，则令pij为R(i)的冲突路径，令path(i)＝path(i)∪{pij}，其中{t1j,…,tnj}表示使用rj的路径的时延集合；
3)将计算得到的path(i)的所有路径按时延从小到大排序组成冲突路径集合
Figure GDA00029135796200000510
进一步，所述步骤五根据冲突路径集合path(i)(ri∈R)，计算表征传输弧ri关键程度的指标时延贡献值tc(i)，其中tc(i)越小，传输弧ri越关键具体包括；
(1)用Done(i)标识传输弧ri的时延贡献值是否确定，初始化该指标，即
Figure GDA00029135796200000511
Done(i)＝0；
(2)令
Figure GDA00029135796200000512
若
Figure GDA00029135796200000513
对于
Figure GDA00029135796200000514
Done(i)＝1，转至步骤(3)；若
Figure GDA0002913579620000061
转至(4)；
(3)对于
Figure GDA0002913579620000062
若
Figure GDA0002913579620000063
比较
Figure GDA0002913579620000064
和tc(i)：
1)若
Figure GDA0002913579620000065
则
Figure GDA0002913579620000066
将path(j)中路径重新排序；
2)若
Figure GDA0002913579620000067
将
Figure GDA0002913579620000068
修改为
Figure GDA0002913579620000069
(4)对于冲突路径集合中的最短路径是同一条的传输弧ri,rj，即对于
Figure GDA00029135796200000610
比较第二短路径的时延值
Figure GDA00029135796200000611
和
Figure GDA00029135796200000612
1)若
Figure GDA00029135796200000613
则
Figure GDA00029135796200000614
2)若
Figure GDA00029135796200000615
则
Figure GDA00029135796200000616
进一步，所述步骤六根据传输弧的时延贡献值，计算关键链路序列S具体包括：
(1)将R中所有传输弧按照时延贡献值从小到大排序，即：
Figure GDA00029135796200000617
其中tc(ni)表示传输弧
Figure GDA00029135796200000618
的时延贡献值；(2)在R中取前K条传输弧，即：{r1,r2,…rK|tc(1)≤tc(2)≤…≤tc(K)}；
(3)将传输弧r1,r2,…rK按照在时间扩展图中所在时隙值从小到大排序得到关键传输弧序列，即：
Figure GDA00029135796200000619
(4)将关键传输弧序列转化为关键链路序列：将
Figure GDA00029135796200000620
转化为(vli,vlj,tl)，表示时隙tl中卫星vli到卫星vlj的通信链路，其中tl表示链路所在时隙值；即S＝{(v1i,v1j,t1),(v2i,v2j,t2),…,(vKi,vKj,tK)|t1≤t2≤…≤tK}。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于时延性能的卫星通信网络关键链路序列检测方法。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明利用时间扩展图表征卫星通信网络，消除了用时变图表征动态网络不能建模跨快照业务的缺点。本发明利用时间扩展图表征卫星通信网络，将在卫星通信网络中求解源节点到目的节点间的K条链路组成的关键链路序列，转化为在时间扩展图GT(V,A)上求解源节点对应的顶点
Figure GDA00029135796200000621
到目的节点对应的顶点
Figure GDA00029135796200000622
间的关键传输弧集合。
基于最小传输弧割集能够代表所有源顶点到目的顶点间的路径且包含传输弧数目最少的特点，本发明通过在最小传输弧割集中检测关键链路序列，可以缩小搜索空间，有效的降低计算时间。本发明所提出的算法不仅能够在给定关键链路数目时给出关键链路序列，而且可以将其按照关键程度排序，可以为制定保护/攻击网络链路方案提供帮助。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于时延性能的卫星通信网络关键链路序列检测方法流程图。
图2是本发明实施例提供的基于时延性能的卫星通信网络关键链路序列检测方法实现流程图。
图3是本发明中计算R中传输弧的冲突路径集合和时延贡献值步骤的子流程图。
图4是本发明中解决冲突的子流程图，其中图(a)是步骤五中的(5b)、(5c)步骤的子流程图，图(b)是步骤五中的(5d)步骤的子流程图。
图5是本发明中实施例1的网络场景对应的未添加虚拟节点的时间扩展图示意图。
图6是本发明中实施例1中添加虚拟顶点后的时间扩展图示意图。
图7是本发明中实施例1中顶点
Figure GDA0002913579620000071
到
Figure GDA0002913579620000072
之间经过传输弧ri的最短路径pii的示意图。
图8是本发明中实施例1中所记录的各个传输弧的冲突路径示意图。
图9是本发明中实施例2的网络目的节点卫星的收包速率的变化曲线示意图。
图10是本发明中实施例2的网络源-目的节点卫星的通信时延的变化曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有的关键链路检测方法大多基于网络全局连通性，无法保证找到的关键链路对于网络时延的影响的问题。本发明从网络信息传输时延角度出发，基于最小传输弧割集能够代表所有源顶点到目的顶点间的路径且包含传输弧数目最少的特点，通过在最小传输弧割集中检测关键链路序列，可以缩小搜索空间，有效的降低计算时间。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于时延性能的卫星通信网络关键链路序列检测方法包括以下步骤：
S101：获取目标卫星网络拓扑以及业务信息；
S102：构建时间扩展图建模目标卫星网络；
S103：在时间扩展图中计算虚拟源顶点到虚拟目的顶点的最小传输弧割集；
S104：计算最小传输弧割集中每条传输弧的冲突路径集合；
S105：根据冲突路径集合，计算表征传输弧关键程度的指标时延贡献值；
S106：根据传输弧的时延贡献值，计算关键链路序列。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
实施例1
本发明实施例从一个简单的卫星通信网络场景，说明本发明的实施过程。假设网络中有6个卫星节点{v1,...,v6}，网络整个规划周期为[0,6τ]，业务源节点为卫星v1，业务目的节点为卫星v6，将网络划分6个等长的时隙，每个时间间隔的长度为τ，关键链路数目为2。
如图2所示，本发明实施例提供的基于时延性能的卫星通信网络关键链路序列检测方法包括有如下步骤：
S101，初始化步骤，获取目标卫星网络拓扑以及业务信息：
(1a)初始化卫星网络卫星集合V1＝{v1,...,v6}，业务源节点v1、业务目的节点v6，可攻击链路数目2；
(1b)将空间信息网络的规划周期[0,6τ]划分为6个等长的时隙，每个时间间隔的长度为τ；
(1c)根据星历表中卫星的运动轨迹，计算各个时隙不同卫星节点的可见情况，得到各个时隙可见的卫星节点对为：第1个时隙：(v1,v4),(v1,v5)，第2个时隙：(v1,v2)，第3个时隙：(v1,v2),(v2,v3)，第4个时隙：(v2,v5),(v4,v5)，(v5,v6)，第5个时隙：(v1,v5),(v4,v5)，第6个时隙：(v2,v6),(v3,v6)。
S102，构建时间扩展图GT(V,A)建模目标卫星网络，如图5和图6。
(2a)初始化一张空白的6层有向图，其中第k层代表卫星通信网络的第k个时隙；
(2b)遍历卫星集合V1中所有的卫星，每一观测卫星vn∈V1，时间扩展图中添加顶点
Figure GDA0002913579620000091
其中顶点
Figure GDA0002913579620000092
位于时间扩展图的第k层，表示在第k个时隙中的卫星vn，将时间扩展图中的卫星顶点集合记为
Figure GDA0002913579620000093
(2c)根据各个时隙可见的卫星节点对添加传输弧：
Figure GDA0002913579620000094
Figure GDA0002913579620000095
将以上传输弧组成传输弧集合记为At；
(2d)添加存储弧：对于卫星vn∈V1，添加观测存储弧
Figure GDA0002913579620000096
k＝1,2,…,5，n＝1,2,…,6，将存储弧集合记为
Figure GDA0002913579620000097
添加完传输弧和存储弧的时间扩展图如图5所示；
(2e)添加加虚拟源顶点
Figure GDA0002913579620000098
虚拟目的顶点
Figure GDA0002913579620000099
作为时间扩展图上的源和目的顶点，添加虚拟弧
Figure GDA00029135796200000910
k∈[1,6]和
Figure GDA00029135796200000911
k∈[1,6]使虚拟源、目的顶点与网络中源、目的节点相连，将虚拟弧集合记为
Figure GDA00029135796200000912
(2f)令时间扩展图为G6(V,A)，其中A＝At∪As∪Avir，
Figure GDA00029135796200000913
采用
Figure GDA00029135796200000914
作为源顶点，
Figure GDA00029135796200000915
作为目的顶点(如图6)。
S103，在时间扩展图中计算虚拟源顶点
Figure GDA0002913579620000101
到虚拟目的顶点
Figure GDA0002913579620000102
的最小传输弧割集R：
(3a)将时间扩展图中的所有传输弧容量设为1，即对
Figure GDA0002913579620000103
令c(u,v)＝1；
(3b)将时间扩展图中的存储弧和虚拟弧容量设为无穷，即对
Figure GDA0002913579620000104
令，c(u,v)＝∞；
(3c)运用Ford–Fulkerson算法计算时间扩展图虚拟源顶点
Figure GDA0002913579620000105
到虚拟目的顶点
Figure GDA0002913579620000106
间的最小割集，将该集合命名为最小传输弧割集R；得到R为
Figure GDA0002913579620000107
分别将三条传输弧记为r1、r2、r3，在时间扩展图中展示如图6中虚线所示。
S104，计算最小传输弧割集R中每条传输弧的冲突路径集合(如图3)：
(4a)初始化最小传输弧割集R中每条传输弧冲突路径集合，即对于
Figure GDA0002913579620000108
令
Figure GDA0002913579620000109
(4b)计算时间扩展图排除最小传输弧割集后的残余图Gs，即令Gs＝G6\R；
(4c)对
Figure GDA00029135796200001010
执行以下步骤更新其冲突路径集合path(i)：
(4c1)在图G1＝Gs∪{ri}中计算顶点
Figure GDA00029135796200001011
到
Figure GDA00029135796200001012
之间经过传输弧ri的最短路径pii，三条传输弧r1、r2、r3对应的路径分别为p11，p22和p33，分别对应于图7所示路径①②③，其中每条路径对应的时延大小分别为t11＝4，t22＝3，t33＝3；令path(1)＝{p11}，path(2)＝{p22}，path(3)＝{p33}；
(4c2)根据发明内容的步骤四中的(4c2)得到所需要记录的路径为p31、p32和p23，其分别对应图8所示路径(1)和路径(2)，令path(2)＝path(2)∪{p23}，path(3)＝path(3)∪{p31，p32}，其中其路径时延大小分别为t31＝2、t32＝1、t23＝1。
(4c3)将计算的path(i)的所有路径按时延从小到大排序，得到r1、r2、r3的冲突路径集合分别为：
Figure GDA00029135796200001013
其中各路径对应的路径时延大小分别为：
Figure GDA00029135796200001014
Figure GDA0002913579620000111
S105，根据冲突路径集合path(i)(ri∈R)，计算表征传输弧ri关键程度的指标时延贡献值tc(i)(如图4)：
(5a)初始化表示传输弧ri的时延贡献值tc(i)是否确定的指标Done(i)，即
Figure GDA0002913579620000112
Done(i)＝0；
(5b)令R1＝{r1}，则
Figure GDA0002913579620000113
则对于传输弧r1，
Figure GDA0002913579620000114
Done(1)＝1转至步骤(5c)；
(5c)对于r1∈R1，存在
Figure GDA0002913579620000115
则比较
Figure GDA0002913579620000116
和tc(1)：
(5c2)
Figure GDA0002913579620000117
将路径
Figure GDA0002913579620000118
保留在传输弧r3的路径集中，将
Figure GDA0002913579620000119
改为
Figure GDA00029135796200001110
重新排序得到
Figure GDA00029135796200001111
其中
Figure GDA00029135796200001112
转至步骤(5b)，则
Figure GDA00029135796200001113
转至步骤(5d)；
(5d)对
Figure GDA00029135796200001114
比较
Figure GDA00029135796200001115
和
Figure GDA00029135796200001116
(5d2)若
Figure GDA00029135796200001117
则
Figure GDA00029135796200001118
S106，根据传输弧的时延贡献值，计算关键链路序列S：
(6a)将R中所有传输弧按照时延贡献值从小到大排序，即：R＝{r3,r2,r1|tc(3)＜tc(2)＜tc(1)}，其中tc(3),tc(2),tc(1)分别为传输弧r3,r2,r1的时延贡献值；
(6b)在R中取前2条传输弧，即：{r3,r2|tc(3)＜tc(2)}；
(6c)将传输弧r2,r3按照在时间扩展图中所在时隙值从小到大排序得到关键传输弧序列，即：
Figure GDA00029135796200001119
(6d)将关键传输弧序列转化为关键链路序列：S＝{(v1,v2,3),(v5,v6,4)}。
由以上步骤可得，该实施例中r2,r3为关键传输弧，即时隙3中卫星v1到卫星v2和时隙4中卫星v5到卫星v6的通信链路为该实施例中卫星网络的关键链路。
本发明中设计了一种基于本发明所提出的最小传输弧割集的关键链路序列检测方法。该方法利用时间扩展图模型刻画了卫星通信网络中跨快照的业务，基于最小传输弧割集能够代表所有源顶点到目的顶点间的路径且包含传输弧数目最少的特点，通过在最小传输弧割集中检测关键链路序列，提高了关键链路序列检测效率。
下面结合仿真对本发明的网络关键链路序列检测的效果作详细的描述。
1.仿真场景
本实施例由两个低轨圆轨道、两个中轨椭圆轨道和两个高轨椭圆轨道卫星组成的卫星通信网络场景，卫星轨道参数如表1所示。为了获得卫星之间的连通关系，在STK中建立上述场景后使用access工具对两两卫星之间计算可见时间窗口，采用20秒作为一个时隙对网络进行了等时隙方式划分，取上述仿真场景120个时隙的时间扩展图进行进一步仿真，将本发明所提算法利用MATLAB实现得到了不同K值的关键链路序列。使用OPNET建立上述网络场景，在OPNET中将关键链路失效得到网络性能随K值的变化曲线图。
表格1卫星轨道参数
Figure GDA0002913579620000121
2.仿真结果及分析
图9为本实施例的网络目的节点卫星的收包速率的变化曲线，可以看到星间链路随机删除基本不能降低目的卫星的收包速率，最小传输弧割集范围内随机删除和本发明所提算法在降低网络收包速率上效果相当，可以看出两者都在连通性上对网络进行了降效。
图10为本实施例的网络源-目的节点卫星的通信时延的变化曲线，可以看到星间链路随机删除基本不能延长通信时延，最小传输弧割集范围内随机删除可以延长通信时延，但是效果甚微，而本发明所提算法可以很好的延长网络源-目的卫星间的通信时延。由上可知若只针对网络连通性指标对网络进行降效，并不能兼顾网络其他性能，因此可以看出针对网络时延降效检测关键链路序列的重要性。
本发明的检测方法的准确性主要在于使用时间扩展图可以刻画卫星通信网络中跨快照的业务。本发明的检测方法的高效性主要在于基于最小传输弧割集能够代表所有源顶点到目的顶点间的路径且包含传输弧数目最少的特点，在最小传输弧割集中检测关键链路序列，可以缩小搜索空间，提高检测效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于时延性能的卫星通信网络关键链路序列检测方法，其特征在于，所述基于时延性能的卫星通信网络关键链路序列检测方法首先利用时间扩展图模型刻画了卫星通信网络中跨快照的业务；然后运用Ford–Fulkerson算法计算时间扩展图中虚拟源顶点到虚拟目的顶点间的最小割集，将集合命名为最小传输弧割集；最后基于最小传输弧割集能够代表所有源顶点到目的顶点间的路径且包含传输弧数目最少的特点，在最小传输弧割集中检测关键链路序列；
所述基于时延性能的卫星通信网络关键链路序列检测方法包括：
步骤一，初始化步骤，获取目标卫星网络拓扑以及业务信息；
步骤二，构建时间扩展图GT(V,A)建模目标卫星网络；
步骤三，在时间扩展图中计算虚拟源顶点
Figure FDA0002979330050000011
到虚拟目的顶点
Figure FDA0002979330050000012
的最小传输弧割集R；
步骤四，计算最小传输弧割集R中每条传输弧的冲突路径集合；
步骤五，根据冲突路径集合path(i)，ri∈R，计算表征传输弧ri关键程度的指标时延贡献值tc(i)，其中tc(i)越小，传输弧ri越关键；
步骤六，根据传输弧的时延贡献值，计算关键链路序列S；
所述步骤一获取目标卫星网络拓扑以及业务信息具体包括：
(1)初始化卫星网络卫星集合V1＝{v1,v2,...,vn,...,vM}，业务源节点vs、业务目的节点vd，可攻击链路数目K；
(2)将空间信息网络的规划周期[0,ttotal]划分为T个等长的时隙，每个时间间隔的长度为τ＝ttotal/T；
(3)根据星历表中卫星的运动轨迹，计算各个时隙不同卫星节点的可见情况；
所述步骤二构建时间扩展图GT(V,A)建模目标卫星网络具体包括：
(1)初始化一张空白的T层有向图，其中第k层代表卫星通信网络的第k个时隙；
(2)遍历卫星集合V1中所有的卫星，每一观测卫星vn∈V1，时间扩展图中添加顶点
Figure FDA0002979330050000021
其中顶点
Figure FDA0002979330050000022
位于时间扩展图的第k层，表示在第k个时隙中的卫星vn，将时间扩展图中的卫星顶点集合记为
Figure FDA0002979330050000023
(3)添加传输弧：对于任意一对卫星节点vi和vj，若在第k个时隙两颗卫星相互可见，则在时间扩展图中添加传输弧
Figure FDA0002979330050000024
将时间扩展图的传输弧集合记为
Figure FDA0002979330050000025
卫星vi和vj在时隙k中是可见的，1≤k≤T}；
(4)添加存储弧：对于卫星vn∈V1，在时间扩展图中添加存储弧
Figure FDA0002979330050000026
Figure FDA0002979330050000027
将时间扩展图的存储弧集合记为
Figure FDA0002979330050000028
(5)添加虚拟源顶点
Figure FDA0002979330050000029
虚拟目的顶点
Figure FDA00029793300500000210
作为时间扩展图上的源和目的顶点，添加虚拟弧
Figure FDA00029793300500000211
和
Figure FDA00029793300500000212
使虚拟源顶点与网络中源顶点连接，虚拟目的顶点与网络中目的顶点相连，将时间扩展图的虚拟弧集合记为
Figure FDA00029793300500000213
(6)令时间扩展图为GT(V,A)，其中A＝At∪As∪Avir，
Figure FDA00029793300500000214
采用
Figure FDA00029793300500000215
作为源顶点，
Figure FDA00029793300500000216
作为目的顶点；
所述步骤三在时间扩展图中计算虚拟源顶点
Figure FDA00029793300500000217
到虚拟目的顶点
Figure FDA00029793300500000218
的最小传输弧割集R具体包括：
(1)将时间扩展图中的所有传输弧容量设为1，即，对
Figure FDA00029793300500000219
令c(u,v)＝1；
(2)将时间扩展图中的存储弧和虚拟弧容量设为无穷，即，对
Figure FDA00029793300500000220
令c(u,v)＝∞；
(3)运用Ford–Fulkerson算法计算时间扩展图虚拟源顶点
Figure FDA00029793300500000221
到虚拟目的顶点
Figure FDA00029793300500000222
间的最小割集，将该集合命名为最小传输弧割集R；
所述步骤四计算最小传输弧割集R中每条传输弧的冲突路径集合具体包括：
(1)初始化最小传输弧割集R中每条传输弧冲突路径集合，即对于
Figure FDA00029793300500000223
令
Figure FDA0002979330050000031
其中ri表示最小传输弧割集R中第i条传输弧，path(i)表示ri的冲突路径集合；
(2)计算时间扩展图排除最小传输弧割集后的残余图Gs，即令Gs＝GT\R；
(3)对
Figure FDA0002979330050000032
执行以下步骤更新其冲突路径集合path(i)：
1)在图G1＝Gs∪{ri}中计算顶点
Figure FDA0002979330050000033
到
Figure FDA0002979330050000034
之间经过传输弧ri的最短路径pii，并将该路径在时间扩展图中经过的层数tii记为该路径的时延，令path(i)＝path(i)∪{pii}；
2)对
Figure FDA0002979330050000035
在G2＝Gs∪{ri,rj}中计算顶点
Figure FDA0002979330050000036
到
Figure FDA0002979330050000037
之间经过传输弧ri的最短路径pij；若pij满足：①时延值tij＜tii；②tij＝min{t1j,…tnj}，则令pij为R(i)的冲突路径，令path(i)＝path(i)∪{pij}，其中{t1j,…,tnj}表示使用rj的路径的时延集合；
3)将计算得到的path(i)的所有路径按时延从小到大排序组成冲突路径集合
Figure FDA0002979330050000038
所述步骤五根据冲突路径集合path(i)，ri∈R，计算表征传输弧ri关键程度的指标：时延贡献值tc(i)，其中tc(i)越小，传输弧ri越关键具体包括；
(1)用Done(i)表示传输弧ri的时延贡献值是否确定，初始化该指标，即
Figure FDA0002979330050000039
Done(i)＝0；
(2)令
Figure FDA00029793300500000310
若
Figure FDA00029793300500000311
对于
Figure FDA00029793300500000312
Done(i)＝1，转至步骤(3)；若
Figure FDA00029793300500000313
转至步骤(4)；
(3)对于
Figure FDA00029793300500000314
若
Figure FDA00029793300500000315
比较
Figure FDA00029793300500000316
和tc(i)：
1)若
Figure FDA00029793300500000317
则
Figure FDA00029793300500000318
将path(j)中路径重新排序；
2)若
Figure FDA00029793300500000319
将
Figure FDA00029793300500000320
修改为
Figure FDA00029793300500000321
(4)对于冲突路径集合中的最短路径是同一条的传输弧ri,rj，即对于
Figure FDA00029793300500000322
比较第二短路径的时延值
Figure FDA00029793300500000323
和
Figure FDA00029793300500000324
1)若
Figure FDA00029793300500000325
则
Figure FDA00029793300500000326
2)若
Figure FDA0002979330050000041
则
Figure FDA0002979330050000042
所述步骤六根据传输弧的时延贡献值，计算关键链路序列S具体包括：
(1)将R中所有传输弧按照时延贡献值从小到大排序，即：
Figure FDA0002979330050000043
其中tc(ni)表示传输弧
Figure FDA0002979330050000044
的时延贡献值；
(2)在R中取前K条传输弧，即：{r1,r2,…rK|tc(1)≤tc(2)≤…≤tc(K)}；
(3)将传输弧r1,r2,…rK按照在时间扩展图中所在时隙值从小到大排序得到关键传输弧序列，即：
Figure FDA0002979330050000045
(4)将关键传输弧序列转化为关键链路序列：将
Figure FDA0002979330050000046
转化为(vli,vlj,tl)，表示时隙tl中卫星vli到卫星vlj的通信链路，其中tl表示链路所在时隙值；即S＝{(v1i,v1j,t1),(v2i,v2j,t2),…,(vKi,vKj,tK)|t1≤t2≤…≤tK}。
2.一种应用权利要求1所述基于时延性能的卫星通信网络关键链路序列检测方法。
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