CN112543048B - 增量补偿健壮拓扑控制方法、***、介质、设备、终端 - Google Patents

增量补偿健壮拓扑控制方法、***、介质、设备、终端 Download PDF

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CN112543048B CN202011232835.1A CN202011232835A CN112543048B CN 112543048 B CN112543048 B CN 112543048B CN 202011232835 A CN202011232835 A CN 202011232835A CN 112543048 B CN112543048 B CN 112543048B
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Abstract

本发明属于拓扑控制技术领域，公开了一种增量补偿健壮拓扑控制方法、***、介质、设备、终端，根据卫星节点间的物理距离，从候选链路集合中选择部分链路构成已选链路集合，构建初始的网络拓扑；按照卫星节点的故障概率降序地将所有卫星排列，并设定双门限；地面站选取初始网络拓扑中节点度数为1的卫星节点，将节点两两组对构成卫星节点对，并计算出每一个卫星节点对的两个卫星之间的端到端传输可靠概率；地面站从待补偿卫星集合中取出尚未补偿的故障概率最高的卫星进行补偿；计算补偿后的拓扑中各个度数为1的卫星节点组成的卫星节点对的端到端传输可靠概率。本发明在改善拓扑结构的容错性能的同时兼顾拓扑控制算法的复杂度，综合改善卫星网络通信性能。

Description

增量补偿健壮拓扑控制方法、***、介质、设备、终端
技术领域
本发明属于拓扑控制技术领域，尤其涉及一种增量补偿健壮拓扑控制方法、***、介质、设备、终端。
背景技术
目前：卫星的体积小、质量轻、成本低、灵活性好，技术上采用更加先进的微电子和微机械技术，同时还可以进行组网应用。类似于移动无线传感器网络(Mobile WirelessSensorNetwork，MWSN)，卫星网络通常是一个自组织的分布式卫星***，卫星间协同工作，通过无线星间链路来完成复杂的太空任务。由于任务环境复杂，保证卫星网络中卫星节点间良好的连通性是实现卫星网络正常运行的基本条件，而拓扑控制是确保网络连通的重要方法，因此从拓扑控制的角度出发，设计出健壮的拓扑控制算法具有重要的理论与实际意义。
现有技术一设计了一种单位圆图(Unit Disk Graph，UDG)算法，UDG算法是大部分邻近图算法的基础，采用该方法，所有节点发射功率相同，且通常是节点的最大发射功率，当任意两个节点之间的距离小于节点的最大通信距离时，两个节点之间就存在通信链路(边)，当所有节点均以最大功率进行通信时，UDG包含了所有可能的通信链路，可靠性强，但冗余度高，管理和维持冗余链路会消耗过多的节点资源；UDG包含了所有可能的通信链路，可靠性强，但冗余度高，管理和维持冗余链路会消耗过多的节点资源”在这一句中已经包含了UDG的缺陷的原因，就是因为UDG包含了所有可能的通信链路，所以冗余高。现有技术二设计了一种最小生成树(Minimum Spanning Tree，MST)算法，以节点间的欧式距离为度量，构建网络的最小生成树，MST算法可以保证网络的连通性，该算法生成的拓扑结构简单，但MST算法是一种单连通拓扑控制算法，健壮性差，一旦出现节点或链路(边)的故障，可能造成网络不再连通；但MST算法是一种单连通拓扑控制算法，健壮性差，一旦出现节点或链路(边)的故障，可能造成网络不再连通”在这一句中包含了MST产生缺陷的原因，因为生成的拓扑是单连通的，所以很容易发生故障，但没有区分具有不同可靠性的节点和链路(边)”在这一句中已经包含了k连通的缺陷原因。现有技术三设计构造了k连通拓扑控制算法，与单连通拓扑控制算法相比，k连通拓扑算法使每个节点连接至少k个邻居，k连通拓扑控制算法具有较好的容错功能，但没有区分具有不同可靠性的节点和链路(边)，可能造成网络局部冗余链路不足或者冗余链路不必要的情况，但没有区分具有不同可靠性的节点和链路(边)”在这一句中已经包含了k连通的缺陷原因。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)需要的单位圆图算法冗余度高，管理和维持冗余链路会消耗过多的节点资源。
(2)现有的单连通拓扑控制算法缺乏容错能力，健壮性差，容易因为个别节点或链路(边)的失效而导致网络不再连通，使网络无法正常工作。
(3)现有的单位圆图UDG和k连通拓扑控制算法虽然具有容错功能，但是在拓扑建立时会没有区分具有不同可靠性的节点和链路(边)，容易造成不必要的冗余链路，并且对于k连通拓扑控制算法，也可能出现对局部网络加冗不足的情况，导致网络健壮性无法达到要求。
(4)现有的单连通拓扑控制算法和单位圆图UDG和k连通拓扑控制算法会导致较高的空间和时间复杂度，拓扑能耗过高，以及占用大量的链路及网络资源。
解决以上问题及缺陷的难度为：需要考虑如何设计更好的面向卫星的拓扑控制算法，使得生成的拓扑既具有良好的容错性能，又不会占用大量的链路资源和产生过高的非必要冗余和能耗。
解决以上问题及缺陷的意义为：以单连通拓扑算法为基础，针对故障概率高的卫星节点进行局部的拓扑重建，通过生成备用链路，使得当故障概率高的卫星节点发生失效时，网络连通性仍然能够因为备用链路的存在而得到保障，在改善拓扑结构的容错性能的同时可以兼顾拓扑控制算法的复杂度，综合改善卫星网络的通信性能。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种增量补偿健壮拓扑控制方法、***、介质、设备、终端。
本发明是这样实现的，一种增量补偿健壮拓扑控制方法，所述增量补偿健壮拓扑控制方法包括：
根据卫星节点间的物理距离，使用MST算法从候选链路集合中选择部分链路构成已选链路集合，构建一个初始的网络拓扑；
按照卫星节点的故障概率降序地将所有卫星排列，得到一个待补偿卫星集合，并设定双门限，其中第一门限规定补偿次数的上限值，第二门限规定网络中节点对的端到端传输可靠概率的达标门限值；
地面站选取初始网络拓扑中节点度数为1的卫星节点，将节点两两组对构成卫星节点对，并计算出每一个卫星节点对的两个卫星之间的端到端传输可靠概率；
地面站从待补偿卫星集合中取出尚未补偿的故障概率最高的卫星进行补偿，将该卫星以及与该卫星关联的链路分别从初始卫星节点集合和候选链路集合中删去，对剩余的卫星节点集合和候选链路集合重新运行基于卫星间物理距离的MST算法生成新的拓扑，新拓扑与初始拓扑相比较，所增加的边即为补偿的边，将该补偿边添加到已选链路集合，与初始卫星节点集合共同表征补偿后的网络拓扑；
计算补偿后的拓扑中各个度数为1的卫星节点组成的卫星节点对的端到端传输可靠概率；
若补偿次数未超过第一门限，并且各个卫星节点对的端到端传输可靠概率未全部达到第二门限，则对于待补偿卫星集合中尚未补偿的故障概率最高的卫星，进行与上述相同的操作，直至补偿次数达到第一门限或各个卫星节点对的端到端传输可靠概率均达到第二门限。
进一步，所述增量补偿健壮拓扑控制方法包括以下步骤：
步骤一，任意两个卫星之间存在直接链路将二者连接，所有链路构成候选链路集合，所有卫星节点组成卫星节点集合，地面站收集各卫星的位置信息和故障概率，首先根据卫星节点间的物理距离，使用MST算法从候选链路集合中选择部分链路构成已选链路集合，构建一个初始的网络拓扑；然后，按照卫星节点的故障概率降序地对所有卫星进行排列，得到一个待补偿卫星集合，并设定双门限，其中第一门限规定补偿次数的上限值，第二门限规定网络中节点对的端到端传输可靠概率的达标门限值，初始化补偿次数τ＝0；
步骤二，地面站选取初始网络拓扑中节点度数为1的卫星节点，将这些节点两两组对构成卫星节点对，并计算出每一个卫星节点对的两个度数为1的卫星之间的端到端传输可靠概率；
步骤三，将补偿次数τ加1，即τ←τ+1，地面站从待补偿卫星集合中取出尚未补偿的故障概率最高的卫星进行补偿，将该卫星以及与该卫星关联的链路分别从卫星节点集合和候选链路集合中删去，然后对剩余的卫星节点集合和候选链路集合重新运行基于卫星间物理距离的MST算法生成新的拓扑，将新拓扑与初始拓扑进行比较，所增加的边即为补偿的边，将该补偿边添加到本次补偿之前的已选链路集合，得到补偿后的已选链路集合；
步骤四，计算补偿后的拓扑中各个度数为1的卫星节点组成的卫星节点对的端到端传输可靠概率；
步骤五，若补偿次数未超过第一门限，并且各个卫星节点对的端到端传输可靠概率未全部达到第二门限，则返回步骤三；否则，算法结束。
进一步，所述步骤一具体包括：
(1)一个卫星网络中包含N个卫星节点，该网络用图G＝{ΩV,ΩE}描述，其中ΩV＝{V1,…,Vn,…,VN}为卫星节点集合，Vn表示第n个卫星节点，各个卫星均通过直接通信链路与其它卫星进行通信，
Figure BDA0002765781060000051
表示所有链路构成候选链路集合，满足
Figure BDA0002765781060000052
其中|A|表示集合A中的元素个数；地面站收集各卫星的位置信息，根据卫星节点间的物理距离，使用MST算法从候选链路集合中选择部分链路构成已选链路集合，构建一个初始的网络拓扑，已选链路集合定义为
Figure BDA0002765781060000053
满足
Figure BDA0002765781060000054
和
Figure BDA0002765781060000055
初始化补偿次数τ＝0，定义第τ次补偿的已选链路集合为ΩE,τ，那么当τ＝0时，
Figure BDA0002765781060000056
(2)定义卫星节点故障概率集合为
Figure BDA0002765781060000057
Figure BDA0002765781060000058
表示卫星节点Vn的故障概率，PV的信息由地面站进行维护；若卫星节点Vi与Vj通过链路
Figure BDA0002765781060000059
相连，则链路
Figure BDA00027657810600000510
的故障概率为
Figure BDA00027657810600000511
(3)根据卫星节点的故障概率大小对所有卫星进行降序排列，得到一个待补偿卫星集合，记为
Figure BDA00027657810600000512
满足
Figure BDA00027657810600000513
(4)设置第一门限ρ作为补偿次数上限值和第二门限η作为网络中节点对的端到端传输可靠概率的达标门限值。
进一步，所述步骤二具体包括：
(1)地面站选取初始网络拓扑中节点度数为1的卫星节点，定义节点度为1的卫星集合为
Figure BDA00027657810600000514
将
Figure BDA00027657810600000515
中的节点两两组对构成卫星节点对，记为
Figure BDA00027657810600000516
其中i,j∈{1,…,m,…,M}且i≠j，共有
Figure BDA00027657810600000517
个节点对；
(2)根据已选链路集合ΩE计算
Figure BDA00027657810600000518
中所有K个节点对的端到端可靠传输概率，并记为
Figure BDA00027657810600000519
其中
Figure BDA00027657810600000520
Figure BDA00027657810600000521
表示第τ次补偿后节点对
Figure BDA00027657810600000522
中度数为1的卫星节点Vi *和
Figure BDA00027657810600000523
之间的所有路径的端到端可靠传输概率，其计算由下式给出：
Figure BDA0002765781060000061
其中
Figure BDA00027657810600000618
表示节点对
Figure BDA0002765781060000063
的第l条路径，该路径经过的节点集合(不包含与路径的两个端点)用ξl表示，l取不同值时，ξl所包含的节点不同，第l条路径的端到端可靠传输概率
Figure BDA0002765781060000064
由该路径所经过的所有节点所关联的链路的可靠概率连乘得到，Π表示连乘运算，Ψ表示节点对
Figure BDA0002765781060000065
之间所有的端到端路径数量。
进一步，所述步骤三具体包括：
(1)将补偿次数τ加1，即τ←τ+1；
(2)如果τ＜ρ，地面站选取集合
Figure BDA0002765781060000066
中的节点
Figure BDA0002765781060000067
进行第τ次补偿，首先令
Figure BDA0002765781060000068
更新
Figure BDA00027657810600000619
满足
Figure BDA00027657810600000610
然后对图
Figure BDA00027657810600000611
描述的网络运行基于卫星间物理距离的MST算法生成新的拓扑，该新拓扑的已选链路集合为
Figure BDA00027657810600000612
其中Vi,Vj∈ΩV,τ，
Figure BDA00027657810600000613
Figure BDA00027657810600000614
进一步，所述步骤四具体包括：
(1)对于已选链路集合ΩE.τ进行更新，得到
Figure BDA00027657810600000615
即将补偿链路添加到已选链路集合ΩE,τ-1中，以获得第τ次补偿后的已选链路集合ΩE,τ；
(2)根据更新后的已选链路集合ΩE,τ重新计算
Figure BDA00027657810600000616
中各个卫星节点对的端到端传输可靠概率；
所述步骤五具体包括：
(1)如果
Figure BDA00027657810600000617
且τ＜ρ，执行步骤三；
(2)否则，算法结束。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
根据卫星节点间的物理距离，使用MST算法从候选链路集合中选择部分链路构成已选链路集合，构建一个初始的网络拓扑；
按照卫星节点的故障概率降序地将所有卫星排列，得到一个待补偿卫星集合，并设定双门限，其中第一门限规定补偿次数的上限值，第二门限规定网络中节点对的端到端传输可靠概率的达标门限值；
地面站选取初始网络拓扑中节点度数为1的卫星节点，将节点两两组对构成卫星节点对，并计算出每一个卫星节点对的两个卫星之间的端到端传输可靠概率；
地面站从待补偿卫星集合中取出尚未补偿的故障概率最高的卫星进行补偿，将该卫星以及与该卫星关联的链路分别从初始卫星节点集合和候选链路集合中删去，对剩余的卫星节点集合和候选链路集合重新运行基于卫星间物理距离的MST算法生成新的拓扑，新拓扑与初始拓扑相比较，所增加的边即为补偿的边，将该补偿边添加到已选链路集合，与初始卫星节点集合共同表征补偿后的网络拓扑；
计算补偿后的拓扑中各个度数为1的卫星节点组成的卫星节点对的端到端传输可靠概率；
若补偿次数未超过第一门限，并且各个卫星节点对的端到端传输可靠概率未全部达到第二门限，则对于待补偿卫星集合中尚未补偿的故障概率最高的卫星，进行与上述相同的操作，直至补偿次数达到第一门限或各个卫星节点对的端到端传输可靠概率均达到第二门限。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
根据卫星节点间的物理距离，使用MST算法从候选链路集合中选择部分链路构成已选链路集合，构建一个初始的网络拓扑；
按照卫星节点的故障概率降序地将所有卫星排列，得到一个待补偿卫星集合，并设定双门限，其中第一门限规定补偿次数的上限值，第二门限规定网络中节点对的端到端传输可靠概率的达标门限值；
地面站选取初始网络拓扑中节点度数为1的卫星节点，将节点两两组对构成卫星节点对，并计算出每一个卫星节点对的两个卫星之间的端到端传输可靠概率；
地面站从待补偿卫星集合中取出尚未补偿的故障概率最高的卫星进行补偿，将该卫星以及与该卫星关联的链路分别从初始卫星节点集合和候选链路集合中删去，对剩余的卫星节点集合和候选链路集合重新运行基于卫星间物理距离的MST算法生成新的拓扑，新拓扑与初始拓扑相比较，所增加的边即为补偿的边，将该补偿边添加到已选链路集合，与初始卫星节点集合共同表征补偿后的网络拓扑；
计算补偿后的拓扑中各个度数为1的卫星节点组成的卫星节点对的端到端传输可靠概率；
若补偿次数未超过第一门限，并且各个卫星节点对的端到端传输可靠概率未全部达到第二门限，则对于待补偿卫星集合中尚未补偿的故障概率最高的卫星，进行与上述相同的操作，直至补偿次数达到第一门限或各个卫星节点对的端到端传输可靠概率均达到第二门限。
本发明的另一目的在于提供一种卫星网络信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的增量补偿健壮拓扑控制方法。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述增量补偿健壮拓扑控制方法的增量补偿健壮拓扑控制***，所述增量补偿健壮拓扑控制***包括：
初始网络拓扑构建模块，用于根据卫星节点间的物理距离，使用MST算法从候选链路集合中选择部分链路构成已选链路集合，构建一个初始的网络拓扑；
双门限设定模块，用于按照卫星节点的故障概率降序地将所有卫星排列，得到一个待补偿卫星集合，并设定双门限，其中第一门限规定补偿次数的上限值，第二门限规定网络中节点对的端到端传输可靠概率的达标门限值；
第一端到端传输可靠概率计算模块，用于地面站选取初始网络拓扑中节点度数为1的卫星节点，将节点两两组对构成卫星节点对，并计算出每一个卫星节点对的两个卫星之间的端到端传输可靠概率；
拓扑比较模块，用于地面站从待补偿卫星集合中取出尚未补偿的故障概率最高的卫星进行补偿，将该卫星以及与该卫星关联的链路分别从初始卫星节点集合和候选链路集合中删去，对剩余的卫星节点集合和候选链路集合重新运行基于卫星间物理距离的MST算法生成新的拓扑，新拓扑与初始拓扑相比较，所增加的边即为补偿的边，将该补偿边添加到已选链路集合，与初始卫星节点集合共同表征补偿后的网络拓扑；
第二端到端传输可靠概率计算模块，用于计算补偿后的拓扑中各个度数为1的卫星节点组成的卫星节点对的端到端传输可靠概率；
补偿次数判断模块，用于若补偿次数未超过第一门限，并且各个卫星节点对的端到端传输可靠概率未全部达到第二门限，则对于待补偿卫星集合中尚未补偿的故障概率最高的卫星，进行相同的操作，直至补偿次数达到第一门限或各个卫星节点对的端到端传输可靠概率均达到第二门限。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明以单连通拓扑算法为基础，针对故障概率高的卫星节点进行局部的拓扑补偿，通过生成备用链路，使得当故障概率高的卫星节点发生失效时，网络连通性和端到端可靠传输概率仍然能够得到保障。本发明在改善拓扑结构的容错性能的同时可以兼顾拓扑控制算法的复杂度，综合改善卫星网络的通信性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的增量补偿健壮拓扑控制方法流程图。
图2是本发明实施例提供的增量补偿健壮拓扑控制***的结构示意图；
图2中：1、初始网络拓扑构建模块；2、双门限设定模块；3、第一端到端传输可靠概率计算模块；4、拓扑比较模块；5、第二端到端传输可靠概率计算模块；6、补偿次数判断模块。
图3是本发明实施例提供的增量补偿健壮拓扑控制方法的实现流程图。
图4是本发明实施例提供的应用于卫星网络的***模型图。
图5是本发明实施例提供的基于图4***进行两次补偿的过程的MATLAB仿真图。
图6对本发明实施例提供的基于图4***，对比初始、一次补偿及两次补偿时各个节点对的端到端传输可靠概率的MATLAB仿真图。
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。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种增量补偿健壮拓扑控制方法、***、介质、设备、终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的增量补偿健壮拓扑控制方法包括以下步骤：
S101：根据卫星节点间的物理距离，使用MST算法从候选链路集合中选择部分链路构成已选链路集合，构建一个初始的网络拓扑；
S102：按照卫星节点的故障概率降序地将所有卫星排列，得到一个待补偿卫星集合，并设定双门限，其中第一门限规定补偿次数的上限值，第二门限规定网络中节点对的端到端传输可靠概率的达标门限值；
S103：地面站选取初始网络拓扑中节点度数为1的卫星节点，将节点两两组对构成卫星节点对，并计算出每一个卫星节点对的两个卫星之间的端到端传输可靠概率；
S104：地面站每次补偿是从待补偿卫星集合中取出尚未补偿的故障概率最高的卫星进行补偿，将该卫星以及与该卫星关联的链路分别从初始卫星节点集合和候选链路集合中删去，对剩余的卫星节点集合和候选链路集合重新运行基于卫星间物理距离的MST算法生成新的拓扑，新拓扑与初始拓扑相比较，所增加的边即为补偿的边，将该补偿边添加到本次补偿之前的已选链路集合，与初始卫星节点集合共同表征补偿后的网络拓扑；
S105：计算补偿后的拓扑中各个度数为1的卫星节点组成的卫星节点对的端到端传输可靠概率；
S106：若补偿次数未超过第一门限，并且各个卫星节点对的端到端传输可靠概率未全部达到第二门限，则进行下一次补偿，对于待补偿卫星集合中尚未补偿的故障概率最高的卫星，进行与上述相同的操作，直至补偿次数达到第一门限或各个卫星节点对的端到端传输可靠概率均达到第二门限。
本发明提供的增量补偿健壮拓扑控制方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的增量补偿健壮拓扑控制方法仅仅是一个具体实施例而已。
如图2所示，本发明提供的增量补偿健壮拓扑控制***包括：
初始网络拓扑构建模块1，用于根据卫星节点间的物理距离，使用MST算法从候选链路集合中选择部分链路构成已选链路集合，构建一个初始的网络拓扑；
双门限设定模块2，用于按照卫星节点的故障概率降序地将所有卫星排列，得到一个待补偿卫星集合，并设定双门限，其中第一门限规定补偿次数的上限值，第二门限规定网络中节点对的端到端传输可靠概率的达标门限值；
第一端到端传输可靠概率计算模块3，用于地面站选取初始网络拓扑中节点度数为1的卫星节点，将节点两两组对构成卫星节点对，并计算出每一个卫星节点对的两个卫星之间的端到端传输可靠概率；
拓扑比较模块4，用于地面站从待补偿卫星集合中取出尚未补偿的故障概率最高的卫星进行补偿，将该卫星以及与该卫星关联的链路分别从初始卫星节点集合和候选链路集合中删去，对剩余的卫星节点集合和候选链路集合重新运行基于卫星间物理距离的MST算法生成新的拓扑，新拓扑与初始拓扑相比较，所增加的边即为补偿的边，将该补偿边添加到已选链路集合，与初始卫星节点集合共同表征补偿后的网络拓扑；
第二端到端传输可靠概率计算模块5，用于计算补偿后的拓扑中各个度数为1的卫星节点组成的卫星节点对的端到端传输可靠概率；
补偿次数判断模块6，用于若补偿次数未超过第一门限，并且各个卫星节点对的端到端传输可靠概率未全部达到第二门限，则对于待补偿卫星集合中尚未补偿的故障概率最高的卫星，进行相同的操作，直至补偿次数达到第一门限或各个卫星节点对的端到端传输可靠概率均达到第二门限。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
如图3所示，本发明实施例提供的应用于卫星网络的增量补偿健壮拓扑控制方法包括以下步骤：
(1)假设任意两个卫星之间存在直接链路将二者连接，所有链路构成候选链路集合，所有卫星组成卫星节点集合，地面站收集各卫星的位置信息和故障概率，首先根据卫星节点间的物理距离，使用MST算法从候选链路集合中选择部分链路构成已选链路集合，构建一个初始的网络拓扑；
(2)按照卫星节点的故障概率降序地对所有卫星进行排列，得到一个待补偿卫星集合，并设定双门限，其中第一门限规定补偿次数的上限值，第二门限规定网络中节点对的端到端传输可靠概率的达标门限值，初始化补偿次数τ＝0；
(3)地面站选取初始网络拓扑中节点度数为1的卫星节点，将这些节点两两组对构成卫星节点对，并计算出每一个卫星节点对的两个度数为1的卫星之间的端到端传输可靠概率；
(4)将补偿次数τ加1，即τ←τ+1，地面站从待补偿卫星集合中取出尚未补偿的故障概率最高的卫星进行补偿，将该卫星以及与该卫星关联的链路分别从卫星节点集合和候选链路集合中删去，然后对剩余的卫星节点集合和候选链路集合重新运行基于卫星间物理距离的MST算法生成新的拓扑，将新拓扑与初始拓扑进行比较，所增加的边即为补偿的边，将该补偿边添加到本次补偿之前的已选链路集合，得到补偿后的已选链路集合；
(5)计算补偿后的拓扑中各个度数为1的卫星节点组成的卫星节点对的端到端传输可靠概率；
(6)地面站判断补偿次数是否超过第一门限ρ，若是，执行(8)，否则执行(7)；
(7)地面站判断各个卫星节点对的端到端传输可靠概率是否全部达到第二门限η，若是，执行(8)，否则执行(4)；
(8)算法结束。
如图4所示，本发明使用的***模型为卫星网络中，由N＝10颗卫星，1个地面站组成。
本发明的实现步骤如下：
步骤一，假设任意两个卫星之间存在直接链路将二者连接，所有链路构成候选链路集合，所有卫星节点组成卫星节点集合，地面站收集各卫星的位置信息和故障概率，首先根据卫星节点间的物理距离，使用MST算法从候选链路集合中选择部分链路构成已选链路集合，构建一个初始的网络拓扑；然后，按照卫星节点的故障概率降序地对所有卫星进行排列，得到一个待补偿卫星集合，并设定双门限，其中第一门限规定补偿次数的上限值，第二门限规定网络中节点对的端到端传输可靠概率的达标门限值，初始化补偿次数τ＝0，实现步骤为：
(1)假设一个卫星网络中包含N＝10个卫星节点，卫星节点集合为ΩV＝{V1,V2,…,V10}，各个卫星均可以通过直接通信链路与其它卫星进行通信，所有链路构成候选链路集合为
Figure BDA0002765781060000141
满足
Figure BDA0002765781060000142
地面站收集各卫星的位置信息，根据卫星节点间的物理距离，使用MST算法从候选链路集合中选择部分链路构成已选链路集合，构建一个初始的网络拓扑，已选链路集合定义为
Figure BDA0002765781060000143
满足
Figure BDA0002765781060000144
和
Figure BDA0002765781060000145
并用初始卫星节点集合和已选链路集合对该初始拓扑进行表征，初始化补偿次数τ＝0；
(2)定义卫星节点故障概率集合为
Figure BDA0002765781060000146
例如，若卫星节点V1与V9通过链路
Figure BDA0002765781060000147
相连，则链路
Figure BDA0002765781060000148
的故障概率为
Figure BDA0002765781060000149
(3)根据卫星节点的故障概率大小对所有卫星进行降序排列，得到一个待补偿卫星集合，记为
Figure BDA00027657810600001410
满足
Figure BDA00027657810600001411
(4)设置第一门限ρ作为补偿次数上限值和第二门限值η作为网络中节点对的端到端传输可靠概率的达标门限值。
步骤二，地面站选取初始网络拓扑中节点度数为1的卫星节点，将这些节点两两组对构成卫星节点对，并计算出每一个卫星节点对的两个度数为1的卫星之间的端到端传输可靠概率，实现步骤为：
(1)地面站选取初始网络拓扑中节点度数为1的卫星节点，假设有3个节点度为1的卫星，定义节点度为1的卫星集合为
Figure BDA00027657810600001412
将
Figure BDA00027657810600001413
中的节点两两组对构成卫星节点对，共有
Figure BDA00027657810600001414
个节点对组合，分别为
Figure BDA00027657810600001417
Figure BDA00027657810600001418
(2)根据已选链路集ΩE分别计算出初始拓扑中所有3个节点对的端到端传输可靠概率，并记为
Figure BDA00027657810600001415
以节点对
Figure BDA00027657810600001419
为例，假设源节点V1 *到目的节点
Figure BDA00027657810600001420
的路径为
Figure BDA00027657810600001421
其中Va,Vb,Vc∈ΩV且
Figure BDA00027657810600001416
定义V1 *到
Figure BDA00027657810600001515
的传输数据的可靠概率为
Figure BDA0002765781060000151
则
Figure BDA0002765781060000152
步骤三，将补偿次数τ加1，即τ←τ+1，地面站从待补偿卫星集合中取出尚未补偿的故障概率最高的卫星进行补偿，将该卫星以及与该卫星关联的链路分别从卫星节点集合和候选链路集合中删去，然后对剩余的卫星节点集合和候选链路集合重新运行基于卫星间物理距离的MST算法生成新的拓扑，将新拓扑与初始拓扑进行比较，所增加的边即为补偿的边，将该补偿边添加到本次补偿之前的已选链路集合，得到补偿后的已选链路集合，该集合与卫星节点集合共同表征补偿后的网络拓扑，实现步骤为：
(1)将补偿次数τ加1，即τ←τ+1；
(2)如果τ＜ρ，地面站选取集合
Figure BDA0002765781060000153
中的节点
Figure BDA0002765781060000154
进行第τ次补偿，首先令
Figure BDA0002765781060000155
更新
Figure BDA0002765781060000156
满足
Figure BDA0002765781060000157
然后对图
Figure BDA0002765781060000158
描述的网络运行基于卫星间物理距离的MST算法生成新的拓扑，该新拓扑的已选链路集合为
Figure BDA0002765781060000159
其中(Vi,Vj∈ΩV,τ)，
Figure BDA00027657810600001510
Figure BDA00027657810600001511
步骤四，计算补偿后各个度数为1的卫星节点组成的卫星节点对的端到端传输可靠概率，实现步骤为：
(1)对于已选链路集合ΩE.τ进行更新，得到
Figure BDA00027657810600001512
即将补偿链路添加到已选链路集合ΩE,τ-1中，以获得第τ次补偿后的已选链路集合ΩE,τ；
(2)根据更新后的已选链路集合ΩE,τ重新计算
Figure BDA00027657810600001513
中各个卫星节点对的端到端传输可靠概率。
步骤五，若补偿次数未超过第一门限，并且各个卫星节点对的端到端传输可靠概率未全部达到第二门限，则返回步骤三；否则，算法结束，实现步骤为：
(1)如果
Figure BDA00027657810600001514
且τ＜ρ，执行步骤三；
(2)否则，算法结束。
下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。
1、仿真条件：
仿真对象：本发明提供的应用于卫星网络的ICRTC方法。
仿真参数：卫星节点数量N＝10，如图5(a)所示，初始卫星节点集合ΩV＝{V1,V2,…,V10}，假设任意两个节点之间存在直接链路，则候选链路集合
Figure BDA0002765781060000161
满足
Figure BDA0002765781060000162
首次执行MST后得到的已选链路集合
Figure BDA0002765781060000163
如图5(a)中实线所示；卫星节点故障概率集合为PV＝{0.246,0.283,0.431,0.323,0.307,0.503,0.560,0.498,0.081,0.044}，根据卫星节点的故障概率大小对所有卫星进行降序排列，得到待补偿卫星集合
Figure BDA0002765781060000164
观察图5(a)，取出节点度为1的卫星组成集合
Figure BDA0002765781060000165
共有
Figure BDA0002765781060000166
个节点对，分别为
Figure BDA0002765781060000167
Figure BDA0002765781060000168
2、仿真内容及分析：
当N＝10，采用MATLAB对增量补偿健壮拓扑控制方法的补偿过程进行仿真，图5(b)为第一次补偿过程，选V7进行补偿，ΩV,1＝ΩV-{V7}，更新候选链路集合
Figure BDA0002765781060000169
对图
Figure BDA00027657810600001610
执行MST后得到的已选链路集合为
Figure BDA00027657810600001611
如图5(b)中虚线所示，得到集合ΩE,1，
Figure BDA00027657810600001612
图5(c)为第二次补偿过程，选V6进行补偿，
Figure BDA00027657810600001613
对图
Figure BDA00027657810600001614
执行MST后新的已选链路集合
Figure BDA00027657810600001615
如图5(c)中虚线所示，得到集合ΩE,2，
Figure BDA0002765781060000171
图5(d)为两次补偿后的拓扑，其中实线为未进行补偿时已选链路集合中的链路，细圆圈圈出的节点V7为第一次补偿选取的节点，虚线
Figure BDA0002765781060000172
表示第一次补偿的链路，粗圆圈圈出的节点V6为第二次补偿选取的节点，虚线
Figure BDA0002765781060000173
表示第二次补偿的链路，则两次补偿后最终的已选链路集合
Figure BDA0002765781060000174
下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。
本实验采用MATLAB对各个节点对端到端传输可靠概率的进行仿真，其结果如图6所示，横坐标{1，2，3，4，5，6}对应的节点对分别为
Figure BDA0002765781060000175
Figure BDA0002765781060000176
和
Figure BDA0002765781060000177
纵轴表示端到端传输可靠概率，由仿真图可以看出，(1)节点对
Figure BDA0002765781060000178
的端到端传输可靠概率随着补偿次数的增加而增长，从而使***性能得到改善；(2)第一次补偿后，节点对
Figure BDA0002765781060000179
的端到端传输可靠概率没有变化，这是因为这个节点对中的两个卫星之间没有经过第一次补偿节点，所以导致补偿没有改善其端到端可靠传输概率，可以通过继续增加补偿次数来提高这些节点对的端到端传输可靠概率。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行***，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种增量补偿健壮拓扑控制方法，其特征在于，所述增量补偿健壮拓扑控制方法包括以下步骤：
步骤一，任意两个卫星之间存在直接链路将二者连接，所有链路构成候选链路集合，所有卫星节点组成卫星节点集合，地面站收集各卫星的位置信息和故障概率，首先根据卫星节点间的物理距离，使用MST算法从候选链路集合中选择部分链路构成已选链路集合，构建一个初始的网络拓扑；然后，按照卫星节点的故障概率降序地对所有卫星进行排列，得到一个待补偿卫星集合，并设定双门限，其中第一门限规定补偿次数的上限值，第二门限规定网络中节点对的端到端传输可靠概率的达标门限值，初始化补偿次数τ＝0；
步骤二，地面站选取初始网络拓扑中节点度数为1的卫星节点，将这些节点两两组对构成卫星节点对，并计算出每一个卫星节点对的两个度数为1的卫星之间的端到端传输可靠概率；
步骤三，将补偿次数τ加1，即τ←τ+1，地面站从待补偿卫星集合中取出尚未补偿的故障概率最高的卫星进行补偿，将该卫星以及与该卫星关联的链路分别从卫星节点集合和候选链路集合中删去，然后对剩余的卫星节点集合和候选链路集合重新运行基于卫星间物理距离的MST算法生成新的拓扑，将新拓扑与初始拓扑进行比较，所增加的边即为补偿的边，将该补偿边添加到本次补偿之前的已选链路集合，得到补偿后的已选链路集合；
步骤四，计算补偿后的拓扑中各个度数为1的卫星节点组成的卫星节点对的端到端传输可靠概率；
步骤五，若补偿次数未超过第一门限，并且各个卫星节点对的端到端传输可靠概率未全部达到第二门限，则返回步骤三；否则，算法结束。
2.如权利要求1所述的增量补偿健壮拓扑控制方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：
(1)一个卫星网络中包含N个卫星节点，该网络用图G＝{ΩV,ΩE}描述，其中ΩV＝{V1,…,Vn,…,VN}为卫星节点集合，Vn表示第n个卫星节点，各个卫星均通过直接通信链路与其它卫星进行通信，
Figure FDA0003241543160000021
表示所有链路构成候选链路集合，满足
Figure FDA0003241543160000022
其中|A|表示集合A中的元素个数；地面站收集各卫星的位置信息，根据卫星节点间的物理距离，使用MST算法从候选链路集合中选择部分链路构成已选链路集合，构建一个初始的网络拓扑，已选链路集合定义为
Figure FDA0003241543160000023
满足
Figure FDA0003241543160000024
和
Figure FDA0003241543160000025
初始化补偿次数τ＝0，定义第τ次补偿的已选链路集合为ΩE,τ，那么当τ＝0时，
Figure FDA0003241543160000026
(2)定义卫星节点故障概率集合为
Figure FDA0003241543160000027
Figure FDA0003241543160000028
表示卫星节点Vn的故障概率，PV的信息由地面站进行维护；若卫星节点Vi与Vj通过链路
Figure FDA0003241543160000029
相连，则链路
Figure FDA00032415431600000210
的故障概率为
Figure FDA00032415431600000211
(3)根据卫星节点的故障概率大小对所有卫星进行降序排列，得到一个待补偿卫星集合，记为
Figure FDA00032415431600000212
满足
Figure FDA00032415431600000213
(4)设置第一门限ρ作为补偿次数上限值和第二门限η作为网络中节点对的端到端传输可靠概率的达标门限值。
3.如权利要求2所述的增量补偿健壮拓扑控制方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：
(1)地面站选取初始网络拓扑中节点度数为1的卫星节点，定义节点度为1的卫星集合为
Figure FDA00032415431600000214
将
Figure FDA00032415431600000215
中的节点两两组对构成卫星节点对，记为
Figure FDA00032415431600000216
其中i,j∈{1,…,m,…,M}且i≠j，共有
Figure FDA00032415431600000217
个节点对；
(2)根据已选链路集合ΩE计算
Figure FDA00032415431600000218
中所有K个节点对的端到端可靠传输概率，并记为
Figure FDA00032415431600000219
其中
Figure FDA00032415431600000220
Figure FDA00032415431600000221
表示第τ次补偿后节点对
Figure FDA00032415431600000222
中度数为1的卫星节点Vi *和
Figure FDA0003241543160000031
之间的所有路径的端到端可靠传输概率，其计算由下式给出：
Figure FDA0003241543160000032
其中
Figure FDA0003241543160000033
表示节点对
Figure FDA0003241543160000034
的第l条路径，该路径经过的节点集合用ξl表示，节点集合不包含路径的两个端点，l取不同值时，ξl所包含的节点不同，第l条路径的端到端可靠传输概率
Figure FDA0003241543160000035
由该路径所经过的所有节点所关联的链路的可靠概率连乘得到，Π表示连乘运算，Ψ表示节点对
Figure FDA0003241543160000036
之间所有的端到端路径数量。
4.如权利要求3所述的增量补偿健壮拓扑控制方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：
(1)将补偿次数τ加1，即τ←τ+1；
(2)如果τ＜ρ，地面站选取集合
Figure FDA0003241543160000037
中的节点
Figure FDA0003241543160000038
进行第τ次补偿，首先令
Figure FDA0003241543160000039
更新
Figure FDA00032415431600000310
满足
Figure FDA00032415431600000311
然后对图
Figure FDA00032415431600000312
描述的网络运行基于卫星间物理距离的MST算法生成新的拓扑，该新拓扑的已选链路集合为
Figure FDA00032415431600000313
其中
Figure FDA00032415431600000314
Figure FDA00032415431600000315
5.如权利要求4所述的增量补偿健壮拓扑控制方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：
(1)对于已选链路集合ΩE.τ进行更新，得到
Figure FDA00032415431600000316
即将补偿链路添加到已选链路集合ΩE,τ-1中，以获得第τ次补偿后的已选链路集合ΩE,τ；
(2)根据更新后的已选链路集合
Figure FDA00032415431600000317
重新计算
Figure FDA00032415431600000318
中各个卫星节点对的端到端传输可靠概率；
所述步骤五具体包括：
(1)如果
Figure FDA0003241543160000041
且τ＜ρ，执行步骤三；
(2)否则，算法结束。
6.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
(1)根据卫星节点间的物理距离，使用MST算法从候选链路集合中选择部分链路构成已选链路集合，构建一个初始的网络拓扑；
(2)按照卫星节点的故障概率降序地将所有卫星排列，得到一个待补偿卫星集合，并设定双门限，其中第一门限规定补偿次数的上限值，第二门限规定网络中节点对的端到端传输可靠概率的达标门限值；
(3)地面站选取初始网络拓扑中节点度数为1的卫星节点，将节点两两组对构成卫星节点对，并计算出每一个卫星节点对的两个卫星之间的端到端传输可靠概率；
(4)地面站从待补偿卫星集合中取出尚未补偿的故障概率最高的卫星进行补偿，将该卫星以及与该卫星关联的链路分别从初始卫星节点集合和候选链路集合中删去，对剩余的卫星节点集合和候选链路集合重新运行基于卫星间物理距离的MST算法生成新的拓扑，新拓扑与初始拓扑相比较，所增加的边即为补偿的边，将该补偿边添加到已选链路集合，与初始卫星节点集合共同表征补偿后的网络拓扑；
(5)计算补偿后的拓扑中各个度数为1的卫星节点组成的卫星节点对的端到端传输可靠概率；
(6)若补偿次数未超过第一门限，并且各个卫星节点对的端到端传输可靠概率未全部达到第二门限，则对于待补偿卫星集合中尚未补偿的故障概率最高的卫星，进行与(4)(5)的相同的操作，直至补偿次数达到第一门限或各个卫星节点对的端到端传输可靠概率均达到第二门限。
7.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
①根据卫星节点间的物理距离，使用MST算法从候选链路集合中选择部分链路构成已选链路集合，构建一个初始的网络拓扑；
②按照卫星节点的故障概率降序地将所有卫星排列，得到一个待补偿卫星集合，并设定双门限，其中第一门限规定补偿次数的上限值，第二门限规定网络中节点对的端到端传输可靠概率的达标门限值；
③地面站选取初始网络拓扑中节点度数为1的卫星节点，将节点两两组对构成卫星节点对，并计算出每一个卫星节点对的两个卫星之间的端到端传输可靠概率；
④地面站从待补偿卫星集合中取出尚未补偿的故障概率最高的卫星进行补偿，将该卫星以及与该卫星关联的链路分别从初始卫星节点集合和候选链路集合中删去，对剩余的卫星节点集合和候选链路集合重新运行基于卫星间物理距离的MST算法生成新的拓扑，新拓扑与初始拓扑相比较，所增加的边即为补偿的边，将该补偿边添加到已选链路集合，与初始卫星节点集合共同表征补偿后的网络拓扑；
⑤计算补偿后的拓扑中各个度数为1的卫星节点组成的卫星节点对的端到端传输可靠概率；
⑥若补偿次数未超过第一门限，并且各个卫星节点对的端到端传输可靠概率未全部达到第二门限，则对于待补偿卫星集合中尚未补偿的故障概率最高的卫星，进行与④⑤相同的操作，直至补偿次数达到第一门限或各个卫星节点对的端到端传输可靠概率均达到第二门限。
8.一种卫星网络信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现权利要求1～5任意一项所述的增量补偿健壮拓扑控制方法。
9.一种实施权利要求1～5任意一项所述增量补偿健壮拓扑控制方法的增量补偿健壮拓扑控制***，其特征在于，所述增量补偿健壮拓扑控制***包括：
初始网络拓扑构建模块，用于根据卫星节点间的物理距离，使用MST算法从候选链路集合中选择部分链路构成已选链路集合，构建一个初始的网络拓扑；
双门限设定模块，用于按照卫星节点的故障概率降序地将所有卫星排列，得到一个待补偿卫星集合，并设定双门限，其中第一门限规定补偿次数的上限值，第二门限规定网络中节点对的端到端传输可靠概率的达标门限值；
第一端到端传输可靠概率计算模块，用于地面站选取初始网络拓扑中节点度数为1的卫星节点，将节点两两组对构成卫星节点对，并计算出每一个卫星节点对的两个卫星之间的端到端传输可靠概率；
拓扑比较模块，用于地面站从待补偿卫星集合中取出尚未补偿的故障概率最高的卫星进行补偿，将该卫星以及与该卫星关联的链路分别从初始卫星节点集合和候选链路集合中删去，对剩余的卫星节点集合和候选链路集合重新运行基于卫星间物理距离的MST算法生成新的拓扑，新拓扑与初始拓扑相比较，所增加的边即为补偿的边，将该补偿边添加到已选链路集合，与初始卫星节点集合共同表征补偿后的网络拓扑；
第二端到端传输可靠概率计算模块，用于计算补偿后的拓扑中各个度数为1的卫星节点组成的卫星节点对的端到端传输可靠概率；
补偿次数判断模块，用于若补偿次数未超过第一门限，并且各个卫星节点对的端到端传输可靠概率未全部达到第二门限，则对于待补偿卫星集合中尚未补偿的故障概率最高的卫星，进行与拓扑比较模块、第二端到端传输可靠概率计算模块、补偿次数判断模块相同的操作相同的操作，直至补偿次数达到第一门限或各个卫星节点对的端到端传输可靠概率均达到第二门限。
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