一种基于朴素贝叶斯辅助的接触图路由方法及存储介质与流程

1.本发明涉及空间通信技术领域，尤其涉及一种基于朴素贝叶斯辅助的接触图路由方法及存储介质。


背景技术：

2.空间通信网络与传统的通信网络场景，例如电路交换网络不同，有着通信链路路径延迟高、传输数据速率低，通信节点间的连接可能长时间处于中断，不稳定状态等特点，因此，传统通信网络的路由算法，通常建立在链路连接稳定，延迟小的基础之上，无法适用空间通信场景。为了解决空间通信网络的数据传输问题，时延容忍网络(dtn)被设计出来，其在传统tcp/ip通信协议的基础上，在传输层与应用层之间增加了捆绑层(bl)，以存储-转发的方式实现数据传输。
3.dtn网络架构包括路由算法、拥塞控制、网络安全等，其中路由算法为数据包提供传输方向，是dtn中极为重要的一环，一种优良的路由算法会通过迅速、可靠的路径规划，提高传输效率，增大吞吐量。
4.接触图路由(cgr)算法是一种空间通信场景下，基于先验知识的分布式路由算法，用以在源路由器节点和目标路由器之间寻找到多条有效、耗时较短的路由路径，以较好地解决空间通信在传输大量数据时数据投递率低、平均时延高以及星上资源不足等问题。
5.然而，随着空间通信不断向深空发展，太空干扰将会越来越严重，以至于传统cgr算法基于的先验知识失效，将出现路径规划失效的问题。在深空通信场景下，传统cgr算法路径规划可靠性低，数据投递率低，难以满足正常数据传输需求的问题，改善cgr算法的路径规划可靠性，提高数据投递效率，是本领域需要解决的问题。


技术实现要素：

6.针对传统cgr算法在强太空干扰下可靠性和数据投递率低的问题，本发明提出了一种基于朴素贝叶斯辅助的接触图路由方法，以期弥补传统cgr的不足，提高深空通信场景下的数据传输可靠性和传输效率。
7.根据本发明提供的一种基于朴素贝叶斯辅助的接触图路由方法，包括以下步骤：
8.(1)根据节点扩展cgr提出的接触数据库，将本地节点状态记录为快照，建立状态向量s对节点快照表示，再向向量s中增加属性ln形成新的状态向量x，ln表示传输数据包的节点对索引；
9.(2)假设数据沿着本地节点和相邻节点构成的候选链路传输，所述其中l
ln
表示本地节点和相邻节点构成的所有候选链路的集合，k表示链路序号，1≤k≤m，m表示相邻节点个数，则节点快照sc更新为根据朴素贝叶斯法计算本地节点与相邻节点构成的任意节点对l'n'之间的潜在不可靠性概率
10.(3)根据获得的不可靠性概率计算本地节点的不可靠性概率
11.(4)根据以下公式确定与本地节点传输数据的最佳相邻节点：
[0012][0013]
将该最佳相邻节点作为下一个传输节点，其中为预计回收时间间隔。
[0014]
(5)更新当前的节点状态，将当前的本地节点状态和数据传输链路选择结果作为重传请求，导入自身扩展的接触数据库中进行更新。
[0015]
进一步地，步骤(1)中所述的本地节点状态包括：本地节点到相邻节点的距离，误比特率，输入输出速率和重传请求。
[0016]
进一步地，步骤(1)中所述状态向量s和状态向量x分别表示如下：
[0017][0018][0019]
其中，i表示第i个节点快照，即节点要发送第i个数据包时的快照，l是节点的属性总数，是第j个属性的取值。
[0020]
进一步地，步骤(2)中所述的根据朴素贝叶斯法计算的本地节点与相邻节点构成的任意节点对l'n'之间的潜在不可靠性概率是根据如下公式获得：
[0021][0022]
其中，y＝1表示节点对l'n'之间未传输数据包，即本地节点未选择该节点传输数据，《sk，l
′n′
》表示节点对l'n'处于状态sk。
[0023]
进一步地，步骤(3)中所述的本地节点的不可靠性概率是根据如下公式获得：
[0024][0025]
其中l
l'n
′
是节点对l'n'之间的流量与整个网络中的总流量之比，
[0026][0027]
其中，h为本地节点拟发送的数据包个数，
[0028][0029]
其中，mi为发送第i个数据包时可转发相邻节点个数，n为发送的总数据包个数。
[0030]
进一步地，步骤(4)中所述的预计回收时间间隔是根据如下公式获得：
[0031]
[0032]
其中，为根据标准cgr产生的预计到达时间,tc为当前时间。
[0033]
进一步地，所述的p(y＝1)表示已经传输的数据包在本地节点的不可靠性概率，根据如下公式获得：
[0034][0035]
进一步地，所述p(《sk,l'n'》|y＝1)表示在未传输数据包的情况下节点对l'n'处于状态sk的概率，根据如下公式获得：
[0036][0037]
进一步地，所述p(《sk,l'n'》)表示节点对l'n'处于状态sk的概率，根据如下公式获得：
[0038][0039]
其中，
[0040][0041]
p(l'n')是数据传输发生在l'n'之间的概率，
[0042][0043]
为了实现上述方法，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，具体地，用于存储计算机程序，所述计算机程序执行上述的基于朴素贝叶斯的接触图路由方法。
[0044]
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0045]
1.本发明扩展的节点接触数据库，以节点快照形式记录了节点间的距离、误比特率、输入输出速率和重传请求等对链路传递效率起关键作用的信息，更加全面、有效地记录节点的历史状态信息，以更好地根据过去周期性的轨道信息评估当前节点的可靠性；
[0046]
2.本发明运用了朴素贝叶斯方法，通过对每个候选链路的不可靠性概率计算，进行全面的比较，可以更加准确地选取最佳链路，且对有限的存储资源影响较小；
[0047]
3.将朴素贝叶斯学习得到的节点可靠性和标准cgr得到的最早回收时间相结合，产生全新的路由选择策略，既考虑了链路的可靠性，又考虑了数据传输的效率，以适应恶劣的太空环境，满足空间通信数据传输的基本需求。
附图说明
[0048]
图1为本发明所述基于朴素贝叶斯辅助的接触图路由方法的流程图。
具体实施方式
[0049]
结合图1和以下具体实施例可以更好地理解本发明的技术方案，实施例是对本发明提供的技术方案的进一步说明，但不应理解成对本发明的限制。
[0050]
实施例1：
[0051]
参见图1说明本实施例，本实施例提供了一种基于朴素贝叶斯辅助的接触图路由方法，包括如下步骤：
[0052]
(1)根据节点扩展cgr提出的接触数据库，将本地节点状态记录为快照，建立状态向量s对节点快照表示，再向向量s中增加属性ln，ln表示传输数据包的节点对索引；
[0053]
(2)假设数据沿着本地节点和相邻节点构成的候选链路传输，所述其中l
ln
表示本地节点和相邻节点构成的所有候选链路的集合，k表示链路序号，1≤k≤m，m表示相邻节点个数，则节点快照sc更新为根据朴素贝叶斯法计算本地节点与相邻节点构成的任意节点对l'n'之间的潜在不可靠性概率
[0054]
(3)根据获得的不可靠性概率计算本地节点的不可靠性概率
[0055]
(4)根据以下公式确定与本地节点传输数据的最佳相邻节点：
[0056][0057]
将该最佳相邻节点作为下一个传输节点，其中为预计回收时间间隔。
[0058]
(5)更新当前的节点状态，将当前的本地节点状态和数据传输链路选择结果作为重传请求，导入自身扩展的接触数据库中进行更新。
[0059]
本实施例结合节点可靠性和最早回收时间两个参数，既考虑了链路的可靠性，又考虑了数据传输的效率，选择可靠性且传输效率高的相邻节点进行数据传输，因此可以有效提高数据投递地成功率，以适应恶劣的太空环境。
[0060]
实施例2：
[0061]
本实施例是对实施例1所述的基于朴素贝叶斯辅助的接触图路由方法的进一步限定，本实施例中，步骤(1)中所述的本地节点状态包括：本地节点到相邻节点的距离，误比特率，输入输出速率和重传请求；所述状态向量s和状态向量x分别表示如下：
[0062][0063][0064]
其中，i表示第i个节点快照，即节点要发送第i个数据包时的快照，l是节点的属性总数，是第j个属性的取值。
[0065]
这些本地节点状态信息对链路传递效率起关键作用，以节点快照的形式得以更加全面、有效地记录，可以更好地根据过去周期性的轨道信息评估当前节点的可靠性。
[0066]
实施例3：
[0067]
本实施例是对实施例1所述的基于朴素贝叶斯辅助的接触图路由方法的进一步限
定，本实施例中，步骤(2)中所述的根据朴素贝叶斯法计算的本地节点与相邻节点构成的任意节点对l'n'之间的潜在不可靠性概率是根据如下公式获得：
[0068][0069]
其中，y＝1表示节点对l'n'之间未传输数据包，即本地节点未选择该节点传输数据，《sk，l
′n′
》表示节点对l'n'处于状态sk。
[0070]
具体地，所述的p(y＝1)表示已经传输的数据包在本地节点的不可靠性概率，根据如下公式获得：
[0071][0072]
其中i{y(i)＝1}是一个指示函数，y(i)＝1成立时该函数值为1，否则为0。
[0073]
具体地，所述p(《sk,l'n'》|y＝1)表示在未传输数据包的情况下节点对l'n'处于状态sk的概率，根据如下公式获得：
[0074][0075]
其中，
[0076][0077][0078]
具体地，所述p(《sk,l'n'》)表示节点对l'n'处于状态sk的概率，根据如下公式获得：
[0079][0080]
其中，
[0081][0082]
p(l'n')是数据传输发生在l'n'之间的概率，
[0083]
[0084]
本实施例对本地节点与每个相邻节点间传输数据的不可靠性概率进行计算，运用朴素贝叶斯的方法，该方法有着坚实的数学基础，算法逻辑简单，易于实现且对有限的存储资源影响较小。
[0085]
实施例4：
[0086]
本实施例是对实施例1所述的基于朴素贝叶斯辅助的接触图路由方法的进一步限定，本实施例中，步骤(3)中所述的本地节点的不可靠性概率是根据如下公式获得：
[0087][0088]
其中l
l
'n
′
是节点对l'n'之间的流量与整个网络中的总流量之比，
[0089][0090]
其中，h为本地节点拟发送的数据包个数，
[0091][0092]
其中，mi为发送第i个数据包时可转发相邻节点个数，n为发送的总数据包个数。
[0093]
本实施例通过节点对间的流量占比和节点对间传输的不可靠性概率，获得本地节点的不可靠性概率，作为选择最佳相邻节点的重要参数，以准确反映本地节点传输数据的可靠性。
[0094]
实施例5：
[0095]
本实施例是对实施例1所述的基于朴素贝叶斯辅助的接触图路由方法的进一步限定，本实施例中，步骤(4)中所述的预计回收时间间隔是根据如下公式获得：
[0096][0097]
其中，为根据标准cgr产生的预计到达时间,tc为当前时间。
[0098]
通过本实施例获得的预计回收时间间隔，作为评估最佳相邻节点的又一个重要参数，反映本地节点传输数据的传输效率，结合实施例4中获得的本地节点的不可靠性概率，可以更加精准地选择高可靠性和高传输效率的最佳链路。
[0099]
实施例6：
[0100]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，具体地，用于存储计算机程序，所述计算机程序执行实施例1-5中任意基于朴素贝叶斯的接触图路由方法。
[0101]
对本发明提供的方法进行仿真验证：利用stk搭建geo/leo双层卫星通信系统，将轨道数据导入已安装dtnsim模块的omnet 软件平台，其中leo层48(6*8)颗、geo层3(1*3)颗，地面站分别有北京、纽约、柏林、堪培拉、巴西利亚、布拉柴维尔，通过在地面站之间传递数据，比较传统的cgr路由算法和基于贝叶斯辅助的cgr路由算法的数据投递成功率，试验结果显示，数据投递成功率从82.7％提高到94.5％，提高了11.8％。
[0102]
以上结果可以证明，运用本发明提供的方法，在强太空干扰下，数据投递成功率较传统cgr路由算法有明显的提高，可以满足空间通信数据传输的基本需求。