基于DTN卫星网络的CGR路由算法研究

发布时间：2020-06-08 10:26

【摘要】：近些年来,随着科学技术的发展,人们所需要进行通信数据传输的场景也变得日益丰富,出现了许多新的通信场景。其中,空间通信网络就是一个主要的新兴通信场景。空间通信网络场景与传统的通信网络场景不同,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不稳定状态等特点。为了解决空间通信网络场景的数据传输问题,DTN(Delay Tolerant Network)网络的概念也因此而产生。国际互联网研究工作组首先发表了DTN网络指南,第一次提出了DTN网络的概念。DTN网络协议在传统通信协议的基础上,在传输层与应用层之间增加了捆绑层(Bundle Layer),以存储-转发的方式实现在DTN网络中的数据传输。因为空间DTN通信网络中的传输节点运动存在规律拥有周期性,美国航空航天局NASA提出了一种基于通信网络先验知识的CGR(Contact Graph Routing)路由算法。本文对空间DTN网络中的CGR路由算法进行研究,并根据其他类型的DTN路由算法的设计思路对CGR路由算法进行改进,提高CGR路由算法的通信效率。本文的主要内容如下:首先,本文介绍了DTN网络与传统网络有所不同的特点,然后研究分析了DTN网络协议体系的结构特点,对DTN网络协议体系中的捆绑层协议的作用做了重点说明。接着对CGR路由算法进行了介绍,说明了CGR路由算法的设计思路以及CGR路由算法的数据传输流程,并指出了CGR路由算法尚存的不足之处。其次,本文基于CGR路由算法提出了基于概率值多播传输的CGR路由算法改进算法MP-CGR(Multipath Probabilistic Contact Graph Routing)路由算法。为了更好地应对空间通信网络应用场景,MP-CGR路由算法在面对数据包传输成功或失败时,采用不同的数据传输方式。在MP-CGR路由算法在路由算法中加入了多播的数据传输方式,以及通过传输概率选择传输节点。MP-CGR路由算法通过上述改进实现对CGR路由算法的改进优化。最后,本文设计了一个火星-地球的空间网络通信场景模型,并搭建了一个DTN网络仿真平台对CGR路由算法以及MP-CGR路由算法在该通信场景下进行仿真。本文采用STK(Satellite Tool Kit)仿真软件构建火星-地球通信场景模型的拓扑结构,模拟通信网络中节点的运动轨迹并生成相应的接触图。再将从STK仿真软件得到的数据导入到ION(Interplanetary Overlay Network)仿真软件,使用ION软件对CGR路由算法与MP-CGR路由算法的通信效率进行对比。仿真结果表明,MP-CGR路由算法在数据包投递速率、传输平均时延均优于CGR路由算法。
【图文】：

场景,通信网络,水下通信,通信性能

第1章引言1.1 课题背景与意义近些年来,伴随着通信技术的发展，人们进行数据传输的通信场景也变得愈加丰富，出现了许多新的通信场景，其中包括空间通信网络[1][2]、水下通信网络[3][4]、传感器网络[5]、移动车载网[6][7]、乡村通信网络[8][9]、战术通信网络等[10]-[12]。与传统的通信网络场景相比，这些新兴通信网络场景的主要特点是：通信传输时延长、数据传输速率不对称、通信链路频繁中断、误码率高而且传输节点资源有限[13]。由于这些新兴的通信网络场景有着上述特点，所以传统的TCP/IP 通信协议在这些通信网络场景下通信性能急剧恶化，并不再是这些通信场景之中的最佳选择。

路由算法,数据包,目的节点,源节点

图 1.2 DTN 网络路由算法分类1.2.1 无先验知识路由算法在 2004 年，Jain 等人提出了 DD（Direct Delivery）路由算法[29]。在所有DTN 网络路由算法中，基于消息直接转发的 DD 路由算法是算法数据传输思路最简单直接的 DTN 网络路由算法。在通信网络中，源节点一直携带待传输的数据包，直到遇到目的节点再把数据包传输给目的节点。显然，DD 路由算法有着极低的算法复杂度以及网络开销。但是 DD 路由算法的数据传输方式也带来了过长的传输时延以及极低的消息传递率，实际应用价值并不高。在 DD 路由算法的基础上，Grossglauser 提出了一种两跳转发路由算法[30]，，与 DD 路由算法不同的是，在两跳路由算法中源节点会对要传输的数据包进行一次转发，将数据包转发到源节点的所有相邻接点，之后数据包就不再继续转发直到遇到目的节点。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN927.2

【参考文献】