基于软件定义的星地协同传输方法

发布时间：2020-06-09 00:32

【摘要】：随着人类活动逐步从内陆走向沙漠山川、深海大洋和浩瀚宇宙,对卫星网络与地面网络的一体化管理与协同传输提出了迫切的要求。星地一体化网络是由位于高轨、中轨、低轨的多种卫星网络(通信、遥感、导航等卫星系统)和地面网络(互联网、移动通信网络3G/4G等)组成的跨时空综合网络,可以方便地为因特网和地面移动通信网络触及不到的地区提供通信服务。它将不仅在应急救援、远洋巡航等关键领域发挥无可替代的作用,也能够为飞机、高铁上的高速移动用户提供不间断的网络与信息服务,成为社会发展与人类生活中不可或缺的信息基础设施。为了提升星地网络的整体效能,需要综合卫星与地面网络的各自优势,通过功能可重配的网络管理与星地协同的立体传输,充分利用各层网络资源特别是有限的卫星资源。然而,现有的研究工作侧重于解决卫星与地面网络的互联互通问题,缺乏对星地网络资源进行可控管理与协同调度的有效支持。针对上述问题,本文以卫星与地面网络结构有机融合、星地协同传输为目标,研究了能够高效管理星地网络资源的网络架构,以及星地协同传输的模型与方法,提升了星地网络综合传输能力。主要工作和贡献包括如下几个方面:·设计了基于软件定义的星地一体化网络架构。针对星地网络的结构差异与资源有限性,按照域内集中、域间协同的原则,设计了能够对节点实施可编程管理的星地网络架构,对自治的星地网络进行按需控制与协同,高效管理网络资源,为实现星地协同传输、提升星地网综合能力提供结构基础。·提出了星地协同传输的数学模型。该模型定量描述了在高轨、中轨、低轨卫星网络与地面网络协同立体传输的环境中,星地一体化动态网络容量优化问题,这是星地网络协同传输能力的上界。·提出了网络环境适变、动态负载敏感的星地立体传输算法。首先,考虑到星间链路相对于地面链路的长传输时延和高误码率,提出了综合链路特征、链路与节点负载状态的星地协同传输定量评价模型。然后,研究实现了自适应网络状况与负载的高效星地多路径路由算法。通过控制器级的域内调度和超级控制器级的域间调度,可以实现不同粒度的流量调度与负载均衡。最后,研究了基于负载均衡的星地多路径流量动态分配算法。最后,我们开发了具有分级网络控制功能的星地一体化网络仿真验证系统,并与相关成果QSR(Qo S-oriented Satellite Routing)和MVA(Mean Value Analysis)进行了多项性能对比与分析。结果表明:本文提出的方法在网络吞吐量、端到端时延、传输质量、负载均衡等方面均具有明显的优势。
【图文】：

图 2 1 卫星网络架构 OpenSANFig. 2 1 OpenSAN: satellite network architecture2.2.2 基于 SDN 的天地网络体系结构传统网络架构采用分布式路由计算策略，协议难以修改，计算开销大，可扩展性差维护困难。借助软件定义思想，不同的天地一体化网络架构被相继提出。按照管理方式的不同，可分为地面控制器与高轨卫星作为控制平面，低轨卫星作为数据平面和控制平面与数据平面部署在同层星座两类。如图 2-1，OpenSAN [3] 以地面控制中心作为管理平面，负责路由计算、用户管理、资源分配等工作，GEO 卫星作为控制平面，一方面获取全网状态信息，交付管理平面计算，，另一方面接收管理平面信令，转化为控制指令下传给 LEO 卫星；LEO 卫星作为数据平面，提供接入服务。此类架构计算集中，部署简单，但管理路径较长，管理开销较大。为降低控制代价，Zhang 等提出在 LEO 卫星星座内同时部署控制平面与数据平面方法 [4]。每颗卫星使用 6 条星间链路，分别与相邻/相同轨道邻居节点，相同轨道跨卫星节点相连，控制器与交换节点交叉部署，保证控制平

基于软件定义的星地协同传输方法 上海交通大学硕士学位论文制域间的路由计算、资源调配与负载均衡。自治域（类似 Internet 的 AS）。卫星网络以星座、星簇、星群等卫星系统（以下统称“星座”）作为自治域；地面 Internet 以组织骨干网划分自治域。同一自治域受多个扁平的超级控制器联合管控。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN927.2

【参考文献】

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1 张乃通;赵康P

本文编号：2703897