基于时空图模型的卫星DTN网络容断路由算法的研究

发布时间：2020-05-25 05:53

【摘要】：卫星网络是以卫星为载体,例如:同步卫星、中轨卫星、低轨卫星等,进行实时的空间信息获取、处理并提供数据传输的网络系统,在航空航海、航天测控、灾难救援、定位导航等领域的应用都起着重要支撑作用,是国家最重要的基础设施之一。除此之外,卫星网络能够支持高动态的实时传输,进行对地观测;支持大时延、远距离的可靠传输,进行深空探测,由此将我们的生产活动及科学研究拓展至远洋、空间、乃至深空。因此,卫星网络已经成为全球的研究热点。21世纪以来,随着科技的日益发展,语音、图像、视频等数据通信业务在具有全球覆盖能力的卫星网络中传输,使得卫星网络成为最重要的覆盖全球新型移动通信系统的组成部分之一。由多个卫星节点组成的卫星网络,通过路由查找及星间链路连接进行数据包转发等工作,实现通信。然而卫星网络拓扑具有时变特性,主要表现为:(1)星间链路及星地链路的连通情况随时间改变,导致卫星网络被切割频繁,几乎不存在端到端路径,适用于静态网络的TCP/IP协议不能够完成卫星网络环境中的数据传输;(2)卫星网络中节点所处空间环境复杂,高速运动导致链路条件随时间变化,当网络中出现随机中断后无法快速修复,因此对于卫星网络中预防随机中断的路由策略研究至关重要;(3)卫星网络中卫星节点的不均衡负载、突发性设备损坏、节点故障会导致星间链路中断,特别是在卫星网络用于军事中,更易遭遇敌方打击而出现网络随机中断。因此,对卫星网络发生随机中断后对数据重新规划研究具有非常重要的意义。对于时变特性出现的问题一,本文采用了容断网络(Disruption-Tolerant Networking,DTN)网络模型,数据传输协议遵循DTN网络中的BP/LTP协议;对于时变特性出现的问题二和三采取时空图模型刻画时变网络拓扑结构,并在其模型上设计预防及处理随机中断的数据传输策略。论文的主要贡献如下:本文利用时空图模型对卫星时变网络拓扑建模,分析了卫星网络现状及路由策略。对卫星网络中出现的中断问题进行分类,确定处理随机中断带来的传输问题并建立随机中断概率模型。基于网络中随机中断的特点,确立了时空图的建模方法;在此基础上,提出了具体的时空图构建算法;针对卫星网络出现的随机中断问题,设计预防随机中断路由策略,通过将中断概率与传输能量开销相融合,并结合DTN网络的数据传输过程定义时空图边权值数学模型;提出了基于时空图模型的预防随机中断路由算法。在满足时延要求的情况下,当网络中发生随机中断,以最小数据传输代价完成数据传输任务。在卫星DTN网络中,分析了随机中断发生后对网络中数据传输的具体影响;将随机中断发生前和发生后关注的路由问题以数学模型的形式展现;提出基于时空图模型的随机中断弹性路由策略,发生中断后就在更新的时空图模型上找到具有最小能量开销的一组路由,并满足时延要求,为卫星网络在发生随机中断时,数据的传输问题提供了一种实际可行的方案。卫星网络中发生随机中断后,保证数据的正常传输并使其能量开销达到最小。本文设计的弹性路由算法相较于其他传统路由算法,能够有效处理卫星网络中随机中断问题。
【图文】：

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文位于 LEO 卫星视距范围内，并与 LEO 卫星通过星间链路相连。除此之外，还需要保证 LEO 卫星之间没有星间链路连接，这样能够减少由于低轨卫星之间链路的频繁中断而导致的卫星网络不稳定。DLSC 卫星网络结构见图 1-1。文献[13]中由 MEO 和 LEO 卫星构成的双层卫星网络结构，与 DLSC 网络结构不同，其中单层 LEO 卫星能够覆盖地球，与此同时，，MEO 层卫星能够完全覆盖 LEO 层卫星。在 LEO 层中，每一个 LEO 卫星都具有 4 颗邻近的卫星，包含同一轨道的 2 颗 LEO 卫星和相邻轨道的 2 颗 LEO 卫星；在 MEO 层卫星与 ICO 结构类似，网络结构具有 2 个轨道，每个轨道运行 5 颗 MEO 卫星。其中，同一轨道面内的 MEO 卫星保证链路状态稳定，不能随着卫星的运动发生改变。

图 1-2 MLSN 卫星网络结构1.2.2 卫星网络路由研究现状在卫星网络中，利用星间链路相互连接能够完成路由查找、数据等工作[13]。卫星网络使用星间链路比使用透明转发的优势在于：（1链路连接的卫星网络能够脱离传统电话网络，满足任意区域的地面终的通信需求。（2）卫星网络能够成为独立网络，提升整体卫星通信质络健壮性。（3）随着技术发展，人们对通信的实时性要求更高，因此星网络可以快速传递信息并处理交换数据，减少传输时延。（4）在地蜂窝通信中，越区会产生一些漫游问题，从而影响通信质量，卫星网时通信及数据转发可以用来辅助解决该问题，实现全球通信。因此，信系统中使用星间链路仍然是未来一段时间内的发展趋势。但卫星网环境复杂，网络中节点出现故障时，星间链路发生随机中断，严重影通信。卫星所处的空间环境中，由于电磁干扰、距离改变、节点损坏、击、能源携带有限等因素，都可能导致卫星网络中的节点发生故障，
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN927.2

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本文编号：2679673