空间信息网络拥塞控制与路由研究

发布时间：2017-05-12 12:02

  本文关键词：空间信息网络拥塞控制与路由研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在全球经济迅速发展与航天技术不断突破的背景下,空间信息网络建设加快了前进的脚步。人类对宇宙的探索需求也对空间信息网络性能提出了极高的要求。然而不同空间领域信息传输环境的差异增加了空间信息网络构建的难度,因此从整体布局上把握网络体系架构对于完善网络功能、优化资源分配有指导性意义。世界范围内数据量的急剧增长将网络拥塞问题和优化路由问题又一次突显眼前。作为地面用户获知宇宙信息、开发太空资源的纽带和桥梁,空间信息网络的拥塞控制与路由研究至关重要。本论文以排队博弈、随机微分博弈理论等为基础数学工具,围绕空间信息网络的卫星骨干网拥塞控制与路由、深空通信拥塞控制以及平流层通信拥塞控制等方面展开研究,致力于构建高效、可靠空间信息网络。主要工作概括如下： (1)提出基于多层卫星骨干网的空间信息网络体系架构。针对空间业务的不同需求以及通信环境的特点,将空间信息网络划分为由卫星骨干网为连接,向上支持深空通信,向下辅助平流层通信及地面网络的网络体系架构。根据卫星骨干网在空间信息网络体系架构中承上启下的重要地位,建立由低、中、同步轨道三层卫星组成的网络结构。通过仿真验证卫星骨干网中低轨卫星层在动态运行时能够达到100%的全球覆盖率,与同步轨道卫星层对地球低、中纬度地区的高度覆盖相补充。并月.考虑到未来空间信息的大量涌入,提出卫星给骨干网合理资源分配与路由的要求。在深空通信网络层为解决高速深空探测器等航天器的接入,提出用户选择性接受服务的数据传输要求。最后在平流层提出应对地面网络大量数据辅助性通信的拥塞控制要求。为之后空间信息网络每‘层的算法设计提供了明确的目标。 (2)提出基于业务分级的卫星骨干网拥塞控制与路由算法。由于卫星骨干网不仅需要连接深空通信设备,而且承担平流层、地面网络等用户交付的各种不同类型的任务,区分用户的等级是保障网络高效运行和提高服务质量的前提。本文通过建立卫星骨干网排队博弈模型,以用户获得服务后的收益值不同描述不同业务等级的用户。在系统效益最优的条件下求解模型得到最优入场价格,用户结合自身信息来选择是否加入节点,以此对网络流量进行分散,从而确定卫星骨干网分级用户的拥塞控制方案。在此基础上,引入由最优入场价格、当前节点成本以及链路传输成本构成的卫星骨干网路由因子,设计路由算法使得不同类型用户能够实现全局最优路由,并通过数值和系统仿真验证在稳定状态下,提出的算法比LBQP算法对系统丢包率和平均时延分别降低了约50%和25%,瞬时网络吞吐量提高约1.25%。 (3)提出基于不耐烦用户的深空通信拥塞控制算法。深空通信环境与卫星通信相类似,然而深空通信用户的业务需求却有其独特性。在卫星骨十网拥塞控制方案的基础上,根据深空通信用户快速接入并接受服务的要求,对模型进行修改。以不耐烦程度表示深空用户在进入节点排队后的离开概率,设计基于排队博弈的深空通信拥塞控制算法。算法在确定节点阈值队长后,考虑到不耐烦用户的离开,提出预备队长的补充,以此来弥补用户离开行为在网络拥塞状况下对网络性能造成的不良影响。通过数值及系统仿真证明提出的算法比合作多代理拥塞控制算法对网络吞吐量有一定的提高,同时系统端到端平均时延下降约13%。 (4)提出基于动态窗口的平流层拥塞控制算法。空间信息网络中平流层通信拥塞控制主要针对与地面网络的信息传输。因此,本文提出采用非合作动态随机微分博弈理论,在TCP拥塞控制机制基础上提出动态窗口拥塞控制算法。首先,根据数据传输速率、RTT等因素对网络效益的影响,建立网络流量均衡模型。其次,通过求解反馈纳什均衡得到节点拥塞窗口的动态变化,并据此提出拥塞控制算法。通过数值仿真验证提出的算法比慢启动算法能够提高网络吞吐量约1.2倍,比TCP-Cherry算法提高约9%。
【关键词】：空间信息网络 拥塞控制 路由 排队博弈 随机微分博弈
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN927.2
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 插图和附表清单12-15
• 缩写和符号清单15-19
• 1 绪论19-35
• 1.1 研究背景及意义19-24
• 1.2 空间信息网络发展历程24-29
• 1.3 研究内容及主要创新点29-32
• 1.4 论文的组织结构32-35
• 2 空间信息网络体系架构35-53
• 2.1 空间信息网络国内外研究现状35-44
• 2.1.1 空间信息网络体系架构研究现状与趋势35-39
• 2.1.2 空间信息网络拥塞控制研究现状与分析39-41
• 2.1.3 空间信息网络路由研究现状与分析41-44
• 2.2 基于多层卫星骨干网的空间信息网络体系架构44-46
• 2.3 卫星骨干网结构仿真实验与分析46-51
• 2.4 小结51-53
• 3 基于业务分级的卫星骨干网拥塞控制与路由算法53-73
• 3.1 引言53-54
• 3.2 相关工作54-56
• 3.3 基于非均匀用户排队博弈的拥塞控制和优化路由模型56-71
• 3.3.1 系统模型56-58
• 3.3.2 拥塞控制机制58-62
• 3.3.3 基于排队博弈的优化路由算法62-64
• 3.3.4 仿真实验与分析64-71
• 3.4 小结71-73
• 4 基于不耐烦用户的深空通信拥塞控制算法73-93
• 4.1 引言73-74
• 4.2 相关工作74-75
• 4.3 基于不耐烦用户排队博弈的拥塞控制模型75-91
• 4.3.1 系统模型76-78
• 4.3.2 单节点阈值队长78-79
• 4.3.3 单节点预备队列拥塞控制方案79-81
• 4.3.4 多节点拥塞控制算法81-83
• 4.3.5 仿真实验与分析83-91
• 4.4 小结91-93
• 5 基于动态窗口的平流层拥塞控制算法93-111
• 5.1 引言93-94
• 5.2 相关工作94-95
• 5.3 微分博弈理论95-100
• 5.3.1 微分博弈基本概念95-96
• 5.3.2 微分博弈求解96-100
• 5.4 基于非合作随机微分博弈平流层拥塞窗口控制模型100-110
• 5.4.1 系统模型100-103
• 5.4.2 反馈纳什均衡解103-106
• 5.4.3 拥塞窗口控制算法106
• 5.4.4 仿真实验与分析106-110
• 5.5 小结110-111
• 6 结论111-113
• 参考文献113-127
• 作者简历及在学研究成果127-131
• 学位论文数据集131

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 妥艳君;刘云;郝立刚;;具有星际链路的LEO/MEO卫星网络动态路由协议[J];北京交通大学学报;2010年02期

2 朱筱虹;李喜来;杨元喜;;从国际卫星导航系统发展谈加速中国北斗卫星导航系统建设[J];测绘通报;2011年08期

3 胡剑浩,李涛,吴诗其;具有星际链路的LEO&MEO双层卫星网络路由策略研究[J];电子学报;2000年04期

4 骆永昆;李峥;徐永智;刘冲;王海霞;;国际卫星导航发展态势探析[J];国际研究参考;2014年03期

5 ;北斗系统首获国际组织认可[J];大众标准化;2014年12期

6 赵宇;“俄罗斯电信”卫星通信系统[J];国际太空;2000年01期

7 陆征;;2014年世界通信卫星回顾[J];国际太空;2015年02期

8 闵士权;;我国天基综合信息网构想[J];航天器工程;2013年05期

9 杨帆;韩淋;王海名;郭世杰;王海霞;;国际空间科学发展态势研究与思考[J];中国科学院院刊;2014年05期

10 余哲赋;朱晓薇;吴兆峰;周海刚;;多层卫星网络路由协议研究[J];网络安全技术与应用;2011年12期

  本文关键词：空间信息网络拥塞控制与路由研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：359690