衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)路由和帶寬分配技術(shù)研究.pdf

1、星座網(wǎng)絡(luò)是空、天、地信息傳輸一體化網(wǎng)絡(luò)體系的重要組成部分,是國(guó)家航空航天的核心技術(shù),同時(shí)也是下一代互聯(lián)網(wǎng)的主要成員。近年來(lái),星座網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和研究成為世界各國(guó)發(fā)展航天軍事力量的重要任務(wù)。
　　星座網(wǎng)絡(luò)路由是星座網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù),決定著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能。雖然地面網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)已經(jīng)得到廣泛研究,但是大部分地面網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)不能直接應(yīng)用于星座網(wǎng)絡(luò)。一方面,星座網(wǎng)絡(luò)具有自身特殊性,如拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性、傳輸時(shí)延長(zhǎng)和星上資源受限等;另一方面,星座網(wǎng)絡(luò)覆蓋

2、全球,客觀上造成了業(yè)務(wù)分布不均衡。此外,大量新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)對(duì)星座網(wǎng)絡(luò)路由也提出了更高的要求。前期的星座網(wǎng)絡(luò)路由算法利用星座拓?fù)涞闹芷谛院鸵?guī)律性取得了一定的成果,但是針對(duì)服務(wù)質(zhì)量、負(fù)載均衡、擁塞控制以及星上資源受限等問(wèn)題的路由算法仍然處于研究階段。越來(lái)越復(fù)雜的業(yè)務(wù)需求,使得設(shè)計(jì)出高效可靠的路由算法是當(dāng)前星座網(wǎng)絡(luò)研究的重要課題。
　　為了系統(tǒng)、合理地研究星座網(wǎng)絡(luò)路由算法,本文首先綜合考慮星座網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自身特性和全球業(yè)務(wù)復(fù)雜性兩大難點(diǎn),以馬

3、爾科夫排隊(duì)理論為依據(jù),建立了基于動(dòng)態(tài)星座拓?fù)浜蜁r(shí)變業(yè)務(wù)模型的路由研究平臺(tái)。隨后,從服務(wù)質(zhì)量、擁塞管理、負(fù)載均衡以及星上帶寬分配四個(gè)部分對(duì)星座網(wǎng)絡(luò)路由逐步設(shè)計(jì)和優(yōu)化,提出了一套系統(tǒng)的星座網(wǎng)絡(luò)路由方案。本文主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　第一,對(duì)星座網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)溥M(jìn)行了深入的理論研究。首先建立衛(wèi)星軌道方程,推導(dǎo)出星間、星地鏈路的長(zhǎng)度、方位角、仰角等幾何參數(shù)的數(shù)學(xué)公式。然后,重點(diǎn)分析了星座覆蓋和切換特性對(duì)路由設(shè)計(jì)的影響。通過(guò)推導(dǎo)單顆衛(wèi)星的可視時(shí)間

4、、可視距離和可視范圍,分析了多顆衛(wèi)星完成切換和連續(xù)覆蓋的條件和時(shí)間。在路由優(yōu)化過(guò)程中,進(jìn)一步分析了實(shí)際星座中“縫”和兩極地區(qū)對(duì)拓?fù)渥兓挠绊?定量地推導(dǎo)出極軌道星座拓?fù)涓麻g隔和次數(shù),改進(jìn)了前期簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),使得路由研究更具實(shí)際意義。最后,以典型的極軌道星座—銥星座建立仿真平臺(tái),通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了對(duì)星座拓?fù)涮匦岳碚撏茖?dǎo)的正確性,為星座網(wǎng)絡(luò)路由研究打下了基礎(chǔ)。
　　第二,針對(duì)星座拓?fù)鋭?dòng)態(tài)特性和全球業(yè)務(wù)分布不均衡的問(wèn)題,提出了拓?fù)浜?/p>

5、業(yè)務(wù)的離散時(shí)間模型以及基于該模型的鏈路狀態(tài)自適應(yīng)路由。以星上資源為約束條件,依據(jù)馬爾科夫排隊(duì)理論,從理論上對(duì)拓?fù)浜蜆I(yè)務(wù)離散時(shí)間模型的性能進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上,提出了兩種鏈路狀態(tài)自適應(yīng)路由算法,綜合考慮星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦?、世界各地用戶的需求以及不同類型業(yè)務(wù)的QoS要求,提出了分類鏈路代價(jià)函數(shù),在星座網(wǎng)絡(luò)中自適應(yīng)地選擇QoS路由,滿足不同類型業(yè)務(wù)的QoS要求,提高了鏈路狀態(tài)路由算法在星座網(wǎng)絡(luò)中的有效性。
　　第三,針對(duì)路由算法中常見的

6、由于業(yè)務(wù)聚合引起的擁塞問(wèn)題,提出了一種面向擁塞控制的路由算法。首先,利用多協(xié)議標(biāo)簽交換技術(shù)改進(jìn)了星座網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案,降低了路由算法對(duì)星上處理能力的要求,增強(qiáng)了星座網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)的可擴(kuò)展性。在此基礎(chǔ)上,提出了一種關(guān)鍵鏈路代價(jià)增量路由算法。通過(guò)引入關(guān)鍵鏈路的定義,并計(jì)算關(guān)鍵鏈路代價(jià)增量確定該路由對(duì)其它業(yè)務(wù)傳輸?shù)挠绊?利用網(wǎng)絡(luò)空閑鏈路分擔(dān)關(guān)鍵鏈路的負(fù)載,從而均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載;同時(shí),采用擁塞控制策略及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防早期擁塞。和傳統(tǒng)“獨(dú)立”計(jì)算的路由相比,

7、該算法不僅有利于提高業(yè)務(wù)QoS,同時(shí)還能改善網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡性。最后,為了增強(qiáng)路由算法的抗毀性,提出了一種基于關(guān)鍵鏈路的可靠路由,為重要業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)出備份路由。通過(guò)定義共享風(fēng)險(xiǎn)組、計(jì)算鏈路代價(jià)函數(shù)、選擇候選路徑,以及聯(lián)合最優(yōu)策略等,保證了路由算法在網(wǎng)絡(luò)故障中的可靠性。
　　第四,針對(duì)多媒體業(yè)務(wù) QoS要求復(fù)雜和星上資源受限的矛盾,提出了一種面向 QoS路由的帶寬分配機(jī)制。首先,采用令牌桶和加權(quán)公平隊(duì)列技術(shù)建立預(yù)留帶寬理論模型,計(jì)算出綜合時(shí)

8、延和帶寬約束的預(yù)留帶寬理論值。其次,提出多優(yōu)先級(jí)星上帶寬分配機(jī)制,根據(jù)不同業(yè)務(wù)的QoS要求調(diào)整網(wǎng)絡(luò)帶寬分配:高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)通過(guò)“借用”低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)帶寬,滿足自身 QoS要求;而低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)則通過(guò)調(diào)用網(wǎng)絡(luò)中的可用帶寬,盡可能地“補(bǔ)償”QoS損失,從而解決了傳統(tǒng)的多優(yōu)先級(jí)“搶占”機(jī)制導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)“餓死”的問(wèn)題。最后,將多優(yōu)先級(jí)帶寬分配機(jī)制與改進(jìn)的CLR路由算法結(jié)合,提出了一種新的基于多優(yōu)先級(jí)帶寬分配的QoS路由算法。根據(jù)不同類型業(yè)務(wù)的Qo