衛(wèi)星星座網絡路由和帶寬分配技術研究.pdf

1、星座網絡是空、天、地信息傳輸一體化網絡體系的重要組成部分,是國家航空航天的核心技術,同時也是下一代互聯(lián)網的主要成員。近年來,星座網絡的建設和研究成為世界各國發(fā)展航天軍事力量的重要任務。
　　星座網絡路由是星座網絡的核心技術,決定著整個網絡系統(tǒng)的性能。雖然地面網絡路由技術已經得到廣泛研究,但是大部分地面網絡路由技術不能直接應用于星座網絡。一方面,星座網絡具有自身特殊性,如拓撲動態(tài)性、傳輸時延長和星上資源受限等;另一方面,星座網絡覆蓋

2、全球,客觀上造成了業(yè)務分布不均衡。此外,大量新業(yè)務的出現(xiàn)對星座網絡路由也提出了更高的要求。前期的星座網絡路由算法利用星座拓撲的周期性和規(guī)律性取得了一定的成果,但是針對服務質量、負載均衡、擁塞控制以及星上資源受限等問題的路由算法仍然處于研究階段。越來越復雜的業(yè)務需求,使得設計出高效可靠的路由算法是當前星座網絡研究的重要課題。
　　為了系統(tǒng)、合理地研究星座網絡路由算法,本文首先綜合考慮星座網絡系統(tǒng)自身特性和全球業(yè)務復雜性兩大難點,以馬

3、爾科夫排隊理論為依據(jù),建立了基于動態(tài)星座拓撲和時變業(yè)務模型的路由研究平臺。隨后,從服務質量、擁塞管理、負載均衡以及星上帶寬分配四個部分對星座網絡路由逐步設計和優(yōu)化,提出了一套系統(tǒng)的星座網絡路由方案。本文主要研究內容包括:
　　第一,對星座網絡動態(tài)拓撲進行了深入的理論研究。首先建立衛(wèi)星軌道方程,推導出星間、星地鏈路的長度、方位角、仰角等幾何參數(shù)的數(shù)學公式。然后,重點分析了星座覆蓋和切換特性對路由設計的影響。通過推導單顆衛(wèi)星的可視時間

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)覆蓋的條件和時間。在路由優(yōu)化過程中,進一步分析了實際星座中“縫”和兩極地區(qū)對拓撲變化的影響,定量地推導出極軌道星座拓撲更新間隔和次數(shù),改進了前期簡單的拓撲結構,使得路由研究更具實際意義。最后,以典型的極軌道星座—銥星座建立仿真平臺,通過仿真實驗驗證了對星座拓撲特性理論推導的正確性,為星座網絡路由研究打下了基礎。
　　第二,針對星座拓撲動態(tài)特性和全球業(yè)務分布不均衡的問題,提出了拓撲和

5、業(yè)務的離散時間模型以及基于該模型的鏈路狀態(tài)自適應路由。以星上資源為約束條件,依據(jù)馬爾科夫排隊理論,從理論上對拓撲和業(yè)務離散時間模型的性能進行了分析。在此基礎上,提出了兩種鏈路狀態(tài)自適應路由算法,綜合考慮星座網絡拓撲特性、世界各地用戶的需求以及不同類型業(yè)務的QoS要求,提出了分類鏈路代價函數(shù),在星座網絡中自適應地選擇QoS路由,滿足不同類型業(yè)務的QoS要求,提高了鏈路狀態(tài)路由算法在星座網絡中的有效性。
　　第三,針對路由算法中常見的

6、由于業(yè)務聚合引起的擁塞問題,提出了一種面向擁塞控制的路由算法。首先,利用多協(xié)議標簽交換技術改進了星座網絡組網方案,降低了路由算法對星上處理能力的要求,增強了星座網絡路由技術的可擴展性。在此基礎上,提出了一種關鍵鏈路代價增量路由算法。通過引入關鍵鏈路的定義,并計算關鍵鏈路代價增量確定該路由對其它業(yè)務傳輸?shù)挠绊?利用網絡空閑鏈路分擔關鍵鏈路的負載,從而均衡網絡負載;同時,采用擁塞控制策略及時發(fā)現(xiàn)和預防早期擁塞。和傳統(tǒng)“獨立”計算的路由相比,

7、該算法不僅有利于提高業(yè)務QoS,同時還能改善網絡負載均衡性。最后,為了增強路由算法的抗毀性,提出了一種基于關鍵鏈路的可靠路由,為重要業(yè)務設計出備份路由。通過定義共享風險組、計算鏈路代價函數(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絡故障中的可靠性。
　　第四,針對多媒體業(yè)務 QoS要求復雜和星上資源受限的矛盾,提出了一種面向 QoS路由的帶寬分配機制。首先,采用令牌桶和加權公平隊列技術建立預留帶寬理論模型,計算出綜合時

8、延和帶寬約束的預留帶寬理論值。其次,提出多優(yōu)先級星上帶寬分配機制,根據(jù)不同業(yè)務的QoS要求調整網絡帶寬分配:高優(yōu)先級業(yè)務通過“借用”低優(yōu)先級業(yè)務帶寬,滿足自身 QoS要求;而低優(yōu)先級業(yè)務則通過調用網絡中的可用帶寬,盡可能地“補償”QoS損失,從而解決了傳統(tǒng)的多優(yōu)先級“搶占”機制導致低優(yōu)先級業(yè)務“餓死”的問題。最后,將多優(yōu)先級帶寬分配機制與改進的CLR路由算法結合,提出了一種新的基于多優(yōu)先級帶寬分配的QoS路由算法。根據(jù)不同類型業(yè)務的Qo