面向空间DTN高动态链路的传输策略优化研究

摘要

进入21世纪以来，为应对地球环境所面临的危机，及时、准确和完整的空天资源的获取对环境监测、灾害预报、资源探测等地球科学及生产活动显得益发重要。同时，表征空天范围内资源的空间信息也关系到国家发展的战略利益，从维护国家边界安全的制空权、制海权、制天权到制信息权，都需要拥有绝对的空间信息获取、传输和综合利用能力。为此，近年来，美国和欧洲各国相继启动了空间信息网络研究计划，我国也计划在未来十五年重点发展航空航天技术，建立自己的空间信息网络。
　　空间信息网络是集空、天、地资源于一体的综合信息网络，其组成包括不同高度的在轨卫星、航空器及空间平台等天基、空基通信设施及其空中和地面用户，具有广域连续通信和监测能力，是空间信息资源实时获取与互通互联的重要手段和途径。然而，由于所承载平台的高动态特点，空间信息网络的数据传输性能很大程度上受制于时变网络拓扑，主要问题体现为：第一，链路的通断状态随时间演变，致使网络被频繁切割，缺乏端到端路径，导致TCP/IP协议无法胜任空天环境的数据传输；第二，由于缺乏动态拓扑的表征模型，为应对时变网络拓扑，以往采用的分布式路由策略虽可以捕捉网络的最新状态并据此逐跳选取最优转发链路，但缺乏网络全局信息，只能确保局部最优性，难以满足整体的QoS要求；第三，节点间的高速运动使链路条件时变（如误码率恶化），容易形成衰落信道，导致中断事件发生，从而给数据传输引入额外时延。针对问题一，本文研究的通信场景采用容迟/容断网络（Delay/Disrupt-Tolerant Networking, DTN）架构，所考虑的数据传输遵循BP/LTP（Bundle/Licklider Transmission Protocol）协议体系。针对问题二和问题三，本文分别设计了基于时变图的数据传输策略及中断处理机制，论文的主要贡献如下：
　　(1)本文分析了时变网络拓扑对数据传输策略的影响以及现有解决方案分布式路由策略的弊端，相应地引入了时变图分析框架。本文首先对常用的时变图模型做了分析对比，确立了时空图拓扑建模方法。根据时空图的特点，本文首次给出了具体的时空图构建算法。在此过程中，本文结合 DTN数据传输过程对链路容量和传输开销进行了定义并建立了相应的数学模型以完善图的边权值信息。以此为基础，本文以空间信息网络回传遥感图像数据这一应用为分析对象提出了基于时空图的“最小开销多径路由”策略。通过与本文设计的基于接触表的“最早到达多径路由”策略的性能对比，验证了基于时空图路由策略的可行性，为时变图分析框架提供了一定借鉴。
　　(2)本文以时变网络中潜在的突发性中断为研究对象，重新定义了符合DTN数据传输过程的中断事件。根据起因的不同，本文定义了两类突发性中断并给出了相应的数学模型。为减少中断对数据传输的影响，本文设计了一种“bundle加速传输机制”。为实现该方案，本文从 DTN传输机制和协议格式角度重点分析了中断对bundle转发的影响，并相应地给出了修改方案及算法。本文以bundle端到端传输时延、无效传输消耗及内存释放速率为性能指标并建立了相应数学模型；与传统方案的仿真对比表明所提方案在中断发生时可以有效降低时延且不会加剧节点内存压力及额外开销。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 空间信息网络及其协议体系的发展现状

1.3 课题研究的目的和意义

1.4 本论文主要内容及结构安排

第2章 高动态链路对数据传输的制约

2.1 引言

2.2 动态拓扑对传输策略的影响

2.3 链路中断对数据传输的影响

2.4 本章小结

第3章 基于时空图的最小开销多径路由策略

3.1 引言

3.2 相关工作

3.3 系统模型及传输问题定义

3.4 时空图构建算法

3.5 路由策略

3.6 仿真与性能分析

3.7 本章小结

第4章 基于segment聚合的中断处理机制

4.1 引言

4.2 相关工作

4.3 Bundle加速传输机制

4.4 性能评估指标

4.5 仿真与性能分析

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢