基于编码感知的空间动态网络容量优化方法研究

摘要

空间信息网络是具有多层结构的长时延、高动态网络，同时受到频谱、轨位、功率等资源的制约，其网络传输容量受到严重影响。与传统网络节点存储转发的方式不同，网络编码技术在中继节点对经过的信息流进行数据融合，通过减少信息流的传输开销来增加网络吞吐量。因此，在进行路由策略设计、带宽资源分配等工作时，需要倾向于有编码机会的节点和链路，将这种具有编码意识的网络设计方法称为编码感知技术。将编码感知思想融入空间信息网络的数据传输和处理过程，并与其他网络优化手段结合，以期在不增加网络节点数量、链路带宽和转发器功率的情况下，以可接受的编码复杂度为空间信息网络传输容量带来质的提高。本文在网络编码的技术框架下，考虑空间节点运动规律和链路特点，对空间信息网络传输容量优化方法进行了探索。着重研究了面向空间动态网络的容量分析模型和具有编码意识的空间路由选择方法。
　　首先，将图论中的网络最大流问题引入到空间动态网络中，建立了描述空间网络容量的数学模型。以MEO/GEO双层卫星网络为研究对象，在Ford-Fulkerson方法的基础上，研究了单信源多信宿有向图中网络最大流的求解方法。结合具体场景，探讨了影响空间网络传输能力的因素，仿真分析了网络容量与用户数据链路容量、地面最小通信仰角和卫星存储转发能力的关系。
　　其次，从容量优化的角度，阐述了卫星网络中应用网络编码技术的必要性和可行性。当网络节点采用随机网络编码和高斯消元译码时，仿真结果表明，网络传输容量得到有效提高，为编码感知技术在空间信息网络中的应用提供了理论支撑。
　　最后，针对空间信息传输特点，结合编码感知技术和图论中的最小费用最大流相关算法，提出了一种基于编码感知的空间动态网络路由方法NC-MCF。在此基础上，采用自适应带宽分配策略，提升了资源利用率，进一步优化网络传输容量。此外，研究了网络容量关键指标随时间和轨道高度的变化情况。通过与图论中最短路、最大流路由选择方法进行比较，仿真结果表明，NC-MCF路由方法在数据传输效率、带宽利用率等方面优势明显。

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第1章 绪论

1.1 课题来源及研究意义

1.2 国内外发展动态和研究现状分析

1.2.1 空间信息网络研究现状

1.2.2 网络编码研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 空间信息网络技术

2.1 网络编码原理

2.1.1 网络编码的基本概念和优缺点

2.1.2 线性网络编码

2.2 卫星组网技术

2.2.1 从GEO卫星通信系统到多层卫星网络

2.2.2 卫星星座设计

2.3 多波束卫星系统和组播技术

2.4 本章小结

第3章 空间动态网络容量分析

3.1 网络最大流问题

3.2 面向空间动态网络的容量分析模型

3.3 空间网络容量仿真分析

3.3.1 仿真场景

3.3.2 影响因素

3.4 基于网络编码的空间网络传输容量

3.5 本章小结

第4章 基于编码感知的空间路由选择方法

4.1 最短路问题

4.2 最小费用最大流问题

4.3 具有编码意识的路由选择方法

4.4 自适应带宽分配策略

4.5 空间动态网络路由方法的仿真分析

4.5.1 仿真场景

4.5.2 性能比较

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

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致谢