空间信息网络优化与抗毁性研究

摘要

随着通信网络技术和航天技术的进步，传统的地面网络日益不能满足人类信息快速地获取和传输数据的需求，空间信息网络的较大的覆盖能力、较高的传输带宽以及较高的服务水平可以更好地符合人类对通信的需求。卫星网络作为该通信系统的骨干网，其性能影响着整体空间信息网络的性能，如何进一步提高卫星网络的性能是一个关键问题，而路由问题是卫星网络面临的最重要问题之一，原因是网络中的各种节点不断随时间改变其位置，使得节点之间的通信链路随时间时断时通，从而导致了卫星网络的拓扑时变现象。设计性能优越的路由方案的关键是如何处理和优化系统的时变拓扑。本文基于卫星网络的节点和链路的可预测性，深入分析了卫星网络的拓扑问题和路由问题，并给出了相应的解决方案，具体内容如下： （1）按照不同的分类标准，对目前存在的经典的路由方案归纳总结与归类，并深入论述了这些路由方案的主要工作原理、核心机制、适用范围、优缺点等。 （2）综合考虑了低轨道极轨道卫星星座网络和同步卫星星座网络的各自优势，建立了一个性能优越的双层卫星网络模型，基于此拓扑模型，网络中的任意低轨节点的覆盖区被取代为一个虚拟节点，并且将极区边界对卫星足印区划分的影响考虑在内。此外该模型也结合了虚拟拓扑方法以及卫星分组的管理方案，有效地克服了卫星网络的拓扑时变对路由设计的困难。通过理论证明和数值仿真验证了提出的方法的有效性，该网络拓扑模型在时间片的数量、平均长度以及均匀程度都明显优于其它网络模型。 （3）提出了一种双层卫星网络路由方案，依照拓扑控制的网络，网络的时变拓扑已经被有效控制，基于此设计网络的路由。在此路由方案中，上层卫星可以定时获取下层卫星的拓扑和时延信息，从而为下层卫星负责计算路由，下层卫星负责分组的转发，通过两种卫星相互交换信息和在在其路由数据，网络分组传送的指标得以提升。实验模拟显示出相关算法的较好的性能。 （4）规划出一种基于抵抗拥塞的路由方案。首先按照低轨道网络的拓扑特征对路由进行预估计，然后根据网络中的流量分布情况对已经选择的相关路径进行合适修改以此来减小链路的拥塞大小，另外，为了符合各种各样的流量业务的时延保证，将数据包进行了分类，时延敏感的数据包始终能够在下层网络实时传输，其它次要分组可能会借助于上层节点得以传送。通过拥塞控制和数据包分类的机制，提高了网络的性能，仿真结果证实了这一点。

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