卫星时变网络端到端路由技术研究

摘要

随着人们日益增长的通信需求和地球上复杂环境的限制，现有地面上的网络已经不能满足人们的通信需求。卫星通信网络具有组网灵活、覆盖范围广、网络建设迅速、地理局限性弱等特点，使得卫星网络能够支持地面网络不能处理的业务，如环境与灾害监测、科学探索、气象、广播通信等等。但是由于卫星网络的拓扑结构持续变化、卫星节点数目少、通信链路频繁切换、传输时延长等特点，使得卫星网络是一个典型的DTN网络。同时，不同于其他规律性弱的动态网络，卫星网络又具有周期性和可预测性。而路由技术作为网络通信的一个核心，直接关系着网络服务质量、服务数量的好坏，所以，研究卫星网络的路由技术对卫星网络的通信至关重要。 现有的关于卫星网络的路由研究大体上分为两种，第一种基于卫星的周期性和可预测性，使用离线的方式进行路由计算，其中以“快照”的方式最为突出。另一种针对数据到达时间不同，卫星上实时计算路由的方式，主要以接触图模型下的CGR算法为代表。本文便以这两种方法为切入点进行研究。 本文一方面详细介绍了快照模型和其对应的Dijkstra算法，接着分析了该模型存在的问题，针对该问题，本文提出了一种快照模型下，多拓扑搜索最短路由算法（SNMTSP）。SNMTSP算法通过对多个拓扑计算的路由结果联合搜索，对不存在端到端持续链路的节点搜索出可达路径，仿真结果表明了该算法提高了快照模型下的端到端投递率。 另一方面本文对接触图模型下的CGR算法中存在的不足进行研究和改进。针对CGR算法没有考虑网络负载导致路由选择非最优的问题，本文给出了基于蚁群算法的负载感知机制，并在此机制的基础上提出了一种蚁群算法负载感知策略下的最短路由算法（ACSPSN），该算法采用源节点计算，将路由信息加入数据束的方式进行路由。接着，针对ACSPSN算法在某些场景下不适合的情况，提出一种基于蚁群算法负载感知策略的分布式多点决策路由算法（MDSP），该算法通过在传输的中间节点重新计算路由来对抗网络传输大时延带来的负载感知偏差，最后仿真结果表明MDSP算法和ACSPSN相比CGR算法有更小的端到端传输时延和更高的投递率。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 卫星网络概述

1.1.1 卫星网络分类

1.1.2 低轨卫星网络的特点

1.2 研究背景及意义

1.3 论文组织结构

第二章 卫星网络模型及路由算法

2.1 卫星网络快照模型和Dijkstra算法

2.1.1 卫星网络快照模型

2.1.2 Dijkstra算法

2.2 接触图模型和CGR算法

2.2.1 接触图模型

2.2.2 CGR路由算法

2.3 本章小结

第三章 基于快照模型的卫星网络多拓扑搜索最短路由算法

3.1 卫星网络快照模型直接使用Dijkstra算法缺陷分析

3.2 基于快照模型的卫星网络多拓扑最短路由算法

3.2.1 多拓扑联合求解分析

3.2.2 快照模型多拓扑搜索最短路由算法

3.2.3 多拓扑最短路由算法证明

3.3 仿真结果及分析

3.3.1 仿真评价标准

3.3.2 仿真场景及参数设置

3.3.3 仿真结果分析

3.4 本章小结

第四章 蚁群算法负载感知策略的卫星网络最短路由算法

4.1 传统排队时延概念的不适用性分析

4.2 CGR算法不适用性分析

4.3 基于蚁群算法负载感知策略的最短时延路由算法

4.3.1 蚁群算法介绍

4.3.2 蚁群算法负载感知策略

4.3.3 蚁群负载感知的卫星网路最短路由算法

4.4 蚁群算法感知的分布式多点决策路由算法

4.4.1 蚁群负载感知策略再分析

4.4.2 多节点策略分析和多点决策卫星网络最短路由算法

4.5 算法仿真及分析

4.5.1 仿真场景和参数说明

4.5.2 仿真结果分析

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 未来研究方向

参考文献

致谢

作者简介

1. 基本情况

2. 教育背景

3. 攻读硕士学位期间的研究成果

3.1 申请（授权）专利

3.2 参与科研项目及获奖