基于分组管理的多层卫星网络路由算法的研究

摘要

卫星通信作为现代通信的重要组成部分，正受到越来越多的关注。具有功能多样、组网灵活、抗毁性强的多层卫星网络通信系统是卫星通信研究中的重点。由于卫星不断运动，整个卫星网络结构处于动态变化之中，已有的针对地面网络的路由算法不能很好的适应这种变化，为了保证数据的高效传输，设计新的路由策略很有必要。本文对LEO/MEO/GEO三层卫星网络路由算法进行了研究，具体研究内容及成果如下： 多层卫星网络拓扑变化非常剧烈，不仅层内卫星之间的星际链路不断切换，低轨道卫星与中轨道卫星，中轨道卫星与高轨道卫星间的星际链路也由于层间高速相对运动频繁的周期性变化。分组管理作为一种有效的拓扑管理策略广泛地应用于多层卫星网络路由算法的研究中，但是组管理者选取策略及分组切换都会对时隙划分产生影响，在之前的研究中并没有详细说明这些影响。本文通过对层间卫星的连接性计算，求得在不同组管理者选取策略下时隙的划分情况，并对所得结果进行分析，结果表明“覆盖时间最长”的组管理者选取方式具有更好的时隙属性。 基于“覆盖时间最长”的组管理者选取方式产生的时隙数量较少，但一个周期内的数量仍然在1600个以上，平均每个时隙长度仅五十几秒。本文针对组管理者选取的特点，对层内卫星的时隙划分进行联合计算，大大减少了时隙数量，提高了时隙的平均长度，为路由稳定性提供了保障。 当组管理者为组内成员计算最短时延路径时，会将整个网络拓扑看成加权有向图，利用Dijkstra和Floyd等算法求得最短路径。这种方式虽然可以求得最优解，但是整体计算量非常大，并且随着网络中卫星数量增多，计算量迅速增加，不利于网络扩展。本文针对卫星网络时延及拓扑特点，将网络拓扑图转化成无环加权有向图，并基于拓扑排序计算出最短时延路径，使整体计算量大幅降低。仿真结果表明，优化后的计算方式，在时延和吞吐量上和最优结果非常接近。

目录

第一个书签之前

第1章 绪论

1.1 本文研究背景及意义

1.2 卫星网络研究中存在的问题

1.3 卫星网络路由技术的研究现状

1.3.1 单层卫星网络路由算法

1.3.2 多层卫星网络路由算法

1.3.3 多层卫星网络路由算法存在的问题

1.4 论文研究内容及安排

第2章 卫星网络体系结构

2.1 卫星网络的组成

2.1.1 不同轨道卫星

2.1.2 卫星链路分类

2.2 星座结构

2.3 多层卫星网络体系结构

2.4 卫星网络结构仿真

2.4.1 仿真工具STK

2.4.2 多层卫星网络参数及仿真

2.5 本章小结

第3章 多层卫星网络分组切换时隙计算与优化

3.1 多层卫星网络分组管理技术

3.2 层间卫星连接性分析

3.2.1 MEO卫星与LEO卫星连接性分析

3.2.2 GEO卫星与MEO卫星连接性分析

3.3 组管理者选取策略对时隙划分的影响

3.4 时隙优化

3.5 本章小结

第4章 多层卫星网络分组路由协议

4.1 路由协议设计背景

4.1.1 拓扑控制

4.1.2 时延分析

4.1.3 相关定义

4.2 路由过程

4.3.1 问题分析

4.3.2 路径绕行分析

4.3.3 拓扑抽象与最短路径求解

4.4.1 拥塞避免

4.4.2 卫星失效处理

4.5 本章小结

第5章 仿真结果与分析

5.1 仿真背景

5.1.1 网络仿真工具

5.1.2 全球流量分布

5.2 OPNET仿真工具

5.2.1 OPNET三层网络建模

5.2.2 OPNET对路由算法的仿真

5.3.1 卫星网络模型设计

5.3.2 网络节点与进程模型

5.3.3 卫星星际链路模拟实现

5.4 仿真结果及分析

5.5 本章小结

总结与展望

总结

研究展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果