天地一体化物联网接入与传输关键技术研究

摘要

物联网将分离的网络空间和物理世界互联融合,推动了信息产业革命的第三次浪潮。随着人们对物理世界的探索与物联网应用的深入,越来越多的广袤无人区域(例如海洋、沙漠等)需要信息的监测和采集。传统依赖基础设施的物联网覆盖范围有限,无法满足大尺度大范围场景下感知与传输需求。天地一体化信息网络作为新一代网络的重要方向,将有效提升网络覆盖能力,为解决无基础设施区域中异构网元的互联互通问题提供新途径。因此,本文将天地一体化信息网络与物联网相结合,对天地一体化物联网展开研究。由于天地一体化物联网中卫星等节点移动性强、链路异构缺乏协同、传输开销差异大,导致接入QoS保障、低时延与低开销传输等问题面临挑战。因此,本文围绕以高通量低轨通信卫星网络为代表的天基网络,结合飞机、船舶等移动机会网络组成的空、地基网络,针对用户终端的高质量接入、传输等方面研究了低轨通信卫星波束切换策略、MAC层联动方法、异构容迟经济路由协议,并通过仿真实验验证了方法的有效性。具体来说,本文的主要贡献如下:(1)天地一体化物联网低轨通信卫星波束切换策略。作为天地一体化物联网的重要组成部分,高通量低轨通信卫星为了满足其大带宽、低时延的数据传输,波束结构与传统卫星存在差异,这种差异使得该类型卫星需要更加复杂的波束调度策略以满足用户终端的需求。本文首先提出了基于用户终端固定IP的波束切换策略,实现了对于用户终端服务的无缝切换;其次,本文提出了地理位置优先波束负载均衡策略,实现了高通量低轨通信卫星对于用户终端的波束分配优化。这些策略和机制保证了卫星波束在服务用户终端时的链路质量,同时减少了因单个波束负载过高引起的链路拥塞,提高系统服务质量。(2)天地一体化物联网MAC层联动方法。MAC层协议是天地一体化物联网实现异构网络高效互联互通的关键。本文提出了基于高通量低轨通信卫星的异构MAC联动优化方法——J-TDMA。该方法结合高通量低轨通信卫星的传输特点,与地面物联网设备的MAC协议结合,实现大尺度信息传输。同时,本文还提出了连续前向时隙分配策略——CFTSA,该策略充分利用卫星资源,保证每次卫星时隙来临时物联网数据的收集量达到饱和状态。这些策略能够有效减少天地一体化物联网系统时延,同时还能降低系统能耗,提升卫星资源利用率。(3)天地一体化物联网异构容迟经济路由协议。路由协议承载着天地一体化物联网异构链路的传输质量以及传输性能,是实现高质量通信的重点优化对象。本文提出了 DHOR协议,该协议能够充分利用系统中卫星、飞机以及船舶的不同传输特性,保证高效传输的同时降低系统开销,从而实现经济路由。同时,本文还针对DHOR协议提出了根据数据需求自适应的链路调度算法和链路预测策略,增强了链路对于数据需求的感知和处理,使得链路利用率提升的同时,降低系统开销。综上,本文从低轨通信卫星波束切换策略、MAC层联动方法、异构容迟经济路由协议三个方面,对天地一体化物联网的接入与传输关键技术进行了深入研究,提出了一系列理论模型、算法、策略等,通过理论分析和仿真实验验证了它们的有效性,为天地一体化物联网技术的发展以及相关服务提供了理论依据和技术支撑。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 天地一体化物联网

1.2 研究现状及关键挑战

1.2.1 研究现状

1.2.2 关键挑战

1.3 研究内容与本文贡献

1.3.1 天地一体化物联网低轨通信卫星波束切换策略

1.3.2 天地一体化物联网异构链路MAC层联动方法

1.3.3 天地一体化物联网异构容迟经济路由协议

1.4 论文结构

第二章 天地一体化物联网低轨通信卫星波束切换策略

2.1 引言

2.2 波束模型

2.2.1 低轨卫星波束架构

2.2.2 波束服务质量模型

2.3 终端接入策略

2.4 基于用户终端固定IP波束切换策略

2.4.1 星内波束切换策略

2.4.2 星间波束切换策略

2.5 算法评估

2.5.1 实验设置

2.5.2 实验结果与性能分析

2.6 小结

第三章 天地一体化物联网异构链路MAC层联动方法

3.1 引言

3.2 J-TDMA时隙分配模型

3.3 CSTFA策略

3.3.1 初次连接时隙分配策略

3.3.2 切换后时隙分配策略

3.4 J-TDMA算法设计

3.4.1 低轨卫星波束时隙分配算法

3.4.2 物联网网关时隙分配算法

3.5 算法评估

3.5.1 实验设置

3.5.2 实验结果与性能分析

3.6 小结

第四章 天地一体化物联网异构容迟经济路由协议

4.1 引言

4.2 问题建模

4.2.1 网络场景

4.2.2 网络模型

4.2.3 异构多路径机会路由问题

4.3 数据驱动的异构融合机会路由(DHOR)协议

4.3.1 数据需求调度策略

4.3.2 链路选择策略

4.3.3 接收端ACK反馈

4.4 算法评估

4.4.1 实验设置

4.4.2 实验结果与性能分析

4.5 小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 未来展望

参考文献