基于网络编码与多源束聚合的地月DTN网络传输协议优化

作     者：徐运来 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨志华

授予年度：2020年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 082503[工学-航空宇航制造工程] 081001[工学-通信与信息系统] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：地月DTN网络 BP协议 束聚合 网络编码 重传机制 

摘      要：在过去的50年里月球一直是人类迈向深空探索的基石,它不仅对人类的科学事业做出了贡献,同时在国家层面上具有重要的战略意义。现如今随着月球勘探的不断进行,月球两极以及背面的隐藏资源引起了各国的重视,载人登月任务转移到了月球背面。为了保证对月球背面软着陆航天器的操控、月背探测车信息的回传、宇航员紧急通信等需求,中继卫星轨道以及可靠的通信协议亟待解决。为此,美国和欧洲经过理论研究发现了平动点（Lagrange point 2,L2）Halo轨道作为中继轨道的可行性。结合国外理论,我国经过多次飞行论证在2018年成功发射了世界上首个地月L2中继卫星。同时,依赖延迟容忍网络（Delay Disrupt-Tolerant Networking,DTN）在异构网络间可靠的端到端传输能力,构建了地月DTN网络。目前地月DTN网络三维立体状Halo轨道与地月间距离变化较大,中继卫星难以维持稳定的高吞吐量。另一方面,业务量的增长,使得多源多优先级数据给中继存储转发带来了压力。本文针对地月DTN网络Halo轨道动态距离问题,提出了多源bundle聚合算法。然后我们建立了距离模型,并利用地月链路的马尔可夫特性,通过马尔可夫决策算法得到了地月DTN网络的端到端最优bundle尺寸集。以此为基础在中继卫星聚合两个不同源节点大于最优尺寸的bundle,在保证尺寸的同时尽可能的降低传输bundle的数量。从仿真结果来看,我们获得了最优bundle尺寸集合,且尺寸随距离的增大而减小。同时多源束聚合算法与传统的切片算法相比在降低大文件传输时延上有更好的性能。针对地月DTN网络中多源高优先级业务转发要求,设计了网络编码转发策略。传统的高优先级转发方法会影响到传输进程,本文结合网络编码与DTN的束协议（Bundle Protocol,BP）,将高优先级bundle与进程中的低优先级bundle异或编码,并且设计了新的重传机制来保证目的节点的编码包能实时获取高优先级bundle的信息。同时,根据网络编码的特殊性,修改了bundle格式,简化了包头中源节点和目的节点的偏移量,为编码包解码后按照原位置还原到原始文件中提供保障。实验结果说明网络编码方法需要牺牲低优先级bundle的准确性,但是从不同文件大小和不同高优先级bundle占比两个角度,网络编码转发策略能提升整体文件和突发高优先级文件的吞吐量。