基于大型低轨卫星星座的网络容量分析

作     者：范永鹏 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：佘春东

授予年度：2023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] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：大型低轨卫星 网络容量 多商品流类问题 顺序随机舍入 链路可靠性 

摘      要：地面网络与空间网络相比,具有规模小、资源稀缺、传输成本高等缺点。空间网络根据轨道高度分为大型低轨卫星网络、中高轨卫星网络和地球同步轨道卫星网络。大型低轨卫星星座通过星间链路和星地链路连接偏远地区、海洋和空间终端用户,提供高速互联网和局域网通信服务。相比高轨卫星,它具有更低的传输延迟;相比传统的地球同步轨道卫星,它具有更高的带宽和全球覆盖能力,将成为未来通信基础设施的重要组成部分。在大型低轨卫星星座中,卫星之间需要协作通信才能提供全球覆盖的通信服务。而这种协作通信需要网络容量的支持,因此,网络容量成为了评估卫星星座通信性能的关键指标。本文旨在解决大型低轨卫星网络中的数据传输问题,以实现最大化网络容量的目标。其中介绍了多商品流问题及其改进,特别考虑了实际数据包传输场景,即每个数据包只能选择一条路径进行传输。为此,选择更符合大型低轨卫星网络场景的不可分割多商品流问题进行卫星网络容量计算。考虑到大型低轨卫星星座是一个高度动态的系统,网络需要随着时间的推移改变传输流量的路径。但是路径更改会中断连接并影响服务质量。因此,提出了一种动态不可分割多商品流问题来提高服务质量。该问题考虑了时间步长、流量变化和路径变化等因素,以实现卫星网络容量的优化。为了降低算法的时间复杂度,提出一种顺序随机舍入启发式算法来解决多商品流类问题。接下来,本文还考虑了卫星间链路的可靠性问题,提出了一种链路检测机制。该机制首先判断链路稳定性,然后通过发送Hello包来更新链路状态,并使用广播机制来更新全局链路信息。这种机制可以有效检测卫星链路的稳定性,提高卫星通信网络数据传输的可靠性和稳定性。最后,本文在中国科学院软件研究所自主研发的大型低轨卫星仿真平台上进行了仿真验证。仿真考虑了不同星间链路带宽情况下不同多商品流问题的性能表现。结果表明,本文提出的动态不可分割多商品流问题在计算卫星网络容量方面表现优于其他多商品流问题,提升至少在3%以上。此外,本文还将链路检测机制应用于动态不可分割多商品流问题,使卫星系统传输的网络容量得到了进一步提升。