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基于遗传优化和人工蜂群的低轨卫星网络负载均衡路由算法

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天地一体化信息网络 2024年第2期5卷 12-22页

作者：邓霞郝苗苗林武城广州大学计算机科学与网络工程学院广东广州510006 广州大学网络空间安全学院广东广州510006

低轨卫星网络凭借时延小、成本低、损耗小和全球覆盖等优点成为了地面网络的有力补充。然而,用户分布不均、全网流量随时间变化,可能会导致部分链路出现拥塞、负载不均衡的问题。基于以上问题,提出一种基于遗传优化和人工蜂群(Genetic O... 详细信息

低轨卫星网络凭借时延小、成本低、损耗小和全球覆盖等优点成为了地面网络的有力补充。然而,用户分布不均、全网流量随时间变化,可能会导致部分链路出现拥塞、负载不均衡的问题。基于以上问题,提出一种基于遗传优化和人工蜂群(Genetic Optimization and Artificial Bee Colony,GABC)的低轨卫星网络负载均衡路由算法,将遗传优化算法与人工蜂群算法相结合,避免人工蜂群算法陷入局部最优,并设置抗拥塞机制来解决负载拥塞问题。基于NS2仿真平台实现GABC算法,实验结果表明,相比最短路径路由(Shortest Path Routing,SPR)算法和蚁群智能路由LBRA-CP算法,该算法在保证较低时延和开销比的同时拥有更高的数据传输率和吞吐量。

关键词：低轨卫星网络人工蜂群算法遗传优化算法

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面向6G通信的多层低轨卫星网络路由算法

移动通信 2024年第1期48卷 56-64,87页

作者：徐小涛赵国锋韩珍珍蔡茹意徐川国防科技大学信息通信学院湖北武汉430010 重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065

在面向6G的移动通信网络中,低轨卫星网络(LEO,Low Earth Orbit)运行高度低、时延小,可大范围部署实现全球广域低时延通信。当前低轨卫星星座正朝着多层轨道面发展,多层轨道的跨层链路增加了数据传输路径,但跨层轨间链路的频繁通断,增大... 详细信息

在面向6G的移动通信网络中,低轨卫星网络(LEO,Low Earth Orbit)运行高度低、时延小,可大范围部署实现全球广域低时延通信。当前低轨卫星星座正朝着多层轨道面发展,多层轨道的跨层链路增加了数据传输路径,但跨层轨间链路的频繁通断,增大了多层LEO网络层间路由选择的难度。为此提出了一种面向6G移动通信的多层LEO卫星网络路由算法。首先建立跨层链路,面向端到端传输时延和可靠性需求,分析影响跨层轨间链路频繁通断的因素,基于LEO卫星网络虚拟位置思想,选择卫星节点对建立可靠跨层链路;然后实现路由选择,基于所建立的跨层星间链路,采用时空演化图模型刻画动态网络拓扑,设计最短路径算法计算最佳传输路径。最后,构建三层卫星网络场景对所提算法进行仿真验证。结果表明,相对于现有方法,所提算法在端到端时延和可靠性均有明显提升。

关键词：低轨卫星网络跨层轨间链路多属性决策路由算法

基于5G上下行解耦架构的服务轨道交通低轨卫星网络性能分析

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铁道学报 2023年第6期45卷 80-86页

作者：朱昂立方旭明西南交通大学信息编码与传输省重点实验室四川成都610031

随着通信技术的发展,卫星通信特别是低轨(LEO)卫星通信将成为下一代移动通信系统的重要组成部分。此外,随着具有全面感知、传输可靠、智能处理的智能交通通信技术的兴起,基于LEO卫星网络的智能交通通信网络能有效解决智能交通领域特别... 详细信息

随着通信技术的发展,卫星通信特别是低轨(LEO)卫星通信将成为下一代移动通信系统的重要组成部分。此外,随着具有全面感知、传输可靠、智能处理的智能交通通信技术的兴起,基于LEO卫星网络的智能交通通信网络能有效解决智能交通领域特别是高铁高速移动性导致的通信质量下降问题,通过卫星下行链路的大区域覆盖可减少部分链路的切换次数,提升通信链路的可靠性,同时弥补部分地面通信系统特殊情况下容量不足的缺点。然而,虽然LEO卫星网络有覆盖范围大、吞吐量高、功能性强的特点,但由于卫星位置较高,受时延和功率的限制,地面移动用户较难受益于LEO卫星网络。为解决这一难题,提出在地面通信网络与LEO卫星网络混合组网场景中使用5G标准提出的上下行解耦技术,即地面移动用户上行通过地面基站传输,下行通过卫星传输。利用LEO卫星提供的高频谱、大覆盖服务,可以高效提高系统吞吐量与可靠性,同时满足终端设备的时延和功耗要求。通过建立模型比较解耦架构与非解耦架构下的排队时延和切换失败概率,分析比较两种架构的性能。仿真结果表明,解耦系统在业务高峰时段具有明显的性能优势。

关键词：低轨卫星网络轨道交通上下行解耦性能分析

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一种基于容器的低轨卫星网络协议测试床

计算机学报 2022年第9期45卷 2029-2046页

作者：潘恬李星辰薛文浩边子政黄韬刘韵洁北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室北京100876

近年来,以SpaceX为代表的商业航天公司提出了多个超大规模低轨卫星星座组网计划.卫星路由器是构建卫星互联网的关键基础设施.考虑到卫星路由器高昂的研制和发射成本,在卫星发射之前预先在地面上做好卫星星座的组网仿真和半实物接入验证... 详细信息

近年来,以SpaceX为代表的商业航天公司提出了多个超大规模低轨卫星星座组网计划.卫星路由器是构建卫星互联网的关键基础设施.考虑到卫星路由器高昂的研制和发射成本,在卫星发射之前预先在地面上做好卫星星座的组网仿真和半实物接入验证具有重要意义.相比传统地面网络的仿真验证,卫星星座组网仿真面临高动态拓扑、超大组网规模、真实流量承载仿真以及半实物接入验证等需求和挑战.目前已知的地面网络通用仿真工具(如QualNet、NS2/NS3、OPNET、Mininet)均无法同时满足上述仿真要求,实现对超大规模动态卫星网络节点的真实协议栈验证.我们针对以上需求,吸收离散事件模拟和虚拟化仿真的思想,以容器为载体,设计并实现了一种低轨卫星网络协议测试床.在控制平面,系统基于卫星星座的数学建模,在内部时钟节拍驱动下生成链路通断的离散事件,精确描述星座拓扑的规律变化.在数据平面,系统使用Docker容器实现卫星和地面终端,使用Linux虚拟网络设备实现星间和星地链路,并基于隧道协议实现系统的分布式部署和半实物仿真,使其具备优秀的横向扩容能力,从而解决超大组网规模下的单机仿真性能瓶颈.为了充分挖掘多核处理器的计算潜力,系统基于多线程对仿真过程中产生的大量离散仿真事件进行高并发调度.实验结果显示,在多核处理器主机上,该仿真测试床能够同时运行3276个网络节点并承载1.6 Gbps的真实流量.与单线程实现比较,多线程的任务并发处理机制使得CPU利用率提高了45%,仿真场景创建时间缩短了56%.

关键词：低轨卫星网络容器虚拟网络设备拓扑变化多线程分布式部署半实物仿真数字孪生

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低轨卫星网络星间路由安全机制研究

天地一体化信息网络 2023年第2期4卷 13-23页

作者：薛文浩潘恬卢诚承杨帆黄韬刘韵洁北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室北京100876 网络通信与安全紫金山实验室江苏南京211111

为了保障路由的安全性和抗毁性,设计面向星间路由的安全机制和故障恢复机制成为维护低轨卫星网络可靠通信的关键。为了应对卫星网络可能面临的安全威胁,分析不同路由攻击行为对典型星间路由协议的影响,并设计差异化的协议包安全认证机... 详细信息

为了保障路由的安全性和抗毁性,设计面向星间路由的安全机制和故障恢复机制成为维护低轨卫星网络可靠通信的关键。为了应对卫星网络可能面临的安全威胁,分析不同路由攻击行为对典型星间路由协议的影响,并设计差异化的协议包安全认证机制和链路故障恢复机制。此外,搭建基于虚拟化技术的卫星网络仿真平台,通过仿真多种路由攻击场景,验证所设计星间路由安全机制的有效性,并评估引入安全机制前后的CPU占用率、协议包处理时间等性能指标。实验结果表明,在有限的认证时间和路由开销下,该星间路由安全机制能够有效防范空间网络环境中的多种安全威胁,并减少由突发链路故障引起的通信时延,从而保障低轨卫星网络的安全可靠通信。

关键词：低轨卫星网络路由协议路由安全攻击链路故障恢复安全攻击仿真

低轨卫星网络安全身份认证方案设计与仿真实现

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低轨卫星网络安全身份认证方案设计与仿真实现

作者：吴奇重庆邮电大学

学位级别：硕士

低轨卫星网络(Low Earth Orbit,LEO)凭借制作成本小、传播时延低、机动性高等优势,在卫星网络占据着越来越重要的作用,具有重大的战略和商业价值。然而低轨卫星网络具有节点暴露、资源受限、用户终端海量和信道开放容易受到攻击的特点... 详细信息

低轨卫星网络(Low Earth Orbit,LEO)凭借制作成本小、传播时延低、机动性高等优势,在卫星网络占据着越来越重要的作用,具有重大的战略和商业价值。然而低轨卫星网络具有节点暴露、资源受限、用户终端海量和信道开放容易受到攻击的特点。所以需要对接入的终端设备进行身份认证,以保证网络的安全。而在拓扑变化快、链路间歇通断的低轨卫星网络中,用户需要频繁的接入和切换认证,使得用户身份认证过程中需要花费巨大的时延和计算开销,影响用户服务质量。本文围绕低轨卫星网络的身份安全机制,对用户接入认证和切换认证问题进行了研究,主要工作内容如下:(1)针对现有集中身份式认证方案存在时延大和计算开销大的问题,设计了一种高效的身份认证方案。首先当用户接入认证时,认证过程中不需要第三方参与,降低了认证时延;通过椭圆曲线上少量点乘和点加运算构建认证消息,无需双线性映射,降低了计算开销。然后由于卫星的高速运动导致接入用户需要切换到新卫星进行切换认证,通过引入软件定义卫星网络(Software Defined Satellite Network,SDSN)架构,由高轨卫星充当控制平台以单跳方式下发切换决策控制命令,简化了切换认证流程,降低了切换认证过程中计算开销和切换时延。最后,通过安全形式化分析和随机预言模型下的安全性证明,证明了所提方案能够抵御中间人、假冒、重放等常见攻击。(2)根据所提出的安全身份认证方案设计了低轨卫星身份认证仿真系统。该系统基于EXata仿真平台搭建,实现了注册中心、用户终端、卫星等功能模块。通过EXata Connection Manager(连接管理器)将功能模块映射到EXata仿真平台中,并进行半实物仿真。(3)利用STK(System Tool Kit)搭建卫星星座,导入所设计的身份认证仿真系统中,模拟低轨卫星网络身份认证场景,然后对所设计的身份认证方案进行性能测试。结果表明:与现有低轨卫星身份认证方案相比,所提方案在保证安全性的同时,能够有效降低用户认证时的时延和计算开销。

关键词：低轨卫星网络身份认证无证书密码半实物仿真

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低轨卫星网络中的连接计划设计

低轨卫星网络中的连接计划设计

作者：贺黎明重庆邮电大学

学位级别：硕士

随着人们对卫星通信需求的不断提升,低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星凭借其传输时延低、路径损耗小、覆盖范围大的优势,受到了人们的广泛关注。在LEO卫星网络中,由于卫星节点之间存在相对运动,会导致节点连接瞬断、网络拓扑时变、流量传... 详细信息

随着人们对卫星通信需求的不断提升,低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星凭借其传输时延低、路径损耗小、覆盖范围大的优势,受到了人们的广泛关注。在LEO卫星网络中,由于卫星节点之间存在相对运动,会导致节点连接瞬断、网络拓扑时变、流量传输阻塞等问题,给LEO卫星网络中任务的高速传输、高效计算和实时通信带来了巨大挑战。本文主要以资源受限的LEO卫星网络为研究背景,围绕LEO卫星网络中的网络连通性、流量阻塞和连接可靠性等问题,对LEO卫星网络中的连接计划设计(Contact Plan Design,CPD)问题进行了研究。本文主要工作如下:(1)针对LEO卫星网络中网络时空连通性和流量阻塞的问题,综合考虑星间链路状态、卫星能效和负载状态,提出了一种基于数据校验时空图的CPD方案。首先,构建基于数据校验的时空图,并以星间链路和卫星能源为约束,将CPD建模为最大化吞吐量问题;其次,基于所构建的数据校验时空图,通过对校验数据和转发数据的对比判断网络拥塞状态,根据卫星节点负载和星间链路流量阻塞状态,生成可用连接计划(Contact Plan,CP);最后,设计适应度函数以评价可用CP的优劣,提出基于数据校验的遗传算法更新连接以生成吞吐量最大化的最佳CPD。仿真结果表明,所提方案不仅能够提升吞吐量,而且可以有效地降低数据交付时延。(2)针对由于节点之间连接瞬断导致的连接不可靠问题,结合网络流量和各个节点特性,提出了一种基于流量感知的CPD方案。首先,构建了由地面网络和LEO卫星网络组成的通信网络模型;然后,针对LEO卫星网络中由于节点之间相对运动导致的数据传输中断问题,综合考虑网络流量和LEO卫星节点的可预测性,以流量和卫星资源为约束,将CPD建模为最小化传输时延问题;接着,为最小化LEO卫星节点之间连接瞬断的概率,引入地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)卫星为LEO卫星网络设计CP,并将CP分发到卫星网络中的各个节点,继而提出了一种基于贪婪思想的、分布式的、流量感知的CPD方案;最后,仿真结果证明,该方案优化了LEO卫星网络在端到端时延、数据交付率和吞吐量方面的性能表现。

关键词：低轨卫星网络连接计划设计时空图数据校验流量感知

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低轨卫星网络边缘计算任务卸载策略研究

低轨卫星网络边缘计算任务卸载策略研究

作者：张雨茹西安电子科技大学

学位级别：硕士

作为目前关注度最高且能实现全球网络覆盖的通信方式,低轨卫星网络具有传播时延小、链路损耗低以及终端手持化等特点。但是,随着用户终端对网络时延和带宽的要求越来越高,传统的中心云计算模式不再具有优势。因此,借鉴地面网络中边缘计... 详细信息

作为目前关注度最高且能实现全球网络覆盖的通信方式,低轨卫星网络具有传播时延小、链路损耗低以及终端手持化等特点。但是,随着用户终端对网络时延和带宽的要求越来越高,传统的中心云计算模式不再具有优势。因此,借鉴地面网络中边缘计算的思想,在轨边缘计算(Orbital Edge Computing,OEC)技术通过在低轨道卫星星座上部署多接入边缘计算(Multi-access Edge Computing,MEC)服务器,来满足各种应用不断增长的实时性及可靠性需求。OEC技术将网络中的计算资源下沉到靠近用户的边缘端,通过在低轨道卫星上实现边缘计算的功能来减小任务处理的时延和能耗并节省网络的传输带宽。在更靠近用户侧的边缘网络节点处理任务,不仅能够缩短服务响应时间,还能节省卫星网络中的带宽资源。同时,任务卸载作为边缘计算中的关键技术,可以在减小计算任务成本的同时充分利用卫星星座中的计算资源。因此,针对以上问题,本文在低轨卫星网络场景下提出了两种针对不同星座构型的计算卸载策略,用来解决在卫星网络中如何以最小的时延和能耗完成不同类型任务的问题。本文的主要工作如下:(1)在卫星地面网络(Satellite Terrestrial Networks,STN)中,针对Walker Delta卫星星座构型,提出了一种在低轨卫星网络中基于贪心策略的OEC任务分配算法OEC-TA(Orbital Edge Computing Tasks Allocation),充分考虑了不同类型任务的计算需求,优化计算任务所消耗的时延和能量,充分利用卫星计算资源为地面用户提供服务。地面用户终端的计算任务唯一地选择一个卫星执行计算任务,并针对不同类型的任务制定了不同的任务分配策略,从而最小化任务执行的时延和能量。经过对算法性能的分析,与其他任务卸载策略相比,本文所提出的OEC-TA任务分配算法可以大大降低地面用户任务计算的平均成本。(2)在低轨卫星网络中,针对Walker Star卫星星座构型,提出了一种OEC架构下基于服务功能链(Service Function Chaining,SFC)的遥感卫星任务卸载方案OEC-RST(Orbital Edge Computing Remote Sensing Tasks),以减少遥感任务计算时所需的带宽成本。SFC将任务建模为多个串、并行子任务的组合链并根据卫星计算能力和低轨道卫星网络的拓扑结构确定了任务分布计算模式。同时,为每个子任务的计算设计了一个基于时间最小化的效用函数,并提出了一种最小化发送任务数据传输时延的算法,以使实际的延迟计算合理化。数值计算结果表明了该算法的有效性,与均匀分布、同轨道分布计算策略相比,本文所提出的OEC-RST策略在任务处理时延和计算资源利用率方面表现最优。

关键词：低轨卫星网络边缘计算计算卸载服务功能链

低轨卫星网络中基于边缘计算的智能资源管理算法研究

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低轨卫星网络中基于边缘计算的智能资源管理算法研究

作者：宋耀辉北京邮电大学

学位级别：硕士

低轨卫星网络具有低时延、高稳定性等特点,是未来网络实现全球覆盖的重要组成部分。随着移动终端业务种类和复杂性提高,尤其是人工智能技术的发展和应用,通信业务呈现高并发、种类多样的特点。传统低轨卫星网络难以满足多样化的智能服... 详细信息

低轨卫星网络具有低时延、高稳定性等特点,是未来网络实现全球覆盖的重要组成部分。随着移动终端业务种类和复杂性提高,尤其是人工智能技术的发展和应用,通信业务呈现高并发、种类多样的特点。传统低轨卫星网络难以满足多样化的智能服务需求。在低轨卫星网络中引入边缘计算技术提高了网络的计算、存储能力,有效减少了服务时延,拓展了卫星网络的应用场景。但是,低轨卫星设备的通信和能量资源受限,同时边缘服务器中的计算和缓存资源也有限,因此需要研究智能资源管理技术,提高低轨卫星网络中的资源利用率,满足各类服务的需求。受发射和维护成本的限制,低轨卫星网络中的能量、计算、缓存等资源有限,限制了卫星能支持的计算任务数量。现有研究针对卫星资源有限性、用户需求多样化展开相关探讨。在实际场景中,低轨卫星的运动引起卫星能量的变动,导致可提供计算服务的能力发生变化,增加了资源管理的复杂性。此外,当系统中存在卫星、基站等多类差异性的接入设备,还需要对异构节点中的通信和计算资源进行统筹管理。因此,本文分别针对卫星运动引起的能量变化和接入设备异构性,研究了低轨卫星网络中基于边缘计算的智能资源管理算法。本文的主要工作概括如下:针对卫星运动引起的能量变化问题,提出一种基于能量感知的任务卸载和资源管理算法,减少卫星的能量消耗,提高资源利用率。为了解决单一卫星资源有限的问题,采用轨内星间链路实现星间协作,采用星地链路实现云边协作,构建低轨卫星协作卸载机制,拓展网络中的可用资源。分析低轨卫星在移动过程中收集能量变化和卫星保持周期性运行需要的能量,建立卫星能量感知模型。进一步综合能量感知结果和任务卸载的时延需求,构建任务卸载和资源管理问题,优化目标是最小化卫星能耗。引入第二代非支配排序遗传算法求解上述问题,并提出约束选择器,解决资源约束和时延约束相互制衡而引起的搜索陷入局部最优问题。仿真结果表明,所提算法有效地降低了卫星能量消耗。针对异构设备资源和性能的差异性,提出一种基于用户协作的通信、计算、缓存资源联合管理算法,减少任务卸载时延,提高网络中的资源利用率。考虑不同节点部署各类计算服务所需的服务缓存环境和开销,建立任务卸载和服务缓存模型,并提出一种在服务卸载过程中通过用户协作传输计算服务可执行代码的策略,减少网络中重复数据的传输。分析任务卸载过程中网络的资源利用情况,构建通信、计算、缓存资源分配联合优化问题,以减少任务的时延并提高资源利用率。将上述问题建模为混合整数非线性规划问题,并采用遗传算法求解,通过迭代得到近似最优解。仿真结果显示,所提算法可以减少执行服务所需的计算资源,并降低任务的平均时延。

关键词：低轨卫星网络边缘计算任务卸载服务缓存资源管理