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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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低轨卫星网络动态路径切换技术

北京邮电大学学报 2020年第2期43卷 80-86,109页

作者：王璇侯蓉晖徐伟琳西安电子科技大学网络与信息安全学院西安710071 中国空间技术研究院西安分院西安710000

面向星座式低轨(LEO)卫星网络,针对动态路由技术重构时间长导致的资源利用率下降问题,提出了一种基于预测的路径切换机制.依据卫星飞行轨迹,预测星间链路的可用时间,从而判断当前传输路径的可用寿命.在当前路径断开之前及时触发路由重构... 详细信息

面向星座式低轨(LEO)卫星网络,针对动态路由技术重构时间长导致的资源利用率下降问题,提出了一种基于预测的路径切换机制.依据卫星飞行轨迹,预测星间链路的可用时间,从而判断当前传输路径的可用寿命.在当前路径断开之前及时触发路由重构,为当前传输寻找备用路径,避免路由重构导致传输中断.提出了新型路径选择方案,根据当前路径代价和网络全局负载状态设计了综合代价函数,用于选择最优路径.仿真结果表明,所提出的路径切换技术可有效降低数据转发的丢包率,提升网络整体吞吐量.

关键词：低轨卫星网络链路预测路由重构负载均衡

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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

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

低轨卫星网络中业务图驱动的星间协作计算方案

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天地一体化信息网络 2021年第2期2卷 35-44页

作者：国晓博任智源程文驰纪哲中国电子科技集团第五十四研究所河北石家庄050081 西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室陕西西安710071 北京邮电大学信息与通信工程学院北京100876

低轨卫星网络具备覆盖范围广、星地链路短等优点,成为当前的热点研究领域。针对将业务卸载到云计算中心产生过高传输时延的问题,提出在低轨卫星网络中实现业务图驱动的星间协作计算方法。该方法首先依托加权时间扩展图模型,屏蔽低轨卫... 详细信息

低轨卫星网络具备覆盖范围广、星地链路短等优点,成为当前的热点研究领域。针对将业务卸载到云计算中心产生过高传输时延的问题,提出在低轨卫星网络中实现业务图驱动的星间协作计算方法。该方法首先依托加权时间扩展图模型,屏蔽低轨卫星网络的动态性;之后联合多颗卫星的计算资源和星间链路资源,将有向无环图形式的业务调度到传输路径内的卫星上,实现业务在低轨卫星网络内的“边传输边计算”。仿真结果表明,当数据量取5 MB时,星间协同计算的时延性能相比地面云计算提高了58.9%。

关键词：低轨卫星网络时间扩展图星间协作计算

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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

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低轨卫星网络多路径负载均衡算法研究

低轨卫星网络多路径负载均衡算法研究

作者：左坤西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着通信业务需求的日益增长,低轨卫星网络以其通信时延小、传输带宽高、传输功耗低、终端小型化、灵活部署及通信范围覆盖全球的优势得到了广泛的应用,是未来空天地一体化网络的重要组成部分。但低轨卫星网络拓扑结构的动态性、星上负... 详细信息

随着通信业务需求的日益增长,低轨卫星网络以其通信时延小、传输带宽高、传输功耗低、终端小型化、灵活部署及通信范围覆盖全球的优势得到了广泛的应用,是未来空天地一体化网络的重要组成部分。但低轨卫星网络拓扑结构的动态性、星上负载不均匀以及地面站位置约束等问题,给低轨卫星负载均衡带来巨大的挑战,影响着整体系统的通信性能。对于上述问题,本文分析了低轨卫星网络中星间流量和星地流量在全网中不同的流动特征,分别针对星间流量流动特征和星地流量流动特征研究多路径负载均衡算法。本文主要研究内容如下:(1)针对星间流量传输时网状流动特征以及多条传输路径存在较大时延差的问题,本文提出了基于对称链路的负载均衡路由算法。首先设计一种传输路径时延差较小的对称链路,允许多条传输链路能够在低负载链路处耦合,尽可能降低不同路径上数据传输的时延差,在无低负载链路时使用不相交链路传输数据,均衡流量分布;其次引入链路状态感知机制,扩大源节点的感知视野,使源节点能够获取整条传输路径的链路质量参数,为源卫星节点进行流量分配提供充分的决策信息;最后采用基于数据包调度的流量分发机制,综合考虑多条传输链路的负载状态和端到端时延信息,将数据包分配到最优链路上。通过在OPNET及STK平台进行仿真实验验证,本算法能够有效地提高网络链路的利用率,降低数据包传输的平均端到端时延,减少了数据包在接收端的乱序行为,提升了网络的性能。(2)针对星地流量传输时向地面站集中的树状流动特征以及地面站数量受限和部署位置受约束的条件下,本文提出了基于拓扑均衡树的负载均衡路由算法。首先构建拓扑均衡树,在计算路由表时考虑各个卫星节点的负载量,在不改变卫星节点到地面站回传距离的前提下,调整卫星节点的下一跳回传节点,建立拓扑均衡树,能够在计算最短路径的同时兼顾各个卫星之间的流量分布;其次,基于拓扑均衡树建立网络状态感知机制,各个卫星节点与邻居节点交互信息,并建立本地信息库,为分流机制提供可分流节点信息及负载信息;最后,基于拓扑均衡树建立流量分发机制,在可分流节点中选择最佳可分流节点并确定转发的流量比例,进一步均衡网络中负载,生成负载均衡树。通过在OPNET及STK平台进行仿真实验验证,拓扑均衡树和负载均衡树能够在不同程度上均衡网络中的负载,优化了星地流量分布不均衡的问题,提高了星地流量传输的吞吐量并降低了数据传输的平均端到端时延。

关键词：低轨卫星网络负载均衡多径路由地面站拓朴均衡

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低轨卫星网络星间负载均衡路由算法研究

低轨卫星网络星间负载均衡路由算法研究

作者：胡雪峰南京信息工程大学

学位级别：硕士

随着通信技术的发展,卫星网络凭借成本低、覆盖范围广成为了未来通信网络的重要组成部分。低轨卫星具有传输时延小、轨道资源丰富、卫星数目多等优点,成为了国内外学者研究的热点。星间路由技术作为低轨卫星网络的关键技术,决定着卫星... 详细信息

随着通信技术的发展,卫星网络凭借成本低、覆盖范围广成为了未来通信网络的重要组成部分。低轨卫星具有传输时延小、轨道资源丰富、卫星数目多等优点,成为了国内外学者研究的热点。星间路由技术作为低轨卫星网络的关键技术,决定着卫星网络的通信性能。然而低轨卫星网络存在拓扑变化频繁、链路负载不均衡等问题,并且随着互联网的发展,人们逐渐注重通信时的服务质量与信息安全。这些问题给低轨卫星网络路由算法的设计带来了挑战。因此,本文针对低轨卫星网络星间路由算法进行了深入研究,主要工作如下:针对低轨卫星网络拓扑变化频繁、链路负载不均衡等问题,提出了一种基于负载均衡的多路径路由算法。算法首先通过虚拟节点策略屏蔽拓扑结构的动态特性,并使用HELLO探测报文对网络状态进行收集,在全网卫星保存相同网络拓扑的同时将拥塞节点信息反馈回地面网络。然后通过引入地面区域间的流量需求改进链路代价,在路由计算时优先考虑负载较低的链路,增加了空闲链路的使用率,从而平衡网络负载。最后,为了进一步提高缓解链路拥塞的能力,采用多径路由机制综合考虑下一跳节点的拥塞情况进行路由选择。仿真结果表明,所提算法能有效缓解链路拥塞状况,提高网络负载均衡能力。为了进一步提高路由算法的负载均衡性能,同时保障用户多业务的服务质量需求,提出了一种基于负载均衡的多业务路由算法。算法沿用多路径路由算法中的网络状态收集策略,首先根据时延、时延抖动以及丢包率等因素构建多业务路由模型,用来表征由多业务和负载均衡引起的星间路由问题。然后通过虚拟节点策略对地面区域重新划分,并根据卫星节点与地面区域的位置关系进行多径计算,获取符合当前业务的最优路径和备选路径。最后考虑链路负载状态将数据分布式转发。仿真结果表明,所提算法有效地降低了链路负载状况,具有较好的缓解链路拥塞的性能,在平衡网络负载的同时满足了用户多业务的服务质量需求。

关键词：低轨卫星网络路由技术星间链路负载均衡

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低轨卫星网络路由优化关键技术研究

低轨卫星网络路由优化关键技术研究

作者：刘佳豪国防科技大学

学位级别：硕士

近年来,随着天地一体化网络技术的快速发展和生产发射成本的不断降低,由巨量低成本低轨卫星构成的新一代卫星互联网受到各国的广泛关注,成为当前国际产业和学术研究的前沿焦点问题。然而,由于卫星互联网规模庞大、环境复杂多变、拓扑高... 详细信息

近年来,随着天地一体化网络技术的快速发展和生产发射成本的不断降低,由巨量低成本低轨卫星构成的新一代卫星互联网受到各国的广泛关注,成为当前国际产业和学术研究的前沿焦点问题。然而,由于卫星互联网规模庞大、环境复杂多变、拓扑高度动态,其路由协议设计面临严峻挑战。本文针对低轨卫星网络路由优化设计中的若干关键问题进行深入研究,主要工作包括:首先,针对卫星功耗严重受限、卫星互联网流量负载大、时延敏感等特性,提出了一种基于强化学习的新型智能路由算法DRL-ER。DRL-ER设计了基于节点能量和时延要求的状态空间及奖励函数,构建了“决策-反馈”机制,使节点能够在保证基本服务质量的前提下对路径选择做节能优化。实验结果表明:与经典路由策略相比,DRL-ER路由策略在满足服务质量的前提下,能有效降低卫星的能耗达50%以上。其次,针对卫星互联网节点易失效、激光卫星链路中断概率高、拓扑变化频繁等特性,现有路由机制对网络容错抗毁支撑不足的问题,设计了一种基于概率模型的抗毁路由方案PRE。PRE提出了新型分簇机制,构建了基于链路故障的概率分布和最优带宽保障模型。仿真实验表明,与经典的抗毁路由方案相比,PRE能在相同置信度的情况下承受高达1.7倍的流量负载。

关键词：低轨卫星网络路由算法服务质量抗毁性强化学习