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基于大型低轨卫星星座的分布式路由算法研究

基于大型低轨卫星星座的分布式路由算法研究

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作者：别灵臻哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近年来，大规模低轨卫星星座作为天基互联网的关键部分，具有成本低，容易维护，覆盖面积广，传播时延低等优点，成为卫星通信的研究重点。大规模低轨卫星星座通过发射成千上万颗卫星，构建星间链路来组成密集的星间组网，为全球用户提... 详细信息

近年来，大规模低轨卫星星座作为天基互联网的关键部分，具有成本低，容易维护，覆盖面积广，传播时延低等优点，成为卫星通信的研究重点。大规模低轨卫星星座通过发射成千上万颗卫星，构建星间链路来组成密集的星间组网，为全球用户提供全天时，全方位的网络通信服务。　　大型低轨卫星星座具有上万颗卫星节点，卫星的固定运动造成了网络拓扑的特殊变化，单颗卫星有限的性能也限制了其存储和实时计算的能力。星间路由是地轨卫星网络通信的关键技术，但是由于大型低轨卫星网络的特点，传统的路由策略不能直接应用在卫星网络中。因此，本文主要针对大型低轨倾斜型卫星星座的星间路由进行研究。　　本文的主要研究内容包括：　　介绍了卫星网络通信的现状和关键技术，重点分析了倾斜型轨道的拓扑特征，深入研究了现有的卫星路由算机制的优势与不足。针对特定的星座类型，调研其在路由算法设计过程中需要考虑的因素。对于单壳层的低轨卫星网络和多壳层的低轨卫星网络分别提出了不同的路由算法。　　对于单壳层的大型低轨卫星网络，针对路由建立阶段的消耗问题以及卫星组网中的负载均衡问题，提出了一种基于节点排队时延的分布式路由算法。该算法主要包括路径预选机制与路径收敛机制。在按需路由的基础上，设置备选路径提高其应对链路故障的能力，通过路径收敛的因子选择，提高了网络的吞吐量，并通过仿真，与其他路由算法对比，验证了其性能。对于多壳层的低轨卫星网络，提出了分簇算法和在分簇结构上的基于QOS约束的分布式多径路由算法。根据多壳层的大规模倾斜型低轨卫星网络的拓扑变化特征，提出了分布式自适应分簇算法，可以将大型网络划分为稳定的分簇结构，可以适应该场景。对卫星节点进行分簇可以有效解决路由存储开销大这一问题。基于QOS约束的分布式多径路由算法可以改善网络质量，使节点流量负载在网络中处于均衡状态。

关键词：大型低轨卫星分布式路由算法负载均衡多径路由

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基于大型低轨卫星星座的网络容量分析

基于大型低轨卫星星座的网络容量分析

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作者：范永鹏北京邮电大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

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