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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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空间信息网络路由算法研究

空间信息网络路由算法研究

作者：朱琳西安电子科技大学

学位级别：硕士

空间信息网络由地球同步轨道卫星、中低轨道卫星以及地面站等组成,是我国重要的公共信息基础设施。空间信息网络通过动态、立体的星间、星地链路实现交互信息,提供实时信息采集、传输和处理服务,具有组网灵活、全球范围覆盖等优点,在远... 详细信息

空间信息网络由地球同步轨道卫星、中低轨道卫星以及地面站等组成,是我国重要的公共信息基础设施。空间信息网络通过动态、立体的星间、星地链路实现交互信息,提供实时信息采集、传输和处理服务,具有组网灵活、全球范围覆盖等优点,在远洋航行、航空航天、应急救灾、智能交通等领域发挥重大作用。面对快速增长的任务需求,研究空间信息网络最大流路由算法以提升网络吞吐量已经成为空间信息网络研究的热门方向。与传统地面网络相比,空间信息网络具有拓扑动态变化并且周期可预测的特点,另外,网络连通性差导致节点需要依靠存储-携带-转发的方式传输。因此需要采用合适的时变图模型建模空间信息网络,而时间扩展图通过图中每个时间间隔内保持不变的网络拓扑来建模动态拓扑的演进过程,并通过存储边连接相邻时间间隔内的节点来建模节点的存储资源,能够从时、空两个维度对拓扑动态变化的数据传输过程进行建模。此外,空间信息网络中的卫星节点受重量、大小等限制,节点的载荷能力有限,导致节点携带的收发信机数目十分有限。因此需要考虑收发信机数目受限的条件,设计基于时间扩展图的空间信息网络最大流路由算法。传统的收发信机受限的空间信息网络最大流路由算法考虑了收发信机数目对网络最大流的约束,但其在整个时间间隔内的收发信机的分配策略和链路连接方案是固定的,造成收发信机资源浪费,路径选择不灵活,网络吞吐量低。为更加充分利用宝贵的收发信机资源,本文提出了联合收发信机与时间分配的空间信息网络最大流路由算法。首先采用时间扩展图建模空间信息网络,然后在收发信机数目受限条件下,以最大流为目标,将每个时间间隔划分为多个连续时间段以支持链路动态切换,以每个时间段为单位,独立的分配收发信机资源,联合考虑可变时间段的长度和时间段内的收发信机分配策略,建立基于联合收发信机与时间分配的通信链路容量约束、节点存储能力约束、流量守恒约束和需求满足约束,将此最大流问题建模为混合整数非线性规划模型,但该模型十分难以求解。为此本文利用big-M法将其等价转化为混合整数线性规划模型,可以调用优化求解器Gurobi采用分支定界法求解,并通过Satellite Tool Kit（STK）软件导出的实际空间信息网络拓扑数据进行仿真。仿真结果表明,本文所提出的联合收发信机与时间分配的空间信息网络最大流算法,相比于只考虑收发信机数目受限约束的网络最大流算法,明显提升了吞吐量,并能够支持空间信息网络多维资源高效利用。

关键词：空间信息网络最大流算法收发信机受限联合收发信机与时间分配时间扩展图

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密集部署场景下车载终端的内容传输算法研究

密集部署场景下车载终端的内容传输算法研究

作者：郭素霞西安电子科技大学

学位级别：硕士

车联网技术的出现可以为车载终端提供很多便利,因而受到广泛的关注。车联网提供的应用主要包括安全辅助驾驶和数据内容共享两方面。近年来,人们对于数据业务的需求不断增加,因此,内容传输是车联网场景中非常重要的应用之一,例如,网页浏... 详细信息

车联网技术的出现可以为车载终端提供很多便利,因而受到广泛的关注。车联网提供的应用主要包括安全辅助驾驶和数据内容共享两方面。近年来,人们对于数据业务的需求不断增加,因此,内容传输是车联网场景中非常重要的应用之一,例如,网页浏览,视频音频等内容下载。与传统的无线网络不同的是车载终端的移动速度非常快,信道条件较差,通常数据传输速率不能满足下载需求。密集部署路侧基础设施可以减小车辆和接入点之间的距离,从而可以提升数据传输速率。然而,在密集部署路侧基础设施场景中,路侧基础设施的覆盖范围可能会重叠,车载终端会受到相邻路侧基础设施的干扰,因此,传输速率随着车辆的移动不断变化。本文主要研究密集部署路侧基础设施场景中,时延受限的内容传输方案,即车辆请求的内容都有一个有效期,服务器要在有效期内把内容传输给车辆,否则,内容失效,下载失败。考虑到内容的时延受限特性,如果当前车辆的信道条件较差,那么,服务器可以推迟调度该车辆,这样,可以提升系统资源的利用率。另外,如果服务器总是调度那些数据速率高的用户,会引起一些数据包因超时而被丢弃。因此,设计一种高效的车联网场景中时延受限的内容传输方案是非常重要的。首先,本文提出一种基于时间扩展图的调度算法,目标是以最小的系统资源消耗来满足车载终端的内容下载需求。服务器收到下载请求时,根据下载需求和系统当前的状态,建立相应的时间扩展图。利用时间扩展图可以把内容传输问题转化一个最小代价流问题,利用网络流算法可以方便地解决该问题,而且计算复杂度较低。仿真结果表明,相比于现有的最早过期优先算法,本文提出的算法可以提升系统频谱资源的利用率,同时,可以满足用户对时延的需求。另外,针对密集部署场景下车载终端时延受限的内容传输,本文还提出了一种基于李雅普诺夫优化方法的调度算法。该算法基于李雅普诺夫优化方法,利用分组的等待时延建立李雅普诺夫函数,通过传输和丢包决策,可以保证用户的时延需求,并保证系统稳定。仿真结果表明,相比于最早过期优先算法,提出的方法在保证用户的时延需求的同时,可进一步提升系统的吞吐量。

关键词：时延受限调度车联网时间扩展图李雅普诺夫优化方法

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基于图模型的DTN网络路由算法研究

基于图模型的DTN网络路由算法研究

作者：雷柳西安电子科技大学

学位级别：硕士

时延容忍网络(Delay Tolerant Networks,DTNs)与传统的连通网络相比,网络链路容量及拓扑具有时变性,无法直接采用传统静态网络的理论方法来求解DTN网络中的路由问题。目前虽然已经有了最基本的体系架构,但是DTN网络的一些基本理论和技... 详细信息

时延容忍网络(Delay Tolerant Networks,DTNs)与传统的连通网络相比,网络链路容量及拓扑具有时变性,无法直接采用传统静态网络的理论方法来求解DTN网络中的路由问题。目前虽然已经有了最基本的体系架构,但是DTN网络的一些基本理论和技术手段尚不完善,例如DTN网络建模问题、模型求解中的最大流和最短路由问题等。因此需要针对DTN网络特有的链路特征,研究适用于DTN网络的建模方法和路由策略。DTN网络中节点之间的链路是断续连通的,因此DTN网络中的链路时延包括传播时延、传输时延以及等待时间。业务流在链路上的传输时延不仅与本链路的容量参数变化有关,还依赖于相邻两跳链路的连通时间段之间的关系,导致网络中链路时延难以求解。本文提出一种基于连续时间聚合图的累积流量方法分别计算单跳类路径和多跳类路径的端到端时延,综合考虑业务流量、业务传输时间和相邻两跳链路的连通时序关系对端到端路径时延进行建模。基于此时延模型,对传统的ED(Earliest Delivery)算法进行优化改进,提出一种基于连续时间聚合图模型的最短时延路由算法,并通过Satellite Tool Kit(STK)软件导出的实际卫星网络场景数据来进行仿真,从时延方面验证了该方案在DTN网络中的性能优势。DTN网络中节点之间链路的断续连通,导致DTN网络不存在实时的端到端路径,无法直接用增广路径求解DTN网络的最大流。为了尽可能的利用网络资源,找到收发器受限的DTN网络可承载的业务量上限,并得到DTN网络的最佳收发器个数,需要设计能合理调度网络中的节点收发器、节点缓存以及链路流量的最大流算法。本文基于时间扩展图模型,考虑节点缓存,链路容量以及收发器个数限制等多个约束,针对最大流的优化目标,给出求解此问题的非线性规划模型,求解路由选择和缓存分配以及缓存器调度的最佳方案,并通过LINGO(Linear Interactive and General Optimizer)软件进行求解,分别从最大流和收敛性方面验证了算法的性能。

关键词： DTN网络时间聚合图最短路由问题时间扩展图最大流问题

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基于端边云协同的边缘计算任务卸载研究

基于端边云协同的边缘计算任务卸载研究

作者：刘黎明杭州电子科技大学

学位级别：硕士

边缘计算的广泛应用给计算资源和能量供应受限的终端带来了曙光,终端通过计算卸载完成任务可以减少能量消耗和提升性能。因此,边缘计算任务卸载成为一个值得研究的课题。本文基于端边云协同的网络架构,分别研究动态边缘网络环境下任务... 详细信息

边缘计算的广泛应用给计算资源和能量供应受限的终端带来了曙光,终端通过计算卸载完成任务可以减少能量消耗和提升性能。因此,边缘计算任务卸载成为一个值得研究的课题。本文基于端边云协同的网络架构,分别研究动态边缘网络环境下任务卸载的场景以及基于资源需求预测和预留机制下任务卸载的场景。为了使终端在动态边缘网络中高效卸载任务,本文以时间扩展图(Time Expanded Graph,简称TEG)为工具,以Garg-K(?)nemanns框架为理论基础,形式化动态网络环境下的任务卸载效用值最大化问题,并设计了基于TEG的任务卸载效用值最大化算法。为了优化任务卸载方案和提升区域间计算资源调度效率,本文以图卷积网络(Graph Convolutional Networks,简称GCN)和基于注意力机制的循环神经网络(Recurrent Neural Networks,简称RNN)为理论依据,构建区域时空关联任务卸载需求预测模型,并基于此设计区域资源预留算法调度区域资源进行预留。本文的主要工作和贡献总结如下:(1)本文首先研究了动态边缘网络高效任务卸载方法的设计,考虑时变因素对任务卸载的影响,通过构建TEG离散化表示时变因素以简化问题。然后基于TEG提出单源算法(Single Source,简称SS)以最大化单终端任务卸载效用值。针对多源任务卸载,本文基于Garg-K(?)nemanns框架设计了解决该NP-hard问题的近似算法:多源算法(Multiple Source,简称MS),其近似比率为1-3(0时间消耗、能量消耗、效用值等多个方面均优于对比算法。(2)为了提升实时资源调度和利用的效率,本文基于资源需求预测和预留机制满足区域任务卸载需求,降低资源调度成本,提出基于时空关联任务卸载需求预测的时延感知资源预留方法。首先考虑区域任务卸载需求高度复杂的空间内在相关性以及在时间序列上的相关性,然后构建区域时空关联任务卸载需求预测模型(Spatio Temporal Correlation Task Offloading Demand,简称STCTOD),进一步提出了边缘服务器资源预留算法(Edge Server Resource Reservation,简称ESRR),以最小化终端任务卸载时延。本文基于真实数据集对时空任务需求预测模型和时延感知资源预留算法进行实验,实验结果表明不同场景下的平均卸载时间消耗降低30%,验证了预测模型和资源预留算法的可行性和有效性。

关键词：边缘计算计算卸载时间扩展图效用最大化深度学习资源预留

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时变网络弹性路由算法研究

时变网络弹性路由算法研究

作者：张靖乾西安电子科技大学

学位级别：硕士

时变网络是指网络可用资源(拓扑、链路速率、时延、缓存、计算等)与业务负荷随时间变化的一类网络,互联网、天地一体化网络、物联网等主要网络形态均为时变网络,是支撑工农业生产、社会活动、政府工作和个人生活的关键基础设施。弹性是... 详细信息

时变网络是指网络可用资源(拓扑、链路速率、时延、缓存、计算等)与业务负荷随时间变化的一类网络,互联网、天地一体化网络、物联网等主要网络形态均为时变网络,是支撑工农业生产、社会活动、政府工作和个人生活的关键基础设施。弹性是网络抗毁、抗阻塞的能力,是时变网络的必备特征。弹性时变网络可在大尺度变化的时空环境、大尺度变化的业务环境中高效利用网络资源保障业务的通信需求,路由技术是支撑网络弹性的关键要素。传统地面网络多采用分时段静态图表征网络特征,基于静态图的路由算法与协议割裂了分时段网络资源的关联关系,若直接应用于天地一体化网络等时变网络中,将导致网络资源利用率低下、网络的弹性性能弱的问题。基于此,本文针对弹性保障、低时延与高资源利用率之间矛盾,研究时变网络弹性路由算法与技术,主要工作与创新型研究成果如下:综述了时变网络特征与组网技术研究现状;分析了主要天地一体化网络弹性路由技术,重点讨论了天地一体化网络路由技术与弹性保障策略面临的挑战。提出了面向网络服务能力的弹性网络路由评估指标体系,表征关联利用链路传输资源、存储资源、时间资源条件下,弹性网络路由技术对网络服务的弹性保障能力。传统网络路由算法仅利用传输资源,相应的弹性网络指标评估体系无法表征多维关联资源的网络弹性保障能力,亦缺乏时间属性。基于此,本文综述了网络弹性定义与评估策略的发展现状,分析了时变网络特征,设计了适用于时变网络的弹性网络路由评估指标体系。提出了一种介数流量联合均衡的时变弹性抗毁路由算法,通过均衡配置全网路径与均衡部署业务,提升网络弹性与资源利用率。首先,本文应用时间扩展图模型表征了网络弹性时变过程,并分别分析已知损毁节点下的损毁问题和未知损毁节点下的损毁问题,提出路径与流量均衡策略;其次,设计了一种介数流量联合均衡的时变网络弹性抗毁路由算法,基于介数的路由避免通过某个节点的路由过多,提升网络抵抗性,基于流量的路由避免某些链路负荷过重,进一步提升网络的抵抗性,通过关联利用网络传输资源、存储资源与时间资源,解决网络弹性保障、低时延与高资源利用率之间矛盾,同时提升网络的弹性与资源利用率;最后,建立了基于的仿真环境,仿真结果表明该算法在弹性保障能力优于现有最短路径算法。设计了时变网络弹性抗毁路由协议,并构建了时变网络弹性抗毁路由协议仿真平台,验证了协议的效能与可行性。首先,分析了时变环境下协议设计面临的挑战,设计了时变网络弹性抗毁路由协议,包括自适应动态拓扑发现与维护、介数流量联合均衡的时变弹性抗毁路由算法、存储托管转发机制、弹性网络路由评估指标等,为应对网络高动态特征和链路断续连通特性,对仿真软件做出适应性改造。其次,构建了时变网络弹性抗毁路由协议仿真平台。最后,依托天地一体化网络测试仿真场景,对路由功能、业务连通和弹性路由性能分别进行了测试,验证了时变网络弹性抗毁路由协议的效能与可行性。

关键词：时变网络天地一体化网络弹性保障时间扩展图仿真平台

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天地联合测控鲁棒性路由算法

上海航天（中英文） 2021年第4期38卷 101-108页

作者：夏茹敏史可懿何健李红艳西安电子科技大学通信工程学院陕西西安710071 上海航天电子技术研究所上海201109

针对未来海量飞行器的测控需求与中继卫星有限资源之间的矛盾,在天地联合组网测控架构的基础上,设计了基于时变图的时延保障鲁棒性路由算法,以满足测控任务低时延、高可靠的通信要求。首先,构建时间扩展图(TEG),精准表征天地联合网络的... 详细信息

针对未来海量飞行器的测控需求与中继卫星有限资源之间的矛盾,在天地联合组网测控架构的基础上,设计了基于时变图的时延保障鲁棒性路由算法,以满足测控任务低时延、高可靠的通信要求。首先,构建时间扩展图(TEG),精准表征天地联合网络的时变拓扑、链路时延与业务需求;然后,将时延保障鲁棒性路由问题建模为最短时延备份路径问题,采用贪心思想和增广路径回退机制,设计基于TEG的最短时延备份路径算法,高效获取两条低时延且互为链路备份的端到端路径,为测控业务传输提供鲁棒性保障;最后,分析了时间复杂度并给出算法应用示例。相比于传统备份路由方法,所提算法能够构建时延性能较好的备份路径(仅增加0.01 s),100%保障单链路失效情况下测控业务传输不中断。

关键词：天地联合网络测控可靠性鲁棒路由时间扩展图