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应用科学学报 2023年第5期41卷 738-752页

作者：戴翠琴贺黎明罗屹重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065

针对低轨卫星网络中网络时空连通性和流量阻塞的问题,综合考虑了星间链路状态、卫星能效和负载状态,提出了一种基于数据校验时空图的连接计划设计(data check time-space graph-contact plan design, DCTSG-CPD)方案。首先,构建基于电... 详细信息

针对低轨卫星网络中网络时空连通性和流量阻塞的问题,综合考虑了星间链路状态、卫星能效和负载状态,提出了一种基于数据校验时空图的连接计划设计(data check time-space graph-contact plan design, DCTSG-CPD)方案。首先,构建基于电池模型的数据校验时空图(data check time-space graph, DCTSG),并以星间链路和卫星能源为约束,将连接计划设计建模为最大化吞吐量问题;其次,在DCTSG的基础上,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CP以生成吞吐量最大化的最佳CP。仿真结果表明,所提DCTSG-CPD方案不仅能够提升吞吐量,而且可以有效降低数据交付时延。

关键词：卫星网络连接计划设计时空图数据校验吞吐量

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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

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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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空间通信网络的连接计划设计研究

空间通信网络的连接计划设计研究

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作者：郭林峰重庆邮电大学

学位级别：硕士

随着卫星通信技术和各类航空航天通信平台技术的发展,空间通信网络将为我国未来空间科学探测、地面灾害紧急救援、远洋通信、实时导航等多个领域提供必要保障。在空间通信网络中,由于各类空间节点之间的相对运动和轨道高度的差异,导致... 详细信息

随着卫星通信技术和各类航空航天通信平台技术的发展,空间通信网络将为我国未来空间科学探测、地面灾害紧急救援、远洋通信、实时导航等多个领域提供必要保障。在空间通信网络中,由于各类空间节点之间的相对运动和轨道高度的差异,导致网络拓扑状态和连接属性动态变化、连接频繁中断等问题,给空间任务的高效执行带来巨大挑战。本文以临近空间层和卫星网络构成的空间通信网络为研究背景,围绕空间通信网络中连接的成本效益、可靠性和负载均衡等问题,对空间通信网络中的连接计划设计(Contact Plan Design,CPD)展开研究。本文主要工作概括如下:(1)提出基于定向时空图的CPD方案。针对空间通信中的网络时空连通性问题,综合考虑连接成本和连接可靠性,提出了三种基于定向时空图的CPD方案。首先,构建了由卫星网络和临近空间层组成的双层空间通信网络模型。然后,通过分析网络的时间演进特性和节点轨迹的可预测性,设计了定向时空图对动态网络进行静态离散化。接着,为了最小化网络连接成本、最大化网络连接可靠性,定义了基于空间距离与载波频率的连接成本和连接可靠性。最后,通过引入贪婪算法的思想将CPD问题分解为多个子问题的集合,并提出了三种通过贪婪算法求解的CPD方案。仿真结果表明,所提出的CPD方案可以有效地提升网络连接可靠性、降低网络连接成本,而且随着网络密度的增加,成本效益更高。(2)提出基于层间协作的负载均衡CPD方案。针对地面中继业务量变化导致的空间连接负载不均衡甚至拥塞的问题,提出了两种基于层间协作的负载均衡CPD方案。首先,为了充分挖掘空间通信网络的层间协作能力,综合考虑了各层空间节点的移动性、覆盖范围和处理能力,构建了基于虚拟组管理的空间通信网络结构。然后,综合考虑空间连接负载、地面中继业务量和地面通信设备数三者之间的关联性,通过管理层预测地面中继业务量后计算给出中继层的全局连接计划。同时,针对全局连接计划无法适应突发的中继层局部负载波动问题,通过考虑剩余时间容量设计了中继层局部连接管理策略。最后,提出了两种CPD方案,旨在通过管理层全局连接计划和中继层局部连接管理的层间协作方式实现空间连接的负载平衡。仿真结果表明,所提出的CPD方案能够优化空间通信网络在数据传输时的丢包率、平均端到端延迟和负载均衡的性能。

关键词：空间通信网络连接计划设计成本效益负载均衡

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卫星网络中基于双向寻优粒子群优化算法的连接计划设计

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通信学报 2019年第8期40卷 189-199页

作者：戴翠琴唐煌郭林峰重庆邮电大学通信与信息工程学院

针对卫星网络中拓扑时变、连接瞬断及资源受限的问题,提出了一种基于双向粒子群优化(BPSO)的连接计划设计(CPD)方案。首先,通过对资源受限的时变卫星网络分析,建立了基于任务的时间拓展图(TEG)模型;其次,考虑网络拓扑的离散性和节点资... 详细信息

针对卫星网络中拓扑时变、连接瞬断及资源受限的问题,提出了一种基于双向粒子群优化(BPSO)的连接计划设计(CPD)方案。首先,通过对资源受限的时变卫星网络分析,建立了基于任务的时间拓展图(TEG)模型;其次,考虑网络拓扑的离散性和节点资源的有限性,通过初始化、编码及修复环节生成卫星网络中的可用连接计划(CP);再次,根据执行任务的特点设计评价函数以区分所生成的可用CP的优劣;最后,根据CP中链路稀疏的特点确定最差位置中待修正的比特,提出BPSO算法不断修正CP以优化空间数据传输性能。仿真结果表明,所提方案能够有效降低任务传输时间,提升任务到达率。

关键词：卫星网络连接计划设计双向寻优粒子群算法传输时间到达率

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空间数据中继网络中的任务调度研究

空间数据中继网络中的任务调度研究

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作者：李宠重庆邮电大学

学位级别：硕士

空间数据中继网络(Space Data Relay Network,SDRN)凭借其覆盖范围广,可持续传输能力强等特点,为众多低、中轨用户卫星以及深空探测器提供数据跟踪、测控和中继服务。空间数据中继网络中的任务调度是指根据用户卫星的任务请求和数据中... 详细信息

空间数据中继网络(Space Data Relay Network,SDRN)凭借其覆盖范围广,可持续传输能力强等特点,为众多低、中轨用户卫星以及深空探测器提供数据跟踪、测控和中继服务。空间数据中继网络中的任务调度是指根据用户卫星的任务请求和数据中继卫星的有效载荷,科学合理地分配中继资源,以完成任务数据的传输。近年来,随着大量的卫星发射成功,不断增长的空间任务与有限的中继资源之间的矛盾愈加凸显,给空间数据传输带来了极大的挑战。因此,亟需更加灵活、高效的调度算法来保障中继资源的合理分配,提高任务传输能力和中继资源使用效率。本文主要工作概括如下:首先,针对SDRN中紧急任务与普通任务资源竞争进而降低任务调度效率的问题,提出了一种实时动态调度(Real-Time Dynamic Scheduling,RTDS)算法。在RTDS算法中,将整个任务调度过程分为了初始调度、动态调度和最终调度三个部分。初始调度是在天线资源和传输时间窗口等约束下,生成初始任务集合的调度方案;动态调度是在紧急任务到达后,对初始调度方案进行调整,为紧急任务提供所需的中继资源;最终调度是利用多目标决策算法选择出完成任务优先级之和最高且任务变化最小的调度方案。仿真结果表明,RTDS可以有效地确保紧急任务的传输,提高SDRN的传输效率。其次,针对SDRN中大量空间任务造成任务调度效率低下的问题,提出了一种基于连接计划设计的任务调度算法(Task Scheduling Algorithm based on Contact Plan Design,CPD-TSA)。在连接计划设计中,通过量化星间链路的传输速率和持续时间,进而获得用户可传输数据量,然后基于用户数据量进行连接选择。在任务调度过程中,每个中继资源在连接计划设计的基础上确立了所属任务集合,利用时间共享图为每个任务灵活地分配传输时间,提高任务调度的灵活性。仿真结果表明,所提CPD-TSA算法能够有效地提高任务的调度效率和SDRN资源使用率。

关键词：空间数据中继网络任务调度动态调度紧急任务连接计划设计

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