【摘要】：衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是以衛(wèi)星為載體,例如:同步衛(wèi)星、中軌衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星等,進行實時的空間信息獲取、處理并提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),在航空航海、航天測控、災(zāi)難救援、定位導(dǎo)航等領(lǐng)域的應(yīng)用都起著重要支撐作用,是國家最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。除此之外,衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠支持高動態(tài)的實時傳輸,進行對地觀測;支持大時延、遠距離的可靠傳輸,進行深空探測,由此將我們的生產(chǎn)活動及科學(xué)研究拓展至遠洋、空間、乃至深空。因此,衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為全球的研究熱點。21世紀(jì)以來,隨著科技的日益發(fā)展,語音、圖像、視頻等數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)在具有全球覆蓋能力的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中傳輸,使得衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)成為最重要的覆蓋全球新型移動通信系統(tǒng)的組成部分之一。由多個衛(wèi)星節(jié)點組成的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),通過路由查找及星間鏈路連接進行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)等工作,實現(xiàn)通信。然而衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂袝r變特性,主要表現(xiàn)為:(1)星間鏈路及星地鏈路的連通情況隨時間改變,導(dǎo)致衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)被切割頻繁,幾乎不存在端到端路徑,適用于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的TCP/IP協(xié)議不能夠完成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸;(2)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點所處空間環(huán)境復(fù)雜,高速運動導(dǎo)致鏈路條件隨時間變化,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)隨機中斷后無法快速修復(fù),因此對于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中預(yù)防隨機中斷的路由策略研究至關(guān)重要;(3)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星節(jié)點的不均衡負(fù)載、突發(fā)性設(shè)備損壞、節(jié)點故障會導(dǎo)致星間鏈路中斷,特別是在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用于軍事中,更易遭遇敵方打擊而出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隨機中斷。因此,對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)生隨機中斷后對數(shù)據(jù)重新規(guī)劃研究具有非常重要的意義。對于時變特性出現(xiàn)的問題一,本文采用了容斷網(wǎng)絡(luò)(Disruption-Tolerant Networking,DTN)網(wǎng)絡(luò)模型,數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議遵循DTN網(wǎng)絡(luò)中的BP/LTP協(xié)議;對于時變特性出現(xiàn)的問題二和三采取時空圖模型刻畫時變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并在其模型上設(shè)計預(yù)防及處理隨機中斷的數(shù)據(jù)傳輸策略。論文的主要貢獻如下:本文利用時空圖模型對衛(wèi)星時變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?分析了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及路由策略。對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的中斷問題進行分類,確定處理隨機中斷帶來的傳輸問題并建立隨機中斷概率模型。基于網(wǎng)絡(luò)中隨機中斷的特點,確立了時空圖的建模方法;在此基礎(chǔ)上,提出了具體的時空圖構(gòu)建算法;針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的隨機中斷問題,設(shè)計預(yù)防隨機中斷路由策略,通過將中斷概率與傳輸能量開銷相融合,并結(jié)合DTN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸過程定義時空圖邊權(quán)值數(shù)學(xué)模型;提出了基于時空圖模型的預(yù)防隨機中斷路由算法。在滿足時延要求的情況下,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生隨機中斷,以最小數(shù)據(jù)傳輸代價完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。在衛(wèi)星DTN網(wǎng)絡(luò)中,分析了隨機中斷發(fā)生后對網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w影響;將隨機中斷發(fā)生前和發(fā)生后關(guān)注的路由問題以數(shù)學(xué)模型的形式展現(xiàn);提出基于時空圖模型的隨機中斷彈性路由策略,發(fā)生中斷后就在更新的時空圖模型上找到具有最小能量開銷的一組路由,并滿足時延要求,為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在發(fā)生隨機中斷時,數(shù)據(jù)的傳輸問題提供了一種實際可行的方案。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生隨機中斷后,保證數(shù)據(jù)的正常傳輸并使其能量開銷達到最小。本文設(shè)計的彈性路由算法相較于其他傳統(tǒng)路由算法,能夠有效處理衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中隨機中斷問題。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文位于 LEO 衛(wèi)星視距范圍內(nèi)，并與 LEO 衛(wèi)星通過星間鏈路相連。除此之外，還需要保證 LEO 衛(wèi)星之間沒有星間鏈路連接，這樣能夠減少由于低軌衛(wèi)星之間鏈路的頻繁中斷而導(dǎo)致的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。DLSC 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖 1-1。文獻[13]中由 MEO 和 LEO 衛(wèi)星構(gòu)成的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與 DLSC 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，其中單層 LEO 衛(wèi)星能夠覆蓋地球，與此同時，，MEO 層衛(wèi)星能夠完全覆蓋 LEO 層衛(wèi)星。在 LEO 層中，每一個 LEO 衛(wèi)星都具有 4 顆鄰近的衛(wèi)星，包含同一軌道的 2 顆 LEO 衛(wèi)星和相鄰軌道的 2 顆 LEO 衛(wèi)星；在 MEO 層衛(wèi)星與 ICO 結(jié)構(gòu)類似，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有 2 個軌道，每個軌道運行 5 顆 MEO 衛(wèi)星。其中，同一軌道面內(nèi)的 MEO 衛(wèi)星保證鏈路狀態(tài)穩(wěn)定，不能隨著衛(wèi)星的運動發(fā)生改變。

圖 1-2 MLSN 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1.2.2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由研究現(xiàn)狀在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，利用星間鏈路相互連接能夠完成路由查找、數(shù)據(jù)等工作[13]。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)使用星間鏈路比使用透明轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)勢在于：（1鏈路連接的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠脫離傳統(tǒng)電話網(wǎng)絡(luò)，滿足任意區(qū)域的地面終的通信需求。（2）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠成為獨立網(wǎng)絡(luò)，提升整體衛(wèi)星通信質(zhì)絡(luò)健壯性。（3）隨著技術(shù)發(fā)展，人們對通信的實時性要求更高，因此星網(wǎng)絡(luò)可以快速傳遞信息并處理交換數(shù)據(jù)，減少傳輸時延。（4）在地蜂窩通信中，越區(qū)會產(chǎn)生一些漫游問題，從而影響通信質(zhì)量，衛(wèi)星網(wǎng)時通信及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)可以用來輔助解決該問題，實現(xiàn)全球通信。因此，信系統(tǒng)中使用星間鏈路仍然是未來一段時間內(nèi)的發(fā)展趨勢。但衛(wèi)星網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點出現(xiàn)故障時，星間鏈路發(fā)生隨機中斷，嚴(yán)重影通信。衛(wèi)星所處的空間環(huán)境中，由于電磁干擾、距離改變、節(jié)點損壞、擊、能源攜帶有限等因素，都可能導(dǎo)致衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點發(fā)生故障，
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN927.2

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本文編號：2679673