基于分时模型的leo卫星网络无环路由算法毕业论文(编辑修改稿)

基于分时模型的leo卫星网络无环路由算法毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

（ Globalstar 系统、 Teledesic 系统）两种。 有 星际 链路的卫星星座系统具有很多的优势： （ 1） 卫星移动通信网中卫星具有星际链路时能够在不依赖于地面通信网的条件下为全球用户提供移动通信业务； （ 2） 卫星网络星际链路使得卫星网络可以独立于地面网，成为地面网络的可靠备份， 从而提高了整个移动通信网的可靠性； （ 3） 新一代移动通信网要支持交互式、实时多媒体业务，就要求卫星网络具有星上处理和星际交换功能以减小信息的传输时延和时延抖动等； (4).地面蜂窝无线通信的高速发展所带来的漫游问题也可以在一定程度上借助卫星网来解决，有利于实现真正的全球个人通信。 因此，在未来的宽带卫星移动通信系统中有星际链路的中、低轨卫星更具有发展前景，是未来卫星发展的指向。 研究目的及意义 卫星通信网络是地面网络在太空的延伸，作为重要的补充和备份通信方式，更具意义的是使地面网络难以或无法到达的地区实 现网络化覆盖。 而建立网络化的卫星系统，首先要解决的问题就是星上路由技术 [15]。 卫星网络的路由技术是卫星网络技术中的关键部分，影响着整个卫星网络系统的丢包率 、传播时延、吞吐量、 阻塞概率等 GoS (Grade of Service)和 QoS (Quality of Service)指标，从而决定了卫星网络的系统性能。 建立卫星网络的目的就是为了实现通信，只有给业务建立了有效的传输路径才能实现业务传输的目的，才能实基于分时的 LEO 卫星网络无环路由算法 6 现通信。 业 务流从源传送到目的端可以有多条传输路径，如何在所有的可行路径里找出符合我们要求 （ 时延最小或者代价最小等 ） 的路径是路由技术的核心部分—— 从一系列 ODpair (Origination destination pair)中找到一条满足一系列限制条件的最优路径。 从系统管理者角度出发 ， 需要根据链路长短和负载状况进行网络资源分配和调度 ， 以保证不同的 GoS 和 QoS 要求。 因此，路由算法是保证通信系统有效性和可靠性的重要手段。 路由 一直是通信网络需要解决的核心问题，由于空间网络具有拓扑动态变化、星际链路传输时延长、传输数 据流量业务分布不均衡等特点，网络节点具有节点存储空间有限、计算能力有限的限制条件，使得路由在空间网络的发展面临新的挑战 [16]。 卫星一直围绕地球不停地运动，卫星网络的拓扑结构是动态变化的，因因此虽然地面网络路由的发展已经很完备，在拓扑是静止不动的地面网络中使用的传统路由协议不能直接应用到卫星网路中。 然而， 卫星网络也与节点完全随机运动的地面移动自组网不同，卫星总是沿着 预定的轨道飞行，某一时刻卫星处于空间 的 某个位置是固定的，因 此卫星与卫星之间的连接关系是可以预测出来的，具有可预测性；同时整个卫星网络具有周期性，在经过有限的时间后，卫星网络可以回到周期开始的初始状态，且相邻两次卫星网络拓扑重复的时间间隔称为一个星座周期，星座周期的有限性使得星座路由可以由有限个静态路由表组成 ， 来代替阶段性动态路由；另外卫星网络中的节点个数固定，除非卫星发生故障，在一段时间内网络中卫星数目不会发生变化。 以上提到的卫星网络的 3 个特点使得路由的研究有据可循，路由算法更为简化 [17]。 目前国内针对星座通信系统的研究主要集中在对轨道的设计以及优化覆盖性能等方面，对组网技术（尤其是其中的路由技术）的研究相对薄弱，有待进一步深入。 在研究我国未来 LEO 卫星星座通信系统时，除了相关技术成熟程度外更需要借鉴我国的基本国情和特有的实际需要，大体需要注意一下几个方面： 首先就目前国际形势来 看，在全球范围内大量建设地面信关站是不切实际的，是不可能实现的， 像 Globalstar 这种弯管式星座通信系统即使设计简单，需要技术较低， 但不具备 可行性，因此我国设计的卫星系统必须包含星间链路、星上处理能 力和支持交换路由。 其次考虑军事因素需要，星座网络应该避免过度依赖地面站，提高自主运行能力，这样才能保证即使地面站中断服务卫星系统仍然可以运行一段时间，提供一些服务维持直到备份站建立。 最后星座网络应具有鲁棒性，当卫星节点失效 ，除了使用备份卫星外还可以依靠其它技术如路由技术，通过借用其它 卫星节点完成业务，保障网络正常运行工作。 基于分时的 LEO 卫星网络无环路由算法 7 国内外发展现状 国外卫星路由算法研究现状 国外关于卫星网络的研究早于我国，针对 LEO 卫星网络的特点，已经有多种路由算法。 典型的面向连接算法主要是基于 ATM 卫星网络 路由 算法，在本文 节中有简要介绍。 基于有限机的路由算法是典型的静态路由算法，本文的 节中也有简要介绍。 这两种算法主要都是利用离散时间虚拟拓扑算法 (DiscreteTime Dynamic Virtual Topology Routing)。 除了使用虚拟拓扑和虚拟节点路由算法隐藏卫星网络拓扑的动态变化的性质， 还 提出了动态路由算法，这种方法定期收集路由信息 ，每次重新建立路由表。 Lee[18]提出 了 一种基于链路 状态的 路由算法 ， 是一种 适用于双层 LEO/MEO 卫星网网络的动态路由算法。 在这种算法中， LEO 层的卫星按照位置划分成多个组， 每组 LEO 卫星向邻近的 MEO 卫星报告链路延迟状态信息。 MEO 卫星互相之间交换收集到的信息，形成全局路由信息。 MEO 卫星同时将形成的全局路由信息返回给所管理的 LEO 卫星。 动态路由方法应用到节点较多的卫星网络中时， 存在路由信息量过大的问题。 为了解决路由信息量过大的这个问题， Tsai 和 Ma 提出了 Darting 算法 [19]， 着着眼于减少卫星网络拓扑变化带来的拓扑更新操作。 Darting 算法的基本思想是延迟拓扑更新信息的传输 ， 直到需要更新时再传输更新信息。 Darting 算法并不直接阻止路由环路的产生，而是在环路产生时动态的检测并消除。 国内卫星路由算法研究现状 接入卫星切换、流量分布不均匀和星上处理能力受限等因素使 LEO 卫星网的QoS 路由面临巨大挑战。 朱军和饶元 [20]提出了一种引入移动代理技术的轻量级按按需 QoS 源路 由算法。 仿真结果表明，提出的路由算法信令开销低，时延抖动、新呼叫阻塞率和切换呼叫阻塞率等 QoS 性能明显优于传统路由算法。 但是卫星网中接入卫星切换不可避免，这会导致正在传输数据的路径失效，因此要使服务得以继续就必须进行路由重建，这需要足够的过渡时间，增加了计算和信令开销。 因此路由重 建策略的设计必须综合考虑两方面因素：一是必须减少路由重建过程对已中断业务性能的影响 —— 即保证最小切换等待时间，以减少对中断业务性能指标的影响； 二是必须减少路由重建对其它未中断业务的影响 —— 即路由重建不能消耗太多的星际链路资源和信令开 销，这样虽然解决了重路由的问题，但增加了算法的复杂度和网络开销，同时使得业务传输 时延 变长。 随着不断的发展， 在 传统的基于位置的数据报路由的基础上 提出一种新算法[21]，保持了数据报路由不需要建立存 储路由的优点，还改善了由于时变的拓扑结基于分时的 LEO 卫星网络无环路由算法 8 结构给算法健壮性带来的影响， 与之前的算法不同，这个算法中动态改变的拓扑结构对上层用户来说不再是透明的。 国内外发展综述 综上所述，目前研究的路由算法主要可分为动态路由算法和静态路由 算法，动态路由算法算法很好的解决了拓扑实时变化的特点， 动态路由算法是 节点 的 路由选择 ， 要依靠网络当前的状态信息来决定。 这种策略能较好地适应网络流量、拓扑结构 的变化，有利于改善网络的性能。 但由于算法复杂，会增加网络的负担 ，算法复杂度较高，会给时延带来很大影 响。 静态路由算法的实现中主要考虑离散后的静态拓扑 的路由算法，虽然算法简单，但是没有考虑切换带来的影响，而在算法中考虑重路由的方法虽然可以解决切换带来的不良影响 ，但是势必要增加算法的复杂度。 基于以上原因，本文主要从缩短时延 的 角度 出发，提出了一种基于分时的无环路由算法， 保持静态路由算法的简单的 优势的同时，提前给出备选路径代替由于切换产生的环路问题，改善时延 特性。 本文研究主要研究内容 本文根据卫星的轨道特性，分析了各类卫星网络的特点，其中 LEO 卫星网络具有轨道高度低、传输时延小以及用户终端实现简单等优点 ，使得 LEO 卫星网络成为卫星通信研究的热点。 LEO 卫星的高速运动以及卫星网络拓扑的快速动态变化等特点导致路由算法设计成为 LEO 星际网络的关键问题，本文结合 LEO 卫星网络特点 ， 通过对卫星网络中路由问题及其难点进行深入的研 究，主要针对静态路由算法研究环路 消除的问题，分析了静态路由算法中环路产生的原因、现象，根据无环条件以及算法的改进排除路由中的两种环路。 第 1 章首先介绍了课题背景及研究目的，特别是路由算法研究的意义；然后介绍了国内外的研究现状，说明了本文的主要研究内容和结构。 第 2 章 首先对 LEO 通信系统进行分析 ， 在此基础上 提出 了 3 个典型的 LEO 低轨卫星系统，以及几种典型的 LEO 卫星网络路由算法。 第 3 章 首先介绍了 STK 和 OPNET 软件，并使用它们构造了 LEO 卫星系统中的铱星系统的仿真场景，从三个层次上仿真建模。 第 4 章 讨论了一种基于分时模型的 LEO 卫星网络无环路由算法的设计。 算法采用平滑路由表切换策略消除由于切换前后网络状态信息不一致而产生环路的可能性 ,保证 分组在任何时刻都能够沿无环最短时延路径被转发。 同时简化路由表节省 星上资源。 利用 OPNET 对算法进行了模拟 ， 模拟结果表明算法能够提供数据最优传送 ， 具有较好的端到 端时延性能。 最后给出了本课题的结论。 总结了已经完成的主要工作以及该课题存在的不基于分时的 LEO 卫星网络无环路由算法 9 足和下一步应当开展的后续工作等。 基于分时的 LEO 卫星网络无环路由算法 9 第 2 章 LEO 卫星网络典型路由算法分析 LEO 卫星通信系统概述 NGEO 卫星系统目前 是卫星系统的主要研究对象， NGEO 系统有利于手持机实现全球无缝隙覆盖通信， 扩展业务实现宽带数据通信和多媒体业务通信 ， LEO (Low earth orbit)网络中的卫星轨道相较于其他 NGEO 系统的轨道更低， 卫星与地面用户之间的传输 时 延和地面上链路的传输 时 延 具有可比性，地面终端有功率 耗低，频率复用率高的 优 势，且如果卫星节点之间存在星间链路，那么这两颗卫星之间的通信不再 需要依靠地面网络提供的资源 [22]–[24]。 新一代的 LEO 系统为手持手持电话在真正意义上提供全球通服务，进一步建立了交互宽带通信服务，使得个人计算机和多媒体应用的接入能无所不在 [25]。 基于以上原因，可提供宽带通信业务的 LEO 卫星网络目前是卫星通信领域的研究热点之一。 LEO 卫星系统通常包括多个卫星轨道平面，且每个轨道平面上运行多颗卫星。 根据卫星轨道轨迹是否通过极地地区将 LEO 卫星系统分为极地轨道星座和非极地轨道星座系统。 极地轨道星座的所有的卫星轨道平面都通过南北极地地区。 表 Iridium、 Teledesic和 Globalstar 三个 LEO 卫星系统的主要参数 [26]。 表 几个 LEO 卫星系统的主要参数 LEO 卫星 网络中的卫星之间可能存在星间链路。 由于卫星处理能力 有限及一些其他条件 的限制， 目前卫星之间的星间链路设计为 4–8 条。 因为星间链路是高带宽的高频或光链路，而星地链路是低带宽的射频链路，所以卫星网络业务量的主要限制点在星地链路，星间链 路的使用更有利于通信。 星间链路有三种类型：同轨道面内的星间链路 (Intraplane ISL)， 不同轨道间的星间链路 (Interplane ISL)以及反向缝链路 (Cross_seam ISL)。 不同类型的星间链路有其独特的特征，同轨道面内的 ISL 是卫星与轨道上相邻的 2 颗 /4 颗卫星之 间的链路连接，在整个卫星运行 卫星 个数 高度 (km) 轨道 平面 倾角 轨道 平面 数 星上 处理 能力 每颗星 最多 ISL 反向 缝 ISL 用户同 时可见 卫星 星座 铱星 (Iridium) 66+6(备用 ) 780 6 有 2 (轨内 ) +2 (轨间 ) 无 13 极地 Teledesic 系统 288 1375 24 有 2 (轨内 ) +6 (轨间 ) 有 24 极地 Globalstar 系统 48+4(备用 ) 1414 52 8 无 无 无 24 非极地 基于分时的 LEO 卫星网络无环路由算法 10 周期内保持不变；不同轨道间的 ISL 是卫星与相邻轨道面上的卫星的链路连接，轨道间的星间链路在卫星运行周期内是变化的，主要产生这种差异的原因是：不同纬度读取，相邻轨道 卫星 间的距离不同， 尤其在极地地区卫星快速运行，出现交叉运行的状况，卫星上的天线不能快速跟踪卫星交叉后的卫星，所以 Interplane ISL 需要断开后的重连接过程；极地轨道星座系统中存在南北反向运转的相邻轨道平面，在这个两个反向运行的轨道面上的卫星之间的星间链路就是 Cross_seam ISL，若存在反向缝链路，。