多层卫星网络拓扑结构及路由协议研究

论文摘要

卫星通信网络在国家的空间战略中占据着重要地位,已经受到了越来越多的关注和重视。研究建设符合我国需求的卫星通信网络,对于我国这样疆域辽阔、地形复杂的国家将具有政治、经济及军事等方面的重要意义。卫星网络的拓扑架构与路由算法是卫星网络的重要研究课题。由于建立星间链路的严格限制条件和巨大的时间开销,稳定的卫星网络拓扑结构对于卫星网络的性能影响很大。本文研究由静止轨道(GEO)、中轨道(MEO)和低轨道(LEO)卫星组成的多层卫星网络的拓扑结构设计与相应的路由协议。本文利用STK工具为MEO和LEO层设计了能够提供永久性链路的walker delta星座模型,然后以每一层内的永久性链路建立各层中稳定的网络拓扑,其中GEO卫星构成带弦环状结构,MEO和LEO层节点分别构成二维环绕结构。为减小不同层次网络之间的耦合度和在空间均衡分布层间连接,本文将地球表面分区,根据星下点位置对各层网络进行分簇,仅同一分区上方的簇两两建立层间连接,从而形成具有负载均衡和冗余备份能力的、具有适度连接的三层立体网络。在路由协议方面,本文以最小化通信延迟为目标设计了多层卫星网络的路由协议;并针对不同类型的包设计了相应的地址匹配与转发方式,加快了数据包及各种信令消息的传输。本文使用OPNET Modeler建立了多层卫星网络的仿真实验环境,实现了所设计的多层卫星网络路由协议,并进行了性能测试。仿真实验表明多层卫星网络拓扑结构稳定,路由协议具有较好的负载均衡和应对节点故障的能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 卫星网络发展概述
• 1.2 星座模型研究
• 1.3 卫星网络架构研究
• 1.4 卫星网络路由研究
• 1.4.1 基于数据驱动的路由算法
• 1.4.2 基于覆盖域划分的路由算法
• 1.4.3 基于虚拟节点的路由算法
• 1.5 仿真工具
• 1.6 论文内容
• 1.7 论文组织
• 第2章 多层卫星网络的架构设计
• 2.1 MEO/LEO 星座模型设计
• 2.2 单层卫星网络的拓扑设计
• 2.3 层间拓扑设计
• 2.4 多层卫星网络的拓扑管理与维护
• 2.4.1 节点任务映射
• 2.4.2 状态信息的收集与传播
• 2.4.3 层间拓扑维护
• 2.4.4 节点故障恢复
• 2.5 本章小结
• 第3章 多层卫星网络的路由协议及包转发机制
• 3.1 路由算法
• 3.1.1 链路传输延时计算
• 3.1.2 路由计算
• 3.2 路由协议设计
• 3.2.1 路由表结构设计
• 3.2.2 卫星节点的层次化编址设计
• 3.2.3 数据包及路由信令设计
• 3.2.4 路由信令处理流程
• 3.3 基于多地址形式匹配的包转发机制
• 3.4 本章小结
• 第4章 多层卫星网络的仿真设计
• 4.1 OPNET 仿真软件
• 4.1.1 进程模型
• 4.1.2 节点模型
• 4.1.3 网络模型
• 4.2 多层卫星网络的进程模型设计
• 4.2.1 路由协议的有限状态机模型
• 4.2.2 路由协议的主要函数设计
• 4.3 多层卫星网络的节点模型设计
• 4.4 多层卫星网络的网络模型设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 仿真实验与分析
• 5.1 多层卫星网络架构的稳定性实验
• 5.2 多层卫星网络路由协议的性能测试
• 5.2.1 端到端延时、丢包率及吞吐量系列实验
• 5.2.2 负载均衡实验
• 5.2.3 网络健壮性实验
• 5.3 本章小结
• 第6章 结束语
• 6.1 本文总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与研究成果