基于链路状态的卫星路由算法研究

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卫星网络具有覆盖范围广且灵活的特点,可以实现全球网络的无缝覆盖,已经逐渐成为下一代互联网的基础部分。卫星网络自提出以来,路由技术一直是其研究热点。在小卫星网络中,星间链路资源极为宝贵,星间链路的建立和保持除了满足星间可视条件外,还存在通信方向、链路数量,有限缓存容量,链路建立时延等多个约束条件。当大量时空突发分组的到来时,会引发链路传输优先权竞争问题,如果不采用适当的路由、调度策略,极易发生拥塞以及分组的丢失,影响网络的吞吐、延迟性能。现有的路由、调度算法,在设计时一般假设星间链路为双向全连通的,并没有考虑实际链路约束。针对这一问题,本文研究了强链路约束条件下小卫星网络的路由问题。  为研究星间链路约束对路由性能的影响,需要对星间链路进行建模,描述其约束性特征。本文通过对小卫星网络中存在的多种链路约束条件进行总结和分析,从建链条件、链路可用性、链路时延三个方面对卫星通信链路进行建模分析,总结出多约束条件下星间链路建立的复杂过程。在此基础上,阐述了半双工星间链路的工作模型,以及在强约束条件下路由、调度算法的链路工作原理,并通过分析得出在强约束链路模型下,可以通过优化路由、调度算法来优化链路资源的使用,以提升网络的传输性能。  针对强约束条件下的链路资源受限的问题,提出了一种基于链路状态的卫星路由算法。该算法是一种分布式按需路由,它采用多径路由的思想,首先根据相对位置关系计算出候选路径集,然后每个节点根据收集到的最新链路状态信息结合QoS需求计算每条路径的代价,以决策出适应当前链路状态的最优下一跳。该算法通过逐跳地路径决策来解决链路传输优先权冲突问题。仿真结果表明,在强链路约束条件下该算法可以有效的缓解网络拥塞造成的分组丢失问题,并且与基于双向全连通模型设计的路由算法相比能获得更好的吞吐、时延性能,保障了路由传输的可靠性和网络性能的稳定性。  针对强链路约束下的链路调度问题,本文提出了基于时间效用的贪心调度算法,用于优化同一节点内分组发送顺序,以提升节点的服务性能。该算法定义时间效用作为链路优先权的判断标准,每个节点内部根据贪心准则序贯性选择时间效用大的链路输出,从而解决节点内冲突问题。仿真结果表明,该调度算法相比其他算法,在发送链路数量受限的情况下,能保证系统有较高的吞吐能力的情况下,仍然有较低的传输时延,符合新一代卫星网络高吞吐低时延的传输需求。
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