基于链路信息估计的低轨卫星网络传输控制协议

近年来，低轨卫星星座快速发展，其在军事和民用领域也将发挥越来越重要的作用.如何提高低轨卫星网络的带宽利用率成为保障低轨卫星星座发挥价值的重要研究方向.而传统TCP(Transmission Control Protocol)协议及其变种主要针对地面网络设计，难以适应长往返时延、高误码率、高动态变化的低轨卫星网络.因此，为了充分利用低轨卫星网络的带宽资源，承载高速率业务，需要针对卫星网络的特点设计新型传输控制协议.首先，分析了低轨卫星网络的特点以及现有传输控制协议在卫星网络中存在的问题；然后，提出了基于路径信息估计和时延区分的新型拥塞控制DDTCP(delay-differentiated TCP)算法.低轨卫星网络端到端时延可能由多种因素引起，DDTCP在源端会保存过去一段时间内的时延信息，进而通过路径时延区分机制对拥塞窗口演化进行分类处理，可以在网络状况发生突变后，快速设置合理的拥塞窗口，避免链路缓存溢出或吞吐下降.实验结果表明，新的传输控制协议DDTCP可以在低轨卫星网络中实现更高、更稳定的吞吐量，与传统拥塞控制算法相比，吞吐量提升19%以上.     

一种基于时隙划分的三层卫星网络QoS路由协议

提出了一种基于低轨/中轨/高轨（LEO/MEO/GEO）卫星网络体系结构（TLSN）和时空分割思想的QoS路由协议（TDRP）,详细阐述了时空分割思想和时隙优化方法,重点研究了QoS路由的实现框架和路由算法（BDA）的实现原理.在此基础上,卫星网络体系结构和路由协议的性能得到了详细分析和仿真验证.相同负载情况下,TLSN中端到端时延和时延抖动性能明显好于LEO卫星网络;同Dijkstra算法相比,BDA算法在端到端时延、时延抖动、丢包率、吞吐量方面具有更好的QoS保证能力.     

一种基于容器的低轨卫星网络协议测试床

近年来,以SpaceX为代表的商业航天公司提出了多个超大规模低轨卫星星座组网计划.卫星路由器是构建卫星互联网的关键基础设施.考虑到卫星路由器高昂的研制和发射成本,在卫星发射之前预先在地面上做好卫星星座的组网仿真和半实物接入验证具有重要意义.相比传统地面网络的仿真验证,卫星星座组网仿真面临高动态拓扑、超大组网规模、真实流量承载仿真以及半实物接入验证等需求和挑战.目前已知的地面网络通用仿真工具(如QualNet、NS2/NS3、OPNET、Mininet)均无法同时满足上述仿真要求,实现对超大规模动态卫星网络节点的真实协议栈验证.我们针对以上需求,吸收离散事件模拟和虚拟化仿真的思想,以容器为载体,设计并实现了一种低轨卫星网络协议测试床.在控制平面,系统基于卫星星座的数学建模,在内部时钟节拍驱动下生成链路通断的离散事件,精确描述星座拓扑的规律变化.在数据平面,系统使用Docker容器实现卫星和地面终端,使用Linux虚拟网络设备实现星间和星地链路,并基于隧道协议实现系统的分布式部署和半实物仿真,使其具备优秀的横向扩容能力,从而解决超大组网规模下的单机仿真性能瓶颈.为了充分挖掘多核处理器的计算...     

基于虚拟拓扑的低轨卫星路由切换算法仿真

针对低轨卫星网络中星地链路、星间链路的不断切换会造成路由重构,而星地路由重构时间过长将严重影响数据传输时延稳定性的问题,提出一种卫星路由切换算法.算法结合了卫星网络拓扑可预测性和地面电台动态性的特点,在动态路由计算的过程中加入静态可预测信息以降低动态路由的计算开销,并基于OPNET搭建了一个低轨卫星系统仿真平台来验证该协议.仿真结果表明,上述协议能有效的解决低轨卫星系统路由重构的问题,降低了丢包率,减少了系统端到端时延.     

适合星载交换机的调度算法

针对卫星有效载荷处理速度和存储容量受限的情况,提出适合星载交换机的修正DRR调度算法.采用OPNET网络仿真软件,建立低轨卫星星座系统交换机模型,应用修正DRR算法,验证该算法性能.结果表明在星载交换机资源受限情况下,即使业务流量较大,修正DRR算法也可以保证无掉包现象发生,且交换时延低于10 ms,复杂度为O(1).     

卫星网络中基于区域扩散的动态路由协议

针对卫星网络的特点,提出一种基于区域扩散的动态路由协议(ZDRP)。ZDRP协议采用动态按需的路由思想,以区域为单位进行信息交换,在源和目的之间建立路由;使用OPNET仿真软件分别在单层与双层星座模型中对ZDRP协议进行仿真验证。将仿真结果与其他协议进行比较,仿真结果表明ZDRP协议在单层或双层极轨星座网络下的平均网络建立时间以及单路径搜索时间均优于OSPF与RIP协议,端到端时延和丢包率的性能均优于Flooding路由协议。     

基于节点修复的低轨卫星网络动态抗毁性模型

基于复杂网络理论,建立基于多智能体的低轨卫星网络动态抗毁性模型.完成低轨卫星网络的分布式拓扑结构的构建,将每个网络节点看成是一个具有自修复能力的agent,并在不完全信息条件下,采用一般性攻击策略研究信关站的分布、攻击强度、攻击力度、信息指数、自修复能力对低轨卫星网络抗毁性的影响.仿真结果表明:系统存在恢复时滞,对随机打击具有较强的鲁棒性,对蓄意打击脆弱性降低、稳定性提高,自修复性能弱化了网络的无标度特性;信息指数比攻击强度及攻击力度对网络抗毁性的影响更大;信关站分布对空间段网络抗毁性的影响较小,对地面段网络抗毁性影响较大,表明星际链路使得低轨卫星星座对地面网的依赖性大为降低.     

卫星移动通信网络切换算法的研究

低轨卫星移动通信网络在实现全球移动通信方面具有很大优势.切换方案对于控制低轨卫星网络通信时延,提高卫星网络服务质量和链路带宽资源利用率具有重要意义.深入分析了星地链路切换和重计算路由问题,提出了一种低轨移动通信卫星链路切换算法.仿真实验表明,提出的卫星链路切换算法有较小的端到端时延、较好的稳定性和可定制性.     

卫星终端突发性业务模型与排队性能分析

随着卫星网络在应急通信中的应用,卫星终端业务的种类不断增加,业务流量可瞬间增大,具有明显的突发性,终端上的数据流量数据呈现出自相似性。利用时间间隔服从重尾分布的ON/OFF叠加模型产生卫星终端的自相似业务流量,并讨论了自相似业务流量输入对卫星终端的丢包率、时延和时延抖动的影响以及对有效带宽的需求。通过仿真,得出了网络终端业务丢包率、时延、时延抖动与系统缓存之间的关系,在此基础上,提出了减少时延、降低丢包率的思路,在带宽和缓存受限的情况下,为信息的高效传输提供了理论依据。     

确定性网络技术研究

随着新兴应用的不断涌现,越来越多的业务需要低时延、低抖动地进行可靠传输,尤其在工业场景中,接入网络设备数量激增,网络朝着大规模、复杂化的方向发展,如何保障其中关键数据流的确定性交付成为研究的重点。确定性网络技术由于其低时延、低抖动、低丢包率、确定性带宽、高可靠传输等特性受到了广泛关注,在车载、能源及工业自动化等领域有着良好的应用前景。对当前的确定性网络关键技术进行了阐述,介绍了两种不同场景下的确定性网络融合部署解决方案,最后对确定性网络技术走向实际应用所面临的挑战进行了分析。     

LEO卫星网络中一种简洁的星上分布式路由协议

在具有星际链路的低地球轨道(LEO)卫星网络中,高度动态的网络拓扑和受限的星上资源为其路由协议设计带来很大的挑战.提出了一种简洁的星上分布式路由协议ODRP来应对这种挑战.在ODRP协议中,单层LEO星座被作为双层星座处理.根据星际链路动态特性和流量分布情况,各轨道面内位于一定位置的卫星节点被选作为轨道面发言人,从而实现简洁的分布式分层路由.实验结果表明,ODRP能够适应网络拓扑的动态变化,保证路由最优.尤其是在高负载情况下,能够有效降低分组丢失率.通过复杂性分析得知,与其他星上路由机制相比,ODRP具有较低的通信开销、计算开销和存储开销.     

基于移动式网络技术的卫星星座网络结构设计与仿真

随着星上处理能力地日益增强,降低卫星星座通信网络对地面网络的依赖性,增强为用户段提供IP接入服务的能力,是未来卫星星座网络的需要解决的关键问题。提出了基于移动式网络技术的LEO卫星星座网络体系结构,引入了新的网络组件,提出了新的卫星星座网络组网策略,讨论了星地间的切换模型,并提交了基于NS2的网络性能仿真结果。仿真试验表明,该方案是一种满足未来卫星星座发展需求的有效方案,星地间的切换是影响该方案中卫星星座通信网络数据传输延时的主要因素。     

Packet routing algorithm for polar orbit LEO satellite constellation network

The proliferation of Internet motivates the need of integrating IP with Low Earth Orbit (LEO) satellite networks that are well known for their global coverage and their ability of providing services with different QoS specifications. There is no doubt tha…     

基于移动Agent的双层卫星网动态路由算法

新一代LEO/MEO卫星体系结构成为当今卫星网通信研究的热点。结合移动Agent技术解决卫星网动态路由问题,在LEO／MEO卫星网平台上构建了核心层功能,并较好地处理了受复杂的星际链路切换影响的数据包转发。在OPNET仿真软件下模拟了卫星节点受算法工作的影响,结果表明,卫星处理数据包时延在理想性上处理能力和合理的链路容量条件下是可以接受的,且数据包端到端时延是较小的。     

Agent-based load balancing routing for LEO satellite networks

To ensure an intelligent engineering of traffic over entire satellite networks, a distributed routing scheme for low-earth orbit (LEO) satellite networks, agent-based load balancing routing (ALBR), is presented. Two kinds of agents are used. Mobile agents migrate autonomously to explore the path connecting source and destination, to gather inter-satellite link (ISL) cost, identifier and latitude of visited satellites. Meanwhile, stationary agents employ exponential forgetting function to estimate ISL queueing delay, calculate ISL cost using the sum of propagation and queueing delays; evaluate path cost considering satellite geographical position as well as ISL cost, finally update routing items. Through simulations on a Courier-like system, the proposed scheme is shown to achieve better load balancing, and can especially decrease packet loss ratio efficiently, guarantee better throughput and end-to-end delay bound in case of high traffic load. Furthermore, results from the implementation complexity analysis demonstrate that with the aid of agent technology, ALBR has lower on-board computation, storage, signaling requirements than other on-board routing schemes.     

基于正交频分复用的低轨卫星移动通信同步控制系统设计

低轨卫星移动通信信息存在复用保护间隔,为实现对传输数据信息的精准定位,设计基于正交频分复用的低轨卫星移动通信同步控制系统;设置电源管理模块,初步协调BDG—MF—OS型卫星终端与ZIGBEE无线数据传输模块,将卫星通信信息反馈至网络与显示模块,实现低轨卫星移动通信同步控制系统的硬件设计;建立同步信号模型,通过信号调制解调的方式,完善待处理通信信息的复用保护间隔与循环前缀,实现正交频分复用处理的关键技术研究;分包处理通信数据,借助已知的短报文通信模式,连接同步通信协议,完成低轨卫星移动通信同步控制;与北斗型通信控制系统相比,正交频分复用技术作用下,低轨卫星的移动通信能力得到强化,较好地满足精准定位传输数据信息的实际应用需求.     

LEO卫星网络的路由技术

低地球轨道LEO(Low Earth Orhit)卫星系统因能够提供多媒体通信服务而成为卫星通信研究的热点．由于LEO卫星相对地面高速运行和其网络拓扑结构的快速动态变化，路由问题一直是LEO卫星网络重点解决的难题之一．该文介绍了LEO卫星网络中路由及其相关技术方面的一些工作，分析了LEO卫星网络的拓扑结构特点，然后着重对LEO卫星网络的路由机制进行分类和描述，特别说明LEO卫星网络的切换对路由的影响，最后提出设计LEO卫星网络路由机制应考虑的主要方面．     

LEO卫星网中基于地理位置的分布式动态路由算法的研究

LEO卫星网络中进行信息交换，首先要解决的就是星际链路网络上路由问题，而运行于地面网络的路由算法，在卫星网络中并不适用．将针对LEO卫星网络星际链路的特点进行深入研究，提出一种新型的符合LEO卫星网络拓扑高速变化等特点的基于地理位置的分布式动态路由算法，并构建地面网络对该算法和现在流行的路由算法的性能进行仿真验证和比较，证明我们提出的新型动态路由算法能适应LEO卫星网络环境，能够提供较好的通信质量，就有较短的通信时延．     

LEO卫星网络中TCP协议性能研究

在低地球轨道卫星网络中,星地切换会造成数据包丢失,导致应用于地面有线网络中的TCP协议产生盲目快速重传,从而削弱TCP协议性能。针对该问题,在异构网络边界处加入性能增强代理模型,通过阈值调节发送速率,屏蔽切换对源端的影响。理论分析和仿真实验表明,在不同误码率情况下,该方法的平均吞吐量优于常规TCP,可避免短时间内由连续切换和误码造成的TCP性能下降。