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《北京交通大学》 2018年
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基于智慧协同网络的空间网络建模及资源适配方法研究

李泰新  
【摘要】:空间网络是现代通信体系中的重要组成部分,为此,世界各国纷纷开展对空间网络的研究。但是,传统空间网络技术发展落后于地面网络,不能满足空间网络发展所带来的管控方面以及资源适配方面的需求。因此,本文借鉴新型地面网络架构,考虑空间网络特点,设计新型的空间网络架构。论文围绕以下三个研究问题展开工作,1)设计出一种有效提升管控能力的新型空间网络架构;2)提升所设计的架构的网络性能;3)在所设计的架构中实现有效的资源适配。论文的主要工作和创新点如下:(1)针对研究问题一,本文将智慧协同网络的架构及设计思想应用于空间网络,设计出一种基于智慧协同网络的新型空间网络架构。本架构分为三层:管理层负责资源的注册查询以及策略制定,控制层负责收集网络信息以及分发策略,转发层负责转发数据。本架构采用基于控制与转发分离思想的集中式管控架构。论文分析了管控架构的可行性以及敏捷性,并且通过原型系统实验验证了本架构对流量调度方面的支持。论文兼顾本架构数据转发过程的特点,采用了排队论中的Jackson理论为管控信令流程建立理论模型,通过对比理论模型计算值和系统实验结果来验证模型的准确性。(2)针对研究问题二,本文以流表管理问题为切入点,提出了一种基于超时机制的流表管理方法,在空间网络环境中减少流表规模并降低流丢弃概率,提升空间网络性能。本方法考虑三个设计要点,即受限的流表空间、分类的卫星数据流和星间链路切换;包括两个启发式算法,分别关注减少流表规模和降低切换过程中因流表空间不足而导致的流丢弃概率。原型系统中的实验结果验证本方法在流表规模、切换过程中的流丢弃概率、传输质量等方面存在明显优势。例如,流表规模减少了 15.27%以上。并且,仿真环境中的测试结果验证了本方法在大规模星座中的有效性。(3)针对研究问题三,本文提出了一种基于服务质量的启发式选路算法和一种基于服务质量的带宽资源适配算法,考虑多种参数为多用户提供网络资源适配方案。本选路算法考虑卫星节点之间的链路连接、可用带宽、链路时延,以及丢包率,并引入调整因子,为用户制定综合的选路策略,从而保障用户的服务质量需求。本带宽资源适配算法考虑多用户共用卫星链路的情况,引入协商因子,并根据数据流的不同服务类型,为不同用户适配带宽资源。原型系统中的实验结果表明,就文件传输总时延和传输速率方面,所提出的两个算法性能较好,并且可以保证不同服务类型数据对带宽的需求。例如,高带宽需求数据流的带宽满足率提升了 16%。(4)为进一步实现有效的资源适配,本文在新型空间网络中引入服务资源适配概念,提出了两种服务功能链在空间网络中部署方式,并提出了三种服务资源适配算法,为空间网络服务功能按需适配提供方案。所提出的两种部署方式为动态多域模式和卫星编队模式。所提出的三种服务资源适配算法基于一种空间网络中路径选择算法,此算法考虑了动态拓扑和链路参数,使用客观权重来选择路径。本文基于仿真实验中隶属度函数值、路径跳数、切换性能、丢包率、时延、请求满足率,以及资源利用率等性能指标,总结了三种算法的适用条件和适用场景。通过上述对基于智慧协同网络的新型空间网络架构及相关机制的研究,本文为新型空间网络及关键技术的探索提供一种可行的新思路。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TN927

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