空间信息网络多址接入与路由方法研究

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1、硕士学位论文Ｉ圓參空间信息网络多址接入与路由方法研究＊作者姓名包云智ＳＳｍ指导教师姓名、职称李小平教授Ｍ申请学位类别工学硕士学校代码10701学号1513122925分类号TN92密级公开西安电子科技大学硕士学位论文空间信息网络多址接入与路由方法研究作者姓名：包云智一级学科：信息与通信工程二级学科：空间科学与技术学位类别：工学硕士指导教师姓名、职称：李小平教授学院：空间科学与技术学院提交日期：2018年6月ResearchonMultipleAccessandRoutingMethodsinSpatialInformationNetworkA

2、thesissubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinAerospaceScienceandTechnologyByBaoYunzhiSupervisor:LiXiaopingTitle:ProfessorJune2018摘要摘要随着空间通信技术的不断发展，网络业务类型愈加多样化，网络环境愈加复杂化，基于天地一体化的空间信息网络是空间通信网络的重要发展方向。天基卫星网络作为空间信息网络的重要组成部分，其网络结构的复杂性和拓扑结构的高动态性给卫

3、星多址接入方法和卫星网络路由方法带来了新的挑战。本文对空间信息网络天基接入网的多址接入协议与天基骨干网的多层卫星网络路由协议两部分关键技术进行研究。在对天基接入网的多址接入协议研究中，本文主要针对卫星信道资源受限以及低轨（LowEarthOrbit，LEO）卫星高速运动导致星地链路频繁切换的问题，提出适应LEO接入场景的多址接入协议，同时提高卫星的接入效率。基于此种需求，本文首先研究了已有卫星多址接入技术原理，然后在混合自由/按需分配多址接入（CombinedFreeDemandAssignmentMultipleAccess，CFDAMA）协议的基础上加以改进，提出了

4、对应的改进协议CFDAMA-LS。其中，针对低轨接入场景，在接入协议中增加了接入切换控制部分，引入了接入切换控制策略，实现了星地链路的有效切换；针对高突发性业务下分组累积的问题，在时隙申请阶段采取基于信源预测的时隙申请算法，通过预申请时隙的方式降低了分组累积；在时隙分配阶段采用基于优先级排序的时隙加权分配算法，在降低平均接入时延的同时，保证了用户接入的公平性。在对天基骨干网的多层卫星网络路由协议研究中，本文希望设计一种适应背景项目星座结构的双层卫星网络路由协议，在降低星际路由时延的同时，降低因路由失败导致的丢包情况。因此，本文首先研究分析了经典多层卫星路由协议的方案和设

5、计思路，得出这些协议存在设计过于理想化、抗毁性差且实现机制复杂等问题。然后根据背景项目卫星星座结构特点，在卫星分组路由协议（SatelliteGroupingandRoutingProtocol，SGRP）的基础上加以改进，提出了基于动态组划分与分层路由机制的双层卫星网络路由协议。分组机制上，舍弃了基于快照周期的组划分机制，采取基于星间链路状态的动态组划分机制，每颗LEO卫星依据自身的选星策略和跨层星间链路的状态选择合适的组管理星，保证了跨层星间链路的连通性，具有较强的抗毁性；采取分层路由机制，中轨（MediumEarthOrbit，MEO）层与LEO层内独立交互路由信

6、息，层间不进行路由交互，避免了网络拓扑汇集与路由集中分发的过程，同时依据不同的通信距离选择不同的路由转发策略，有效降低了星际路由时延；在LEO层路由信息失效时采取MEO层辅助路由机制，有效降低了路由信息失效所导致的丢包。最后在网络仿真软件OPNETModeler中，分别对两部分的协议改进建模，设计实现了相应的仿真平台。在此基础上分别设置相应的仿真场景，对前两部分的协议改进进行性能性能验证。仿真结果表明：CFDAMA-LS协议能够适应LEO接入场景，I西安电子科技大学硕士学位论文且相较于CFDAMA-PB协议在时隙分配调度与接入公平性方面均有更好的性能；基于动态组划分与分

7、层路由机制的双层卫星网络路由协议在丢包率和传输时延方面的性能也优于经典的SGRP协议。在相同仿真环境下，SGRP协议的全局平均端到端时延与丢包率分别为160ms和0.15%，而本文路由协议的仿真结果分别为126ms和0.03%。关键词：空间信息网络，多址接入协议，多层卫星网络，路由协议，网络仿真IIABSTRACTABSTRACTWiththedevelopmentofspacecommunicationtechnologies,thetypesofnetworkservicesareincreasinglydiverse,andthen