离散拓扑业务模型中多媒体LEO网络性能分析

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1、2012年2月第1期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology离散拓扑业务模型中多媒体LEO网络性能分析蒋文娟1宗鹏2(I南京航空航天大学电子信息工程学院，南京210016)(2南京航空航天大学航天学院，南京210016)摘要针对快速发展的多媒体卫星网络，提出一种新的低地球轨道卫星网络性能的定量研究模型。该模型考虑了星座动态拓扑变化和全球业务需求变化的复杂特点，建立了离散时问下的业务和拓扑映射关系；依据马尔科夫过程理论和卫星链路带宽约束条件，对实时和非实时两种类型业务采用概率分析方法，推导出定量计算阻塞概率、排队时延等网络

2、性能参数的公式。大量仿真结果表明理论分析方法的正确性和有效性。该研究方法可用于多媒体低地球轨道卫星网络QoS路由管理和资源分配设计的参考。关键词低地球轨道卫星网络多媒体业务阻塞概率排队时延离散拓扑DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2012．01．0081引言随着多媒体业务的增长和卫星设备制造技术的提高，卫星网络成为未来多媒体通信的主要载体之一。低地球轨道(LowEarthOrbit，LEo)卫星网络，具有较小的传播时延和全球覆盖特性，成为卫星网络的霞要研究对象。和陆地互联网相比，卫星网络具有星座拓扑结构多变、星上处理能力有限、服务业务类

3、型多等特点，这些特点给掌握LEO卫星网络实时性能、提供多业务的服务质量(QoS)保证带来了新的挑战[】]。以往学者相对较多地关注陆地互联网性能的研究fz-3]，大部分分析模型无法直接用于卫星网络。针对卫星网络性能的研究主要有两类：一类是路由算法，另一类是波束切换和接入控制。对前者而言，在面向连接的网络中采用改进的FD路由优化算法，分析并改进了部分QoS参数[4]，但是该算法无法在面向无连接的网络中直接使用。MFMR算法在静态拓扑中以最短路径算法为基础，提高网络资源利用率∞]，遗憾的是其缺乏严谨的理论模型。ELB算法采用卫星发送信令的方式缓解卫星的拥塞状态【6]

4、，以损失平均时延性能为代价，但没有分析拥塞节点较多时的网络性能。另一方面，在经典算法的基础上相继提出了改进的切换和接入控制模型”州，实现卫星有限的接入信道在多个用户间公平分配，提高单颗卫星信道资源的利用率。文献[10]针对呼叫业务提出了一种网络性能分析方法，先独立分析轨道内卫星性能，再综合分析多个轨道的星座性能，但忽略了实际卫星网络中业务的时变需求对网络性能造成的影响；另外，该模型只对呼叫单一业务类型分析，不能支持多业务卫星网络的分析。综上所述，卫星网络路由的研究是针对某一项或几项性能指标提出改进方法，其本身并没有建立网络性能的分析模型；而波束切换和接入控制所

5、建它的多种模璎大部分是以局部业务为背景，独立地分析单颗卫星的接入信道分配问题，无法用于掌握全局网络性能。国家863计划(2010AAxxx0404)资助项目收稿日期：2011-04—28。收修改稿日期：2011—05·24§Z主垦窒回塾兰堇查!!!!堡!旦因此，本文提出了一种新的网络性能分析模型，用于定量地分析多媒体业务下LEO各卫星间的协作关系和网络性能。该模型以马尔科夫过程和排队网络为理论基础，以实时和非实时业务为对象，采用概率分析方法推导出两种业务在不同地区、不同时段的星间、星地阻塞概率，以及排队时延等网络性能公式。此外，分析模型以离散时间的业务和拓扑映

6、射关系为研究背景，在建模时综合考虑网络拓扑动态特性、链路约束以及全球业务需求等因素。最后在多个业务场景下进行大量仿真试验，验证了理论分析的正确性和有效性。2离散时间的拓扑和业务模型卫星与地面通信的链路称为星地链路(UDL)，相邻卫星通信的链路称为星间链路(ISL)，这两类链路随着LEO卫星的运动周期性地发生拓扑变化。卫星网络服务于全球业务，从客观上造成业务密集地区卫星资源紧缺，而海洋、沙漠等地区卫星资源空闲，各链路负载不均衡，容易产生网络瓶颈、引发网络拥塞，对网络性能和服务品质产生极大的影响。为了准确描述卫星网络拓扑和业务的动态性，首先定义3个矩阵。定义1：网

7、络连通矩阵x。。^，描述了k颗卫星的网络连通性。XI×I2Z1．2ZZ．Z：●Z^．2Z1．^Z2．k：●ZI．t式中苁。，表示卫星i和J之间的连通状态(i，歹=1，2，⋯，惫)，．／7州=1表示星间链路连通，z嘶=O表示断开或不存在。当LEO卫星在极地地区快速交叉运行时，轨道间链路先断开再连接，在此期间矩阵X更新。根据LEO星座的拓扑变化规律性，可以在离线状态下获得星座的拓扑更新间隔和矩阵x在各个间隔的更新值。定义2：业务转移矩阵风。。，描述卫星网络业务瞬时到达率。它反映了卫星网络的业务流向和流量变化状态，是进一步分析网络性能的关键。R舣^2A1．1A2．1

8、：●．：I^．1．：11．2A2．2：