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多层卫星网络结构设计与分析

王振永  
【摘要】: 进入20世纪90年代后期,民用和军用两方面需求都推动卫星通信系统向网络化方向发展。在民用通信领域,以全球化个人通信为特征的非静止轨道卫星通信网络(中、低轨卫星)已成为未来个人通信系统的重要组成部分;在军用通信领域,以空间信息资源综合利用为目的的天基综合信息网要求不同轨道上多种类型的卫星系统能够互通互连,构成有机的智能化体系。 卫星网络可以通过地面信关站间接连接,也可以通过星间链路(ISL, Inter-Satellite-Links)直接连接。由于信关站连接方式不仅需要大量地面站,而且需要在海洋和荒芜地区以及敌对国家领土内建立信关站,因此单靠地面站完成卫星组网是不现实的。采用ISL连接方式则可以弥补信关站连接方式的不足,降低卫星网络对地面系统依赖性,实现信息的快速传递。针对单层卫星网络拓扑结构持续变动、时延指标过高、网络阻塞概率大、网络抗毁性差和由于卫星相对运动所带来的星载跟瞄系统设计困难等问题,本文研究了由多种轨道卫星构成的多层卫星网络的设计过程中的几个问题: 第一,卫星网络的建模与仿真。随着卫星网络结构和规模的复杂化以及卫星网络应用的多样化,传统的网络分析方法已经不能适应卫星网络发展的需要。通过对现有卫星网络仿真系统的分析,建立了基于STK的卫星网络星座仿真模型和基于OPNET的卫星网络协议仿真模型,并通过实验验证了此卫星网络仿真平台的有效性,为卫星网络的研究提供了技术手段和必要的理论基础。 第二,卫星网络特性与拓扑结构分析。由于卫星网络中节点不断运动的特点,卫星网络的拓扑结构随着时间不断的变化,这使得卫星网络与其它通信网络有着很大的区别。在此部分中,通过理论分析和仿真方法对卫星网络的轨道、空间几何结构以及网络拓扑结构等网络体系结构相关的方面进行了深入研究,为进行多层卫星网络的设计提供参考及理论支持。 第三,基于分层结构的卫星网络。在分析单层卫星网络问题的基础上,研究了分层网络的构成,并对分层网络的拓扑结构特性进行了分析,通过与单层拓扑结构比较说明了分层网络结构具有更好的拓扑特性。结合卫星网络中不同轨道上卫星的特点,提出了基于“骨干/接入”模型的分层天基网络,研究了分层天基网络的卫星分组模型并对网络中的链路特性进行了分析,并


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