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面向宽带LEO卫星网的组网研究

黄操  
【摘要】:随着卫星技术的发展,可在全球随时随地提供接入的基于星间链路的宽带LEO卫星将成为未来天地综合互联网的主要组成部分之一。组网研究——即研究如何在LEO卫星网的拓扑结构基础上有效的实现通过网络的端对端用户通信——是构建宽带LEO卫星网的核心研究内容之一。从协议层次的观点看,组网研究主要包括网络层和传输层两部分。网络路由和TCP方法为其中的关键问题。本文即以这两个关键问题为主要研究对象。本文第2章通过把仅有的两个在轨运行LEO卫星网系统(Iridium系统和Globalstar系统)作为参照对象来分析LEO卫星网的拓扑结构及其关键约束条件。在绪论部分论述了近十年多来路由和TCP研究的发展状况。 在研究过程中,我们从总体的角度,通过不断地反思组网与LEO卫星网拓扑结构之间的关系,组网自身内部之间的关系(即网络层与传输层之间的关系)以及组网与低层协议(即数据链路层、物理层)之间的关系来形成我们的核心研究思路。主要包括:(1),与路由节点的排队缓冲时间相比,网络传播时延由相对小量变成更为重要,这使地面Internet实时动态路由和现行TCP窗口试探、拥塞缓和策略都无法适用。在路由和TCP的构建上都必须考虑到这种相对关系变化所带来的影响。特别地,TCP的窗口控制机制,不管是为调控吞吐量还是为应对拥塞,都必须与时延相联系。LEO卫星网拓扑规则性有利于分布式的路由计算和选择,也能为TCP方法提供有利条件。特别是,在TCP方法的研究中需要更充分地利用这种拓扑规则性。(2),在地面Internet中,网络层和TCP层在预防拥塞上没有结构性的关系。在LEO卫星网中能否构造一种使路由、TCP和其他部分(或者说使路由功能、端流量控制功能和其他功能)起预防作用的互补的拥塞控制结构。(3),LEO卫星网的拓扑结构、有限的计算能力、卫星一次投放等特点使得像地面Internet中那种分明的分层设计方法无法实现对系统性能和各类业务QoS的要求。因此,需要用良好的跨层协议交互设计来优化系统性能。对构建TCP跨层协议方法而言,首先需要明确的就是TCP与哪些卫星的哪些层进行跨层操作,其意义或目的在哪里,会带来哪些问题。本文第3章论述了对组网各关系的反思和核心思路的产生,第4和第5章为这些核心思路具体展开和实现。 当不同的路由方法运用于LEO卫星网的拓扑结构时,拥塞产生的机制是不同的。而每种不同的拥塞机制都需要不同的TCP方法(或还有其他功能部分)来协作以形成有预防作用的互补的拥塞控制结构。通过分析LEO卫星网拓扑结构与路由方法的关系,我们发现,LEO卫星网拓扑结构有利于分布式可选路由的应用;而在应用分布式可选路由时,LEO卫星网的卫星本地拓扑结构又有利于发展出一种拥塞控制结构。在本文第4章,我们提出一种基于数据类的分布式可选路由,并构建了一种拥塞控制结构。这一拥塞控制结构包含卫星路由、显式跨层TCP方法和基站控制三个部分,分别对应于预防星间链路的拥塞丢包、星地链路下行链路的拥塞丢包和星基链路链路的拥塞丢包。然后,在这一拥塞控制结构下设置仿真场景,运用NS2对基于数据类的分布式可选路由进行了仿真评估。仿真结果显示,这一方法能满足不同数据类对服务质量的不同要求,而且减少了星间链路的丢包和各数据流的延迟、改善了星间链路的利用率。 在所提出的拥塞控制结构下,对显式跨层TCP方法的要求是预防星地链路的拥塞丢包,即控制星地下行链路的总体数据率。对此,我们提出利用TCP接收端本地卫星数据链路层提供的TCP流数量(通过ACKs包传递给TCP发送端)来调控其下行链路总体数据率的方法。同时,显式跨层TCP方法还应满足TCP性能的其他一般性评价标准,即在大延迟环境下TCP对单个流吞吐量和平衡不同时延流吞吐量的要求。我们利用ACKs包经过的卫星数来估算TCP的时延并以此为基准来控制和平衡各不同时延TCP流的吞吐量,并且提出各TCP流根据自身的不同时延来对丢包作出有区别的窗口调整反应。综合这些手段,我们在第5章具体提出这一显式跨层TCP方法。NS2仿真结果表明,这一方法不仅提高各不同时延的TCP流的公平性、保证其吞吐量,还能较好地控制接收端卫星下行链路总体数据率并提高其带宽利用率。并且,本方法的显式信息产生机制对卫星计算能力要求不高,易于实现。 同时,在所提出的拥塞控制结构下,LEO卫星网和地面Internet的不同TCP方法的衔接问题包含显式跨层TCP方法和基站控制中的TCP控制方法分别与现行TCP衔接两部分内容。针对衔接问题的这两部分内容,我们在第5章第4节给出了一套简单易行代理衔接解决方案,以实现LEO卫星网与地面Internet的互联。


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