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临近空间动态网络稳定路由设计

苗丽娟  
【摘要】:临近空间网络泛指在距地面约20km-100km的近地空间,由临近空间飞行器(如飞艇、气球、高空无人机等)作为通信载体构成的互连互通的信息获取与分发网络。与卫星通信和地面通信网络相比,临近空间网络部署灵活、成本低、时延小、覆盖范围大,但其网络拓扑具有高动态特性,网络节点的快速移动导致链路通断现象严重,网络稳定性差且开销大,使得网络性能下降。通过探索链路稳定性分析方法,设计高稳定性路由协议选择稳定链路,保证数据高可靠传输,减少网络资源的消耗,可为临近空间动态组网奠定理论与技术基础。目前,相邻节点间的链路持续时间是被广泛应用的链路稳定性衡量指标,能够直观反映链路的稳定程度,即链路持续时间越长,链路稳定性越高。该文结合国家自然科学基金重大研究计划—培育项目“临近空间动态网络传输容量及优化方法”,主要研究内容和成果如下:(1)大部分文献对链路持续时间的研究仅在传统二维平面下,未考虑实际空间中的高度因素,且需GPS(Global Positioning System)支持,其实际适用范围有限,现有成果已不能满足复杂的临近空间网络空域环境。基于节点位置信息可用时二维链路持续时间模型,推导位置信息可用时三维链路持续时间以及位置信息失效时二维、三维链路持续时间的理论表达式。采用不同的推导方法,验证了现有二维链路持续时间表达式的正确性,推导得出的位置信息可用时三维链路持续时间的理论表达式具有较广的适用性:通过降维可等效为二维链路持续时间。当位置信息失效时,推导得出的二维、三维链路持续时间理论表达式仅与通信半径、相对距离、相对速度和多普勒频移有关,简化了链路持续时间的计算,提高了工程的可实现性。(2)针对复杂、高动态性的临近空间组网环境,现有路由协议对链路稳定性因素考虑较少的问题,提出基于链路持续时间的OLSR(Optimized Link State Routing based on Link Duration,LD-OLSR)协议,将链路持续时间作为选路标准应用于OLSR协议,选择更加稳定的路径;提出改进的MPR(Multipoint Relay)节点选择算法,该算法未增加原有算法的MPR集节点数,优先选择了链路持续时间较长的邻居节点作为MPR节点。基于NS2仿真平台,对设计协议进行了代码实现及仿真分析。在临近空间组网环境下,LD-OLSR协议与基于相对距离的OLSR(OLSR based on Distance,DIS-OLSR)、OLSR协议进行仿真对比,仿真结果表明:不同协议下的网络性能受节点密度及网络动态性影响,在一定的节点密度下,LD-OLSR协议相较DIS-OLSR、OLSR协议在端到端平均时延、丢包率、归一化吞吐量、TC(Topology Control)分组数、路由开销上有明显优势;在动态性相同的场景下,LD-OLSR在TC分组数、路由开销的表现优于DIS-OLSR、OLSR协议。


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