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高动态卫星网络切换技术研究

谢志聪  
【摘要】:随着全球经济快速发展,我们正在经历一个全球高速的互联网时代,全球信息网络应该支持不同种类的多媒体数据服务。为了满足这些要求,卫星网络的基础功能应具备更高的性能。目前低轨卫星星座的设计向着卫星轨道日益变低,卫星数量日益增加的方向发展。因此,多颗低轨卫星的覆盖范围会在一定程度上重叠,加上低轨卫星围绕地球的高速运动使得低轨卫星网络呈现高动态的特性。故高动态卫星网络中卫星的切换技术面临许多挑战。首先,由于卫星网络的特性,导致其切换判决因素与地面网络不同,同时现有的切换策略采用简单的加权方案,且并未给出设计这些加权因子的科学方法,难以保证切换质量;其次,卫星网络链路时延高,导致现有切换流程切换所需时间长。针对上述挑战,本文主要做了如下研究:论文综述了卫星网络的基本概念,卫星链路层切换的分类和切换技术的评价指标。讨论了现有切换技术,分析了其应用在高动态卫星网络中存在的问题。针对存在的问题,着眼于高动态卫星网络的仿真场景,提出了基于层次分析法的卫星切换策略。为了将对切换卫星的选择问题及影响因素的内在关系深入分析,该策略采用层次分析法,将服务时间、链路质量、空闲信道资源数和信令开销作为影响卫星选择的因素,建立层次分析模型,根据各个因素之间的关系,得出最优的切换卫星选择方案。同时,为了避免高动态卫星网络中单颗卫星负载过多,该策略给出了管理卫星负载的方法,卫星负载的门限值和转移负载的选择方案。随后根据排队模型,分析了基于层次分析法的卫星切换策略的性能指标,为基于层次分析法的卫星切换策略的应用提供理论依据。通过MATLAB模拟该切换策略在高动态卫星网络中的执行过程,对比了不同门限值对切换策略的影响以及不同选星策略之间的差异,为基于层次分析法的卫星切换策略中的参数设计提供了支撑。最后,为了验证高动态卫星网络场景下基于层次分析法的卫星切换策略的实际性能,设计并实现了基于层次分析法的卫星切换策略的验证平台。在设计平台的整体架构时,根据各个功能单元的需求,选择使用计算机和WARP v3开发板作为实现平台。为了适应卫星链路的长时延,根据基于层次分析法的卫星切换策略设计并实现协议仿真模块,完成切换协议状态跳转。根据高动态卫星网络的链路特点,设计了链路仿真模块仿真高动态卫星网络的链路特性。同时,给出了各个功能单元之间的接口情况和最终实现。在验证平台的基础上,本文得出了高动态卫星网络场景下基于层次分析法的卫星切换策略的实际可行性。


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