卫星时变网络路由算法研究

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近年来,随着人类对信息传输需求的急剧增长,通信技术得到了快速发展,不断取得新成果。网络作为信息传输的平台,是通信至关重要的组成部分,然而在地面网络的建设过程中,难免受到地势地形的限制,光靠地面网络是无法满足人类对全球任意位置通信的需求。而卫星网络通信系统,利用人造地球卫星作为空间中继节点,建设在外太空,能够提供对地球表面全覆盖的服务范围,并且几乎不受制于地理因素,很大程度上也不会遭受自然灾害的影响,因此卫星网络已成为通信网络发展的主要趋势。然而由于高昂的成本和高难度的技术要求,导致卫星网络资源至今仍旧非常稀少。而随着卫星通信用户的急剧增长,如何提升卫星网络吞吐量使其能够满足更多用户的通信需求是急需解决的问题,因此本文进行以吞吐量最大化为目标的卫星网络路由算法研究。为了解决卫星网络吞吐量最大化的问题,一般采用最大流方法加以分析求解,其最主要的作用就是用来解决链路容量受限的网络如何最大化利用的问题,所以获取卫星网络最大流对宝贵稀少的卫星链路资源最大化利用问题具有重要的指导意义,本文也是基于这个思路进行研究的,主要做了如下工作:(1)分析了现有针对卫星网络拓扑动态性的卫星时变网络建模方法,主要为时间切片静态图模型和时间聚合图模型。接着介绍了基于时间切片静态图模型的卫星时变网络最大流路由算法,主要有Ford-Fulkerson算法、最短增广路径算法和一般预流推进算法。最后介绍了基于时间聚合图模型的优先增广路径选择的卫星网络最大流路由算法MFRSN。(2)针对现有基于时间切片静态图模型的卫星时变网络最大流路由算法的不足,结合预流推进算法的思想,提出“等效均衡分流”的概念用以提升算法负载均衡性能,引入快速收敛策略用以提升算法效率,最终利用以上方法提出了基于时间切片和预流推进的时变网络负载均衡最大流路由算法(TPLMFTN),并对算法进行了复杂度分析和正确性分析。TPLMFTN算法较之以往算法,在得到最大流的基础上,让流量更均衡地分布在卫星链路上,提升对卫星网络资源利用的合理性。最后针对卫星网络的负载均衡程度,以均衡度作为衡量指标,通过仿真比较了TPLMFTN算法与现有算法的性能。(3)针对现有基于时间聚合图模型的卫星时变网络最大流路由算法的不足,提出一种新的能正确得到周期时变网络单路径吞吐量的计算方法,为了更精确表征卫星网络的时变特性,提出周期时变时间聚合图模型,并且构造以吞吐量最大化为目标的卫星时变网络优化模型,最终结合以上方法和模型,提出基于等效静态模型的卫星时变网络最大流路由算法(ESMMFSN),最后以网络吞吐量作为指标,通过仿真比较了ESMMFSN算法与MFRSN算法的性能。
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