基于时变图模型的卫星网络数据分发策略优化研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yangyahui00
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近年来,卫星网络由于其覆盖范围广、链路间鲁棒性强、不受地形限制等特点受到人们广泛的关注。相较于GEO与MEO,LEO卫星星座具有部署成本小、传播时延低等优点,能够有效完成经由卫星网络分发的各种数据传输业务。然而,考虑到LEO卫星沿着固定轨道高速运动,节点间的连接状态具有时变特性,且频繁中断,数据在网络中分发时很难建立端到端的连接。网络的不可靠性将导致用户频繁地重复申请该数据,甚至申请失败。因此,一个合适的路由策略对于卫星分发网络是至关重要的。另外,由于卫星网络中节点间距离较远,数据在网络中传输时延较长,当LEO星座为多个用户分发相同数据过程中存在着大量的重复路径,这些冗余传输将占据网络中大量的存储开销和传输开销。因此本文对LEO卫星网络中数据分发策略进行研究。在数据分发策略研究过程中,针对LEO星座拓扑时变性问题,本文将利用时变图模型对网络中的动态拓扑进行建模,在时变图中设计全局最优的路由算法;同时本文引入一种网内缓存机制来减少数据在分发过程中冗余链路,从而提升整个混合网络内的数据分发性能。本文面向数据源节点数量不同的应用场景,分别提出两种基于缓存的数据分发策略:针对网络中单一数据源节点数据分发问题,本文将提出基于回溯-分区节点缓存的数据分发策略。在考虑现有时变图模型优缺点基础上,提出了一种跨时隙有向图(Cross-Slot Graph,CSG)来描述网络中的时变拓扑结构,利用Dijkstra算法可以在该图中找到源节点到任意目的节点最短时延路径集合。通过分析卫星网络中各节点处于分发路径的位置,提出一种基于回溯-分区缓存节点选择算法来优化缓存位置。通过与随机缓存策略性能进行对比,当缓存节点数量较少时本文提出的基于回溯-分区节点缓存的数据分发策略可以得到较大的增益。针对网络中任意节点作为数据源节点的数据分发场景,本文提出基于最小时间演进连通支配集(Minimum Time-Evolving Connected Dominating Set,MTCDS)MTCDS节点缓存的数据分发策略。首先利用一种改进的事件驱动图,更新离散图(Update Discrete Graph,UDG)对LEO星座的时变拓扑进行建模,然后基于更新离散图综合考虑一段时间内网络的拓扑关系,构建一个时间相关的连通支配集MTCDS作为缓存节点。通过与基于节点度缓存的数据分发策略和随机缓存策略进行对比,本文提出的基于MTCDS节点缓存的数据分发策略可以有效降低数据分发时延和开销,并且该算法具有很好的稳定性。
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