衛(wèi)星動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)的時延及路由特性研究.pdf

1、在當(dāng)今衛(wèi)星通信領(lǐng)域中，基于微波傳輸?shù)男l(wèi)星通信能力已經(jīng)漸漸無法滿足由于軍事偵察、地震預(yù)報、海洋觀測、環(huán)境保護和深空探測等所產(chǎn)生的巨大數(shù)據(jù)傳輸量。星間激光鏈路技術(shù)以激光作為星間高速、迅捷的信息通道，是空間光通信技術(shù)在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的應(yīng)用拓展，是大容量衛(wèi)星通信領(lǐng)域的重要研究方向?；诓ㄩL路由的衛(wèi)星星座光網(wǎng)絡(luò)利用波長路由技術(shù)（WR），通過建立星間激光鏈路實現(xiàn)通信，可以極大地提高通信容量，滿足日益增長的衛(wèi)星通信容量需求，是未來衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢

2、。
　　在地球低軌道（LEO）衛(wèi)星星座光網(wǎng)絡(luò)中，由于受衛(wèi)星承載能力及衛(wèi)星平臺功耗限制，單顆衛(wèi)星承載激光通信終端的能力有限，網(wǎng)絡(luò)通信流量受到嚴格約束，當(dāng)連接請求過多時會在網(wǎng)絡(luò)中形成時延和阻塞。因此低軌衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)需要有效的流量強度控制和高效的路由選擇和波長分配（RWA）方法來提高通信資源的使用效率，減少網(wǎng)絡(luò)時延和阻塞概率。此外，衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)多跳鏈路中的多普勒效應(yīng)會在路由中累積并對激光信號產(chǎn)生干擾，需要分析多普勒效應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)通信性能產(chǎn)生的影

3、響。
　　為了提高衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)通信資源的使用效率，減少網(wǎng)絡(luò)時延和阻塞，提高多跳鏈路的通信性能，本文進行了如下幾個方面的研究工作。
　　1）建立了以星間激光鏈路個數(shù)為依據(jù)的網(wǎng)絡(luò)容量模型。該模型充分考慮了網(wǎng)絡(luò)鏈路個數(shù)與可用通信波長及網(wǎng)絡(luò)流量強度之間的內(nèi)在關(guān)系，與衛(wèi)星光組網(wǎng)的特點緊密結(jié)合。
　　在此基礎(chǔ)上建立了低軌衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)時延容忍特性分析模型，對衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)進行仿真和分析，得到了衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)在等待制，損失制，混合制（等待

4、損失混合制）三種情況下網(wǎng)絡(luò)流量強度變化對網(wǎng)絡(luò)排隊延遲和阻塞性能的影響，解決了衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)流量強度控制問題。
　　2）建立了衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)損失制下阻塞概率的計算方法，該方法與現(xiàn)有方法不同，不僅考慮了網(wǎng)絡(luò)整體的阻塞性能，同時考慮了相鄰鏈路之間的相關(guān)性。該方法還利用溢出流理論和分層網(wǎng)絡(luò)的計算方式，使阻塞概率計算問題得到簡化。
　　3）提出了基于全網(wǎng)鏈路使用信息的I T-RWA算法，用以降低衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)阻塞概率和波長沖突。該方法可以使全網(wǎng)鏈

5、路使用信息傳遞到每個衛(wèi)星節(jié)點，從而提高單個衛(wèi)星節(jié)點RWA計算的有效性，降低網(wǎng)絡(luò)阻塞概率。
　　通過模擬衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)得到的仿真結(jié)果表明，IT-RWA算法相比靜態(tài)RWA方法或者波長預(yù)留RWA方法能夠降低網(wǎng)絡(luò)阻塞概率5％至20%，且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在星間鏈路失效時，IT-RWA算法阻塞概率增量小于其他算法25%至60%。
　　4）建立了多跳鏈路下接收信號多普勒波長漂移理論模型，分析了衛(wèi)星全光組網(wǎng)的條件下，星間激光鏈路通信中的多普勒

6、波長漂移問題。仿真驗證結(jié)果表明，該模型是正確的。運用該模型分析了不同路由選擇的多普勒波長漂移影響、多普勒波長漂移對接收信號信噪比的影響；給出了不同路由選擇產(chǎn)生的多普勒波長漂移影響，多跳鏈路中跳數(shù)增加時，多普勒波長漂移將使信號呈衰減趨勢。
　　本文研究工作為低軌衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)的通信容量規(guī)劃提供了初步的理論基礎(chǔ)和分析依據(jù)，為衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)中路由計算提出了高效可行的方案，推進了低軌衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)研究的發(fā)展，對其他類型光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計也具有一定的參考價值。