检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：夏天电子科技大学

学位级别：硕士

随着5G时代到来,数字孪生、智慧城市等先进应用相继涌现,这些应用对服务质量(Qo S)提出了确定性时延的迫切需求。与传统的低时延不同,确定性时延不仅要保证时延上界,还要达到有界的时延抖动。为了满足这一需求,工业界和学术界正积极开... 详细信息

随着5G时代到来,数字孪生、智慧城市等先进应用相继涌现,这些应用对服务质量(Qo S)提出了确定性时延的迫切需求。与传统的低时延不同,确定性时延不仅要保证时延上界,还要达到有界的时延抖动。为了满足这一需求,工业界和学术界正积极开展相关研究。其中,低轨卫星星座网络以其低时延、高带宽、广覆盖、低成本等优势,成为了一种重要的解决方案。然而,由于卫星网络的时变性,路由算法的设计面临着如何构建稳定的端到端传输路径、如何保障多业务的Qo S需求、如何提升网络资源利用率等严峻挑战。针对上述问题,本文研究了一种面向多业务的确定性时延路由算法,适用于拓扑时变、资源时变的低轨卫星星座网络。本文研究工作主要分为三个方面。首先,本文对低轨卫星星座网络进行了全面的建模,包括星座模型、网络模型、通信模型、时延模型和业务模型,为路由算法的设计和仿真测试平台的开发提供了理论支撑。其次,本文以最小化平均端到端时延和时延抖动为优化目标,将低轨卫星星座网络场景中的数据包路由问题建模为纯整数线性规划问题,并根据该问题的NP困难特性以及卫星网络环境的复杂特点,提出了一种基于分布式部分可观测马尔可夫决策过程的问题求解思路。在此基础上,本文基于分布式路由架构和深度强化学习技术,提出了一种基于多智能体深度强化学习的确定性时延路由算法(MADRA),使得每颗卫星能够自适应地进行路由决策,并逐渐学习到最优路由策略。最后,本文开发了一个低轨卫星星座网络仿真测试平台,并通过仿真实验对MADRA算法进行了性能分析。为了评估MADRA算法在低轨卫星星座网络中的应用效果,本文基于铱星构建了目标仿真场景,并将其在端到端时延、吞吐量、丢包率和时延抖动四项网络性能指标上与最短路径优先算法、显式负载均衡算法、基于流量分类的路由算法进行了对比分析。在收敛性能方面,MADRA算法可以使智能体在卫星网络环境中实现有效收敛,并且随着训练轮次的增加,能够逐渐学习到更优的策略;在网络性能指标方面,随着数据传输速率的提高,MADRA算法在满足各类业务的Qo S需求的同时,各项性能指标均优于三种对比算法。特别是在高网络负载条件下,相较于基于流量分类的路由算法,MADRA算法的端到端时延降低了11%,时延抖动降低了17%,丢包率降低了14%,而吞吐量则提高了5%。仿真结果表明,MADRA算法能够有效地优化低轨卫星星座网络的路由性能。

关键词：低轨卫星星座网络确定性时延路由算法强化学习性能优化

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通感算融合赋能的低轨卫星星座网络架构与关键技术

引用

中兴通讯技术 2024年第5期30卷 9-15页

作者：窦成龙吴远钱丽萍 Tony Q.S.QUEK 澳门大学智慧城市物联网国家重点实验室中国澳门珠海澳大科技研究院中国珠海519301 浙江工业大学中国杭州310023 新加坡科技设计大学信息系统技术与设计学院新加坡487372

为了进一步支撑空天地一体化多维协同通信、精准遥感和高效泛在计算的协同演进,低轨卫星星座网络亟需发展通信、感知、计算融合(ISCC)理论与关键技术。基于此,首先概述了低轨卫星星座网络的研究背景和通感算融合网络研究现状;进一步地,... 详细信息

为了进一步支撑空天地一体化多维协同通信、精准遥感和高效泛在计算的协同演进,低轨卫星星座网络亟需发展通信、感知、计算融合(ISCC)理论与关键技术。基于此,首先概述了低轨卫星星座网络的研究背景和通感算融合网络研究现状;进一步地,聚焦于通信、感知和计算的深度融合,深入分析了通感算融合赋能的低轨卫星星座网络架构与关键技术;最后探讨了通感算赋能的低轨卫星星座网络面临的未来挑战与发展前景。本研究有望为未来实现空天地一体化的多维协同通信、精准遥感和高效泛在计算奠定基础。

关键词：低轨卫星星座网络通感算融合空天地一体化

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多阶段建设的低轨卫星星座网络关键规划技术研究

多阶段建设的低轨卫星星座网络关键规划技术研究

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作者：刘哲上海交通大学

学位级别：博士

卫星通信系统是地面通信系统的延伸和补充,主要为偏远地区人群及有特殊通信需要的人群提供通信服务。其中,该系统中能够实现星间通信和星上处理的低轨卫星星座网络系统,以全球无缝覆盖、传播延时低、低功耗、对地面设施依赖小等优点而... 详细信息

卫星通信系统是地面通信系统的延伸和补充,主要为偏远地区人群及有特殊通信需要的人群提供通信服务。其中,该系统中能够实现星间通信和星上处理的低轨卫星星座网络系统,以全球无缝覆盖、传播延时低、低功耗、对地面设施依赖小等优点而成为当前的研究热点。在实际网络系统中从运营商的角度出发,用最少网络资源最大程度地满足用户任务需求是其追求的目标。由于卫星一经发射很难在轨升级,因此,应该合理规划低轨卫星星座网络的拓扑结构及链路带宽,从而实现在保证使用较少的链路带宽前提下,使之能最大程度地满足用户任务的需求,同时又不会造成网络带宽资源的浪费;此外,卫星数目多、投资大、卫星发射周期长导致低轨卫星星座网络建设涉及多个阶段,因此,还应该合理规划低轨卫星星座网络的建设过程,使得用户在建设过程中能体验到延时更低的信息中继服务。然而,低轨卫星高速转动导致星地链路与星间链路频繁切换,为其动态拓扑配置、链路容量优化及建设过程优化带来了严峻的挑战。当前,国内外主要研究机构针对多阶段建设的低轨卫星星座网络进行了大量研究,然而仍存在许多需要解决的问题:1)星载通信终端受限而可视卫星数目有余,需要根据可视卫星动态配置合适的拓扑结构;2)拓扑设计、路由及链路带宽分配三个子问题之间相互耦合,如何协调处理三个耦合的子问题来降低链路带宽需求量;3)在完成拓扑结构及链路容量的规划后,多阶段的低轨卫星星座网络应该如何一步一步建成。因此,针对上述问题和要求,本论文做的主要研究内容包括如下:1、卫星星座网络拓扑结构优化卫星的可视卫星数目通常多于星载通信终端数目,那么如何分配卫星上有限的星载通信终端,选择合适的可视卫星建立星间链路,是研究的一大难点和热点。为此,本论文提出基于完美匹配模型的链路分配方案(Link Assignment Scheme based on Perfect Match Model,LAS-PMM),它把链路分配转换成混合完全二部图的一个完美匹配问题。在该方案中,混合完全二部图的完美匹配可以保证卫星上所有通信终端都能用来建立星间链路。通过对典型的Next-generation LEO System(NeLS)卫星星座网络建立仿真实验,其实验结果表明,相比于规则链路分配方案的网络拓扑,LASPMM网络拓扑的平均点到点延时降低了9.25%。2、卫星星座网络链路容量优化每颗卫星需要根据它的可视卫星集合动态的建立和拆除星间链路。不同的链路分配方案会导致不同的网络拓扑,从而产生不同的路由及带宽分配结果,即拓扑设计、路由及链路带宽分配三个子问题之间相互耦合,并且它们影响卫星星座网络的部署成本和运行维护成本。为此,本论文提出的LAS-PMM用于设计合理的网络拓扑,使得用户请求的路由更短,从而相应的减少了链路带宽需求量。通过对NeLS卫星星座网络建立仿真实验,其实验结果相比于规则链路分配方案的网络拓扑,LAS-PMM网络拓扑服务请求的链路带宽需求降低了24.8%。3、卫星星座网络建设过程优化低轨卫星星座网络的建设涉及多个阶段,在其部署过程中,在轨卫星可以通过存储-携带-转发的机制为用户提供中继式的信息服务。卫星一经发射很难在轨升级星上存储,并且这种存储-携带-转发的机制会在卫星星座网络的部署过程中导致较大的端到端延时。为了解决大延时问题,本论文提出了在卫星星座网络建设的每个阶段,基于最小间隙标准差的异轨一箭多星方法,把运载火箭发射的多颗卫星注入到不同轨道平面上的合适位置,从而降低用户的端到端延时,且减小星上存储的需求。此外,本论文进一步分析了异轨一箭多星方法所需要的燃料成本和时间部署成本。通过Globalstar卫星星座网络的实验结果可知,本论文提出的建设方案在建设过程中的平均端到端延时及存储需求比传统的建设方案分别小70.1%和42.8%。

关键词：低轨卫星星座网络星间链路网络拓扑链路分配方案链路带宽需求建设过程

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低轨星座宽带网络边缘计算多级卸载算法研究

低轨星座宽带网络边缘计算多级卸载算法研究

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作者：何美林电子科技大学

学位级别：硕士

新一代低轨星座宽带网络是天地一体化网络的重要组成部分。低轨卫星星座网络,以其强抗毁性、广覆盖率、灵活部署、低受限性为优势,为用户提供高速率、高质量的服务。新一代低轨卫星上可部署计算资源,能够将用户的计算任务请求卸载到网... 详细信息

新一代低轨星座宽带网络是天地一体化网络的重要组成部分。低轨卫星星座网络,以其强抗毁性、广覆盖率、灵活部署、低受限性为优势,为用户提供高速率、高质量的服务。新一代低轨卫星上可部署计算资源,能够将用户的计算任务请求卸载到网络边缘,实现对任务请求的在轨处理,缓解后端中心云压力,提升任务处理实时性能,具有重要的理论和实践意义。本文为降低低轨星座网络的任务请求响应延迟及能耗,研究了边缘计算任务多级卸载算法,提升了网络服务性能。本文主要工作分为三个方面。首先,本文建立了低轨星座网络、业务、计算、时延、能量等要素模型,为卸载算法的设计和低轨星座网络仿真系统搭建提供理论支撑。其次,本文提出了两种低轨星座网络应用场景,稀疏用户常用和密集用户场景。基于两种场景下的星上任务请求卸载量级,本文设计了单星、同轨多星、异轨多星三种卫星卸载选择范围,并针对此三种选择范围,分别提出了三种对应的卸载算法。针对单星卸载,本文提出了单星多级计算时延匹配卸载算法(ss MCD);对于同轨多星卸载,本文依据卫星优先级设计了同轨多星优先级卸载算法(ms PS);另外,对于异轨多星多级网络,本文基于卫星资源利用率和任务时延,采用投影寻踪综合评估法和模拟退火法,提出了异轨多星时延-资源综合评估卸载算法(DRCE)。最后,本文为验证算法的性能,提出平均请求响应延迟(ARRD)和平均请求能量消耗(AREC)两个指标,并基于STK和OPNET搭建了低轨卫星星座网络仿真系统。本文首先基于两种应用场景,稀疏用户场景和密集用户场景,进行了场景性能测试,采用随机算法,对比卫星无计算能力情况下和有计算能力情况下的ARRD和AREC。结果表明启用接入卫星星上资源可以极大的减小稀疏用户场景下的ARRD和AREC;而密集用户场景下ARRD虽可降低,但AREC会升高。随后,本文进行算法性能测试。对于本文提出的ss MCD算法,实验表明可比基础随机算法在延时和能耗上减少25%和58%。同时,当接入卫星服务过载,扩大卫星卸载选择范围,应用本文提出的ms PS卸载算法,可在ss MCD算法的基础上进一步降低ARRD,达到9%。DRCE算法适合在中低纬度使用,可比ms PS卸载算法更进一步降低ARRD和AREC,达到5%和17%。

关键词：低轨卫星星座网络边缘计算多级计算卸载网络建模性能优化

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基于地理位置信息的低轨卫星网络路由算法研究

基于地理位置信息的低轨卫星网络路由算法研究

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作者：胡凯文重庆大学

学位级别：硕士

低轨(Low-Earth-Orbit,LEO)卫星网络具有覆盖范围大、通信距离远以及通信质量高的优势,能有效弥补现有地面蜂窝通信网络的不足,更能满足人们生产生活的需要。卫星路由算法是具有星间链路的低轨卫星星座实现全球组网的关键技术。基于地... 详细信息

低轨(Low-Earth-Orbit,LEO)卫星网络具有覆盖范围大、通信距离远以及通信质量高的优势,能有效弥补现有地面蜂窝通信网络的不足,更能满足人们生产生活的需要。卫星路由算法是具有星间链路的低轨卫星星座实现全球组网的关键技术。基于地理位置信息的卫星路由算法作为分布式动态路由算法,不需要隐藏网络拓扑时变特征且没有路由收敛时间,已经逐渐应用到各类LEO卫星星座上。现有地理位置信息卫星路由算法主要采用“贪婪”转发机制进行数据转发,然而该机制在极轨道LEO卫星星座的星间网络部分拓扑结构区域存在着路由死结问题,数据包会因为找不到下一跳卫星节点而丢失。此外,该机制在部分情况下还存在路由路径不全是最短路由路径的问题,会导致星间网络具有较大的传播时延。由于卫星通信业务需求较少的高纬度地区覆盖卫星数量多,而卫星通信业务需求较多的中低纬度地区覆盖卫星数量却较少。地理位置信息路由算法应用在极轨道LEO卫星星座时也面临着严重的负载不均衡问题,星间网络具有较大的排队时延和丢包率。针对上述问题,本文提出了一种基于地理位置信息的负载均衡星间路由算法(Load Balancing Inter-satellite Routing Algorithm Based on Geographic Location Information,LBGI)。LBGI路由算法定期更新当前卫星节点与邻居卫星节点间链路通断状态以及邻居卫星节点负载状态,同时利用卫星运行周期计算卫星节点实时地理位置信息以及它们之间的星间距离信息,为后续路由决策提供判据。为避免反向缝区域的路由死结问题,有效降低丢包率,LBGI路由算法采用过极跨越反向缝机制,将反向缝两侧通信转变为同侧通信。为解决目的地有限区域的路由死结问题,LBGI路由算法采用建立临时路由表的方式,让数据包绕过死结区域到达目的卫星节点。为均衡星间网络负载,LBGI路由算法提出了以星间距离为依据的路径选择机制,在非极区区域中不存在路由死结的情形下选出主选下一跳和备选下一跳,再通过负载均衡机制,利用链路综合负载状态对主选下一跳和备选下一跳进行负载判决,从中选择流量分布更优的为最终路由下一跳,从而降低星间网络排队时延。仿真结果表明,本文提出的LBGI路由算法与应用在极轨道LEO卫星星座的现有基于地理位置信息的路由算法、传统基于虚拟拓扑的最短路径路由算法和实现负载均衡的路由算法相比,有着更低的平均端到端时延和丢包率,以及更高的流量分布指数。

关键词：低轨卫星星座网络地理位置信息路由死结过极跨越反向缝负载均衡

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低轨星座数字孪生网络链路状态快速同步技术研究

低轨星座数字孪生网络链路状态快速同步技术研究

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作者：唐婷婷电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,随着航空航天和信息通信技术的快速发展与融合,低轨星座网络已成为6G研究热点。业界利用数字孪生技术构建与实际低轨星座网络对应的数字孪生网络,实现节点、链路、应用和流量等网络要素的虚实映射与双向状态同步,从而满足低轨星... 详细信息

近年来,随着航空航天和信息通信技术的快速发展与融合,低轨星座网络已成为6G研究热点。业界利用数字孪生技术构建与实际低轨星座网络对应的数字孪生网络,实现节点、链路、应用和流量等网络要素的虚实映射与双向状态同步,从而满足低轨星座网络研发过程中的在线仿真与交互测试需求。其中,时变链路的快速动态同步技术对于高逼真度的低轨星座数字孪生网络构建具有重要的研究意义。本文以实现低轨星座数字孪生网络链路状态快速同步为研究目标,分析了低轨星座数字孪生网络链路状态同步时间消耗主要在采集时间消耗、传输时间消耗和配置时间消耗,针对传统低轨星座网络链路仿真方案时间粒度太大的缺点提出改进方案,包括三个方面。首先,提出了一种基于超限快速决策树算法的低轨星座网络链路分类模型,将链路分为高动态性、次高动态性和低动态性链路,对动态性分类的链路采取不同链路状态同步方案。针对低动态性链路只需在孪生网络云平台中进行一次性配置即可,从而可减少需实时同步的链路数量;针对高动态性和次高动态性链路,由于低轨卫星网络在运行周期内其链路状态是处于动态变化中,所以需要采集运行周期内所有链路状态参数来生成链路模型,并且在孪生网络中同步链路状态时优先考虑高动态性链路。然后,提出预加载机制和基于粒子群实现的链路状态同步任务调度算法。通过链路模型预加载机制提前将链路状态信息加载到孪生网络云平台中,节省采集时间,同时利用Redis高读写性能可以提高孪生网络链路状态同步的响应速度。通过粒子群算法去优化孪生网络云平台链路状态同步的任务调度,缩短任务调度的时间。在此基础上,设计实现了链路状态数据采集模块、信息通信模块和链路状态配置模块。最后,本文搭建了低轨星座网络系统作为被测网络,通过大量实验对以上方案和算法进行了功能测试和性能评估。实验结果表明,针对功能测试,链路状态采集功能和同步功能均能在孪生网络云平台中实现。针对性能评估,和未使用策略、算法进行对比,使用本文方案对链路状态变化快速同步的平均优化率随着网络规模的增大而逐渐提升,对于复杂的One Web系统孪生网络链路状态变化同步时间消耗的优化率达到85.65%,因此,本文提出的低轨星座数字孪生网络链路状态快速同步方案能有效提高链路状态同步速度。

关键词：数字孪生网络低轨卫星星座网络链路仿真状态快速同步

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