基于随机Petri网模型的卫星网络性能分析研究

论文题目: 基于随机Petri网模型的卫星网络性能分析研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 计算机应用技术

作者: 洪志国

导师: 范植华

关键词: 卫星网络,随机网,性能分析,随机回报网模型

文献来源: 中国科学院研究生院（软件研究所）

发表年度: 2005

论文摘要: 本文首先概述了国内外卫星网络及其建模的研究现状,综合分析了卫星网络的建模方法,并比较了网络性能分析的常用方法。由于卫星昂贵等特点使得卫星网络的物理实验方式可行性不高,所以最佳的选择是把数学建模方法与仿真分析方法相结合,实现优势互补。本文主要把建模分析和仿真分析相结合来分析和研究卫星网络的性能,为卫星网络的组建提供重要的指导和参考。 国内外对卫星网络的性能评价工具目前多集中在排队论和马尔可夫过程。然而,排队模型不能刻画卫星网络中信息业务的并行性、异步性和分布性的特点。SPN(Stochastic Petri Nets,随机Petri网)的描述能力强于排队网络,且克服了用马尔可夫过程分析时难以在相应的随机过程层次上建模的缺点。因此,本文采用SPN对卫星网络进行建模和分析。 部分已有的研究工作是在假设卫星网络不存在处理延迟、传播延迟和丢包的情形下,采用SPN分析了卫星网络的性能。然而在实际的卫星网络中,丢包和延迟的影响不能被忽略。 为此,针对增加卫星网络建模和分析准确度的实际需求,本文主要考虑了卫星网络中消息传递的平均延时和通信过程中的丢包率,使用SPN进行建模分析,开展了如下独创性的工作: (1)证明了有关丢包率计算的定理; (2)考虑丢包因素影响,建立了LEO(低轨道)卫星网络在半双工通信模式和全双工通信模式下各自的GSPN(广义随机Petri网)模型,并利用SPNP(Stochastic Petri Net Package)6.0软件对这些模型的丢包率和平均延时加以性能分析; (3)建立了用于分析影响丢包率要素的LEO卫星网络的SRN(随机回报网)模型,并利用SPNP 6.0软件对丢包率的主要影响要素加以分析; (4)建立了LEO/MEO(中轨道)/GEO(同步地球轨道)三层卫星网络的GSPN模型,并使用SPNP 6.0软件进行了网络性能分析;通过OPNET(Optimum NetworkPerformance)仿真验证和分析,得出了诸如在高负载的情况下三层网络结构优于单层网络结构等一些新的结论。

论文目录:

第一章 引言

1.1 卫星网络概述

1.2 网络性能分析的传统方法

1.2.1 直接测量法

1.2.2 仿真分析法

1.2.3 数学分析法

1.3 卫星网络性能评价指标体系分析

1.3.1 面向服务质量的性能指标

1.3.2 面向网络效率的性能指标

1.3.3 主要指标之间的关系

1.4 国内外研究现状和本文工作概述

1.5 本文组织

第二章 卫星网络建模数学工具的介绍与比较

2.1 建立随机模型分析的方法

2.1.1 随机过程概述

2.1.2 连续时间马尔可夫链(CTMC)

2.1.3 离散时间马尔可夫链(DTMC)

2.1.4 半马尔可夫过程

2.2 排队模型理论

2.2.1 排队系统的Kendall表示法

2.2.2 生灭过程(birth-death process)

2.2.3 泊松(Poisson)分布

2.2.4 排队模型分析

2.3 Petri网理论

2.3.1 Petri网的形式化定义

2.3.2 Petri网的图形表示及实例

2.3.3 高级Petri网(HLPN)

2.3.4 随机Petri网(Stochastic Petri Nets，SPN)

2.3.4.1 SPN的定义

2.3.4.2 SPN和排队网络的比较

2.3.4.3 SPN模型的分析方法

2.3.4.4 广义随机Petri网(GSPN)

2.3.4.5 随机回报网(SRN)

2.3.4.6 随机高级Petri网络(SHLPN)

2.4 SPNP使用介绍

第三章 半双工通信模式下基于GSPN模型的LEO卫星网络性能分析

3.1 有关丢包率计算的定理

3.2 LEO卫星网络结构

3.3 基于模型的LEO卫星网络性能分析

3.3.1 半双工通信

3.3.2 LEO卫星网络的GSPN模型

3.3.3 仿真结果分析

3.4 本章的贡献

第四章 全双工通信模式下基于GSPN模型的LEO卫星网络性能分析

4.1 全双工通信

4.2 LEO卫星网络的GSPN模型

4.3 仿真结果分析

4.4 本章的贡献

第五章 基于SRN模型的LEO卫星网络的丢包分析

5.1 爱尔兰分布

5.1.1 k-爱尔兰分布

5.1.2 爱尔兰与业务负载

5.2 基于SRN的LEO卫星网络丢包模型

5.3 分析及结论

5.4 本章的贡献

第六章 基于GSPN模型的LEO/MEO/GEO三层卫星网络的性能分析

6.1 概述

6.2 LEO/MEO/GEO三层组网模式

6.2.1 GEO与LEO/MEO系统的竞争与互补

6.2.2 GEO管理星的设计

6.2.3 MEO骨干星的分域设计

6.2.4 LEO接入星的分域设计

6.3 基于模型的三层卫星网络性能分析

6.3.1 LEO域模型

6.3.2 MEO卫星层模型

6.3.3 LEO/MEO/GEO三层卫星网络的GSPN模型

6.3.4 模型简化

6.3.5 仿真结果分析

6.4 OPNET仿真建模与性能评价

6.5 本章的贡献

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 进一步的研究工作

参考文献

发表文章目录

致谢

发布时间: 2005-07-08

参考文献

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