宽带卫星IP通信网络中的可靠传输技术研究

论文摘要

在卫星通信中,宽带卫星通信的主要目标是为多媒体和高数据速率的Internet应用提供一种无所不在的通信方式。对于时延要求低以及具有广播/组播性质的高速数据业务（如大容量数据传输、多媒体广播、因特网宽带接入、卫星远程应用、多媒体双向互动等业务）来说,卫星具有极大的优越性。宽带卫星网络也称下一代卫星通信网络。宽带卫星通信网具有地面覆盖面广、承载业务种类多、可快速部署、带宽利用率较高、星上交换快捷、可提供一体化网络等特点,能满足不同用户的业务需求。发展宽带卫星系统已成为当前通信的新热点之一。Internet是当今发展最快的业务,各种网络技术都在向提供高质量IP（InternetProtocol）业务的方向发展,在大范围覆盖和长距离传输方面具有优势的卫星通信与IP技术的结合无疑是通信发展的一个重要方向。TCP（Transport Control Protocol）是Internet上应用的传输协议,它是为地面有线网络设计的,用于卫星信道时会出现长时延、较高的差错率、上/下行信道非对称等很多问题,需加以解决才能顺利工作。卫星网络固有的信道广播特性使得它很适合实现组播服务。随着在Internet上支持多媒体业务的发展,在LEO（LOW Earth Orbit）网络中需要提供服务质量（QoS-Qualityof Service）保证。组播传输和QoS路由是卫星网络可靠传输的关键技术。星间链路是卫星间的双向通信通路,采用星间链路可降低系统地面段的成本,又提高了空间段的灵活性。编队飞行中星间链路的设计是非常关键的,它直接影响整个系统的性能。编队飞行要实现可靠的数据传输,底层协议方案是核心。本文研究了宽带卫星IP通信网络的可靠传输技术,内容涵盖了传输层TCP拥塞控制策略,可靠组播传输技术和网络层QoS路由算法设计,物理层/链路层可靠数据传输方案设计等,取得了以下研究成果:1.提出了两种宽带卫星TCP解决方案:基于优先级的TCP和卫星智能TCP拥塞控制策略。仿真结果显示:在卫星IP网络中,可以使系统吞吐率性能得到显著提高,在混合网络连接环境中,它们对资源具有较好的公平共享性。2.提出一种基于Agent的宽带卫星网络可靠组播传输协议。该协议利用接收端Agent来实现卫星组播传输,采用分组级FEC和本地差错恢复纠正传播中的非相关错误和相关错误,利用优先级分组实现拥塞控制。解决了卫星网络中可靠组播传输的一些关键问题,同时具有较好的可扩展性。3.提出了一种LEO卫星网络分布式组播路由算法,仿真结果表明该算法具有较短的端到端时延,生成的组播树长度较短,并维持较低的网络开销。4.提出了一种基于启发式蚂蚁算法的LEO卫星网络分布式QoS路由策略,提出了新的信道预留方案,在保证公平的前提下,实现切换优先。仿真结果显示该算法具有较低的呼叫阻塞概率,在网络负载较高时产生较低的开销。5.提出了用超宽带（UWB-Ultra WideBand）实现编队飞行可靠数据传输方案,给出了系统链路预算和星间定位方法,分析了一种采用MB（MultiBand）-UWB的星间链路方案的系统吞吐率。结果表明该方案具有可行性和较好的性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 宽带卫星网络的发展现状
• 1.2 宽带卫星通信的发展前景
• 1.2.1 宽带多媒体卫星通信发展的基础
• 1.2.2 宽带卫星通信发展面临的问题
• 1.2.3 宽带卫星通信的发展前景
• 1.3 宽带卫星IP网络与TCP/IP
• 1.3.1 卫星网络TCP/IP面临的主要问题及改进
• 1.3.2 IPoS（Internet Protocol over Satellite）标准
• 1.4 卫星编队飞行系统
• 1.5 宽带卫星网络可靠传输关键技术
• 1.5.1 物理层/链路层技术
• 1.5.2 网络层技术
• 1.5.3 传输层技术
• 1.6 本文的创新点
• 1.7 全文结构安排
• 第二章 宽带卫星网络TCP研究
• 2.1 引言
• 2.2 卫星信道的特点及其对TCP性能的影响
• 2.3 卫星链路上TCP协议优化方案
• 2.3.1 增大初始窗口
• 2.3.2 选择性应答
• 2.3.3 卫星链路上TCP的非对称性解决方案
• 2.3.4 卫星链路上TCP的分裂连接方案
• 2.4 基于优先级的拥塞控制策略
• 2.4.1 传统TCP拥塞控制算法
• 2.4.2 传统TCP存在的问题
• 2.4.3 PBS（Priority Based Strategy）算法描述
• 2.4.4 性能评估
• 2.4.5 结论
• 2.5 卫星智能TCP拥塞控制策略
• 2.5.1 SCPS-TP协议
• 2.5.2 SIT（Satellite Intelligent TCP）解决方案
• 2.5.3 性能分析
• 2.5.4 结论
• 2.6 小结
• 第三章 卫星网络可靠组播传输技术
• 3.1 引言
• 3.2 卫星网络可靠组播传输
• 3.2.1 组播技术简介
• 3.2.2 卫星可靠组播传输存在的问题
• 3.2.3 卫星网络中的可靠组播传输协议
• 3.3 基于Agent的宽带卫星网络可靠组播传输协议
• 3.3.1 卫星可靠组播网络结构
• 3.3.2 差错控制技术
• 3.3.3 协议描述
• 3.3.4 性能分析
• 3.3.5 结论
• 3.4 LEO卫星网络基于蚂蚁算法的QoS组播路由算法
• 3.4.1 现有组播路由协议在LEO卫星网络中存在的问题
• 3.4.2 系统模型和设计目标
• 3.4.3 DMRBA算法
• 3.4.4 仿真结果
• 3.4.5 结论
• 3.5 小结
• 第四章 卫星网络分布式QoS路由研究
• 4.1 引言
• 4.2 卫星网络的QoS路由
• 4.2.1 LEO卫星网络中QoS路由面临的问题
• 4.2.2 保证卫星网络QoS路由的几点考虑
• 4.3 卫星网络分布式QoS路由
• 4.4 LEO卫星网络中基于蚂蚁算法的分布式QoS路由
• 4.4.1 系统模型和设计目标
• 4.4.2 DQA-分布式QoS路由算法
• 4.4.3 性能评估
• 4.5 小结
• 第五章 卫星编队星间链路的可靠数据传输技术-超宽带（UWB）
• 5.1 引言
• 5.2 卫星编队飞行系统的工作模式
• 5.3 超宽带技术简介
• 5.3.1 UWB物理层技术
• 5.3.2 UWB信号的分类
• 5.3.3 UWB标准
• 5.4 卫星编队飞行星际链路中的UWB技术
• 5.4.1 基于无人机的UWB通信链路
• 5.4.2 UWB在编队飞行中的应用
• 5.4.3 编队飞行星间链路采用UWB的可行性与优势分析
• 5.4.4 编队飞行-UWB通信链路建模
• 5.4.5 编队卫星间的相对位置和方向测量
• 5.4.6 系统结构和链路预算
• 5.4.7 吞吐率分析
• 5.5 小结
• 第六章 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录:关于NP问题和NPC问题
• 作者攻博期间取得的研究成果