天基网路由策略及算法研究概述

路由技术是天基综合信息网组网的核心技术之一。根据卫星链路长时延、高误码等特点,天基网络和地面网络的路由算法有很大不同。本文在常用地面网络路由算法的基础上,给出了国内外卫星网络路由策略及算法的研究现状,并介绍了卫星星座仿真软件和卫星网络协议仿真工具。     

地月空间通信网络协议研究

针对地月空间长距离通信较长延时及月背遮挡导致的间断性链路连接问题,同时为解决有限资源下地月空间网络通信综合利用问题,基于地月空间通信链路形成了通信方案,应用DTN协议和IP over AOS协议构建了网络拓扑结构,并对六星双圆、四星双圆、三星单圆、双星单圆4种极圆轨道进行了网络仿真指标设计与网络仿真。仿真结果表明:在节点缓存能力等约束下,相同仿真参数中4种中继星座架构的数据包递交率与星座中卫星数量呈正相关,对延迟敏感的实时性数据包在不同星座架构下平均时延最大相差仅约0.04 s。以DTN协议作为地月空间信息系统组网通信的主要协议架构,可以满足各类应用业务数据传输要求。     

深空通信中继文件传输协议设计

深空通信极远的传输距离导致链路误码率高,使文件的可靠传输需要较多的重传次数,而其传播时延长的特点,进一步加大了文件传输时延。研究以CCSDS(空间数据系统咨询委员会)文件传输协议的存储-转发机制,提出一种R-CFDP(中继型CFDP协议),设计了3种中继"存储-转发"策略,并数学建模推导了R-CFDP协议的文件传输时延理论计算式。仿真证明R-CFDP协议相对于CFDP(CCSDS文件传输协议)协议在传输时延方面具有优势。     

深空中继通信束聚合效能研究

针对深空中继通信环境中BP/LTP协议加入束聚合策略对数据传输效率的影响问题,建模分析LTP数据块传输时间,考虑多会话并发及中继节点参与,获得应用数据在深空中继环境中总传输时间的期望,分析出束聚合策略对深空中继通信性能的影响。通过数值实验对不同束聚合值在典型深空中继通信环境中的效率进行了检验。结果表明:在应答链路不阻塞的约束下,越小的束聚合规模传输效率越高,且节点发送缓存大小对性能有重要影响。     

多状态空间信息网络拓扑生成优化算法

依据空间信息网络（SIN）高动态性的特点，并考虑卫星工作的多状态特性，兼顾星间通信时延和拓扑抗毁性的要求，研究了多状态下空间信息网络拓扑生成及动态优化的问题。根据卫星星座的周期性，建立了一种卫星网络的拓扑周期表。综合卫星的可视性和连接度等约束条件，以网络平均和最大时延作为通信性能的优化目标，建立拓扑的多目标优化模型。提出一种改进的多目标模拟退火（IMOSA）算法，求解全局时延最优的卫星拓扑，并在考虑多状态情况下对链路进行优化，以满足网络高动态性。最后基于具有66颗低轨（LEO）的铱星星座进行仿真，研究表明：针对多状态条件下的铱星星座，该算法最大化减小了通信时延，得到抗毁性良好的拓扑结构，通信性能较之原有静态拓扑明显得到改善。     

适用于卫星通信的虚拟ARQ机制

随着载人航天技术的发展,越来越多的航天任务需要利用卫星通信进行信息传输。已有的研究成果大都采用了ARQ机制来降低卫星信道的数据丢失率。然而由于卫星信道还具有长时延的特点,因此ARQ所采用的反馈机制会大幅增加卫星信道的传输时延。为了克服卫星信道中反馈机制带来的大时延问题,提出了一种虚拟ARQ(Virtual ARQ,VARQ)机制。在VARQ中,发送端并不依靠接收端的反馈信息来进行分组重发,而只根据当时估计的丢包概率来决定传输策略,从而可以大幅降低卫星信道的传输时延。随后,还对VARQ所具有的一些时延性质进行了理论证明。仿真结果显示,相对于选择性重传ARQ机制,VARQ机制能够降低大约25.69%的时延。     

时延平滑系统对实时数据传输影响分析

在实时数据传输过程中,科考船海事卫通链路会出现数据丢包和乱序数据处理不当的问题。通过分析科考船海事卫通链路系统组成,数据传输协议和类型,数据传输时延及抖动,时延平滑系统工作机制和处理流程等,发现时延平滑系统设计上存在缺陷。针对这一缺陷,提出在时延平滑系统中增加数据包分点实时监测、序号判定、序号重排等改进方法,对时延平滑系统的处理流程进行了完善。通过搭建仿真环境并进行模拟演练,验证了改进设计方法的可行性;在某工程应用中,科考船海事卫通链路采用改进后的时延平滑系统,未出现丢包和乱序问题,达到了预期效果。     

干涉测量宽带相关处理算法与验证

阐述了一种用于航天器精确角位置测量的干涉测量宽带相关信号处理算法,通过仿真验证了算法的有效性,并搭建卫星干涉测量实验系统,采集某地球同步卫星信号进行宽带相关信号处理,获得清晰干涉条纹,准确估计出反映测站与卫星位置关系的时延观测量。结果表明宽带相关信号处理的估计时延与卫星信号链路标定时延、测距时延组成系统时延闭合回路,初步验证了干涉测量实验系统的有效性,为后续飞行任务中航天器高精度干涉测量积累了技术和经验。     

命名数据网络中的一种主动拥塞控制机制研究

命名数据网络由于缓存的作用及多路径和多播的传输特点,使得传统的拥塞控制策略不再适用。从命名数据网络转发策略的角度出发,结合强化学习中的Sarsa(λ)算法,提出了一种以最小时延为目标的拥塞控制算法。该算法考虑了链路延迟和中断的影响,利用NDN中路由节点的计算和学习能力,使用Sarsa(λ)算法实现命名数据网络中网络包的智能转发。在基于ns-3的ndnSIM仿真平台下进行性能测试,并和已有的采用滑窗机制的Best route算法、Multicast算法和RF算法做比较。仿真结果表明,提出的智能转发策略能有效增加网络的数据递交率,减少丢包数量和网络平均时延,有效地减少拥塞。     

基于网络编码的空间DTN中CGR改进算法

随着空间通信技术的发展,卫星节点的增多,以及容延迟容中断通信需求的不断提高,空间DTN (DelayTolerant Network,容延迟网络)环境中各通信节点间的路由技术日益重要,相继出现了多种适用于DTN的路由技术.基于空间DTN的结构与特点,对CGR(Contact Graph Routing,接触图路由)算法以及基于编码的路由算法进行了分析比较,然后针对空间DTN中CGR算法的缺点和不足,研究提出了基于NC(Network Coding,网络编码)的空间DTN中的CGR改进算法(NC-CGR),并通过仿真实验平台对算法性能进行了分析评估.仿真结果表明,相比于CGR算法,NC-CGR算法在链路传输时延、传输包裹数目、中继缓存大小、链路丢包率等不同条件下的适应性方面均表现出较大优势,更适用于具有复杂拓扑、带宽受限、高动态特性的空间DTN环境.     

IP广域网接口链路特性分析与研究

在分析广域网综合性能指标——实时性和可靠性的基础上，将该指标分解为广域网接口协议开销特性、链路时延差门限特性和链路中断检测特性，并分析总结了广域网接口类型及相关链路协议特点。通过测试吞吐量和丢包率的方法，对华为3种型号的路由器进行了接口协议开销特性、时延差门限特性和链路中断检测特性测试。实验结果表明，不同型号路由器、不同接口类型、不同链路协议对广域网综合性能的影响存在不可预知的差异。在此基础上对比分析了基于链路层状态和基于网络层状态中断检测特性的差异，实验数据为构建、评估与优化广域网性能提供了参考依据。     

MEO/LEO双层卫星网络中层间链路的连接度分析

作为未来卫星移动通信系统的一个重要的研究方向,提出了一种由MEO卫星和LEO卫星共同组成的双层卫星网络(Double-Layer Satellite Network,DLSN),以更好为用户提供多媒体服务.作为多层卫星网络的一个重要的研究内容,连接不同高度上卫星的层间链路(Inter-Orbit-Links,IOLs)的特性对于整个DLSN网络的性能会有很大的影响.根据所设计的多层卫星网络的星座参数,通过对层间链路几何特性的研究,分析了多层卫星网络中MEO卫星与LEO卫星的连接度性能.采用计算机仿真的方法,给出了层间链路连接度的特性.结果表明,为了提高网络性能,在多层卫星网络中应按照一定参数有选择的建立层间链路,而不是简单的采用视距可见原则建立层间链路.     

小卫星群星间通信低层协议的初步研究

本文总结了目前国内外LEO星和编队飞行小卫星星间链路ISL的发展情况；针对小卫星群内ISL通信的特点，对近距离空间链路协议Proximity-1和无线局域网协议IEEE802.11等进行了一定的分析；最后对发展小卫星群ISL低层协议给出了几点建议。     

一种基于时空等级的LEO卫星网络路由策略

随着5G技术的发展和6G技术的研究，低轨卫星网络在未来空天地一体化网络中的地位越发重要，而作为网络核心技术的路由策略仍面临一些挑战，如卫星网络拓扑高动态变化、链路频繁切换、节点计算处理能力有限以及负载流量分布不均衡等。针对卫星所覆盖区域负载不均衡且与时间因素有关，以及星上用户多业务服务质量需求的问题，设计了一种基于时空等级的业务分类负载均衡路由算法。算法考虑了卫星网络流量的分布与时空等级的关系。卫星节点需先根据当前时刻及其所覆盖的地面区域计算其时空等级，并在路由算法的下一跳实时调整阶段加入时空等级作为选路条件之一，同时改进了阈值的计算方式，并在路由时考虑了不同的链路代价以满足多业务服务质量需求。仿真结果表明，相较于DSP、TLR和RMLBR算法，所提算法虽然在总吞吐量表现不及TLR和RMLBR算法，但在时延以及链路利用率方面有所改进，有效降低了平均端到端时延，较好地满足不同业务服务质量需求，均衡网络负载。     

船岸网络时延测量误差原因分析

简单介绍了测量船船岸通信网络组成,重点介绍了NTP（网络时间协议）和PTP（精密时间协议）这2种网络时间同步协议。针对改建后的船岸网络时延测量误差进行分析和研究,提出基于TWSTFT（卫星双向时间频率传输）技术模型的网络时延测量方法,测量结果误差小于3ms,满足测控任务实时性要求,为提高测控网的测控精度提供有益参考。     

数据分发用户协议模型研究

通过分析某型号卫星用户地面链路的实际应用情况,结合互联网应用协议模型,面向系统未来发展需要,提出了数据分发用户协议模型,分析了协议模型的层次关系,介绍了协议模型的具体工作过程,并对其工程可行性进行了分析,解决了地面链路连接管理以及应用负载分配的应用问题,在一定程度上避免了系统安全隐患,为系统实际工程应用提供了切实可行的途径。     

基于数字包络检波的RNSS通道时延标定方法

提出一种采用数字处理的时延测试方法,用于对导航卫星导航信号发射通道分数码片时延的精确测量。该方法是通过高速A/D（模/数）转换器,对导航卫星下行的BPSK（二进制相移键控）信号和卫星导航秒脉冲进行双通道采样,读取采样数据并进行数据处理。根据秒脉冲信号触发门限上升沿确定时延测量起点,对BPSK采样数据进行平方律检波,获取码片换相点,计算换相点和秒脉冲之间的分数码片时延,并进行滤波器时延校准,从而得到导航卫星发射链路的分数码片时延,该方法不需要进行伪随机信号的捕获和跟踪,测量精度主要取决于采样器采样率。通过在测试中使用一根校准电缆对该方法进行验证,验证结果表明,采用本文提出测试方法的测量误差优于0.3ns。     

导航辅助下基于LAS码的天基多目标测控

中继卫星的天基测控是解决中低轨道航天器大范围、长时间、多目标测控的有效途径,但用户星到中继卫星的时延误差、多普勒频移校正误差等参数会对多目标测控带来干扰。针对该问题,首先分析了定位误差引起的时延误差、多普勒频移校正误差等因素,设计了天基多目标前向链路遥控SMA(S-band Multiple Access,S频段多址)信号形式和反向遥测链路SMA信号形式,选择与时延校正误差相匹配的LAS(Large Area Synchronous,大区域同步)码作为反向遥测信息的扩频码,建立了导航辅助的终端时延和频率预校正方案模型,可以有效消除多用户干扰。仿真表明,当Eb/N0≥10.5dB时,前向遥控信息误码率pe≤1×10~(-6),反向遥测信息误码率pe≤1×10~(-6),使用LAS码比Gold序列约有2dB性能改善,为基于我国天链卫星的中低轨道卫星稳定运行、载人航天交会对接以及后续空间站建设等任务的测控提供重要参考。     

基于短帧优先调度的AFDX端系统发送策略

通过分析AFDX协议格式以及当前端系统常用数据调度方法,提出了短帧优先调度策略,策略充分利用了AFDX协议虚拟链路特点,优先发送短帧,从而降低了部分链路的延迟上界,有助于减少等待时间,提高网络带宽利用率。应用网络演算理论建立了基于短帧优先调度策略的端系统模型,推导了不同虚拟链路的延迟上界表达式,并进行了与系统数据发送相关的一系列仿真研究,结果表明调度策略降低了端到端系统的发送延迟,是航空数据网络实时传输系统的优选策略。     

卫星双向时间比对的设备时延标定方法

卫星双向时间比对的设备时延包含在伪码测距的测量值之中,精确标定设备时延是提升卫星双向时间比对精度的关键。针对卫星双向时间比对中的设备时延标定问题,提出了一种基于同源零基线测量的设备时延标定方法,将中国科学院国家授时中心的1套3.7m天线地面站和2套5m天线地面站并址安装,3套地面站同时进行卫星双向时间比对模式的观测,以此来标定3套地面站之间的设备时延相对值。试验结果表明,该方法可使设备时延标定的精度达到亚ns量级,能有效减小设备时延对卫星双向时间比对精度的影响,对于多个地面站站间时间比对具有一定的实际意义。