兼顾控制流量的软件定义卫星网络路由策略

软件定义卫星网络（SDSN）通过解耦数据与控制平面,实现网络态势与控制的逻辑集中,为管理卫星网络提供了一种新的思路。在SDSN中,控制报文和数据报文同时在网络中传输,海量、动态、高优先级的控制流量将对数据报文传输产生极大的干扰。因此,提出了一种数据流退让路由（DFRR）策略。在计算数据报文路由时,DFRR将链路上控制流量大小作为影响链路代价的一个因素,以减少选择控制流量较大的链路;在网络操作控制中心（NOCC）连接的过顶卫星切换导致控制流量分布发生较大变化之前,DFRR预测可能发生拥塞的链路,并选出链路上部分数据流进行重路由,从而避免拥塞。在开发的SDSN研究平台OpenSatNet上对DFRR的性能进行了评估。实验结果表明,DFRR能够有效减少网络中的链路拥塞,以及控制报文和数据报文的分组丢失。      

层次网络数学模型与层次路由算法研究

建立了多层卫星网络的层次数学模型,在对数学模型研究的基础上,提出了一种适合多层卫星网络应用的层次路由算法.仿真结果表明,该算法具有较快的计算速度,降低了拓扑更新的通信开销,随着链路利用率的增加具有很好的时延性能,能够有效地提高空间信息网络的路由性能.      

一种卫星信道的反馈优化接入机制

提高卫星信道资源利用率，探索高效可行的端站接入机制是卫星通信发展亟待解决的问题之一。当前卫星通信DVB-RCS标准基于带宽预先规划的接入机制与端站随遇接入的需求矛盾凸显，因此提出一套信道反馈优化接入机制，综合考虑各端站数据业务需求，在不改变原有协议信令特征的基础上，探索性地引入谦虚度激励方法，创造性地构造动态协商反馈模型并加以求解，达到提高端站接入数量、满足随遇接入需求、提升信道利用效率、最大化整体带宽通信业务效益的目的。通过试验验证，带宽分配反馈优化机制比传统模式提高近1倍接入率，最大端站数接入时算法耗时约只有0.67s，可为卫星信道使用提供技术参考。     

地月空间信息网络链路分配算法研究

在设计拓扑时,如何分配每颗卫星上有限的通信终端建立通信链路,构建一个性能良好的网络拓扑,成为了一个重要的研究问题。以平均月球中继卫星到地面站路径距离最小为优化目标,以卫星携带的通信终端数目、月球中继卫星与地面站的连通性为约束条件,提出了基于竞争决策思想的链路分配算法(Link Assignment Algorithm based on Competitive Decision, LAA-CD)和基于模拟退火法的链路分配算法(Link Assignment Algorithm based on Simulated Annealing,LAA-SA),并与贪婪算法进行对比。仿真结果表明,LAA-CD和LAA-SA算法下所得拓扑的平均月球中继卫星到地面站距离均小于贪婪算法,且LAA-CD算法能够有效降低算法的时间复杂度。进一步对比了两种星座,发现相比拉格朗日轨道卫星星座,在月球极轨道卫星星座下所得拓扑具有更小的平均距离,为空间信息网络分配提供技术支撑。     

基于深度强化学习的软件定义卫星姿态控制算法

深度强化学习（DRL）作为一种新型的基于机器学习的控制算法,在机器人和无人机等智能控制领域展现出了优异的性能,而卫星姿态控制领域仍然在广泛使用传统的PID控制算法。随着卫星的小型化、智能化以至软件定义卫星的出现,传统控制算法越来越难以满足姿态控制系统对适应性、自主性、鲁棒性的需求。因此对基于深度强化学习的姿态控制算法进行了研究,该算法使用基于模型的算法,比非基于模型的算法拥有更快的收敛速度。与传统控制策略相比,该算法无需对卫星的物理参数和轨道参数等先验知识,具有较强的适应能力和自主控制能力,可以满足软件定义卫星适应不同硬件环境,进行快速研发和部署的需求。此外,该算法通过引入目标网络和并行化启发式搜索算法之后,在网络精度和计算速度方面进行了优化,并且通过仿真实验进行了验证。      

高空平台通信系统中基于预测的小区切换算法

在平流层的环境中,高空平台(HAPS)的扰动特性严重影响了通信系统的小区切换性能。在平台扰动和终端移动的场景中,基于固定门限的切换算法容易增加不必要的切换次数,切换性能较差。建立HAPS覆盖模型,用户终端根据其速度动态选择切换检测周期,提出基于接收信号强度差分最小均方预测的自适应切换算法,推导了无线链路失败率的上限。仿真结果表明,相比传统固定门限的切换算法,本文算法有效降低了不必要的切换,同时还可将无线链路失败率控制在1%以下,能够适应多种通信场景。     

多终端在星上多频时分多址系统中的分配

由于卫星资源有限并且昂贵,多频时分多址(MF-TDMA)接入方式被广泛应用于现代宽带通信系统的上行链路设计中。时隙分配算法的有效性是高效利用MF-TDMA系统资源的保证。针对卫星系统的特性,提出了一种基于函数权值的卫星时隙的分配算法,通过最优化权值的方法,有效地提高了资源利用率。通过仿真分析了不同业务的时延性能和信道利用率,并且与几种典型的分配算法进行了比较。仿真结果表明,文中的分配算法能够有效地提高信道利用率,在终端数量较多时,优势更为明显。文中提出的新算法简单,计算时间短,能够有效地在卫星网络中实现。     

基于动静结合方法的卫星网络路由方法研究

路由方法是保障卫星网络信息传输能力的基础性技术，是地面路由技术与航天应用的有机结合.当前卫星网络使用的主流路由方法主要为预先设置好路由表、转发表的静态方法，地面商用路由方法则主要使用以OSPF为代表的动态方法.动态方法的性能、鲁棒性和可靠性均明显优于静态方法，但是在卫星网络中直接应用动态方法带来的相应需求如计算资源、存储资源和信道资源等，卫星网路往往不能满足.针对此问题，提出了基于动静结合的卫星网络路由方法.该方法将OSPF方法进行针对卫星网络的适当裁剪，结合传统的拓扑快照静态路由方法，在卫星网络可以负担的资源限制条件下，提高整个卫星网络系统的性能、鲁棒性和可靠性.     

基于认知无线电的GEO与LEO卫星频谱共存

随着新的宽带多媒体业务的发展，宽带无线频谱的需求日益增长。同时，低轨道（LEO）卫星由于其传输损耗低、传播时延小而被大规模部署。为了更好地利用频谱资源，卫星通信系统普遍采用高轨道（GEO）卫星与LEO卫星频谱共存的方案来提高频谱利用率。在频谱共存的过程中，提出了一种基于动态阈值的能量检测与波束跳跃相结合的算法，以减小LEO对GEO卫星的干扰。首先对LEO卫星的信噪比进行估计并实时选择最优阈值，然后利用基于动态阈值的能量检测算法对GEO卫星信号进行判别，最后根据判断的结果进行波束调整。仿真结果表明，提出的基于动态阈值的能量检测算法的检测误差明显低于传统的基于固定阈值的能量检测算法和基于二阶循环统计量的频谱感知方法。当信噪比低于-10dB的情况下，检测误差低于0.2；而当信噪比高于-5dB时，检测误差趋近于0。     

协同控制下的空间信息网络简单虚拟局域网构想

针对空间信息网的组网实现问题,考虑卫星通信网络的长时延、动态性、资源受限等网络特性,提出了一种协同控制下的虚拟局域网组网构想：首先,通过将空间信息网络划分成多个虚拟局域网的方法分割空间广域网,减轻星载计算机的信息处理负担和带宽资源的无谓损耗。其次,基于一致性算法,在协同控制律中加入路由算法实现虚拟局域网内节点卫星信息的两两联通,提高空间信息网络的可靠性和协同处理性能,将这种时变时滞协同控制律应用在空间信息网结构中能够实现空间强连通组网,应用于单个卫星上则可以实现关键节点卫星的冗余备份和负载均衡。最后,模拟仿真空间信息网框架结构和冗余节点虚拟局域网,在50s内迅速实现预定轨迹收敛,且收敛后具有较为稳定的星间时延,从而验证了方案的可行性。     

最小数据丢失量的地月中继卫星任务调度研究

月球背面的探测器必须依靠地月中继卫星进行数据传输与通信。地月中继任务包括实时性任务和延迟容忍类任务，如数传任务。当探测器等待传输的数据量超出用户存储容量时，延迟容忍类任务会由于探测器本地存储资源不足和地月中继卫星天线资源受限而无法完成，导致任务数据丢失，所以需要设计一种合理的地月中继任务调度策略，提高地月中继卫星的资源利用率，减少数据的丢失。对地月中继卫星任务调度进行了研究，在分析地月中继卫星数传任务的特点及用户的存储限制的基础上，以最小化数据丢失量为优化目标，建立了地月中继卫星任务调度模型，并设计了一种基于离散烟花算法（DFWA）的地月中继卫星任务调度算法。仿真数据分析表明，基于离散烟花算法的地月中继卫星任务调度算法在求解结果上优于遗传算法，是一种合理、有效的调度方法。