小卫星组网路由方法研究
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摘要
受Internet迅速发展的影响,用户希望能随时随地的接入网络。传统网络的接入技术受种种因素限制难以实现这一目标,卫星网络与地面网络相比,最大的优势就是可以在地球表面实现无缝隙覆盖,真正实现随时随地传送信息。低轨道(LEO)卫星通信与同步轨道(GEO)卫星通信相比,具有传输时延短,信号衰减小等优点。为降低系统成本,多由小卫星组成LEO卫星网络。
小卫星网络是一种移动网络,具有网络拓扑结构动态变化的特点。受卫星有效载荷的限制,卫星难以承受IP路由所带来的计算和存储开销。传统的IP技术主要是为有线固定网络而设计的,没有考虑到对移动网络的支持。虽然国内外研究对IP技术进行了改进,增加了对移动应用的支持,形成Mobile IP,但是,IP技术对移动网络的支持能力仍然有限。
本文侧重于研究随机卫星网络的路由方法,进而将该路由方法发展成为一种通用路由方法。鉴于卫星网络的研发周期比较长,技术风险比较大,设计通用的网络技术既有利于技术积累,又有利于降低研究成本。
随机卫星网络没有规则的星座结构,卫星在轨道空间上分布不均匀。给路由研究带来困难。为此,本文提出一种通用的路由方法—基于区域代理的区域路由方法,该方法以区域划分为基础,区域划分的方法与卫星星座无关。通过区域将路由分解为域间路由和域内路由两个部分。每个区域选择一个节点作为该区域的区域代理,负责域间路由和域内节点的管理。区域不随节点移动而变化,且数量有限,适合于应用IP路由技术。
为了降低路由负荷,本文提出了"有限互连"的概念:通过端节点维护节点之间的关系,将部分路由负荷由路由节点转移至端节点上。在有限互连中,由于端节点不需要具有访问所有网络节点的无限互连能力,因此有利于提高小卫星网络容忍部分连通的能力。
微机模拟的结果证实了该区域路由方法的可行性,可应用在不同类型的卫星网络系统中。
本文的主要贡献是:1.通过基于区域代理的区域路由方法为解决随机卫星网络的路由提供一种有价值的方法,进而扩展到规则卫星网络中,形成具有一定通用意义的路由方法;2.为解决LEO空间飞行器的网络接入提供一种有价值的方法,进而为实现多个小卫星骨干网的互连提供条件,这有利于提高小卫星网络的可扩展性。3.提出了"有限互连"的概念,通过有限互连既降低了网络拓扑变化对路由的负荷,又提高了网络对部分连通的容忍能力。
With the rapid development of Internet, the accessibility to the network anytime andanywhere is more and more desired, which is hard to be achieved by the access technique of theconventional network due to its various limitation. Compared with land-based network, satellitenetwork can provide seamless coverage over the globe with real-time communication. Comparedwith Geosynchronous-Orbit (GEO) satellite communication, Low-Earth Orbit (LEO) satellitecommunication has many advantages such as low transmission delay and low signal attenuation.To cut the system cost, LEO satellite network often be constituted by many small satellites and isalso called as Small Satellite Network (SSN).
As a mobile network, the SSN has a dynamic network topology. But, it will bring high cost ofcomputation and storage due to the limited load of the satellites when using IP routing.Conventional IP routing techniques are designed mainly for the network with a fixed networktopology and thus cannot support mobile network very well. Although studies have been done toimprove the IP routing techniques for mobile network, there is still limitation.
In this dissertation, we study the routing methods for random constellation satellite network(RCSN) and develop a general routing method. Designing general routing method for satellitenetwork can not only accumulate techniques but also cut the development cost due to the fact thatusually it requires long research period and large risk in the satellite projects.
As the RCSN has no regular constellation structure, satellites are distributed unevenly, whichbrings challenges for its network routing. We develop a general routing method: Agent-based arearouting method, which is based on the area partition and is independent from the satelliteconstellation. The routing is further decomposed to inter-area routing and intra-area routing. Eacharea has a node be selected as the agent that is in charge of inter-area routing and intra-area nodemanagement. The location of area is independent from the satellite's location and the number ofarea is limited and thus is suitable for IP routing techniques.
In order to lower the routing load, we propose the concept of limited interconnection that cantransfer some of the routing loads from middle-nodes to end-nodes by using end-nodes tomaintain the relationship of nodes. In the limited interconnection, end-nodes do not need theunlimited capacity of accessing all the network nodes, which improves the SSN's tolerance topartial connectivity.
Simulation results have demonstrated the feasibility of applying the area routing method tovarious satellite network systems.
The major contribution of our study in this dissertation are: 1) proposing the area routingmethod for RCSN routing problem and thus extending it to the regular constellation satellitenetwork;2) providing a valuable method for LEO Sky-Flying Satellite (SFS) to access thesatellite network and thus facilitating interconnection between multiple SSNs;3) proposing the
concept of limited interconnection to lower the routing load due to the dynamic network topologyand improve the SSN's tolerance to partial connectivity.
小卫星网络是一种移动网络,具有网络拓扑结构动态变化的特点。受卫星有效载荷的限制,卫星难以承受IP路由所带来的计算和存储开销。传统的IP技术主要是为有线固定网络而设计的,没有考虑到对移动网络的支持。虽然国内外研究对IP技术进行了改进,增加了对移动应用的支持,形成Mobile IP,但是,IP技术对移动网络的支持能力仍然有限。
本文侧重于研究随机卫星网络的路由方法,进而将该路由方法发展成为一种通用路由方法。鉴于卫星网络的研发周期比较长,技术风险比较大,设计通用的网络技术既有利于技术积累,又有利于降低研究成本。
随机卫星网络没有规则的星座结构,卫星在轨道空间上分布不均匀。给路由研究带来困难。为此,本文提出一种通用的路由方法—基于区域代理的区域路由方法,该方法以区域划分为基础,区域划分的方法与卫星星座无关。通过区域将路由分解为域间路由和域内路由两个部分。每个区域选择一个节点作为该区域的区域代理,负责域间路由和域内节点的管理。区域不随节点移动而变化,且数量有限,适合于应用IP路由技术。
为了降低路由负荷,本文提出了"有限互连"的概念:通过端节点维护节点之间的关系,将部分路由负荷由路由节点转移至端节点上。在有限互连中,由于端节点不需要具有访问所有网络节点的无限互连能力,因此有利于提高小卫星网络容忍部分连通的能力。
微机模拟的结果证实了该区域路由方法的可行性,可应用在不同类型的卫星网络系统中。
本文的主要贡献是:1.通过基于区域代理的区域路由方法为解决随机卫星网络的路由提供一种有价值的方法,进而扩展到规则卫星网络中,形成具有一定通用意义的路由方法;2.为解决LEO空间飞行器的网络接入提供一种有价值的方法,进而为实现多个小卫星骨干网的互连提供条件,这有利于提高小卫星网络的可扩展性。3.提出了"有限互连"的概念,通过有限互连既降低了网络拓扑变化对路由的负荷,又提高了网络对部分连通的容忍能力。
With the rapid development of Internet, the accessibility to the network anytime andanywhere is more and more desired, which is hard to be achieved by the access technique of theconventional network due to its various limitation. Compared with land-based network, satellitenetwork can provide seamless coverage over the globe with real-time communication. Comparedwith Geosynchronous-Orbit (GEO) satellite communication, Low-Earth Orbit (LEO) satellitecommunication has many advantages such as low transmission delay and low signal attenuation.To cut the system cost, LEO satellite network often be constituted by many small satellites and isalso called as Small Satellite Network (SSN).
As a mobile network, the SSN has a dynamic network topology. But, it will bring high cost ofcomputation and storage due to the limited load of the satellites when using IP routing.Conventional IP routing techniques are designed mainly for the network with a fixed networktopology and thus cannot support mobile network very well. Although studies have been done toimprove the IP routing techniques for mobile network, there is still limitation.
In this dissertation, we study the routing methods for random constellation satellite network(RCSN) and develop a general routing method. Designing general routing method for satellitenetwork can not only accumulate techniques but also cut the development cost due to the fact thatusually it requires long research period and large risk in the satellite projects.
As the RCSN has no regular constellation structure, satellites are distributed unevenly, whichbrings challenges for its network routing. We develop a general routing method: Agent-based arearouting method, which is based on the area partition and is independent from the satelliteconstellation. The routing is further decomposed to inter-area routing and intra-area routing. Eacharea has a node be selected as the agent that is in charge of inter-area routing and intra-area nodemanagement. The location of area is independent from the satellite's location and the number ofarea is limited and thus is suitable for IP routing techniques.
In order to lower the routing load, we propose the concept of limited interconnection that cantransfer some of the routing loads from middle-nodes to end-nodes by using end-nodes tomaintain the relationship of nodes. In the limited interconnection, end-nodes do not need theunlimited capacity of accessing all the network nodes, which improves the SSN's tolerance topartial connectivity.
Simulation results have demonstrated the feasibility of applying the area routing method tovarious satellite network systems.
The major contribution of our study in this dissertation are: 1) proposing the area routingmethod for RCSN routing problem and thus extending it to the regular constellation satellitenetwork;2) providing a valuable method for LEO Sky-Flying Satellite (SFS) to access thesatellite network and thus facilitating interconnection between multiple SSNs;3) proposing the
concept of limited interconnection to lower the routing load due to the dynamic network topologyand improve the SSN's tolerance to partial connectivity.
引文
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