频谱灵活卫星智能光网络交换方案及资源管理策略研究

With the development of satellite communication technology and electronics, the satellite electrical switching technology has been developing rapidly. The circuit switching, packet switching and ATM switching have been successfully applied in Spaceway3, WINDS and Iridium satellite communication system, and the IP routing and switching has been completed in orbit carrying test. However, the traditional satellite switching limits the development of the next generation satellite network and the promotion of its speed because of the low exchange capacity, the larger weight, size and power consumption. It is necessary to explore the new satellite switching method. By analyzing on-board satellite switching, satellite optical networks and spectrum-flexible optical networks, we propose to apply the spectrum--flexible optical technology to satellite networks, study the optical switching scheme and the resource management strategies, including the optical switching structure, the collision solutions, the service grooming policy of dynamic multi-dimensional and multi-granularity, the on-board dynamic spectrum allocation and the spectrum reconstruction, Establish simulation model and simulation experiment system to do simulation demonstration, analyze of various factors affecting the performance of the system and put forward improving actions. The results of this project will lay the theoretical foundation for the realization of satellite all-optical switching.

随着卫星通信技术和电子器件的不断进步，星载电信号交换技术得到了迅速发展，电路交换、分组交换、ATM交换均已成功应用于铱星、Spaceway3、WINDS等卫星通信系统，IP路由交换也已完成了在轨搭载试验，然而传统的电信号交换处理能力有限，交换容量不高，体积、重量、功耗较大，限制了下一代卫星网络的发展及其速率的提升，所以有必要探索新的星上交换方式。本项目组在研究星上交换技术、星上光网络技术和频谱灵活光网络的基础上，提出将频谱灵活光网络技术应用到卫星通信中，研究卫星智能光网络的全光交换方案和资源管理策略，包括全光交换结构、冲突解决机制、动态时空多维度多粒度的业务疏导策略、星上动态频谱分配方案和卫星智能光网络频谱重构方案，建立仿真模型，搭建仿真实验系统，对所研究内容进行仿真演示，分析影响系统性能的各种因素，提出系统改进方案。该项目的研究成果将为我国卫星通信星上全光交换的实现奠定理论基础。

基于星上交换技术、星上光网络技术和频谱灵活光网络，进行卫星智能光网络的全光交换方案和资源管理策略的研究。针对多层卫星全光网络交换问题，提出了一种适用于卫星智能光交换的多层网络体系架构并设计了卫星智能光网络的边界节点和核心节点结构；提出一种基于分片突发的星上智能光交换网络资源预留策略，能够自适应进行突发分片与资源预留；提出一种基于节点稳定度的自组网加权分簇算法，在满足卫星业务多样性、降低业务阻塞率的同时，提高了网络资源利用率和吞吐量；提出了一种基于频谱灵活卫星光突发交换网络的接入方法，避免了因星间频繁切换造成传输突发数据包过程中时延增大、传输效率低等问题，提高了卫星之间的数据传输的效率；提出了一种基于星上频谱灵活光网络的多维度多粒度动态业务疏导方法，根据不同业务的权值和所需带宽实现了星上分类业务的疏导；提出了一种适用于大规模网络场景的启发式算法局部最优算法，在静态路由、调制、频谱和空间分配方面具有更高的计算效率；基于边缘卫星节点有限的本地存储空间，提出一种基于光突发交换网络的数据传输方法，可以在一定程度上避免网络业务中断；提出了一种适用于低轨卫星光网络的弹性带宽分配算法，充分考虑了混合业务模型和卫星光网络的动态拓扑特性，降低了总流量阻塞率，提升了网络的整体性能；提出了一种基于图着色理论的多星频谱分配算法，实现了认知卫星网络的最佳收益，并具有良好的公平性和实际应用价值；针对宽带卫星通信系统的带宽分配问题，提出了一个基于跨层设计的带宽分配算法，实现了有效的带宽分配和资源利用；针对弹性光网络中AR请求的路由、调制、频谱和时间分配问题，提出了具有三种排序策略的启发式算法，高效地部署了频谱资源并满足了更多的服务需求。在国内外学术期刊或学术会议上发表可被SCI、EI检索学术论文8篇，并申请发明专利3项（其中授权2项）。该项目研究成果为我国卫星通信星上全光交换的实现奠定理论基础。