弹性QoS的快速多目标优化软件定义卫星网络流控制方法研究

With the development of satellite technology and the increase of number of satellites, interconnection among satellites to form a network is imperative. In this project, we study a new software defined networking(SDN) based, flexible QoS oriented fast multi-objective optimization satellite network flow control algorithm. Our strategy is inspired by the idea of separating the control plane and data plane in software defined networking. We design an Internet interconnected software defined satellite network communication protocol and a link dynamic measuring protocol, to tackle all the communication traffics centrally. To satisfy the flexible QoS requirements, we will conduct a research on a fast multi-objective optimization routing algorithm in a resources limited satellite network. In addition, we will build a hybrid, semi-physical simulation platform, to verify the feasibility of the above strategy. We hope that our research will promote the applications of the satellite networks.

随着卫星技术的发展与在轨卫星数量的不断增加，发展卫星网络互联技术势在必行。本项目针对卫星网络业务需求繁多、星上设备升级困难等特点，研究并验证一种基于软件定义、支持弹性QoS扩展的快速多目标优化的卫星网络流控制方法。本项目的主要研究方案为：基于软件定义网络的核心思想，结合卫星网络时空信息，设计一套链路动态数据测量与收集协议，满足卫星网络全局实时规划的需求。提出一个与地面Internet互联互通，集中控制的软件定义卫星网络弹性QoS通信协议，使之能够集中处理卫星网络现在和将来的各种通信业务需求。同时，以满足卫星网络中的QoS为目标，开展资源受限环境下的快速多目标优化算法研究，研究集中式快速多目标优化路由算法，最大限度地合理利用有限的卫星资源。最后，本项目还将结合试制的无线交换机构建一个混合的半实物仿真平台，验证软件定义卫星网络协议和算法的有效性。

随着卫星技术的发展与在轨卫星数量的不断增加，发展卫星网络互联技术势在必行。本项目针对卫星网络业务需求繁多、星上设备升级困难等特点，研究并验证一种基于软件定义、支持弹性QoS扩展的快速多目标优化的卫星网络流控制方法。该研究的主要研究内容、结果和贡献是：.（1）首次引入了卫星网络控制器，建立了软件定义的动态卫星网络架构模型，解耦了卫星网络中的数据平面和控制平面。解决了卫星拓扑快速变化时，传统分布式路由算法难以快速收敛的问题。.（2）首次设计了基于软件定义卫星网络的无缝切换协议及其切换时序，开展了软件定义卫星网络的无缝切换数值仿真实验，并基于自由空间信道衰落和Rician信道衰落模型分别考虑了卫星轨道高度、用户方位对于切换延时、平均通信带宽和用户满意度等指标的影响。.（3）在GPSR路由算法的基础上，结合强化学习思路，提出了一种基于Q 网络的强化学习地理位置自组织路由协议，即QNGPSR 协议。通过使用邻居拓扑信息，节点可以估计邻居节点的拓扑分布关系。在后续的特征提取过程中，角度信息和距离信息被综合使用，以更好地描述状态和动作。而后通过Q 网络估计路由选择的Q 值，使用softmax 策略选择下一跳节点。相比于传统的AODV、OLSR、GPSR等算法，改进了包递交率、时延等关键指标。.（4）研究了移动网络用户流量模型，开展了移动网络用户的流量预测以便于路由规划。通过长期的数据分析，提出的预测模型在流量峰值预测时准确性较高，有助于路由算法的提前预规划。.（5）研制了一个无线网络仿真系统，能够针对卫星、飞机等网络开展离散时间仿真，仿真器实现了随机路点移动模型、随机方向移动模型、轨道卫星以及一个飞机移动模型。.（6）基于OpenWRT，试制了基于软件定义的WIFI路由器，并在地面模拟中应用无人机开展了无缝切换的网络试验，进一步验证了上述仿真实验成果的正确性。