高动态高误码卫星网络拥塞控制机制研究

The high traffic of satellite network does not confirm to limited network node and link capacity, which causes easily congestion problem in satellite network. To overcome this problem, this project analyses the impact of high dynamic change of topology on requirement and performance of congestion control based on graph theory and network flew theory, by adapting physical abstract and mathematical description of satellite network on the information level. For the restrictive factor of high BER and high dynamic in satellite network congestion control, the project proposes a new method of cross-layer transmit control in the condition of packet loss due to wireless link error based on high-speed time-varying network estimate and a new mechanism of queue management and scheduling with active queue management and weight allocation. It makes researches on the relational model between congestion control and the change of bandwidth delay product, conducts evaluation standard and model according to the analytic theory and mathematical models, then builds simulation system and completes simulation testing and analysis of the key technology. The research results will provide technical support for the establishment of congestion control mechanisms in the satellite network and optimal allocation of resources in the future satellite network. They also control and management better and upgrade the performance of the whole network, as well as provide theoretical basis and technical reserves for the development of onboard routers and access terminals in our country.

为解决高涨的卫星网络流量与有限的网络节点及链路能力之间的不匹配，导致卫星网络容易发生拥塞的问题，本项目将基于图论中的网络流理论，利用卫星网络在信息层面的物理抽象和数学描述，分析拓扑高动态变化对拥塞控制的要求以及对控制性能的影响。针对卫星网络高动态高误码特性对拥塞控制的制约，提出基于高速时变网络估计的拥塞控制方法；确立误码丢包条件下基于跨层的传输控制新方法；建立基于主动队列管理和权重分配的队列管理与调度新机制；研究约束条件下拥塞控制与时延和带宽变化的关系模型，参照解析理论及数学模型建立拥塞控制的评价标准及模型；进一步，完成关键技术的仿真测试与分析。研究成果将为卫星网络拥塞控制机制的建立，及未来卫星网络资源的优化配置、更好的控制管理和全网性能的提升提供技术保障，同时为我国星载路由器以及接入终端的研制提供坚实的理论基础和技术储备。

为解决高涨的卫星网络流量与有限的网络节点及链路能力之间不匹配，容易导致卫星网络发生拥塞的问题，开展研究：.①针对网络高动态特性引起往返时延突变和超时重传时间估计不准确问题，提出基于链路时延计算的TCPW-BLC方法，引入拥塞系数，调整拥塞窗口、慢启动阈值及超时重传定时器相关参数增益因子，降低链路时延突变对网络性能影响；针对网络长时延特点导致拥塞窗口增长激进，发送速率匹配链路状态差的问题，提出基于链路带宽估计的Hybla-BE方法，通过带宽估计获得剩余可用带宽，并据此调整拥塞窗口增长因子，改善网络状况。.②针对传统拥塞控制算法无法区分丢包原因，导致拥塞误判问题，提出双模拥塞控制TCP-BQC方法，通过检测源端带宽使用信息和队列排队包数目信息以判断链路拥塞状态区分丢包原因，并根据丢包原因采取不同的窗口调整策略，提高网络性能，进一步提出跨网络层、物理层和传输层的TCP_sat算法，区分网络误码丢包和拥塞丢包，增强网络抗噪性能。.③结合控制理论，提出基于分组大小的单神经元自适应PID控制主动队列管理AQM算法，借鉴控制理论中单神经元自适应PID控制器的设计方法，将分组大小作为丢包概率的影响因子，设计数据分组的丢弃概率方案，减少较大分组丢弃概率。.④利用Matlab、NS2、OPNET、VC++等开发工具完成关键算法、方法和机理的仿真与分析，并以实验数据为指导进行改进和完善，进一步搭建基于HLA/RTI的分布式仿真系统，结合视景仿真工具STK，进行分布式仿真的演示与验证。.项目培养博士生2名，硕士生10名，发表论文8篇，达到了预期研究目标，完成了预期研究内容，获得了预期研究成果。项目解决了卫星网络高动态高误码特性对空间信息网络端到端传输的时效性、可靠性和高效性的影响问题，推动了通信、侦察等天基资源在一体化信息系统建设中的嵌入式技术发展，为我国空天地一体化信息系统的发展提供了技术支撑。