天地一体化网络中并行星间路由及无缝星地链路切换研究

With the development and project execution of various spacecrafts, mutual sharing and exchanging of information between space and ground is emerging. Therefore, it has become an inevitable trend to establish the space-ground interconnection network. Efficient routing algorithms and protocols are the basis for the space-ground network to provide high information arrival rate and high Quality-of-Service of communications. In this project, we study multi-path parallel routing technology and protocol for the satellite network with inter-satellite links, based on global space-time optimization, to deal with the characteristics of the network, such as dynamic topology, frequent interrupt, dynamic signal level, and variable network delay. Firstly, we establish a centralized knowledge-base for the status of the satellites and the inter-satellite links, and create a pre-arranged quasi real-time multi-path routing scheme. Secondly, we enforce real-time routing on the satellite based on the pre-arranged scheme, the real-time information about the satellite links, and the business data clustering, and produce a real-time multi-path parallel routing strategy. In addition, we will do research on Ground-Space Link (GSL) switching that provides uninterruptible service for upper layer applications. Lastly, we will establish a semi-physical simulation environment to simulate the routing algorithm and GSL switching technology.

随着各类航天器技术的发展及工程的实施，天地信息网络正逐步形成，构建天地一体化互联网势在必行。高效路由算法与协议是保证天地一体化网络中信息传输可达性和服务质量的基础。本项目针对卫星网络的动拓扑、常中断、动信号、变时延等特点，研究基于全局时空优化的星间多路径并行路由技术，设计相应的路由协议，以期达到星间路由的高效率。我们的策略是在地面利用卫星运动和星间链路历史数据、可预测的卫星网络拓扑结构、以及准实时的星间链路信息，建立卫星与链路状态知识库，进行基于集中计算、满足多QoS需求的全局准实时多路径路由预规划，并在星上基于实时监测的星间链路信息和业务数据聚类对预规划方案进行实时规划，形成经过时空优化的多路径并行路由方案。另外，项目将研究应用层连续的星地链路切换技术，以提高地面设备与卫星网络之间的接入质量，实现端到端无缝连接。在此基础上，对并行路由算法和星地链路切换技术进行软件模拟和地面仿真。

当前，航天器技术迅速发展，大到载人空间站，小到微纳卫星，各类在轨航天器数量日益增多；功能/用途各异的航天器组网互联，组成天基互联网，进而与地基网络互联互通，形成天地一体化信息网络，已成为国内外空间信息技术领域的重要发展方向之一。在天地一体化信息网络建设中，路由算法、协议及星间/星地链路切换是高效利用网络资源、确保信息传输可达及提高服务质量的基础。本项目针对卫星网络的动拓扑、常中断、动信号、变时延等特点，研究并行星间路由及无缝星地链路切换技术。我们的思路是：在地面利用卫星运动规律进行卫星网络拓扑结构预测，利用星间链路状态数据（包括历史数据和准实时数据），进行基于集中计算、满足多QoS需求的全局准实时多路径路由预规划，并在星上基于实时监测的星间链路信息，根据业务数据聚类对预规划方案进行动态调整，形成经过时空优化的多路径并行路由方案；此外，研究高效的星地链路切换技术，以提高地面设备与卫星网络之间的接入质量，实现端到端无缝连接。.经过四年的攻关，团队取得的主要成果为：.（1）建立了一种基于前摄规划与反应式优化的卫星网络流控制策略，提出了基于信号灯模型的路由算法-TLR算法，该算法在端到端延迟、丢包率、吞吐量和负载均衡指标上优于Dijkstra算法及ELB算法，成果发表在IEEE Transactions on Wireless Communications等刊物。.（2）设计了基于软件定义网络（SDN）的卫星网络星地链路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，成果发表在IEEE Communications Letters等刊物。.（3）基于UDP/IP协议，设计了一种卫星网络多路径并行传输网络协议草案eUDP(extended UDP)，成果发表在《飞行器测控学报》等刊物，并在第25届中国飞行器测控学术会议上宣读；同时，论文英文版发表在Lecture Notes in Electrical Engineering专刊上。.基于上述成果，与航天五院通信卫星事业部合作开展了基于SDN的卫星网络流控制技术方面的研究；与中国东方红卫星股份有限公司合作开展了我国微纳卫星星间组网协议建议书的起草工作。