高性能GEO星上IP分组交换结构及调度机制研究

With rapid development of satellite communication and terrestrial networks, it becomes Inevitable to build satellite internet to coverage satellite communication and terrestrial networks seamlessly, and that becomes more and more important for both social life and military industry. Aiming at building large capacity and high performance GEO satellite internet, this project investigate on-board packet switch technology which plays the core role in satellite internet. Different from terrestrial networks, satellite internet is characterized by the feature in terms of requirement for real-time transmission, a large amount of multicast and broadcast traffic, long transmission delay and higher transmission error rate, difference among terrestrial terminals and requirement for high on-board load ratio. By use of the method of combination of analysis and computer simulation, we first focus on developing a novel on-board switch with input-queued architecture. With the anchor to keeping the switch work-conserving, we study the on-board scheduling mechanism and policy by taking the characteristics of satellite communication listed above into account in a recursive way, respectively. Through the analysis work, we investigate the relations of the policies suitable for the characteristics, respectively, to explore the law for on-board scheduling. And then we propose the on-board scheduler to meet diverse QoS requirements for different traffics. This work emphasizes the fundamental issues and laws of on-board packet switching to pave the way for the further practical solution.

随着卫星通信及互联网的发展，构建基于IP的宽带卫星网络并实现与地面有线、无线网络的无缝联接，是卫星通信发展的重要方向之一，对社会经济以及国防建设具有重要的意义。基于构建大容量高性能GEO卫星网络的目标，本项目研究核心的星上交换技术。不同于地面网络，GEO卫星网络具有其自身特点和要求，例如实时性传输、组播和广播业务占较大比重、星地传输时延大、信道状态动态变化且误码率较高、接收端性能差别较明显、对载荷比要求高等。本项目采用理论分析和计算机仿真相结合的方法，以构建新型星上IQ交换结构为基础，以实现work-conserving状态为指针，采用嵌套式研究思路，将卫星网络的特点和要求逐项纳入其中，研究相应的分组调度机制和策略。通过理论分析的方法，研究相互之间的关系和规律，揭示星上交换控制的规律，以满足不同业务不同服务质量的要求。本项目侧重基本问题和规律，为进一步开展实用性研究提供理论和技术基础。

目前构建一体化天地网络成为迫切的需求，而星载分组交换技术是其关键和核心。本项目研究GEO星载CICQ交换机分组调度问题，包括 CICQ结构交换机分组调度的基本理论；理想信道下单播、组播、单组播混合调度机制及方法； GEO卫星信道特点及与分组调度的关系，以及单播、单组播混合调度的机制及方法；以及作为地面部分的数据中心架构。.本项目研究将CICQ结构交换机的输入输出调度作为核心问题，采用系统性的研究方法，将单播组播业务模式以及信道状态作为问题的边界条件，而不是目前常见的将具体条件下的分组调度作为相对孤立的问题来看待，使分组调度作为一个统一的科学问题。不同于已有的研究将基于队长或时间的最大权重作为端口匹配的原则，本项目研究以交换机工作于work-conserving状态为原则。.研究首先证明了以work-conserving为调度原则的合理性，随后对实现work-conserving的充要条件以及调度算法的稳定性进行了系统性的理论分析，提出并证明了一系列相关的定理。以理论研究的结果为依据，研究提出了理想信道中单播分组的两种调度算法COB和ECOF，以及单组播混合业务的分组调度算法MUCB和RMHB。同时研究提出了实现不同速率电路交换的可实现的充要条件和调度算法，以及实现单组播混合业务调度系统稳定的三级交换结构和调度算法。与此同时，分析了GEO卫星AWGN信道、LMS信道以及GEO-LEO星间信道的特点，研究了分组调度中相应的补偿、探测及重传机制，提出了GEO星载单播和单组播混合业务调度的ECOF+MW和RMHB+WM算法。为提供确定性时延保障，研究提出了带补偿机制的IQCEDF算法。作为星地交换的地面部分，本项目还研究提出了两种地面数据中心架构TCF架构和OPSquare。研究中对提出的算法进行理论分析和证明，仿真结果显示，在通过率和时延等方面明显优于已有的代表性算法，且逼近OQ甚至某些情况下超过了OQ性能。.综上所述，本项目在GEO星载CICQ交换机分组调度的理论和算法方面取得了一批具有领先性能的创新性研究结果，填补了某些问题研究的空白，具有重要的理论意义和应用参考价值。研究结果显示本项目的研究方法和调度原则是有效和成功的，为进一步的研究提供了理论和方法基础。