基于分层结构的卫星网络时间同步技术研究

• 作 者: 杨钒钰
• 出 处: 西安电子科技大学
• 发表日期: 2021年05期
• 关键词: 卫星网络 时间同步 最短路径算法 二分图匹配 时间基准选取

随着航天科技的快速发展与人们对通信需求的日益增长,卫星网络凭借其独特的平台优势,克服了地面通信网络的地理因素局限,并在很大程度上避免了自然灾害造成的影响。卫星网络不仅实现了对地球表面的全覆盖,而且满足了人们对高质量通信服务的需求,这些优点使得卫星网络在通信系统中发挥日益显著的作用,并成为未来通信网络的发展方向。在卫星网络正常工作过程中,卫星间的协同控制、数据信息传输及自主定位等技术的实现都需要卫星网络系统的时间同步作为基础。因此,本文针对卫星网络时间同步问题展开研究,旨在设计出耗时更少的全卫星网络时间同步方法。本文对此做了如下几个方面的研究:(1)将卫星网络实现时间同步的过程分为了构建分层同步结构与执行层间同步两个阶段,并根据星间的链路时延差异,在基于跳数的卫星网络与基于链路时延的卫星网络的不同场景下,分别介绍了通过广度优先最短路径算法与通过Dijkstra算法的同步层构建方法,给出了这两种同步层构建方法的思想及具体实现步骤。(2)在基于跳数的卫星网络时间同步场景中,针对通过广度优先最短路径算法确定层间同步路径会导致全卫星网络完成同步时间增加的问题进行研究。分析上层已同步卫星与下层待同步卫星的相邻层间结构,将其转化为二分图匹配问题进行求解,结合匈牙利算法思想,提出了层间同步均衡匹配算法。相比于广度优先最短路径算法,层间同步均衡匹配算法通过不断寻找相邻层间结构的增广同步路径,获得各层间最多的卫星匹配对数,有效减小了层间额外产生的时延。最后通过仿真对层间同步均衡匹配算法和广度优先最短路径算法进行对比分析,验证了层间同步均衡匹配算法能够有效减小全卫星网络完成同步的所需时间,实现卫星网络时间同步的性能优化。(3)在基于链路时延的卫星网络时间同步过程中,针对不同场景下的时间基准星的选取问题进行研究。针对卫星网络内各卫星均未搭载高精度时钟的场景,提出了全卫星网络同步时间最短的基准星选取方法。通过仿真验证,相比于随机确定时间基准星的同步方法,该方法可以有效减少全网完成同步的所需时间。针对卫星网络内有限颗的卫星可以附加高精度时钟模块作为时间基准星的场景,以全网完成同步所需时间最短为目标,根据卫星间的链路时延差异对网络内的卫星进行簇划分,提出了基于凝聚层次分簇的多基准星选取方法。通过仿真结果验证,相比于多基准星随机选取方法,该方法可以有效减少全网完成同步的所需时间。