【摘 要】
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在全球信息革命浪潮的推动下,低轨（Low Earth Orbit,LEO）卫星网络具有全球覆盖,不受地势影响,不易受陆地灾害影响等优势,可以作为传统地面网络的必要延伸和补充。由于全球业务流量的差异化分布和卫星网络拓扑的高动态特性,低轨卫星网络中的负载极其不均衡,因此,设计合理的负载均衡路由算法,从而提升全网的传输容量显得尤为关键。现有低轨卫星网络负载均衡路由算法存在两个显著缺陷:其一在负载均衡策略
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在全球信息革命浪潮的推动下,低轨（Low Earth Orbit,LEO）卫星网络具有全球覆盖,不受地势影响,不易受陆地灾害影响等优势,可以作为传统地面网络的必要延伸和补充。由于全球业务流量的差异化分布和卫星网络拓扑的高动态特性,低轨卫星网络中的负载极其不均衡,因此,设计合理的负载均衡路由算法,从而提升全网的传输容量显得尤为关键。现有低轨卫星网络负载均衡路由算法存在两个显著缺陷:其一在负载均衡策略方面,现有策略对链路信息的利用不充分,对拥塞反应能力差导致路由策略低效不可靠;其二是在路由功能实现上,集中式的全局负载均衡路由算法的网络负载感知开销大,对拥塞反应不及时;分布式的局部负载均衡算法分流能力差,容易陷入局部最优。所以,设计一种适用于低轨卫星网络的高效可靠、分流能力强同时不失灵活性和时效性的负载均衡路由算法至关重要。本文针对现有低轨卫星网络负载均衡路由算法在策略设计和路由功能实现两个方面的缺陷上进行研究,提出了基于拥塞通知和链路状态的优先级策略（Priority Forwarding Policy Based on Congestion Notificationand Link State,CLPFP）和半分布式负载均衡算法（Semi-Distributed Load Balancing Routing,SDLBR）,并针对 CLPFP 和 SDLBR使用OPNET软件进行建模和仿真分析,并与其他相关算法进行了性能比较。主要研究内容分为以下三个部分:（1）提出了基于拥塞通知和链路状态的优先级策略。首先我们对LEO卫星星座进行建模,基于链路状态交互和历史链路信息预测这两种负载均衡策略思想的优缺点和互补性,结合了两种思想的优势,提出相应的拥塞通知机制和链路优先级度量机制。CLPFP基于卫星的链路信息和相邻卫星带来的拥塞通知信息的双重标准多个指标综合考虑来设计优先级度量机制以指导路由,该机制可以更准确地选择相对轻载的候选下一跳卫星,并对拥塞做出快速响应。（2）提出了半分布式负载均衡算法。针对现有集中式和分布式负载均衡路由方案的缺陷,提出了灵活高效,时效性强且较强分流能力的SDLBR算法。其主要包括三个部分:1)分布式负载感知机制。该机制主要通过丰富状态变更包来实现更大范围内的拥塞通知来实现网络负载感知,是SDLBR算法的实现前提。2)两跳路由优先级度量机制。该机制通过重构优先级度量机制来实现两跳路由计算以提升分流范围和弱化局部最优问题,是SDLBR算法的核心步骤。3)半分布式转发机制。该机制主要通过报头增加3bit2元组数据的方式来实现对两跳路由计算的数据包进行逐跳转发,是SDLBR算法的实现根本保障。（3）对所提CLPFP和SDLBR算法进行了建模与仿真。使用OPNET软件对本文所提算法进行了网络层、节点层和进程层建模,模拟了类铱星网络在星上路由阶段的通信机制。通过仿真结果与DRA算法、TLR算法和TP-MALBQR算法进行了比较,结果显示本算法在端到端时延、丢包率、吞吐量、时延抖动和负载分布指数等负载均衡指标上均有明显优势。
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