论文总字数：33488字

摘 要

空间信息网络作为新一代通信系统具有广阔的发展前景。然而空间信息网络的动态拓扑极大地影响了网络性能，降低通信质量。空间信息网络是由具有空间通信能力的卫星及其他航天器和地面站组成，其中卫星网络起到关键作用。本文以空间信息网络的核心卫星网络为研究对象，针对拓扑动态性进行分析，试图寻找动态性控制的方法。

本文首先根据卫星基本运动规律预测任意两颗卫星可见时间范围，建立可见时间窗口模型,作为动态性控制方法的基础。其次根据现有的多种分层卫星网络结构，提炼出具有代表性的卫星网络结构研究模型，分析其连通性和动态性，建立演化图模拟拓扑的动态演化过程，完成动态性控制方法框架搭建。最后，以中、低轨卫星之间的层间星间链路所构拓扑为代表，开发基于遗传算法的链路切换算法，获得系统周期内重构次数最少的拓扑演化过程，是动态性控制方法的核心算法。

关键词：空间信息网络，卫星网络，动态性，演化图，ILISL，遗传算法

Study of Dynamic Topology Control Method in Space Information Network

based on Dynamic Graph

Abstract

As a next-generation communications system, Space information network has abroad prospects for development. However, network performance and communication quality are seriously limited out of its topological dynamics characterization. Since space information network is composed of spacecrafts，including satellites with the ability of space communication and ground stations, where satellite network plays an important role. In this paper, satellite network, the backbone of space information network is analyzed for topological dynamics, trying to find ways to control the dynamics.

Firstly, it can be predicted that when the two satellites are visible out of regular movement. Based on basic law of satellite motion. A satellite visible time window model can be established, which is the basis for dynamic topology control method. Secondly, according to the existing layered satellite network structure, a representative satellite network research model is extracted, for analyzing connectivity and dynamics. To describe the dynamic evolution of topology, evolving graph is introduced, which is framework of dynamic topology control method.Finally, study the set of inter-layer satellite links between medium and low earth orbits，and develop a link switching algorithm based on genetic algorithm to obtain an optimized topology with least reconstructions within system period. The algorithm is kernel of dynamic topology control method.

KEY WORDS: space information network, satellite network, dynamics, evolving graph, ILISL, genetic algorithm

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 空间信息网络发展历程 1

1.3 国内外研究现状 1

1.3.1 分层网络体系结构相关研究 2

1.3.2 拓扑控制相关研究 2

1.3.3 星际链路相关研究 3

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 3

1.5 论文章节组织 3

第二章 卫星网络架构 4

2.1 引言 4

2.2 卫星轨道 4

2.2.1 卫星轨道分类 4

2.2.2 轨道要素 5

2.3 卫星星座 5

2.3.1极轨道星座 6

2.3.2倾斜轨道星座 6

2.4 卫星可见时间窗口预测 7

2.4.1 卫星间相对位置表示 8

2.4.2 判断卫星是否可见 9

2.4.3 模型验证 10

第三章 卫星网络动态图演化机理 13

3.1 引言 13

3.2 卫星网络的连通性与动态性 13

3.2.1 卫星网络结构研究模型建立 13

3.2.2 卫星网络连通性与动态性分析 14

3.3 卫星网络的动态图演化模型构建 15

3.3.1 动态图演化概念 15

3.3.2 动态演化模型构建方法 16

3.4 卫星网络的动态演化机理研究 17

3.4.1 ILISL评价机制 17

3.4.2 ILISL评价机制实例分析 20

第四章 MEO/LEO间ILISL切换策略研究 22

4.1 引言 22

4.2 ILISL切换策略中的组合优化思想 22

4.3 遗传算法介绍 22

4.3.2 遗传算法基本步骤 23

4.3.3 遗传算法特点 25

4.4 基于遗传算法的MEO/LEO间ILISL切换策略 25

4.4.1 确定编码方式 25

4.4.2 建立适应度函数 27

4.4.3 执行遗传算法步骤 28

4.5 策略仿真与分析 28

4.5.1 仿真工具 28

4.5.2 仿真参数设置 29

4.5.3 仿真结果 30

4.5.4 与已有策略比较分析 31

结论 34

致谢 35

参考文献（References） 36

第一章 绪 论

1.1 引言

20世纪90年代以来，网络迅猛发展，尤其是以因特网为主体的地面信息网络的发展取得了长远的进步，但是其自身存在很多的固有的缺点，不能实现全球的无缝连接，通信成本相对较高，流量特点无法控制等；随着人类探索空间的深入和军事民用的需求的扩大，空间信息网络得到较大的发展，逐渐从地面扩展到空中，形成覆盖全球的空天一体信息网络^[28]。其中，卫星网络是空间信息网络的骨干网络。

不同于地面网络，由于卫星本身的高速运动，卫星间链路的切换频繁，这就使得其网络拓扑结构处于动态变换中，严重影响了通信过程，降低了网络性能。另一方面，卫星是严格按照轨道周期运行，这就使得网络拓扑结构具有周期性和可预测性，为研究带来了便利。针对网络拓扑结构的动态性研究，力求建立一个稳定的拓扑结构，这是空间网络路由协议的基础，对于空间信息网络的发展具有重要意义。

1.2 空间信息网络发展历程

20世纪70年代，美国开始研究跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS），随之诞生了“天基网”的概念。进入80年代，相继投入使用的美国的全球定位系统（GPS）和俄罗斯的全球导航卫星系统（GLONASS）则是一种新型的“星基”卫星系统。同时，随着“开放互连的国际空间网络”的概念产生，国际间资源共享得以实现，网络利用率提高。到了上世纪90年代，基于地面网络的通信技术渐渐无法满足广大用户对通信业务的要求，来自商业、军事、个人的不同需求也推动了网络通信向空间发展^[1]，由此产生了空间信息网络。

空间信息网是由具有空间通信能力的航天器（卫星、深空探测器、载人飞船、空间站、航天飞机）和地面站共同组成的，以通过航天器的转发或反射来进行航天器之间、地面站之间、以及航天器和地面站之间的互联互通功能的网络信息系统，它能把卫星、深空探测器、载人飞船、空间站、航天飞机和地面系统联系起来^[2]。空间信息网络是一个以卫星为主要网络节点、信息种类繁多、网络结构庞杂、应用模式广泛的复杂巨系统^[3]。空间信息网络的核心是卫星通信网，是卫星通信系统的进一步发展。

就目前而言，中国还没有民用卫星移动通信系统，正在发展中的北斗系统主要是用于导航。国际上目前可以使用的卫星移动通信系统有两种：对地静止轨道（GSO）卫星移动通信系统，包括北美移动卫星（MSAT）系统、亚洲蜂窝卫星（ACeS）系统等；非静止轨道（NGSO）卫星移动通信系统，包括铱系统（Iridium）、全球星（Globalstar）和轨道通信（Orbcomm）系统。其中，铱系统是由美国摩托罗拉公司提出的世界上第一个低轨道全球卫星移动通信系统。

1.3 国内外研究现状

在空间信息网络这一领域，卫星网络作为骨干网络，一直是研究的热点和重点。目前，卫星网络主要用于通信主要研究方向集中在卫星网络体系结构、 空间信息传输模型、 星际链路性能设计与仿真和多层卫星网络的路由算法等^[4]。与网络动态性相关的研究主要是卫星网络体系结构和星际链路性能设计和仿真两方面。

1.3.1 分层网络体系结构相关研究

在卫星网络体系结构方面，目前各国比较的成熟的卫星网络大多采用的单层布星方式，即由相同高度的卫星作为星座构成卫星网络，如民用GEO系统Spaceway和Astrolink、MEO系统ICO和MAGSS以及LEO系统Iridium和Globalstar等。

随着覆盖全球化、业务需求多样化、骨干传输可靠化，单层卫星网络受到单一轨道的限制，已经不能满足用户需求，在多层或双层轨道平面同时布星的卫星网络结构被证明是一种合理的拓扑结构，逐渐成为新的研究热点和发展方向首先提出的是基于MEO/LEO的双层卫星网络(Double Layer Satellite Constellation,DLSC)，由MEO星座和LEO星座支持地面通信业务；而后Jaeook则提出了SoS(Satellite over Satellite)网络结构，同样是由MEO/LEO构成卫星网络。Ian提出的MLSN网络结构包含了GEO/MEO/LEO三层卫星星座^[15]。其中，GEO卫星是路由算法决策中枢，MEO卫星实现全球覆盖，LEO卫星主要负责地面移动终端的接入^[29]。一颗卫星可同时与上一层中多颗卫星建立星间链路，也与同层内卫星建立星间链路。这就使得通信源端和目的端之间存在多条可用路径，卫星间的通信业务得以分散，避免了小部分卫星承担大部分通信业务的情况出现^[16]。

“冗余连接”模型结构复杂，系统实现难度很大。为了克服这一缺点，王振永等人又提出了“骨干/接入”模型，GEO/MEO卫星层构成骨干网络，LEO卫星层作为接入网络^[9]，上下层卫星通过星间链路连接。该模型中，一颗卫星只可同时与上层一颗卫星建立星间链路。GEO/LEO层内卫星之间可以建立星间链路，但是LEO卫星之间不存在星间链路，只是作为地面用户的接入点，由此降低成本、减小参与路由计算节点数和路由表尺寸、提高拓扑稳定性，保证了骨干网络的可靠性，又提高了接入网络的灵活性。

比起单层卫星网络，多层卫星网络组网灵活、空间频谱利用率高、抗毁性能强，可以实现各单层卫星网络优势互补，是未来适应通信事业发展的理想组网模式。

1.3.2 拓扑控制相关研究

然而，无论是单层还是多层卫星网络结构，卫星高速运动引起的网络拓扑结构动态性都无法避免。因而，针对动态拓扑的研究也是空间信息网络领域的重点。目前针对拓扑结构控制策略都是为路由协议服务的，主要包括虚拟拓扑策略、虚拟节点策略。虚拟拓扑策略^[5]是将卫星网络的动态拓扑进行离散化，将一个系统周期划分成连续的时间片，每一时间片内网络假定拓扑不变，其典型代表为“快照”^[6]概念。虚拟节点^[7]策略是利用卫星逻辑位置的概念,形成一个覆盖全球的虚拟网络,网络中每个节点即为虚拟节点 ,由最近的卫星提供服务.虚拟节点策略能够屏蔽卫星的运动,考虑卫星网络为固定拓扑结构。虚拟节点还可以用于拓扑重构算法^[8]，寻找相对稳定的节点建立骨干网，以此为基础重构网络。这两种策略着眼于对网络拓扑结构分析，将动态转化为静态，主要是利用拓扑结构的动态性和规律性，事实上拓扑本身并没有变化，没有起到动态性控制的作用。

1.3.3 星际链路相关研究

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