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1、西安电子科技大学 硕士学位论文 深空骨干网路由技术的研究 姓名：徐鸽 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：李建东 20080101 摘要 摘要 探月计划的成功作为中国深空探测的第一步，促进了我国未来深空探测的发 展。因此，为了实现我国下一步的深空探测计划，我们需要开展深空网络方面的 研究。深空骨干网由于具有长时延、非对称性链路、不连续的链路等独有的特点 造成了深空网络研究的复杂性。本文首先系统地介绍了深空骨干网的网络结构以 及协议栈，并分析了现有的协议在深空网络的适用性。然后我们根据深空骨干网 的特点和现有技术在O P N E TM o d e l e r 上搭建了一个仿真平台
2、，并在此平台上主要 研究骨干网的路由协议。我们在L P D B 路由算法的基础上提出了A L P D B 算法，并 应用O P N E TM o d e l e r 对其进行了仿真，仿真结果表明本文提出的A L P D B 路由算 法取得了很好的网络可靠性和网络开销之间的折中。另外本文提出了一种能量有 效路由L A E O R 算法。仿真结果表明，此算法不仅可以大大节省能量并且采用了阈 值滤除算法后可以均衡网络中能量的消耗不均。 关键字：深空骨干网，协议栈，路由协议，最短路径，能量有效 A b s t r a c t A b s t r a c t M i s s i o no fm o o
3、ne x p l o r a t i o n ，t h ef i r s ts t e po fd e e ps p a c ee x p l o r a t i o ni nC h i n a , h a s s u c c e s s f u l l ya d V 柚c e dt h ed e v e l o p m e n to fd e e ps p a c ee x p l o r a t i o nf o rt h ef u t u r e A st h e p r e p a r a t i o nf o rt h ef u t u r ed e e ps p a c ee x
4、p l o r a t i o np l a n ，W em u s ti n v o l v ei nt h er e s e a r c h i nn e t w o r k sp e r f o r m a n c e T h ed e e ps p a c eb a c k b o n en e t w o r kh a st h ed i s t i n c t i v e c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sv e r yl o n gp r o p a g a t i o nd e l a y ，l i n ka s y m m e 仃y
5、a n di n t e r m i t t e n t c o n n e c t i v i t y ，h e n c er o u t i n gt h r o u g ht h eb a c k b o n en e t w o r kp r e s e n tm a n yc h a l l e n g e st h a t a l en o tp r e s e n t e di nt r a d i t i o n a ln e t w o r k s I nt h i sp a p e r , i n f r a s t r u c t u r e sa n dp r o t
6、o c o l s t a c ko fd e e ps p a c en e t w o r ka l ef i r s t l yi n t r o d u c e dw i t ht h ea p p f i c a b i l i t yo ft r a d i t i o n a l p r o t o c o l sa n a l y z e ds u b s e q u e n t l y As i m u l a t i o np l a t f o r ms p e c i a l l yd e s i g n e df o rr o u t i n g a l g o r
7、i a u mo nt h es i m u l a t o rO P N E T M o d e l e ri sc o m p l e t e da c c o r d i n gt Ot h ed e e ps p a c e n e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c sa n da v a i l a b l et e c h n o l o g i e s A L P D Ba l g o r i t h mi st h e np r o p o s e d b a s e do nt h eL P D Ba l g o r i t h m T
8、 h r o u g ht h es i m u l a t i o nr e s u l t , W ek n o wt h a tt h e p e r f o r m a n c e so fA L P D Bo u t p e r f o r mt h eL P D Bt Oa c h i e v eab e t t e rt r a d e o f fb e t w e e n r e l i a b i l i t ya n dn e t w o r kC O S t M o r e o v e r , e n e r g ye f f i c i e n tr o u t i n
9、 gL A E O Ri sp r o p o s e d a n dr e s u l t ss h o wt h a ti tC a ng r e a t l yr e d u c ea n db a l a n c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o n K e y w o r d ：D e e pS p a c eB a c k b o n eN e t w o 咄P r o t o c o lS t a c k ，R o u t i n gP r o t o c o l ， S h o r t e s tP a t h ，E n e r g ye
10、 f f i c i e n t 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指 导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所 罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得 西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名；盗堕日期塑：! ：竺二 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完
11、全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的 复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影 印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥 写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：玺丝 刷稳名参碜一 日期丝：Z ：丛 日期础：J f ! 墨 第一章绪论 第一章绪论 发射人造地球卫星、载人航天和深空探测是人类航天活动的三大领域。当前 世界上正
12、在兴起深空探测的热潮，主要的目的是：开发和利用空间资源，发展空 间技术，进行科学研究，探索太阳系和宇宙的起源，扩展人类的生存空间，为人 类社会的长期可持续发展服务。 “神舟五号”和“神舟六号”的发射成功证明了我国在高科技领域的实力， 我国是世界上第三个独立自主地完整掌握载人航天技术地国家。月球和深空探测 是继载人航天工程之后中国航天战略的新举措，将成为2 l 世纪中国航天事业发展 的重要领域。“嫦娥一号”绕月卫星的成功发射是中国对月球探测的第一步，也 是中国航天走向深空的第一步。从探月二期工程开始，我国将展开深空探测的大 规模地面建设，逐步完善深空探测网的建设，为未来的火星探测的需求预留接口。
13、 因此开展深空网络方面的研究是为我国下一步的计划做好准备。 在深空通信中，由于行星间极远的距离，造成信噪比低、传输时延大和抖动剧 烈，传统的T C P I P 协议在这种环境下的性能会急剧下降，带来非常大的拥塞和通 信时延，丢包率大大增加；深空通信的非对称甚至单向信道特性，也会给反馈机 制通信协议的实现带来困难；由于深空通信硬件分布和网络建设的高代价性，研 究适应于深空通信硬件条件和网络设施的网络结构以及协议是目前的热点。 我国是一个发展中国家，财力及技术力量都不允许我们像西方国家那样大规 模投入进行深空探测。因此，我们在研究深空网络时主要是结合天体知识，充分 考虑我国的地球卫星系统，深空系统
14、的发展现状，依靠计算机仿真实验开展研究 工作。 1 1 国际深空网络发展现状 目前，国际上已经有许多组织正在进行深空探测网络方面的研究工作。国外 深空网络中，以美国航空航天局( N A S A ) 的深空网( D S N ) 最具有代表性【4 1 。美 国是最早开展深空探测的国家之一，凭借其技术优势，在2 0 世纪6 0 年代至今共发 射了几十次几十种型号的深空探测器，先后对太阳系的火星，金星，木星，土星， 天王星，海王星及其卫星进行了探测，取得了巨大的成就。而其采用的深空网 ( D S N ) 由N A S A 喷气推进实验室( J P L ) 开发并管理，是世界上最大、最灵敏的 探测通信网
15、。 2 深空骨干网路由技术的研究 个由三十多个宇宙空间局支持的国际性组织空间数据咨询委员会( C c S D S ) 0 1 二十多年以来已经研究出一系列基本的深空通信标准，并被世界宇航通信界广泛 采用。“勇气号”和“机遇号”火星探测活动中均采用此标准。 为了将C C S D S 在空间通信标准化方面的工作成果与地面因特网技术相结合，使 地球上的因特网能够延伸到地球以外，从而能够在行星间、多网络环境下实现端 到端通信，美国国防高级研究计划局( D A R P A ) 资助喷气推进实验室( J P L ) 进行 了有关“行星际互联网”( I n t e r p l a n e t a r yI
16、n t e r n e t ，I P N ) “技术体系方面 的研究。行星际互联网就是一种通用的空间网络架构，定义为深空行星网络、过 渡轨道器网络、地球网络等的互连，旨在为深空任务提供科学数据传递的通信服 务及探测器和深空轨道器的导航服务。N A S A 的火星观测计划( M s m ) 建造的火星网开 发了火星轨道上的通信和导航卫星星座，用来支持未来火星探测中通信和导航的 需要。该网络由低成本小卫星以及火星中继卫星组成，是I P N 最先实现的组成部分。 另外，时延容忍网络研究小组( E r r N R G ) 。1 提出了空间地面协议栈：时延容忍 网络( D e l a y - T o l e r a n tN e t w o r k ，D T N ) 7 - 1 1 ，即高度整合最优化区域协议栈。该 协议栈主要是依靠中间层：集束( B u n d l i n gP r o t o c o l s ) 层“o 。该层位于应用层和 低层之间，通过类似E - - m a i l 的存储转发机制解决深空通信中存在的间接性连接、 大时延和剧烈
