基于DTN网络的空间链路可用带宽估计算法

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空间信息网络是由空间平台组成的网络系统,其作用是实时获取、传输和处理空间信息,可为抢险救灾、导航定位、航天测控等重要应用提供服务,支持对地实时观测和深空探测。空间信息网络,具有长时延、高误码率、链路频繁中断和上下行链路不对称等特性,这使得传统的TCP/IP协议不再可行。针对空间信息网络特性而提出的DTN(Delay/Disruption Tolerant Networking)是一个很好的选择。DTN 中引入了覆盖层(Bundle Layer, BP),BP 层提供保管-传输机制以应对链路频繁中断的情况,使得空间网络的可靠传输成为可能;BP层之下为汇聚层,汇聚层的LTP协议是针对链路长时延和频繁中断条件下的数据传输问题而设计的,可为空间信息网络提供基于重传的可靠通信。此外,DTN通过BP层可对不同的底层协议进行兼容,实现了异构网络的互连。  基于BP/LTP的DTN较好地解决了空间网络中链路频繁中断、上下行链路不对称和长时延等情况下的数据传输问题。但是,随着空间技术的发展和应用,如何利用有限的资源提高网络的QoS服务质量成为亟需解决的问题,即空间网络面临着QoS保障问题。对于网络业务来说,QoS服务质量包括网络带宽、传输时延和丢包率等方面。在网络中可以通过合理利用网络带宽、降低数据传输时延和丢包率以及时延抖动等措施来提高网络的服务质量。可用带宽,是 QoS服务质量的一个重要指标,其反映了网络的状况,可为QoS的保障提供重要参考依据。因此,本文对空间DTN网络中可用带宽估计的问题进行了研究,提出了基于DTN网络的空间链路可用带宽估计方法。  本文分析了空间网络中bundle的传输过程及影响bundle交付时延的因素,引入M/D/1模型分析了bundle传输中的排队过程,采用最大似然估计法建立了可用带宽和相关参数间的数学模型,提出了基于排队论的空间链路可用带宽离线估计算法。仿真表明,当链路中背景流状态较稳定时,该算法准确性较好。空间网络具有高动态性,链路状态时变,为此本文引入了无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter, UKF)模型,根据链路特性和bundle的传输过程重新分析了可用带宽和相关参数的关系。在此基础上,建立了符合空间链路特性的UKF模型,提出了基于UKF的空间链路可用带宽在线估计算法。仿真结果表明,该算法能跟随空间链路可用带宽的变化,实现了对空间链路可用带宽在线估计;和基于EKF的算法相比,本算法表现出更强的跟随性、更高的准确性。
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