【摘 要】
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卫星网络是我国“天地一体化网络工程”的重要组成,未来将在航空航天、交通运输、工农业、救援救灾和智慧城市建设等方面发挥重要作用。网络拓扑构型设计作为卫星网络组网设计的基础,对网络性能、系统鲁棒性和建设维护成本影响巨大。随着卫星星座规模、星座构型的不断丰富,星座的网络拓扑构型表现出高复杂度、高动态化和异构化的特征,对网络拓扑连通性、稳定性和拓扑设计方案的普适性带来了严峻的挑战。本文面向低轨卫星网络,研
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卫星网络是我国“天地一体化网络工程”的重要组成,未来将在航空航天、交通运输、工农业、救援救灾和智慧城市建设等方面发挥重要作用。网络拓扑构型设计作为卫星网络组网设计的基础,对网络性能、系统鲁棒性和建设维护成本影响巨大。随着卫星星座规模、星座构型的不断丰富,星座的网络拓扑构型表现出高复杂度、高动态化和异构化的特征,对网络拓扑连通性、稳定性和拓扑设计方案的普适性带来了严峻的挑战。本文面向低轨卫星网络,研究了网络拓扑构型的表征方法,针对双层星座提出了层内及层间拓扑构型设计方法。本文的主要创新点和贡献如下:（1）提出了一种面向Walker星座的拓扑构型表征方法。该方法在Walker星座传统三元参数组（T/P/F）的基础上,引入了扭曲因子U来表征异轨连接特性,形成了（T/P/F/U）四元参数组,不仅反映了Walker星座的基本参数,还体现了建链方案与拓扑构型之间的映射关系,消除了冗余拓扑构型,有效地提升了拓扑构型的表征效率及表征方法的普适性;同时,分析了扭曲因子与拓扑连通性的关系,证明了2D-Torus构型（U=0）的连通性是其他构型（U＞0）的下界,为基于Walker星座的网络信息承载能力评估奠定了理论基础。（2）设计了一种面向Walker星座的Mobius构型。通过分析拓扑设计方案的平均链路距离和扭曲因子,证明了该构型具有建链距离短、稳定性高和可扩展性强的优势,能够有效缓解Walker星座的连通性随网络规模增大而恶化的问题;给出了Mobius构型平均路径路径跳数的闭式解,揭示了通过异轨传输缩短同轨传输路径跳数的构型优势;仿真分析了网络规模和建链策略（同编号、最短距离和Mobius建链）对拓扑平均路径跳数和平均端到端传播时延的影响,证明了理论结果的正确性和有效性。（3）提出了一种基于拓扑时间切片演进的中低轨层间拓扑构型设计方法。该方法从拓扑稳定性和拓扑信息承载能力两个维度定义了层间拓扑性能评估指标,利用拓扑切片的时间相关性有效地提升了拓扑构型设计算法的效率。结果表明该方法在稳定性和信息承载能力方面优于传统的基于最短距离建链的拓扑构型。
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