机载网络时延受限的消息投递关键技术研究

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机载网络,是在信息化战争中提出的一种新型无线网络技术。它使用各类飞机充当网络中继节点,利用飞机高移动能力,提高战场无线网络的灵活性和传输能力。在美军的网络中心战战略体系中,机载网络是空天地一体化网络的重要组成部分,是连接卫星网络和地面网络的枢纽,也用于增强现有网络的传输能力。机载网络在军事和民用领域都有广泛的应用前景,如战场临时网络中继、战场态势感知、目标监控与跟踪、抢险救灾临时指挥网络等。飞机的高移动性为机载网络带来了快速灵活的组网能力,也提高了网络的鲁棒性和抗毁性,但过于灵活的特点对网络拓扑控制提出了新的挑战。飞机节点按照职能可分为两类。一部分飞机(直升机)在网络区域内适当的位置悬停,与其他的悬停飞机组成具有相对稳定网络拓扑的骨干网络;另一部分飞机在区域内按一定规则移动,提供消息摆渡服务。因为飞机的移动速度与无线信道的传输速度有数量级的差异,网络中消息摆渡部分将成为传输性能的瓶颈。本文以战场机载中继网络中的消息摆渡技术为研究对象,以消息限时投递问题优化为切入点,研究机载节点的移动路径规划策略。本文首先对消息摆渡机制的相关研究进行了梳理,总结了延迟容忍网络中关于消息摆渡机制的相关研究成果。然后从现实的需求出发,对消息摆渡机制中的消息生存期进行约束,提出了消息限时投递问题,并给出了形式化的定义和一些性质推导。根据推导得出的推论,进一步将消息限时投递问题中的路径限制为简单环路,提出并解决了近似问题——简单环路规划问题。通过对算法的实现发现,当消息生存期较短时,本算法相比于经典的TSP路径有约30%的消息投递率提升,同时大幅增加了传输的有效性。实际上,机载网络在运行过程中,飞机很难获知问题定义中假设的大部分全局信息。对于这种情况,本文研究了飞机利用自身可知的局部信息,在线动态决策移动路径的问题并提出了路径选择算法框架和两种选路策略。通过在仿真软件中运行的结果,该算法能够提高消息限时投递问题的投递率,当节点数目较多、消息生存期较短时提升效果更加明显。本算法同样适用于多个摆渡节点共存的场景。最后,对本问题的后续研究方向进行了展望。
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