發(fā)布時間：2020-06-14 09:53

【摘要】：衛(wèi)星通信系統(tǒng)在國防和民用的多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,具有廣闊的發(fā)展前景。近年來,由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量驟增及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求的多樣化,使得如何合理的分配網(wǎng)絡(luò)資源,發(fā)現(xiàn)并利用容量、能量和時延之間的關(guān)系,最優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能成為一個重要的問題。然而,由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)自身的特性,不能直接使用地基通信系統(tǒng)的通信技術(shù),也不能直接套用地基通信系統(tǒng)的研究結(jié)論。所以有必要對衛(wèi)星通信系統(tǒng)進行針對性的研究。本文以李雅普諾夫方法為理論工具,以衛(wèi)星通信系統(tǒng)的用戶接入部分和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)部分為研究場景,以容量、能量和時延這三個網(wǎng)絡(luò)性能指標為出發(fā)點,主要在網(wǎng)絡(luò)層針對這三個性能指標的解析關(guān)系和優(yōu)化算法進行了較為深入的研究。主要內(nèi)容歸納如下： (1)對于帶有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)支持的混合移動無線自組織網(wǎng)絡(luò)利用李雅普諾夫方法進行了分析。對于這類混合網(wǎng)絡(luò)建立了基于單元格的模型,對任意衛(wèi)星覆蓋范圍、任意(平穩(wěn)遍歷)移動過程得到了該網(wǎng)絡(luò)的平均網(wǎng)絡(luò)容量的上界和最小能量函數(shù)上界的精確表達式。本部分的研究工作通過必要性和可能性兩個角度,得到了平均最大網(wǎng)絡(luò)容量和最小能量函數(shù)的一個上界,這兩個界限可以為其他混合移動自組織網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化研究工作提供理論指導(dǎo)。在分析平均網(wǎng)絡(luò)容量和能量函數(shù)的過程中,還構(gòu)造了用于最大化容量和最小化能量的李雅普諾夫算法,這些算法對于其他混合網(wǎng)絡(luò)算法的設(shè)計有一定的借鑒意義。還對于極限情況的容量進行了分析,發(fā)現(xiàn)了極限網(wǎng)絡(luò)容量、節(jié)點密度和衛(wèi)星覆蓋范圍的關(guān)系,對于這類網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計提供了指導(dǎo)。此外,對于本部分的研究內(nèi)容在基于單元格的網(wǎng)絡(luò)模型上進行了仿真驗證。 (2)設(shè)計適應(yīng)于度受限情況下的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的跨層調(diào)度算法。首先對于這類網(wǎng)絡(luò)模型進行建模,將星間鏈路數(shù)量的限制轉(zhuǎn)化為對于節(jié)點的入度和出度的限制并將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建模為隨機網(wǎng)絡(luò)。而后本文建立了關(guān)于網(wǎng)絡(luò)流量的效用函數(shù),并使用李雅普諾夫方法對于這類網(wǎng)絡(luò)進行分析,提出了一種能夠保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、并能夠合理的分配鏈路資源和能量資源的算法(DLSA),使得該算法滿足節(jié)點的入度和出度的限制。采用李雅普諾夫方法對于本文提出的算法進行分析,給出了一個效用函數(shù)與網(wǎng)絡(luò)時延的關(guān)于算法中的參數(shù)的一階倒數(shù)量級的折衷關(guān)系。此外,對于本部分的研究內(nèi)容在有度限制的網(wǎng)絡(luò)模型上對算法進行了仿真驗證。 (3)針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間距離較大導(dǎo)致傳播時延較大的問題,利用一種隊列更新方程將傳播時延進行了建模,從而將該類網(wǎng)絡(luò)化歸到李雅普諾夫方法的處理范圍之內(nèi)。而后利用李雅普諾夫方法對這類網(wǎng)絡(luò)模型進行分析,建立了與流量有關(guān)的效用函數(shù),并提出了一種基于跨層設(shè)計的資源調(diào)度算法。通過李雅普諾夫方法分析得到,該算法由于考慮了傳播時延的影響,其性能以傳統(tǒng)的李雅普諾夫算法的不同。此外,對于本部分的研究內(nèi)容,在包含6個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)模型上進行了仿真驗證。 (4)分析了兩類變種李雅普諾夫算法,分別是采用李雅普諾夫函數(shù)偏移的全部的算法以及使用系統(tǒng)穩(wěn)定時的李雅普諾夫函數(shù)的算法。分析并解釋了傳統(tǒng)的李雅普諾夫算法在設(shè)計時直接采用了李雅普諾夫偏移的一階部分并且該李雅普諾夫算法并非系統(tǒng)穩(wěn)定時的算法的原因和優(yōu)勢。通過理論分析,得出了這兩個變種算法的隊列性能以及效用函數(shù)性能,并且與傳統(tǒng)的李雅普諾夫算法進行對比,證實了傳統(tǒng)的李雅普諾夫算法的設(shè)計原因。此外,在分析的過程中,得到了一種獲取李雅普諾夫算法穩(wěn)定點的算法(QLA-VPDQ),該算法在獲取穩(wěn)定點時需要的隊列長度較小。該算法還可用于FQLA-G算法來改善其隊列性能。
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN927.2
【圖文】：

按照網(wǎng)絡(luò)功能的不同，衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以分為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)部分和用戶接入部分，如圖1-1所示。其中的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)部分指的是由分布在低軌、中軌、高軌和靜止軌道上的大小不同、功能各異的衛(wèi)星，通過地面基站或者星間鏈路（ISL)組成的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。其中的用戶可以是航天飛機及其他天基高動態(tài)目標，還可以是輪船、戰(zhàn)車等軍事單位，而其中的用戶接入部分指的是用戶利用不同的終端，通過無線信道或者有線信道接入到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)部分中。對于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)部分而言，一個發(fā)展趨勢是利用星際鏈路組網(wǎng)。尤1

李雅普諾夫算法和李雅普諾夫分析

【參考文獻】

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本文編號：2712610