基于移动边缘计算的空天地一体化网络架构

下一代无线通信技术将通过支持智能交通、智能医疗、虚拟现实/增强等服务来提高用户的体验质量。这些新兴的服务通常都是计算密集型和时延敏感型的,必须满足严格的时延、能耗和可靠性要求,而基于云计算的服务难以满足这些要求。为了解决以上问题,提出移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)技术,解决将卸载请求回传到云计算中心所具有的高时延和高带宽消耗的问题。空天地一体化网络(Space-Air-Ground Integrated Network,SAGIN)作为6G的重要研究方向,可以弥补全球范围内的巨大覆盖缺口,受到广泛关注。通过将MEC技术、联邦学习技术和人工智能技术引入SAGIN,高效管理网络中海量、异构的资源,构建低时延、低能耗、高可靠性的SAGIN,以支持新兴的各种服务。

天地一体化网络关键技术研究综述

作为地面网络的补充和延伸,卫星网络有助于加速弥合区域间的数字鸿沟,扩展地面网络的覆盖和服务范围.然而卫星网络拓扑动态性高、传播时延大、星上计算能力和存储能力均受限,因此实现卫星网络与地面网络的有机融合,构建覆盖全球的天地一体化网络面临路由扩展性、传输稳定性等技术挑战.针对天地一体化网络的研究挑战,从网络架构、路由、传输和基于组播的内容分发等方面介绍了国内外的研究现状,并展望了天地一体化网络的发展趋势.

面向空天地一体化网络的数字孪生技术架构及应用

详细探讨了数字孪生技术在空天地一体化通信中的具体架构,以及网络优化方面的应用。将数字孪生分为虚拟空天地一体化网络和智能决策层。虚拟网络是对物理空天地通信网的精准映射,支持实时监控和测试验证功能。在智能决策层,通过环境感知与业务预测实现网络优化。最后,验证了面向空天地一体化的数字孪生技术在动态通信网络优化中的巨大潜力,为网络优化的未来发展提供了创新思路。

基于概率博弈的空天地一体化网络安全路由算法

针对空天地一体化网络存在的安全问题,提出了使用路由证据的方法对洪泛攻击、灰洞/黑洞攻击进行防御的方案。该方案可以检测出自组织网络中存在的恶意节点,以保证路由的安全可靠性;克服了已有方案存在的不足,可以自适应地在空天地一体化网络等容断容迟网络中应用。此外,搭建了仿真平台,通过仿真验证的手段,证明了该方案可以检测出90%以上的恶意节点,验证了其有效性。

基于聚类算法内容流行度预测的空天地一体化网络缓存方法

针对空天地一体化网络中恶劣的自然条件可能造成连通异常和通信阻塞的情况,对一种新的空天地一体化网络缓存方法进行研究,即基于聚类的内容缓存方法。基于空天地一体化网络架构,利用提取的内容特征来预测流行度,并用于缓存替换决策。内容的流行度预测是由动态聚类算法实现的,这种方法可以有效地减轻地面核心网的通信压力,从而进一步提升用户体验。使用开放数据集对算法进行评估,实验仿真结果证明了该方法的可行性和有效性。

适用于天地一体化网络的无证书密钥协商协议

为了保证天地一体化网络中用户信息的传输安全,改进传统方案的高时延等问题,本文提出一种轻量级的无证书密钥协商方案。首先,本文分析无证书密钥协商协议系统模型,针对天地一体化网络的特点提出协议需要满足双向认证、抗重放、完整性等安全需求。其次,本文选择一种轻量级的无证书加密方案,在此基础上提出密钥协商协议,满足天地一体化网络的资源和安全要求。最终,本文对提出的密钥协商协议进行BAN(Burrow-Adadi-Needham)逻辑安全性分析,并结合软件对协议性能仿真进行比较,结果表明:该方案在满足网络安全性需求的同时实现高效快速的协商。

支持MEC的天地一体化网络下任务卸载和资源分配

针对天地一体化网络(Integrated Satellite-Terrestrial Network,ISTN)高动态、时延敏感的特性,用户服务质量(Quality of Service,QoS)保障成为新的研究重点。为此,在天地一体化网络场景下使用移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)技术,在低轨道(LEO)卫星上部署MEC服务器,通过排队理论分析场景的时延成本,提出任务卸载和资源分配的联合优化方案。为最小化用户与LEO卫星的传输时延,基于凸优化理论给每个用户分配最优的带宽资源。基于整数规划在多项式时间内给出接近全局最优的任务卸载决策。仿真结果表明提出算法与低复杂度的启发式算法相比,减少了20%的总时延成本,验证了ISTN(Integrated Satellite-Terrestrial Network)下通过MEC技术保障地面用户QoS的可行性和有效性。

基于天地一体化网络的航天器高效可靠组网技术

随着地面以太网组网技术的快速发展及广泛应用,空间通信与地面网络融合技术成为未来空间通信发展的必然趋势。目前,地面测控通信系统已实现基于网络的数据传输,但航天器内部数据传输仍以总线或点对点通信方式为主。若航天器内部设备之间信息交互采用组网技术,与地面网络实现一体化通信,可统一航天器内部和地面的通信协议,提高天地通信效率。相比于地面网络环境,航天器天地传输链路具有时延长、带宽有限、双向链路带宽不平衡以及航天器内部电磁环境复杂等特点,直接应用地面组网技术会存在天地一体化网络通信效率低、可靠性差等问题。为此,文中提出一种空间高效可靠的组网方案,构建以空间以太网交换机、天地网关为核心的航天器网络通信系统,并对地面网络协议进行改进和优化,实现航天器高效可靠的天地一体化网络通信。

天地一体化网络下的多目标切换策略

随着低地球轨道(Low Earth orbit,LEO)卫星的网络结构日益复杂,高效的信息传输对于天地一体化网络(Space-ground integrated network,SGIN)的发展至关重要。本文通过同时考虑切换次数、仰角和可用信道数量等指标来优化多目标切换问题。通过数学建模将地球划分为多个区域,并将优化目标定义为切换次数和负载均衡的加权和,根据不同场景确定加权系数。通过设置表示信息传输质量的阈值,可以优化仰角。本文将天地一体化网络的卫星切换问题转化为整数线性规划(Integer linear programming,ILP)问题,并使用数学工具求解,以提供最优解。同时,由于在实际工程应用中基于ILP的策略具有较高的算法复杂性,本文还提出了一种基于二分图的启发式切换策略。通过对一个实际应用的低轨卫星星座(Globalstar)进行仿真实验,验证了本文所提出的切换策略的有效性。

基于5G/5G-A的天地一体化网络安全风险及策略研究

随着卫星通信技术的发展,特别是低轨卫星通信技术的发展,卫星通信网络与5G地面通信网络在体制和技术上已基本具备融合的条件。3GPP依托其5G NTN、5G SAT_ARCH等工作项目推进5G卫星通信架构和技术标准化。基于5G/5G-A的天地一体化网络是以地面通信网络为依托、卫星通信网络为拓展,借助5G系统的技术框架,针对卫星通信和低空通信的特点而进行的5G系统融合组网,可以实现5G通信系统对空、天、地、海多场景的统一服务,构建全球无缝立体覆盖的信息通信网络,具有重要的经济效益和社会效益。

软件定义天地一体化网络安全切换架构与方法

天地一体化网络规模庞大、结构复杂、节点暴露、动态拓扑,为确保整个系统中用户节点发生网络切换的安全性和高效性,基于软件定义网络中控制平面与转发平面分离的思想,提出一种软件定义天地一体化网络安全切换架构。本文详细阐述了该架构应用层、控制层和数据层的各个功能模块作用,以实现安全切换可管可控、准确高效、灵活可定义的目标。根据架构特点同时考虑切换预留时间和影响切换的相关属性值,提出一种基于接收信号强度预测的多属性权重优化的自适应安全切换决策算法。实验仿真结果表明,切换决策准确,可满足天地一体化网络安全切换的需求。

面向天地一体化网络的认证与密钥协商协议

天地一体化网络具有通信模式复杂和动态性、开放性、资源受限等特点,本文针对现有认证与密钥协商协议需要多因子参与认证、计算与通信开销大等问题,分析天地一体化网络安全需求与性能需求,提出一种面向天地一体化网络的认证与密钥协商协议.为适应天地一体化网络的多层级架构,协议采用树状结构,共包括相邻节点认证与密钥协商和跨节点认证与密钥协商两个阶段.在相邻节点认证与密钥协商过程中完成各节点的组网认证,形成认证表格,为后续通信提供认证数据;采用透明传输的思想,基于切比雪夫混沌映射技术实现跨节点认证与密钥协商,保证会话密钥协商的安全性.针对节点高度动态变化的特点,设计认证预测机制,预测节点的运动轨迹,提前完成节点认证数据的迁移,实现不同通信模式无缝切换,提高通信效率.安全性分析和性能分析表明,与同类型的协议相比,本文协议在安全性上具有明显优势,并且降低了通信与计算开销,满足天地一体化网络的轻量级需求.

一种优化空天地一体化网络吞吐量算法

为提高空天地一体化网络的吞吐量,提出基于强化学习的链路优化算法(reinforcement learning-based link optimization, RLLO)。RLLO算法以近地轨道卫星为基站提供回程链路。同时,RLLO算法通过管理无人机和微基站的资源以及优化无人机(unmanned aerial vehicles, UAV)的轨迹,提升吞吐量。先建立优化回程链路和接入链路的目标问题,再利用多臂老虎机的强化学习工具求解目标问题。仿真结果表明,相比于同类的基准算法,RLLO算法提高了吞吐量和用户端的可达速率。

面向天地一体化网络的路由架构设计

随着天地一体化网络快速发展,传统路由架构已无法满足当今多业务传输需求。天地一体化网络存在星间链路拥塞和流量分布不均等问题。为了满足多业务传输需求,为用户提供快速高效的路径传输服务。本文针对上述问题,提出解决方案,首先,本文引入了SDN结合SR的部署方案,控制层面通过控制器计算路由,数据平面使用分段路由(SR)指导数据转发。旨在空间网络中提供可靠传输服务,减少路由条目。然后,本文基于传统路径搜索算法进行改进提出了一种路由计算方法TPSR,包括路径选择算法和路径搜索算法,在数据到来时能够快速搜索一条最优路径。最后,本文采用了Ryu和Mininet等开源工具对路由架构进行实现,并进行了多组实验验证其性能和有效性。对实验结果进行分析和总结,该路由架构在提高空间网络性能方面的显著效果。

智简空天地一体化网络

空天地一体化网络融合空基、天基、地基网络,提供超大规模全局性连接,真正实现全域泛在通信。针对空天地一体化网络因环境复杂、业务多样、节点异构、资源异质等导致的巨大挑战,通过有机融合智简系统与软件定义网络,提出智简空天地一体化网络解决思路,以“局域按需智简、广域达意智简”为核心方法,克服网络拓扑、路由、资源管控等难题,实现从软件定义网络到智简网络的范式跨越。

基于位置的天地一体化网络路由寻址机制研究

针对卫星高速移动导致的卫星网络内部及与地面网络间的连接关系不断变化的问题,提出了一种基于位置的天地一体化网络路由寻址机制——LA-ISTN。用户的IP地址携带其地理位置信息,在星间路由时,基于位置信息计算得到的路由方位选择最优的转发接口。仿真结果表明,相对于快照协议和OSPF路由协议,LA-ISTN显著降低了星上路由表存储开销,没有路由更新包交换开销和邻居通信开销;星上路由不依赖预测的链路连接关系,稳健性强,可保证网络时刻可用。

基于信息战的软件定义天地一体化网络与关键技术

互联网的蓬勃发展使现代信息化战争日趋激烈,天地一体化网络成为未来信息战中必不可少的重大信息基础设施。为达到更理想的战时网络高效配置与管理,结合天地一体化网络环境,设计了基于信息战的软件定义新型天地一体化网络架构,分析其优势并梳理关键技术方向。该网络的高效性、可扩展性与弹性组网能力极大提高,能在现代信息战中更好地应对作战任务需求的变化,实现战时信息的高效传输与按需应用。

天地一体化网络中的航天器IP网络设计

为了将地面IP网络技术应用于航天器内部设备间的数据通信,并实现与地面站的互连,根据航天器与地面站之间通信链路的特点,提出一种IP网络协议体系结构,实现天地一体化网络通信。在航天器上采用以太网协议完成内部网络数据交换,配置天地网关设备完成与地面测控通信网络之间的IP包交换;地面测控通信网络采用计算机IP网络,并配套相应的天地网关设备,完成与航天器的IP包交换。根据航天器数据的特点,提出一种速率控制策略,优先传输控制数据,控制图像话音数据周期平均速率,控制试验数据IP包平均速率。地面仿真试验及实际系统测试结果表明:文章提出的航天器IP网络设计,适应航天器与地面站的通信链路,可直接应用于高、中、低轨航天器的天地一化网络通信,也可为后续月球、火星等探测任务提供参考。

软件定义天地一体化网络:架构、技术及挑战

提出了一种基于软件定义网络(SDN)的天地一体化网络架构,将控制平面和数据平面分离。该架构下,地面信息港和地球静止轨道卫星组成了多控制器结构的控制平面,将中轨、近地轨道卫星作为简单的转发设备,提供了更灵活的路由策略,更方便的网络配置以及更好的兼容性。同时,考虑到目前在卫星节点上部署网络设备的难度,提出了初期在地面部署控制器,之后逐步向静止轨道卫星扩展控制平面的演进思路。此外,还分析了这种架构面临的挑战。

天地一体化网络协议研究

协议作为网络高效运行的关键,需要与具体网络环境、应用服务相适应。卫星通信网络与地面网络运行环境存在较大差异,天地一体化网络协议在设计时需要充分考虑到天基网络与地面网络的差异性,借鉴国内外空间信息网络协议体系的最新研究成果,结合我国天基网络特点,提出了适用于我国天地一体化网络的增强空间融合协议体系,在该协议体系下异构卫星网络的用户可直接通过天地一体化网络实现业务互通。