题目：低轨卫星综合信息网时延约束QoS关键技术研究

低轨卫星综合信息网是以低轨道卫星及星座为信息传输主体，为各类空天地用户提供综合业务服务的多元异构网络，具有自主运行管理以及智能化信息获取、贮存、处理和分发的能力。随着信息技术的飞速发展及全球个人通信需求的大幅增长，低轨卫星综合信息网以覆盖范围广、响应速度快、建设周期短、传输时延小、向空间延伸拓展能力强等突出优势，将成为未来天空地一体化空间信息平台的重要组成部分，尤其将作为空间实时业务传输的重要基础保障设施。

低轨卫星综合信息网具有网络拓扑及链路容量时变、业务分布不均衡、网络带宽受限、链路动态拥塞等特点，因此，要充分发挥低轨综合卫星信息网的优势，高质量完成各类实时通信业务传输，仍存在一些亟待突破的技术挑战。其中，低轨卫星综合信息网时延约束服务质量（Quality of Service, QoS）技术对于实时业务的传输质量及网络传输效益起到关键性作用，是制约低轨卫星综合信息网发展的核心技术之一。

本论文重点围绕低轨卫星综合信息网时延约束QoS关键技术开展研究。首先研究了低轨卫星综合信息网的时延特性，分析了低轨卫星综合信息网络特点对基于IP QoS模型及时延约束QoS技术所产生的影响，总结出低轨卫星综合信息网中面向时延约束QoS的关键技术问题；之后深入研究了低轨卫星综合信息网面向时延约束的网络拓扑优化、QoS约束路由、面向时延约束的拥塞管理三类关键技术；最后，以自研的离散事件仿真平台SNSim为基础，设计并部分开发了基于离散事件机制的低轨卫星综合信息网络专用协议仿真系统。论文的主要研究成果包括：

1. 提出了一种面向时延约束的低轨卫星综合信息网地面站选址优化策略。该策略针对低轨卫星综合信息网网络结构及业务分布、地面站建设约束条件、地面站选址优化目标的特殊性，对面向时延约束的低轨卫星网地面站选址问题进行了建模，并采用动态聚类方法优化。通过合理配置地面站的数量、位置及最大吞吐量，优化低轨卫星综合信息网的基础拓扑结构，在满足业务端到端传输时延约束的基础上，降低地面站数据传输总开销。通过在多种业务分布模型、地面站数据传输成本模型、以及地面站最大吞吐量分布模型下进行仿真验证，仿真结果表明，该策略简单、有效，优于传统的基于优先级的地面站选址策略，可作为低轨卫星综合信息网络拓扑规划的辅助工具。

    2. 提出了一种低轨卫星综合信息网最大化实时业务网络效益的时延约束QoS路由算法。算法基于资源预留协议（Resource Reservation Protocol，RSVP）流聚合QoS模型，通过在路由度量参数中增加路径时延约束可靠性评估参数，将动态拥塞网络环境下的路由问题建模成自干扰系统效益期望最大化问题；进一步，模拟自干扰系统在路由算法中嵌入了准入控制原则，使网络在变化的链路传输容量及流量负荷强度下，适当平衡带宽利用效率与路径时延约束可靠性，提高实时业务流的网络总体传输效益。对网络流量分布的均衡性、时延中断率、呼叫拒绝率、呼叫阻塞率、网络效用函数值等一系列参数的仿真分析表明，与最小跳数时延约束路由算法和流量均衡时延约束路由算法相比，该算法可均衡网络流量，降低业务流时延QoS中断率，提高实时业务传输的网络效益。

   3. 提出了一种适用于低轨卫星综合信息网的时延约束自适应QoS路由算法。算法通过自适应路径调整实现在动态链路拥塞环境下业务流时延约束QoS的持续保证，可在不采用RSVP QoS模型的情况下提高低轨卫星综合信息网对实时业务时延约束满足率。算法采用主动路由机制生成具有时延QoS参数信息的替代路径，针对业务QoS需求实现快速路径调整，并根据网络拥塞的强度弹性调整替代路径生成范围，提高QoS路径调整的成功率并降低开销。仿真结果表明，与最小跳数时延约束路由算法和典型的低轨卫星网自适应流量均衡路由算法相比，该算法可提高网络吞吐量，提高数据分组的及时投递率，并降低网络在高负荷水平下的端到端平均传输时延。

4. 提出了一种低轨卫星综合信息网面向时延约束QoS的拥塞管理队列调度算法。算法通过建立星间链路上基于时延QoS紧迫性的数据包调度机制，使卫星节点间一跳链路资源分配能动态适应变化的链路负载强度和业务流时延性能，从而提高对整条路径上业务流端到端时延约束控制能力。仿真结果表明，与传统的QoS拥塞管理队列调度算法相比，该算法可在更大的网络负载范围内综合提高实时业务流数据包及时投递率，降低实时业务QoS中断率。

在上述关键技术研究的基础上，本文设计并部分开发了一个基于离散事件仿真机制的低轨卫星综合信息网协议仿真系统。低轨卫星综合信息网所具有的网络结构异构、拓扑时变、网络节点类型多样、运动关系复杂、用户接入关系变化、多波束覆盖、业务分布不均衡、特殊的网络控制管理方式、空天地一体化处理等特点，对各层组网协议及QoS技术性能均产生重要影响。以上影响因素的复杂性导致理论分析存在较大困难，因而在目前的研究中多采用“独立算法/协议仿真”的协议性能验证方式，但是，“独立算法/协议仿真”中对低轨卫星综合信息网络环境的部分模拟难以准确验证协议算法在低轨卫星综合信息网复杂的网络环境及完整协议模型下的运行性能。因此，本文设计并部分开发了一个基于离散事件的低轨卫星综合信息网络协议仿真系统，该系统将低轨卫星综合信息网分解为多类网络元素模型，并设计了高效的模型间通信机制，使用户可通过模型组合方式模拟构建各类低轨卫星综合信息网络场景及协议环境。系统采用离散事件仿真机制提高了仿真的真实性，可作为各类协议算法在低轨卫星综合信息网中应用性能的仿真分析辅助工具，为低轨卫星综合信息网协议开发及验证、节点研制及半实物仿真提供技术基础。