基于FSO的移動(dòng)前傳回傳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)研究

1、基于FSO的移動(dòng)前傳/回傳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)研究通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求量的爆炸式增長(zhǎng) , 為目 前 5G(fifth-generation) 以及未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在帶寬速率、網(wǎng)絡(luò) 成本、靈活性以及可擴(kuò)展性等方面的發(fā)展提出了更高的要求。 自由空 間光(Free Space Optical,FSO) 作為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一， 具有帶寬速率大、成本低、配置靈活、頻譜干擾小等優(yōu)勢(shì)。但目前基 于FSO的移動(dòng)前/回傳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞难芯咳悦媾R一些問(wèn)題：首先，由于 FSO鏈路受大氣環(huán)境的影響導(dǎo)致鏈路穩(wěn)定性較差，從而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)涞目煽啃?；其?網(wǎng)絡(luò)中FSC節(jié)點(diǎn)所連接的鏈路數(shù)受FSO攵發(fā)機(jī)個(gè)

2、 數(shù)的限制,給網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臉?gòu)建和維護(hù)增加了難度 ;此外,在空間環(huán)境中 由于無(wú)人機(jī)所攜帶能量的限制，網(wǎng)絡(luò)中FSO鏈路受功率限制性能降低 從而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男阅堋?針對(duì)上述問(wèn)題 ,本文從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建 , 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)重置以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位三方面展開研究 , 對(duì)基于 FSO 的移動(dòng)前/回傳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化配置。本文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新 點(diǎn)包括 ：(1) 提出一種基于鏈路不穩(wěn)定性的高容錯(cuò)性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建算 法。空間網(wǎng)絡(luò)中，受大氣環(huán)境和天氣狀況的影響,FSO鏈路可靠性較差， 而鏈路可靠性較低則會(huì)引起鏈路中斷 ,從而降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目煽?性。針對(duì)該問(wèn)題，本文提出一種網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性較大的 FSO網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建

3、算法。首先, 定義網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性為網(wǎng)絡(luò)中路徑可靠性的和 , 網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性越 大意味著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲杏芯哂休^高可靠性的路徑作為該中斷鏈路的備 份路徑。其次 , 將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙蒎e(cuò)性最大的拓?fù)錁?gòu)建問(wèn)題描述成一個(gè)混 合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題 ,并分別從集中式思想和分布式思想出發(fā)提出兩種啟發(fā)式算法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解。最后 , 通過(guò)仿真驗(yàn)證所提出的兩種 算法所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂休^高的網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性 , 且集中式算法和分布 式算法分別在算法性能和效率方面具有一定優(yōu)勢(shì)。 (2) 提出一種基于 鏈路和局部業(yè)務(wù)不穩(wěn)定性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)重置方案。基于FSO的移動(dòng)前/回傳網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性體現(xiàn)在兩方面 : 其一,通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量呈遞 增趨勢(shì)且在空

4、間和時(shí)間上具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性；其二,FSO鏈路的脆弱性 使得鏈路狀態(tài)極易發(fā)生變化。因此,基于FSO的移動(dòng)前/回傳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整以保證網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目煽啃院途W(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求。 然 而, 頻繁的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲刂脮?huì)增加網(wǎng)絡(luò)的開銷 , 甚至降低網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì) 量。本文針對(duì)該問(wèn)題提出一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)優(yōu)化配置方案。 該方案 針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景 , 分別提出先驗(yàn)式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲刂梅椒ê头磻?yīng)式 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲刂梅椒ā?先驗(yàn)式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲刂梅椒ㄔ跇I(yè)務(wù)量和鏈路狀態(tài) 相對(duì)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中 , 以網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大和網(wǎng)絡(luò)開銷最小為目標(biāo)構(gòu) 建雙目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題 , 并提出一種啟發(fā)式的拓?fù)鋬?yōu)化算法構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)吞吐 量最大和開銷最小的網(wǎng)絡(luò)

5、拓?fù)?； 反應(yīng)式拓?fù)渲刂梅桨冈谙闰?yàn)式拓?fù)渲?置方案基礎(chǔ)上 , 分別針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中鏈路中斷和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量突變的情況提 出兩種拓?fù)渲刂盟惴?。仿真結(jié)果表明 , 該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)優(yōu)化配置方案 既可以減少網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲刂瞄_銷 , 又能保證網(wǎng)絡(luò)具有較高的性能。在網(wǎng) 絡(luò)能量有限的情況下 , 所提出的先驗(yàn)式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲刂梅桨负头磻?yīng)式拓 撲重置方案所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诓煌W(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中均具有較高的網(wǎng)絡(luò) 吞吐量和較小的網(wǎng)絡(luò)開銷。 (3) 提出一種基于超密集型業(yè)務(wù)的節(jié)點(diǎn)定 位和資源配置聯(lián)合優(yōu)化機(jī)制。 超密集型業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的大量 增加容易引起FSO中繼網(wǎng)絡(luò)的擁塞，同時(shí)FSO鏈路的脆弱性則會(huì)導(dǎo)致 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇煽啃韵陆?, 因此, 在

6、保證網(wǎng)絡(luò)可靠性的同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)的容 量減少網(wǎng)絡(luò)的擁塞是超密集型業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化的關(guān)鍵。 本文針對(duì)該 問(wèn)題充分利用無(wú)人機(jī)的移動(dòng)性 , 通過(guò)確定無(wú)人機(jī)的位置從兩方面對(duì)網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化。一方面 , 針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中鏈路負(fù)載和鏈路利用率不均衡 導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量較小的問(wèn)題 , 提出基于負(fù)載均衡的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化配置算法。 該算法結(jié)合無(wú)人機(jī)的定位和無(wú)人機(jī)與地面網(wǎng)絡(luò)的分配 , 以最小化配置 的無(wú)人機(jī)個(gè)數(shù)為研究目標(biāo) , 同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)中鏈路利用率的均衡。通過(guò) 仿真驗(yàn)證該算法可以實(shí)現(xiàn)最小的無(wú)人機(jī)個(gè)數(shù)和鏈路利用率的均衡。 另 一方面,針對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的大量增加引起網(wǎng)絡(luò)延時(shí)增加的問(wèn)題 ,本文提 出基于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)最小的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化配置算法 ,該算法考慮空間網(wǎng)絡(luò)中無(wú) 人機(jī)配置的功率消耗 , 對(duì)無(wú)人機(jī)定位問(wèn)題和無(wú)人機(jī)與地面網(wǎng)絡(luò)分配問(wèn) 題進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。 仿真結(jié)果表明基于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)最小的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化配置算 法相對(duì)于其他算法在減少網(wǎng)絡(luò)功率消耗和網(wǎng)絡(luò)平均延時(shí)方面均具有 較高性能。綜上,本文主要研究了基于FSO的移動(dòng)前/回傳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞?優(yōu)化技術(shù),從網(wǎng)絡(luò)可靠性最大的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建 ,網(wǎng)絡(luò)開銷最小和網(wǎng)絡(luò) 吞吐量最大的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)重置 ,以及網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)位置的優(yōu)化三方面 展開研究。在拓?fù)鋬?yōu)化的過(guò)程中，充分考慮FSO鏈路的可靠性,F