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IP/LEO卫星网络中的移动性管理技术研究

作　者: 张竹
导　师: 郭庆
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: IP/LEO卫星通信网络移动IP 移动性管理双重位置区位置管理 SIGMA切换管理网络移动性
分类号: TN927.23
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近年来，随着人们通信需求的日益增高，全球信息化、网络化成为了发展的必然趋势，通信网络也因此面临着巨大的变革。在地面通信网络已不能满足人们日益增长的多媒体通信需求的情况下，利用卫星接入互联网已经成为卫星通信发展的主要方向，也是未来空天地一体化网络的重要组成部分。利用IP/LEO卫星保证网络的全球覆盖，是未来移动通信更好地提供个人通信服务的坚实基础。IP/LEO卫星网络能够支持用户移动性的服务，使得用户可以在更大的地域范围内方便地进行通信，但是全IP卫星网络的特殊网络架构、卫星上受到限制的数据存储容量和数据处理能力，以及卫星网络中传输延迟增加等特点，均为IP/LEO卫星网络中移动性管理问题带来了严峻的挑战。移动IP协议是当前IP网络中的基础移动性管理协议，能够实现IP网络中的移动性需求，但其也有一些明显的不足。针对移动IP的不足之处，相继出现了很多从不同角度对其进行改进的算法，如提出分层的概念、增加预测算法、支持快速切换、加入寻呼机制及解决网络移动问题等。但是这些移动IP的优化算法运用在卫星网络中存在着网络结构不匹配，优化性能下降等缺陷。所以，在IP/LEO卫星网络中，分析其移动性管理问题并设计移动性管理算法将成为重要的研究课题。在归纳总结了国内外最新研究成果的基础之上，本论文以IP/LEO卫星网络为背景，针对其移动性管理中的位置管理、切换管理以及网络移动性技术三个方面进行了深入研究，并获得了一些新的研究结论。主要研究工作如下：第一，在分析了IP/LEO卫星网络中移动用户不同移动特性的基础上，提出了一种基于位置信息的双重位置区位置管理方法。通过采用卫星、地面站双重位置区的方式在保证卫星网络中低速运动用户低位置更新频率的基础上，进一步降低了高速以及在位置区边界往复运动用户的位置更新次数。算法引入的寻呼机制降低了网络中用户位置更新消息的负荷，同时在用户发起的位置更新消息中加入用户位置信息，网络在寻呼用户时首先在用户最近一次进行位置更新区域进行，从而增加了首次寻呼成功的概率。通过理论推导及仿真，证明了基于位置信息的双重位置区位置管理策略相对于其他方法在网络位置管理开销、寻呼开销上都有了明显的改进；进一步分析了地面站覆盖范围的选择与本策略性能的关系。第二，针对IP/LEO卫星网络由于传输延时大而造成的用户切换延时增加的问题，提出了基于位置信息的预测SIGMA切换优化方案。该方法利用传输层协议mSCTP多家乡的特点，允许用户在一个SCTP关联中加入两个IP地址，避免了用户进入新位置区后新IP地址需要经过家乡代理处注册才可使用所造成的传输时延。提出了IP/LEO卫星网络中基于位置信息的用户切换时刻预测算法，利用卫星网络的星历信息和用户的位置信息，预测用户需要进行链路切换的时刻，在节省SCTP关联信令的基础上，保证用户在切换发生的时刻准确地将SCTP关联中的备用IP地址设置为主地址从而完成切换过程。通过仿真证明，该方案相对于传统的SIGMA方案，在用户切换延时、丢包率性能上都有了明显的改进。第三，利用IP/LEO卫星网络的网络移动特性，提出了一种面向NEMO基本支持协议的卫星网络结构设计思想。卫星网络作为地面因特网络的子网，通过一个或多个卫星接入路由器与地面网络相连。详细分析了卫星作为通信对端以及卫星作为路由转发装置时，应用NEMO基本支持协议的路由过程，以及网络移动性用户通过移动卫星网络与地面网络通信时的两种路由方式。经过分析，此网络结构可以减少卫星网络对地面网络的依赖，从而更好的保证通信的连通性。仿真表明，在此网络结构下应用NEMO基本支持协议在信令开销、丢包率方面性能均表现更佳。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-7
目录  7-13
缩略语表  13-15
第1章绪论  15-32
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  15-18
  1.2 国内外研究现状  18-29
    1.2.1 IP 协议在卫星系统中的应用  19-21
    1.2.2 位置管理技术的研究现状  21-25
    1.2.3 切换管理技术的研究现状  25-28
    1.2.4 网络移动技术的研究现状  28-29
  1.3 本文结构和主要研究内容  29-32
第2章移动性管理协议的关键技术  32-58
  2.1 引言  32
  2.2 IP/LEO 卫星网络构架  32-34
  2.3 移动性管理技术及性能评价参数  34-39
    2.3.1 移动性管理技术的概念  34-36
    2.3.2 移动性管理的两种方式  36-37
    2.3.3 移动性管理协议的性能评价参数  37-39
  2.4 IP/LEO 卫星网络中位置管理协议分析  39-45
    2.4.1 移动 IP 的位置管理  40-42
    2.4.2 IP/LEO 卫星网络中基于寻呼的 MIP 协议  42-43
    2.4.3 IP/LEO 卫星网络中的蜂窝 IP 寻呼  43-45
    2.4.4 IP/LEO 卫星网络中的 IP 寻呼结构比较分析  45
  2.5 IP/LEO 卫星网络中切换管理协议分析  45-52
    2.5.1 IP/LEO 卫星网络中的快速切换移动 IPv6  45-47
    2.5.2 卫星网络中分层移动 IPv6 的切换  47
    2.5.3 IP/LEO 卫星网络中的分层移动 IP 的快速切换  47-50
    2.5.4 基于传输层 SIGMA 协议  50
    2.5.5 IP/LEO 卫星网络中切换协议的性能分析  50-52
  2.6 IP/LEO 卫星网络中的网络移动协议分析  52-55
    2.6.1 网络移动协议的基本原理  52-54
    2.6.2 移动式网络的特征及设计要求  54-55
  2.7 IP/LEO 卫星网络中移动性管理协议的优化方向  55-57
    2.7.1 位置管理  56
    2.7.2 切换控制  56
    2.7.3 网络移动技术  56-57
  2.8 本章小结  57-58
第3章基于双重位置区的位置管理技术  58-79
  3.1 引言  58
  3.2 卫星移动通信系统位置区划分策略及比较  58-61
  3.3 基于位置信息的双重位置区的位置管理策略  61-70
    3.3.1 双重位置区的基本思想  61-64
    3.3.2 不同位置区划分策略下用户位置更新次数比较  64-65
    3.3.3 用户位置信息在双重位置区策略中的作用  65-66
    3.3.4 基于位置信息的双重位置区策略实现方案  66-70
  3.4 基于位置信息的双重位置区位置管理策略分析  70-78
    3.4.1 位置管理开销的理论推导  70-72
    3.4.2 理论计算结果与分析  72-78
  3.5 本章小结  78-79
第4章基于位置信息的预测切换管理技术  79-97
  4.1 引言  79
  4.2 卫星网络中的传输层切换管理技术  79-87
    4.2.1 基于 IPv6 的移动流控制传输协议的会话建立及无缝切换  80-85
    4.2.2 SIGMA 协议在卫星网络中的应用  85-87
  4.3 基于位置信息预测的 SIGMA 切换方案  87-94
    4.3.1 基本思想  88
    4.3.2 切换过程  88-89
    4.3.3 信令传输时序  89-90
    4.3.4 基于位置信息的切换时刻预测机制及算法  90-94
  4.4 基于位置信息的预测切换策略的仿真结果  94-95
  4.5 本章小结  95-97
第5章支持网络移动的卫星网络及路由技术  97-116
  5.1 引言  97
  5.2 基于 NEMO 的卫星网络的特点及优势  97-98
  5.3 基于网络移动的卫星网络设计要求  98-102
    5.3.1 组网设计  98-99
    5.3.2 移动式网络类型  99-100
    5.3.3 基于网络移动的卫星网络特点  100-101
    5.3.4 卫星节点的路由方式  101-102
  5.4 支持网络移动的 IP/LEO 卫星网络及路由  102-107
    5.4.1 IP/LEO 卫星网络的 IP 地址划分  103-104
    5.4.2 IP/LEO 卫星网络中的 IP 分组路由  104-107
  5.5 卫星网络中网络移动的性能  107-110
    5.5.1 网络层切换延时与丢包率  107-109
    5.5.2 移动路由器的 QoS  109-110
  5.6 支持网络移动的卫星网络中网络移动协议仿真分析  110-115
    5.6.1 仿真中的卫星网络体系结构  110-112
    5.6.2 支持网络移动的 IP/LEO 卫星网络仿真结果分析  112-115
  5.7 本章小结  115-116
结论  116-118
参考文献  118-127
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  127-129
致谢  129-130
个人简历  130

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