基于FSO的移动前传回传网络拓扑优化技术研究

1、基于FSO的移动前传/回传网络拓扑优化技术研究通信网络技术的快速发展和网络业务需求量的爆炸式增长 , 为目 前 5G(fifth-generation) 以及未来移动通信网络在带宽速率、网络 成本、灵活性以及可扩展性等方面的发展提出了更高的要求。 自由空 间光(Free Space Optical,FSO) 作为移动通信网络的关键技术之一， 具有带宽速率大、成本低、配置灵活、频谱干扰小等优势。但目前基 于FSO的移动前/回传网络拓扑的研究仍面临一些问题：首先，由于 FSO链路受大气环境的影响导致链路稳定性较差，从而影响整个网络 拓扑的可靠性；其次,网络中FSC节点所连接的链路数受FSO攵发机个

2、 数的限制,给网络拓扑的构建和维护增加了难度 ;此外,在空间环境中 由于无人机所携带能量的限制，网络中FSO链路受功率限制性能降低 从而影响整个网络拓扑的性能。 针对上述问题 ,本文从网络拓扑构建 , 网络拓扑的动态重置以及网络节点定位三方面展开研究 , 对基于 FSO 的移动前/回传网络拓扑进行优化配置。本文的主要研究内容和创新 点包括 ：(1) 提出一种基于链路不稳定性的高容错性网络拓扑构建算 法。空间网络中，受大气环境和天气状况的影响,FSO链路可靠性较差， 而链路可靠性较低则会引起链路中断 ,从而降低整个网络拓扑的可靠 性。针对该问题，本文提出一种网络容错性较大的 FSO网络拓扑构建

3、算法。首先, 定义网络容错性为网络中路径可靠性的和 , 网络容错性越 大意味着网络拓扑中有具有较高可靠性的路径作为该中断链路的备 份路径。其次 , 将网络拓扑容错性最大的拓扑构建问题描述成一个混 合整数非线性规划问题 ,并分别从集中式思想和分布式思想出发提出两种启发式算法对问题进行求解。最后 , 通过仿真验证所提出的两种 算法所构建的网络拓扑具有较高的网络容错性 , 且集中式算法和分布 式算法分别在算法性能和效率方面具有一定优势。 (2) 提出一种基于 链路和局部业务不稳定性的网络拓扑动态重置方案。基于FSO的移动前/回传网络的动态性体现在两方面 : 其一,通信网络业务数据量呈递 增趋势且在空

4、间和时间上具有较强的动态性；其二,FSO链路的脆弱性 使得链路状态极易发生变化。因此,基于FSO的移动前/回传网络拓扑 结构需要进行实时调整以保证网络拓扑的可靠性和网络业务需求。 然 而, 频繁的网络拓扑重置会增加网络的开销 , 甚至降低网络的通信质 量。本文针对该问题提出一种网络拓扑的动态优化配置方案。 该方案 针对不同的网络场景 , 分别提出先验式的网络拓扑重置方法和反应式 的网络拓扑重置方法。 先验式网络拓扑重置方法在业务量和链路状态 相对稳定的网络场景中 , 以网络吞吐量最大和网络开销最小为目标构 建双目标优化问题 , 并提出一种启发式的拓扑优化算法构建网络吞吐 量最大和开销最小的网络

5、拓扑 ； 反应式拓扑重置方案在先验式拓扑重 置方案基础上 , 分别针对网络中链路中断和业务数据量突变的情况提 出两种拓扑重置算法。仿真结果表明 , 该网络拓扑动态优化配置方案 既可以减少网络拓扑重置开销 , 又能保证网络具有较高的性能。在网 络能量有限的情况下 , 所提出的先验式网络拓扑重置方案和反应式拓 扑重置方案所构建的网络拓扑在不同网络场景中均具有较高的网络 吞吐量和较小的网络开销。 (3) 提出一种基于超密集型业务的节点定 位和资源配置联合优化机制。 超密集型业务网络中数据业务量的大量 增加容易引起FSO中继网络的拥塞，同时FSO链路的脆弱性则会导致 网络拓扑可靠性下降 , 因此, 在

6、保证网络可靠性的同时提高网络的容 量减少网络的拥塞是超密集型业务网络拓扑优化的关键。 本文针对该 问题充分利用无人机的移动性 , 通过确定无人机的位置从两方面对网 络拓扑进行优化。一方面 , 针对网络中链路负载和链路利用率不均衡 导致网络吞吐量较小的问题 , 提出基于负载均衡的网络优化配置算法。 该算法结合无人机的定位和无人机与地面网络的分配 , 以最小化配置 的无人机个数为研究目标 , 同时保证网络中链路利用率的均衡。通过 仿真验证该算法可以实现最小的无人机个数和链路利用率的均衡。 另 一方面,针对数据业务的大量增加引起网络延时增加的问题 ,本文提 出基于网络延时最小的网络优化配置算法 ,该算法考虑空间网络中无 人机配置的功率消耗 , 对无人机定位问题和无人机与地面网络分配问 题进行联合优化。 仿真结果表明基于网络延时最小的网络优化配置算 法相对于其他算法在减少网络功率消耗和网络平均延时方面均具有 较高性能。综上,本文主要研究了基于FSO的移动前/回传网络拓扑的 优化技术,从网络可靠性最大的网络拓扑构建 ,网络开销最小和网络 吞吐量最大的网络拓扑动态重置 ,以及网络中节点位置的优化三方面 展开研究。在拓扑优化的过程中，充分考虑FSO链路的可靠性,F