1、基于FSO的移動前傳/回傳網絡拓撲優化技術研究通信網絡技術的快速發展和網絡業務需求量的爆炸式增長 , 為目 前 5G(fifth-generation) 以及未來移動通信網絡在帶寬速率、網絡 成本、靈活性以及可擴展性等方面的發展提出了更高的要求。 自由空 間光(Free Space Optical,FSO) 作為移動通信網絡的關鍵技術之一， 具有帶寬速率大、成本低、配置靈活、頻譜干擾小等優勢。但目前基 于FSO的移動前/回傳網絡拓撲的研究仍面臨一些問題：首先，由于 FSO鏈路受大氣環境的影響導致鏈路穩定性較差，從而影響整個網絡 拓撲的可靠性；其次,網絡中FSC節點所連接的鏈路數受FSO攵發機個

2、 數的限制,給網絡拓撲的構建和維護增加了難度 ;此外,在空間環境中 由于無人機所攜帶能量的限制，網絡中FSO鏈路受功率限制性能降低 從而影響整個網絡拓撲的性能。 針對上述問題 ,本文從網絡拓撲構建 , 網絡拓撲的動態重置以及網絡節點定位三方面展開研究 , 對基于 FSO 的移動前/回傳網絡拓撲進行優化配置。本文的主要研究內容和創新 點包括 ：(1) 提出一種基于鏈路不穩定性的高容錯性網絡拓撲構建算 法。空間網絡中，受大氣環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引起鏈路中斷 ,從而降低整個網絡拓撲的可靠 性。針對該問題，本文提出一種網絡容錯性較大的 FSO網絡拓撲構建

3、算法。首先, 定義網絡容錯性為網絡中路徑可靠性的和 , 網絡容錯性越 大意味著網絡拓撲中有具有較高可靠性的路徑作為該中斷鏈路的備 份路徑。其次 , 將網絡拓撲容錯性最大的拓撲構建問題描述成一個混 合整數非線性規劃問題 ,并分別從集中式思想和分布式思想出發提出兩種啟發式算法對問題進行求解。最后 , 通過仿真驗證所提出的兩種 算法所構建的網絡拓撲具有較高的網絡容錯性 , 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勢。 (2) 提出一種基于 鏈路和局部業務不穩定性的網絡拓撲動態重置方案。基于FSO的移動前/回傳網絡的動態性體現在兩方面 : 其一,通信網絡業務數據量呈遞 增趨勢且在空

4、間和時間上具有較強的動態性；其二,FSO鏈路的脆弱性 使得鏈路狀態極易發生變化。因此,基于FSO的移動前/回傳網絡拓撲 結構需要進行實時調整以保證網絡拓撲的可靠性和網絡業務需求。 然 而, 頻繁的網絡拓撲重置會增加網絡的開銷 , 甚至降低網絡的通信質 量。本文針對該問題提出一種網絡拓撲的動態優化配置方案。 該方案 針對不同的網絡場景 , 分別提出先驗式的網絡拓撲重置方法和反應式 的網絡拓撲重置方法。 先驗式網絡拓撲重置方法在業務量和鏈路狀態 相對穩定的網絡場景中 , 以網絡吞吐量最大和網絡開銷最小為目標構 建雙目標優化問題 , 并提出一種啟發式的拓撲優化算法構建網絡吞吐 量最大和開銷最小的網絡

5、拓撲 ； 反應式拓撲重置方案在先驗式拓撲重 置方案基礎上 , 分別針對網絡中鏈路中斷和業務數據量突變的情況提 出兩種拓撲重置算法。仿真結果表明 , 該網絡拓撲動態優化配置方案 既可以減少網絡拓撲重置開銷 , 又能保證網絡具有較高的性能。在網 絡能量有限的情況下 , 所提出的先驗式網絡拓撲重置方案和反應式拓 撲重置方案所構建的網絡拓撲在不同網絡場景中均具有較高的網絡 吞吐量和較小的網絡開銷。 (3) 提出一種基于超密集型業務的節點定 位和資源配置聯合優化機制。 超密集型業務網絡中數據業務量的大量 增加容易引起FSO中繼網絡的擁塞，同時FSO鏈路的脆弱性則會導致 網絡拓撲可靠性下降 , 因此, 在

6、保證網絡可靠性的同時提高網絡的容 量減少網絡的擁塞是超密集型業務網絡拓撲優化的關鍵。 本文針對該 問題充分利用無人機的移動性 , 通過確定無人機的位置從兩方面對網 絡拓撲進行優化。一方面 , 針對網絡中鏈路負載和鏈路利用率不均衡 導致網絡吞吐量較小的問題 , 提出基于負載均衡的網絡優化配置算法。 該算法結合無人機的定位和無人機與地面網絡的分配 , 以最小化配置 的無人機個數為研究目標 , 同時保證網絡中鏈路利用率的均衡。通過 仿真驗證該算法可以實現最小的無人機個數和鏈路利用率的均衡。 另 一方面,針對數據業務的大量增加引起網絡延時增加的問題 ,本文提 出基于網絡延時最小的網絡優化配置算法 ,該算法考慮空間網絡中無 人機配置的功率消耗 , 對無人機定位問題和無人機與地面網絡分配問 題進行聯合優化。 仿真結果表明基于網絡延時最小的網絡優化配置算 法相對于其他算法在減少網絡功率消耗和網絡平均延時方面均具有 較高性能。綜上,本文主要研究了基于FSO的移動前/回傳網絡拓撲的 優化技術,從網絡可靠性最大的網絡拓撲構建 ,網絡開銷最小和網絡 吞吐量最大的網絡拓撲動態重置 ,以及網絡中節點位置的優化三方面 展開研究。在拓撲優化的過程中，充分考慮FSO鏈路的可靠性,F