Файл: Курсовой проект По дисциплине иностранный язык по теме Performance Evaluation Indicators of Space Dynamic Networks under Broadcast Mechanism.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.12.2023
Просмотров: 32
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского
113 кафедра
Курсовой проект
По дисциплине иностранный язык
по теме: « Performance Evaluation Indicators of Space Dynamic Networks under Broadcast Mechanism»
Выполнил: Курсант 986 учебной группы
рядовой Пыхтин А.А.
Проверил: Преподаватель 113 кафедры
Костылева А.В.
Санкт-Петербург
2022 г.
Статья на Английском языке
-
1. Introduction With the development of space technology, the cost of deploying spacecraft in low Earth orbit (LEO) is rapidly decreasing. In recent years, several institutes have proposed a series of low-orbit satellite group programs. The most representative of these is the Blackjack Pit Boss program offered by the Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). By sharing data at the commercial data level and in combination with on-board data processing software, it can perform various strategic tasks such as target identification, tracking, surveillance, terrain reconnaissance and all-weather multi-domain resource detection without human intervention. Sharing data through an efficient communication mechanism is a prerequisite for these cluster programs for data aggregation, autonomous decision making, and collaboration. Therefore, it is necessary to deeply study the network structure and the communication mechanism of the satellite cluster. The Delay/Fault Tolerant Network (DTN) model proposed by Intel and NASA is widely used for space networks. The Advisory Committee on Space Data Systems (CCSDS) has also established a DTN working group to promote the standardization of DTN technology. The DTN uses a store-wait-forward routing mechanism, that is, an intermediate node temporarily stores information, waits for a link to be established with the next hop node, and then forwards the information. By repeating this mechanism, information is transmitted from the source node to the destination node. The best known routing algorithm for the DTN model is the epidemic algorithm. It can achieve the highest delivery rate in the shortest time without any prior knowledge assistance. However, the epidemic algorithm leads to a serious waste of resources. An advanced and versatile method called PROPHET can effectively reduce the overhead by some restrictions, i.e. nodes deliver messages through history-driven affinity, i.e. the implementation of the PROPHET algorithm requires prior knowledge. Other routing algorithms have been proposed, both of which are based on flooding and can be compromised by omitting or reducing policies. Indeed, all of these algorithms can achieve high delivery rates and low average latency if resources are not limited. Based on the predictability of space networks, Merugu, Zegura, and Fisher et al. have studied the routing structure, routing algorithms, and efficient solutions in unforeseen situations. Their main work includes the development of both a space-time graph and an optimal transmission routing table from a source node to a destination node. Such algorithms based on spatiotemporal graphs do not require channel resources, but have high computational complexity. Similar Algorithms Based on Space-Time Graphs Based on transmission delay and delivery rate, they provided some suggestions for future space DTN studies. Scientists have done extensive research on space DTN, and most of it is focused on end-to-end communication. Future LEO Satellite Clusters, such like Blackjack program, are more dependent on information sharing among all satellites, so as to achieve efficient data fusion, autonomous decision-making, and collaboration. However, there is still a lack of research on space dynamic networks under this broadcasting mechanism. This paper is aimed at proposing some metrics that can effectively evaluate the network performance and routing algorithm performance under broadcasting mechanism and providing valuable ideas for subsequent research. Meeting any of the above conditions means that there is always a part of time in the whole connecting duration that is within the specified segment Then, an edge is created between the nodes, and all such edges form the set of edges. Then, we can model the dynamic network represents the total timespan, is the set of all snapshots. Accumulating each small segment can obtain the entire networks.information is transmitted from node A to node D at time t1 and then transmitted from node D to node C at t2, and this “store-wait-forward” routing way belongs to the DTN method; (2) node A waits until t3 to establish a complete path with node C, and this routing method is often used for ad hoc networks. Obviously, the complete path between the source and the destination may not always appear, so the DTN routing method can not only realize the information delivery in a shorter time, but also improve the delivery ratio.
2.Model Static network has simpler model, with more complete research in theory and engineering implementations. The dynamic network is totally different since the dynamic network is with sequence and irreversibility. For example, if node A is connecting with node B and B is connecting to C, then there is a link between A and C. However, in dynamic network, if the connection between A and B occurs after B and C, then we cannot assert that there is a link between A and C. Dynamic networks are usually divided into two forms: lossless form and lossy form. The lossless form records all the connection status, while lossy form divides timespan into several segments, regards every segment as a static network, and finally connects all segments to form a complete network. The lossless form needs to record every moment that connection relationship has changed, which requires a large amount of storage. Therefore, the lossy form can be used to model a dynamic network. Considering a quaternion, represents the two nodes, respectively, and denotes the moment connection occurring and δt denotes the duration of the connection. For a segment satisfies one of the following conditions, tm ≤ t < tm + Δt, tm ≤ t + δt < tm + Δt, t ≤ tm < tm + Δt < t + δt:
3. Routing in Space Networks under Broadcasting Mechanism
-
Traditional research focuses on end-to-end communication (unicast) problems , and its routing algorithms and routing metrics are based on the quality of end-to-end communication. Nowadays, there are also some studies for multicast problems , but the difference between “unicast” and “multicast” mainly lies in the improvement of routing algorithms but not evaluation metrics. Traditional routing algorithms show some inspirations to the broadcast mechanism, while the evaluation metrics are obviously no longer applicable. This section will propose some frameworks for centralized and distributed routing algorithms under broadcast mechanisms. 3.1. Centralized Routing Algorithm Framework. The fundamental reason why space networks can achieve centralized routing is that they are predictable. And we can directly design the optimal transmission routing table by predicting the future contacting graph. The centralized routing under the broadcast mechanism has the following features: (1) A connection-oriented transmission protocol is usually used, i.e., when two nodes satisfy the connection conditions, they are considered as linked, and all the links are equal. For example, node A establishes a connection with node B, and at the same time node A establishes a connection with node C, the two links are equal in the calculation of the optimal path, regardless of which node is closer to node A. This is because usually the waiting time for nodes to establish a link is much longer than the information propagation time, so the path distance can be ignored -
-
4. Performance Evaluation At present, there are few studies on the broadcasting mechanism of space networks with rapidly changing topology. It is necessary to carry out the evaluation mechanism for both network itself and routing algorithm To this end, we aim to provide theoretical support for the design of future spacebased system and both the routing algorithms. 4.1. Average Delivery Ratio. The average delivery ratio is defined as the average ratio of nodes that receive randomly generated messages within TTL. And it can reflect the connectivity of the entire network. It can be calculated as follows: Ignoring the sending and propagation delay, we can define the instantaneous connectivity of the network as follows: Dinstant = ∑s j=1∑n i=1dj i s ⋅ ð Þ n − 1 TTL=0 : ð11Þ 4.2. Average Transmission Time. The average transmission time can reflect the degree of network connectivity and is defined as the average time that expended for delivering messages to other nodes within the message survival time TTL. To describe the performance more concretely, we use relative average transmission time and absolute average transmission time, respectively. 4.2.1. Relative Average Transmission Time. The relative average transmission time can be defined as follows: -
4.3. Average Times of RREQ Initiated. To evaluate the efficiency of the routing algorithm, the metric of the average times of RREQ initiated is proposed. Since the routing goal of the space network is to transmit messages to all nodes, then the total amount of messages that need to be transmitted is equal for both the flooding algorithm and the optimal routing algorithm. The difference between them lies in the number of connection establishment and the times of routing requires initiated. The flooding algorithm needs to initiate a flood of routing requests, while the optimal routing algorithm only needs to initiate n − 1 times routing requests. Obviously, it is possible to reduce energy consumption by designing efficient routing algorithms that reduce the times of RREQ initiated. We define the average times of RREQ initiated as follows: where s is the total number of messages, n is the number of nodes, D is the average delivery ratio, and hj i is the times of RREQ initiated between node i and node j. 4.4. Ratio of Congested Node. The ratio of congested nodes can reflect the engineering feasibility of the routing algorithm. If the node transmission capacity is not considered, the designed routing algorithm may excessively use a specific node in a short period of time, which leads to node overload as well as data loss. Therefore, designing the routing algorithm by considering the congestion of nodes will enhance the reliability of the algorithm in practical engineering. We define it as the ratio of nodes that arise congestion events when messages are broadcast to the entire network -
5. Simulation and Analysis Combined with the orbit of space-based systems, we implement simulation to verify the rationality of the metrics that we proposed for evaluating the performance of dynamic network and the broadcasting mechanism. The simulation uses the actual orbital data of infrared and electrodetection satellites in orbit.. Two satellites can realize communicate when they meet the following conditions (approximately estimated according to Iridium constellation): (a) the distance between them is less than 4000 km; (b) the height of communication link is always larger than 100 km to the ground. 5.1. Performance Comparison of Different Space Networks. We have selected 10 satellites randomly among all satellites to generate a satellite network, and the network is expanded based on add new satellites. The simulation generates 500 messages randomly in multiple moments, respectively, and sets the TTL to 3000 seconds. To compare the performance of different network structure, we both use epidemic routing algorithm for these networks. The connectivity performance of the network tends to increase as the number of satellites in the network increases and the average delivery ratio keeps increasing at the same TTL. The calculation of absolute transmission time is independent from the delivery ratio and only considers the time spent on the actual delivered messages, so it needs to be used together with the average delivery ratio when measuring the network performance. The calculation of relative transmission time considers the undelivered messages and configures their time as TTL, so the relative transmission time also reflects the delivery ratio to a certain extent. The average delivery ratio of the network reflects the connectivity of the network, and the average transmission time reflects the degree of connectivity, so that the performance of the network can be reliably evaluated using these two metrics. 5.2. Centralized vs. Distributed Routing Algorithm. The simulation randomly selects a 50,000-second timespan and generates messages at random nodes and random moments. Then, we use the centralized and distributed routing algorithms proposed previously for message routing. In the centralized algorithm, the interval of adjacent contacting graphs is 300 seconds, and 10 future graphs are maintained by each nodeThe delivery ratio of the distributed algorithm is almost equal to the centralized algorithm. The centralized algorithm has a slightly shorter transmission time than the distributed algorithm. And the total number of messages is equal. Under the centralized algorithm, each message is transmitted according to its own routing table, so the average times of RREQ initiated are always 1, independent of whether it is successfully delivered or not and both independent of the density of message. Under the distributed algorithm, when the message is dense, the transmission confirmation of multiple messages can be completed simultaneously in one route -
6. Conclusions In this paper, the space network under the broadcasting mechanism is studied. Firstly, we have given definition and analysis of the dynamic network model. Then, the space routing algorithm framework under broadcast mechanism is introduced, which includes centralized routing algorithm based on the model predictability and distributed algorithm based on community structure. Moreover, the performance evaluation indicators of network and routing algorithm are proposed, including average delivery ratio, average transmission time, average times of RREQ, and the ratio of congested nodes. Simulation is conducted for several groups of space networks, respectively, and the evaluation indicators can effectively distinguish the good and bad network structure. Results show the reasonableness of the evaluation metrics. And then, we implement simulation and analysis of centralized and distributed routing algorithms. Finally, the setting of message survival time TTL, which affects the message delivery ratio, is studied, and the setting suggestion of TTL is given. The simulation of congestion is not given in this paper because the definition of congestion is related to the actual capability of node and the actual data size. Furthermore, the parameters of such indicator need to be set for specific problems; thus, it is not analyzed experimentally in this paper. However, the node congestion is a case that must be considered in practical engineering, so that the routing algorithm can be optimized by the congestion status. This paper presents some problems and feasible research directions in related fields. It may help to build the framework for the research of information sharing in dynamic space-based networks.
Аннотация
Оценка пространственно-динамических сетей механизма вещания. Крупномасштабные разнородные группировки будут основными формами будущих космических систем, а реализация многочисленных производных приложений зависит главным образом от межспутниковой связи. Узлы, представляющие собой разнородные спутники, будут образовывать сети с быстро меняющейся топологией. Тем не менее, в отношении таких сетей было проведено мало исследований. В этой статье изучается механизм вещания для космических динамических сетей и устанавливается централизованная и распределенная структура маршрутизации. Затем он предлагает показатели производительности для оценки как связности динамических сетей, так и эффективности алгоритмов маршрутизации. Наконец, мы изучаем производительность многогрупповых сетей и проверяем рациональность соответствующих показателей. Мы также изучаем влияние времени выживания информации, которое напрямую влияет на скорость доставки и, к сожалению, может привести к пустой трате коммуникационных ресурсов. В заключительной части дается эмпирический вывод о времени выживания. Мы считаем, что метрики производительности и алгоритмы маршрутизации, предложенные в этой статье, окажут большую помощь будущим космическим системам, а также развитию механизмов вещания.
Реферат
Показатели оценки эффективности космической динамики
Сети под механизмом вещания
С совершенствованием космической техники стоимость разветывания КА на низкой околоземной орбите быстро снижается. В последнее время несколько институтов выдвинули серию групповых программ низкоорбитальных спутников. Самой востребованной из них стала программа Blackjack Pit Boss, предложенная Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов. Данное программное обеспечение работает на основе данных коммерческой передачи и данных с борта КА. Совместное использование данных с помощью эффективного механизма связи является обязательным условием для этих кластерных программ для объединения данных, автономного принятия решений и совместной работы.
Модель сети, устойчивой к задержкам/сбоям (DTN), предложенная Intel и NASA, широко используется для космических сетей. Консультативный комитет по системам космических данных (CCSDS) также создал рабочую группу DTN для содействия стандартизации технологии DTN. DTN использует механизм маршрутизации «хранение-ожидание-форвард», то есть промежуточный узел временно сохраняет информацию, ожидает установления канала связи со следующим узлом перехода, а затем пересылает информацию. При повторении этого механизма информация передается от узла источника к узлу получателю. Наиболее известным алгоритмом маршрутизации для модели DTN является алгоритм эпидемии. Он может достичь наивысшего коэффициента доставки в кратчайшие сроки без какой-либо предварительной помощи знаний. Однако эпидемический алгоритм приводит к серьезной трате ресурсов. Усовершенствованный метод PROPHET может значительно сократить расходы за счет некоторх ограничений, то есть узлы доставляют сообщения через сходство, определяемое историей, т. е. реализация алгоритма PROPHET требует предварительных знаний. Предлагаются и другие алгоритмы маршрутизации, оба из которых основаны на лавинной рассылке и могут достигать компромисса путем исключения или сокращения политик. . Действительно, все эти алгоритмы могут реализовать высокий коэффициент доставки и низкую среднюю задержку, если ресурсы не ограничены. Их основная работа включает в себя разработку как пространственно-временного графа, так и оптимальной таблицы маршрутизации передачи от узла-источника к узлу-получателю. Такие алгоритмы на основе пространственно-временных графов не требуют ресурсов канала, но имеют высокую вычислительную сложность. . Будущие спутниковые кластеры LEO, такие как программа Blackjack, в большей степени зависят от обмена информацией между всеми спутниками, чтобы
обеспечить эффективное объединение данных, автономное принятие решений и сотрудничество. Однако до сих пор отсутствуют исследования космических динамических сетей в рамках этого механизма вещания. Информация передается от узла A к узлу D в момент времени t1, а затем передается от узла D к узлу C в момент t2, и этот способ маршрутизации «хранение-ожидание-вперед» относится к методу DTN. ; (2) узел A ждет, пока t3 не установит полный путь с узлом C, и этот метод маршрутизации часто используется для одноранговых сетей. Очевидно, что полный путь между источником и пунктом назначения может отображаться не всегда, поэтому метод маршрутизации DTN может не только реализовать доставку информации за более короткое время, но и улучшить коэффициент доставки.
Статическая сеть имеет более простую модель с более полным исследованием теории и инженерных реализаций. Динамическая сеть совершенно другая, поскольку динамическая сеть имеет последовательность Динамические сети обычно делятся на две формы: форму без потерь и форму с потерями. Форма без потерь записывает весь статус соединения, в то время как форма с потерями делит временной интервал на несколько сегментов, рассматривает каждый сегмент как статическую сеть и, наконец, соединяет все сегменты, чтобы сформировать полную сеть. Форма без потерь должна записывать каждый момент изменения отношения соединения, что требует большого объема памяти. Следовательно, форму с потерями можно использовать для моделирования динамической сети. Рассматривая кватернион, представляет два узла, соответственно, и обозначает момент возникновения соединения, а δt обозначает продолжительность соединения и необратимость.
При традиционном механизме вещания. исследования сосредоточены на проблемах сквозной связи (одноадресной рассылки), а ее алгоритмы маршрутизации и показатели маршрутизации основаны на качестве сквозной связи. В настоящее время также проводятся некоторые исследования проблем многоадресной рассылки, но разница между «индивидуальной» и «многоадресной» передачей в основном заключается в улучшении алгоритмов маршрутизации, а не показателей оценки.
В настоящее время исследований механизма вещания космических сетей с быстро меняющейся топологией немного. Необходимо провести механизм оценки как самой сети, так и алгоритмов маршрутизации. С этой целью мы стремимся предоставить теоретическую поддержку для проектирования будущей космической системы и обоих алгоритмов маршрутизации. . Поскольку целью маршрутизации космической сети является передача сообщений всем узлам, общее количество сообщений, которые необходимо передать, одинаково как для алгоритма лавинной рассылки, так и для алгоритма оптимальной маршрутизации. Разница между ними заключается в количестве установленных соединений и времени инициирования запросов маршрутизации. Алгоритму лавинной рассылки необходимо инициировать поток запросов маршрутизации, в то время как алгоритм оптимальной маршрутизации должен инициировать только n − 1 запросов маршрутизации. Коэффициент загруженности узла. Соотношение перегруженных узлов может отражать инженерную осуществимость алгоритма маршрутизации. Если не
учитывать пропускную способность узла, разработанный алгоритм маршрутизации может чрезмерно использовать конкретный узел за короткий промежуток времени, что приводит к перегрузке узла, а также к потере данных. Следовательно, разработка алгоритма маршрутизации с учетом перегрузки узлов повысит надежность алгоритма в практической инженерии.
В сочетании с орбитальными космическими системами мы реализуем моделирование для проверки рациональности метрик, которые мы предложили для оценки производительности динамической сети и механизма вещания. В моделировании используются фактические данные об орбитах инфракрасных и спутниковых спутников на орбите. Два спутника могут осуществлять связь, когда они удовлетворяют следующим условиям (приблизительно оцененным по созвездию Иридиум): (а) расстояние между ними менее 4000 км; б) высота линии связи всегда больше 100 км до земли. Моделирование генерирует 500 сообщений случайным образом в несколько моментов, соответственно, и устанавливает TTL равным 3000 секундам. Чтобы сравнить производительность различных сетевых структур, мы оба используем алгоритм эпидемической маршрутизации для этих сетей. Производительность подключения сети имеет тенденцию к увеличению по мере увеличения количества спутников в сети, а средний коэффициент доставки продолжает увеличиваться при одном и том же TTL. Расчет абсолютного времени передачи не зависитопределяется из коэффициента доставки и учитывает только время, затраченное на фактически доставленные сообщения, поэтому его необходимо использовать вместе со средним коэффициентом доставки при измерении производительности сети. При расчете относительного времени передачи учитываются недоставленные сообщения и настраивается их время как TTL, поэтому относительное время передачи также в определенной степени отражает коэффициент доставки. . В распределенном алгоритме, когда сообщение плотное, подтверждение передачи нескольких сообщений может быть выполнено одновременно по одному маршруту.
В данной работе исследуется космическая сеть в рамках механизма вещания. Во-первых, мы дали определение и анализ модели динамической сети. Затем вводится структура алгоритма пространственной маршрутизации в рамках механизма широковещательной передачи, которая включает в себя алгоритм централизованной маршрутизации, основанный на предсказуемости модели, и распределенный алгоритм, основанный на структуре сообщества. Кроме того, предложены показатели оценки производительности сети и алгоритма маршрутизации, включая средний коэффициент доставки, среднее время передачи, среднее время RREQ и коэффициент перегруженных узлов. В данной статье представлены некоторые проблемы и возможные направления исследований в смежных областях. Это может помочь создать основу для исследования обмена информацией в динамических космических сетях.