空间DTN技术

进入21 世纪以来，人类开展了广泛的地球环境监测、灾害预报、资源探测和深空探测等空间科学活动。为了满足这些空间科学活动的信息需求，作为空、天、地一体化信息基础设施的空间信息网络应运而生。空间信息网络是空、天、地一体化的综合信息网络，是空天范围内信息资源的实时获取与互通互联的重要手段和途径，其发展关系着国家的战略利益。空间DTN是支持空间信息网络内部信息交互和外部互联的体系结构，采取存储—转发模式的异步通信方式进行数据传输，凭借其优异的时延/中断容忍能力，应对复杂空天环境所带来的频繁中断、长时延和高误码率等挑战。作为具备学科交叉特点的技术领域，空间DTN不仅具有较高的研究价值，成为解决当前空间信息网络所面临难题的重要手段，同时也是推动航天信息工程和深空通信技术发展的有力助推器。国际航天和空间通信领域正在积极开展空间DTN的理论研究、技术攻关和实验验证，以推动实现空间通信的网络基础设施的整合和高效利用，为未来更复杂的地球空间科学活动和深空探测任务奠定基础。

本书以“DTN基础—空间DTN模型—空间DTN技术—仿真平台设计”为逻辑主线，首先介绍DTN的发展历史、应用场景及DTN体系结构；进而从空间信息网络、空间DTN体系结构和技术挑战方面提出空间DTN模型；然后着重分析了空间DTN路由与传输、缓存分发策略等技术；最后介绍了空间DTN仿真平台设计和未来展望。

本书旨在使高等院校教师和学生更好地掌握空间DTN技术以推动空间信息网络的发展。本书可作为高等院校本科生、研究生的教学参考书，也可作为空间信息网络领域研究人员和工程技术人员开展学术研究的专业文献。

本书的编写分工如下：杨志华教授组织和设计了整体框架，并参与编写了所有章节；张钦宇教授编写了第1章，以及进行了统稿工作；苑阿芳博士编写了第2章，并参与编写了第1章；徐运来博士编写了第3章，并参与编写了第2、4章；李悦博士编写了第4章，并参与编写了第2、3章；胡洲勇博士编写了第5章，并参与编写了第2章。另外，张亦昕、李贺辰、别灵臻、高荣浩等同学做了资料整理工作，在此一并表示感谢。

本书系统介绍了DTN技术的基本原理、发展趋势和在空间通信中应用所面临的挑战，完整地阐述了空间DTN网络的体系结构、系统模型和分析方法。本书围绕着空间DTN网络的时变图、路由与传输、协议优化设计、仿真实验平台搭建等内容开展论述。最后给出结论与展望。

杨志华

工学博士，哈尔滨工业大学（深圳）教授，博士生导师，鹏城实验室副研究员，广东省空天通信与网络技术重点实验室副主任。长期从事空天通信、DTN网络和无人机集群技术等领域的研究工作。承担国家科技重大专项课题，国家自然基金重大研究计划项目、重点项目、面上项目，以及中国工程院战略咨询研究项目等多项国家级课题，研究成果被中国空间技术研究院作为月球中继系统工程建设备选技术。参与制定国家标准《空间数据与信息传输系统利克莱德传输协议（LTP）》。在国际高水平期刊上发表SCI检索文章30余篇，授权国家发明专利30余项。

张钦宇

工学博士，教授，博士生导师，哈尔滨工业大学（深圳 ）副校长，国家级人才。长期从事智能无线通信、空间信息学和智能信号处理的研究工作。主持承担了国家自然科学基金重大仪器项目、重点项目、重大研究计划，国家科技重大专项，中国工程院重大咨询项目等课题，部分研究成果在国家重大工程中得到应用。获得国家杰出青年科学基金、国家万人计划科技领军人才计划的资助，获得深圳市鹏城杰出人才奖、广东省南粤优秀教师等荣誉。现为广东省空天通信与网络技术重点实验室主任、科技部6G技术研发总体专家组专家、中国电子学会通信分会副主任委员、中国电子学会会士和中国通信学会会士。目前担任《中国科学》《通信学报》等期刊编委。

第1章  DTN基础 001

1.1  DTN的发展历史 001

1.2  DTN的应用场景 004

1.3  DTN的体系结构 007

1.3.1  BP 009

1.3.2  LTP 012

参考文献 013

第2章  空间DTN模型 017

2.1  空间信息网络 017

2.1.1  卫星通信网络 020

2.1.2  深空通信网络 026

2.1.3  空间协议技术 031

2.2  空间DTN 036

2.2.1  空间DTN体系结构 038

2.2.2  空间DTN技术挑战 044

2.3  时变图 046

2.3.1  时变图的基本概念 047

2.3.2  时变图在空间通信中的应用 051

参考文献 052

第3章  空间DTN路由与传输策略 061

3.1  空间DTN的拓扑模型 063

3.1.1  时变拓扑与时变图模型 064

3.1.2  拓扑的连通性 076

3.2  空间DTN的路由策略 085

3.2.1  连接图路由 085

3.2.2  时变图路由 108

3.3  空间DTN的传输策略 118

3.3.1  存储转发模式 118

3.3.2  多路径传输 120

3.4  空间DTN的性能分析 127

3.4.1  Bundle的端到端时延估计 128

3.4.2  DTN链路的可用带宽估计 140

参考文献 149

第4章  空间DTN缓存分发策略 153

4.1  空间DTN的文件部署策略 154

4.1.1  网络连通度 154

4.1.2  缓存节点选择算法 157

4.2  空间DTN的文件替换算法 158

4.2.1  文件流行度 159

4.2.2  文件替换算法 163

4.3  空间DTN的缓存分发算法 167

4.3.1  连通支配集 167

4.3.2  缓存分发算法 168

参考文献 175

第5章  空间DTN仿真平台设计 177

5.1  空间通信的软件仿真 177

5.1.1  卫星轨道仿真软件 179

5.1.2  主要功能及参数 180

5.1.3  VO空间网络视景技术 182

5.1.4  STK与VC的交互 182

5.2  DTN的实验平台 183

5.2.1  典型的DTN实验平台 184

5.2.2  空间DTN的实验设计 191

参考文献 194

第6章  展望 195

本书系统介绍了DTN技术的基本原理、发展趋势和在空间通信中应用所面临的挑战，完整地阐述了空间DTN网络的体系结构、系统模型和分析方法。本书围绕着空间DTN网络的时变图、路由与传输、协议优化设计、仿真实验平台搭建等内容开展论述。最后给出结论与展望。

杨志华

工学博士，哈尔滨工业大学（深圳）教授，博士生导师，鹏城实验室副研究员，广东省空天通信与网络技术重点实验室副主任。长期从事空天通信、DTN网络和无人机集群技术等领域的研究工作。承担国家科技重大专项课题，国家自然基金重大研究计划项目、重点项目、面上项目，以及中国工程院战略咨询研究项目等多项国家级课题，研究成果被中国空间技术研究院作为月球中继系统工程建设备选技术。参与制定国家标准《空间数据与信息传输系统利克莱德传输协议（LTP）》。在国际高水平期刊上发表SCI检索文章30余篇，授权国家发明专利30余项。

张钦宇

工学博士，教授，博士生导师，哈尔滨工业大学（深圳 ）副校长，国家级人才。长期从事智能无线通信、空间信息学和智能信号处理的研究工作。主持承担了国家自然科学基金重大仪器项目、重点项目、重大研究计划，国家科技重大专项，中国工程院重大咨询项目等课题，部分研究成果在国家重大工程中得到应用。获得国家杰出青年科学基金、国家万人计划科技领军人才计划的资助，获得深圳市鹏城杰出人才奖、广东省南粤优秀教师等荣誉。现为广东省空天通信与网络技术重点实验室主任、科技部6G技术研发总体专家组专家、中国电子学会通信分会副主任委员、中国电子学会会士和中国通信学会会士。目前担任《中国科学》《通信学报》等期刊编委。