动态空间信息网络的传输容量与关键技术

Space Information Network (SIN) is characterized as the fusion of satellite backbone network, access network and a variety of sea, air and terrestrial mobile terminals. The radio propagation delay and reliability can be improved by taking full advantage of the dynamic property of the hierarchical satellite backbone network. To match the transmission task, the diagnosis results of ad-hoc network are used in this project to trace the route of space platform and network dynamics. Wherein, percolation theory will be employed to solve the route problem of high-speed data transmission. Network coding is used to further improve the system capacity. The research contents include: 1) Link state diagnosis: The random measurement matrix is built to reconstruct the link state based on the extended graph theory; 2) Node cooperation and percolation: the node cooperation is transformed into a problem to find the route of high-speed data transmission and network coding between satellite links. The capacity of arbitrary network is analyzed using percolation theory. This task aims to quickly formation of the high-speed data transmission route that can satisfy the demand through link state diagnosis, node cooperation and node percolation. The techniques such as dynamic route and virtual line are used in the network architecture to achieve high-speed reliable transmission.

空间信息网是融合卫星骨干网、地面接入网及各种海陆空移动终端的混合网络。充分利用该网络中分层卫星骨干网的动态特性，可以降低无线信号传播延时、提高传播可靠性。本课题将根据传输任务的需求，利用对自组织网络中链路状态的诊断，基于渗透理论求解高速的信息传输路径，并通过网络编码理论和动态路由设计进一步提高传输容量。具体研究内容包括：1）链路状态诊断与动态路由：通过构建随机测量矩阵，结合扩展图理论实现链路状态的重构，并进行动态路由方案的设计和优化；2）节点协同与渗透：将按需协同分解为一个求解高速信息传输路径和卫星链路网络编码的问题，利用渗透理论对任意约定网络（Arbitrary Network）的传输容量进行分析。针对以上问题，本项目拟实现以下目标：通过网络链路状态的诊断以及节点协同和渗透，迅速构建满足任务需求的快速传输通道，并在该网络体系结构中融合动态路由和虚拟线等技术，从而实现信息的快速可靠传输。

空间信息网络体系是涉及大尺度时空、大覆盖范围下的多种动态网络环境、多种应用数据融合、多类服务对象和不同异构网络互联的复杂系统，是融合了卫星骨干网、地面接入网和各种陆海空移动终端的空天地一体化混合通信网络。本项目针对空间信息网络的特点，探索动态空间信息网络的传输容量与关键技术，通过网络链路状态的诊断、空间平台与用户双选、节点的编码协同，迅速构建满足任务需求的快速传输通道，并在该网络体系结构中融合动态路由和虚拟线等技术，从而实现信息的快速可靠传输。主要创新包括：1）基于无线传感器网络的构建了最短路径多播树。所得到的多播树不仅具有时间复杂度和能耗最优，其理论特征和分布特征使其义易于在无线传感器网络中实现和应用，促进了网络的未来升级。2）提出了基于异构空间信息网络的接入控制算法，实现了用户与网络间的相互选择，提高用户接入成功率，降低中断概率。3）提出了基于跨层的动态业务调度算法，在满足随机卫星网络稳定性的同时，保证了用户间的公平性及参与激励。4）针对同频全双工技术引入到移动中继中的带来的复杂干扰问题，提出了干扰受限条件下的机会双工传输方法，进一步提高了系统的频谱效率；5）提出基于统计波束成形的大规模MIMO移动中继传输方法，能够避免中继自干扰放大引入的震荡效应，通过对基站和用户发送功率进行联合优化，进一步提高能量利用效率。相关研究成果共发表和录用SCI检索论文34篇，EI检索论文26篇，其它论文5篇，申请发明专利11项。先后培养了博士生8人，硕士生13人。1名博士生的博士学位论文获得ACM中国优秀博士学位论文奖，1名硕士生的硕士学位论文获得全军优秀硕士学位论文，2名硕士生的硕士学位论文获得江苏省优秀硕士学位论文。相关研究成果获得国家自然科学基金委主办的第一届空间信息网络学术论坛优秀论文奖1项。本项目的研究成果为空间信息网络的传输容量提升提供理论依据。