基于时变图的空间信息网络模型、能力极限与优化理论

With the proliferating of space platforms and increasingly urgent demand for space applications, space information network will be developing rapidly. Due to the characteristics such as large-scale spatial and temporal dynamics, multi-dimensional heterogeneity and dynamic services evolution in space networks, it is necessary to establish a theoretical framework that suits for the specific space network environment. By integrating the research basis in the information network and graph theory areas, and the researchers from the departments of electronic engineering and mathematics in Tsinghua University, this project establishes a basic model for space information network based on extended time-varying graphs, studies its capacity limit and optimization theory. First, by extending time-varying graphs’ capabilities of depicting and modeling the behavior of the space information network, a model of space information network based on time-varying graph is established. Second, on the basis of efficiently depicting the space network awareness, transportation, and computing abilities in both the time and space dimensions of this model, we establish the theory to describe the dynamic time-varying feature as well as study the limits of multidimensional processing capability of space networks. Third, we propose the extended time-varying graphs based dynamic optimizing model for space information network through efficiently depicting the resources arrangement and allocation while carrying out the network tasks. Finally, we build the simulation platform and network optimizing environment for high dynamic, multidimensional, and heterogeneous space networks, and then efficiently verify the key application and guiding significance of our proposed modules and theories in the space information networks.

随着空间平台数量的剧增和空间应用需求的日益急迫，空间信息网络将得到迅速发展。由于空间网络具有大尺度时空动态、多维功能异构化及业务时空演变等特性，需要建立符合空间网络环境的理论体系。本项目通过联合清华大学电子系与数学系在信息网络及图论领域的研究基础与科研团队，研究建立基于扩展时变图的空间信息网络基础模型、能力极限与优化理论体系。首先，通过拓展时变图对空间网络行为特性的刻画与建模能力，建立空间信息网络扩展时变图模型。其次，基于该模型对空间网络感知、传输和计算能力在时间和空间两个维度的刻画，建立在描述空间网络动态时变的同时有效刻画多维处理能力极限的理论。再次，通过该模型在有效表达执行网络任务时资源组织形式及其分配关系的能力，建立基于扩展时变图模型的空间信息网络动态优化理论。最后，研究搭建高动态多维度异构空间网络模型仿真与网络优化平台，有效验证提出的模型和理论在空间信息网络中的关键应用与指导作用。

本项目面向空间平台数量的剧增和空间应用需求的日益急迫，空间信息网络将得到迅速发展这一背景，通过联合清华大学电子系与数学系在信息网络及图论领域的研究基础与科研团队，研究建立基于扩展时变图的空间信息网络基础模型、能力极限与优化理论体系。主要研究内容包括：拓展时变图对空间网络行为特性的刻画与建模能力、建立空间信息网络扩展时变图模型、建立在描述空间网络动态时变的同时有效刻画多维处理能力极限方法以及建立基于扩展时变图模型的空间信息网络动态优化理论。课题开展顺利，取得了预期的研究成果，典型成果包括：建立基于扩展时变图的空间信息网络基础模型及优化方法和构建了基于可视化技术的时变图模型模拟与优化演示系统。通过本课题的研究，可为描述和刻画大尺度、高动态、多维度的异构空间信息网络提供基础模型，该扩展时变图模型及其能力分析方法，结合相关数据，能有效的展现和刻画空间信息网络在连通性、可达性、传输及处理能力等方面的大时空尺度特征，从而增强对空间信息网络的基本认识和理解，可应用于重大研究计划中的空间网络体系结构、动态网络环境下的高速信息传输等研究。