高动态空间信息网络容量理论

This project aims at investigating the key factors of network capacity of space information network. With the consideration of the highly dynamic characteristics of traffic and network nodes, the complex spatial and temporal network environment, and the limited network resources, we will exploit the network capacity of SIN. We aim at maximizing the whole network throughput, while studying the asymptotic characteristic of per node’s capacity (scaling law). We will focus on the research on the influence of traffic model and mobility model of network nodes, establish the network capacity analytical model of SIN, and reveal the network capacity region of SIN. The achievements of this project will provide a technical support for the deployment and performance improvement of space information network.

本课题探索空间信息网络中影响网络性能的关键要素。针对空间节点高动态运动、网络时空行为复杂、业务需求随任务变化、以及频谱和轨道资源受限等的挑战，建立分析空间信息网络的基本技术途径，提出具体的网络容量分析方法，揭示空间信息网络网络形态、网络规模、网络协议等对网络容量的制约或提升的本质内涵，形成空间信息网络组网理论基础；通过深入研究业务特性与节点运动模型及其对网络容量的影响、空间信息网络容量建模、资源受限条件下空间信息网络容量域分析与逼近方法等，突破空间信息网络的组网方法，从而为新一代空间信息网络的部署和性能提升提供技术支撑。

空间通信技术是人类进入空间的桥梁，也是人类掌握和利用空间的基础。作为衡量网络性能的最基本标尺：网络容量，成为了空间信息网络研究的基础和重要方向。针对空间信息网络具有空间节点高动态运动、网络时空行为复杂、业务需求随任务变化、以及频谱和轨道资源受限等特点，使得传统静态拓扑采用的图模型与优化理论不适用于该动态网络等问题，在国家自然科学基金项目“高动态空间信息网络容量理论（编号：91338114）”的资助下，开展了深入的研究工作,并取得了如下研究成果: .首先,构建了资源时变图和资源时变冲突图的表征体系，可准确描述空间信息网络资源在时空两个维度上的关联性和冲突关系。针对空间信息网络的高动态特性，构建了空间信息网络的资源时变图体系，实现了空间信息网络中的观测、计算、存储、通信等多维资源的联合表征。同时，还对网络资源间的时空关联性进行了刻画，为探索多种资源对空间信息网络中任务执行过程的影响提供了理论基础。进一步，提出了资源时变冲突图来建模不同资源调度过程中的冲突关系，揭示了资源冲突的时变性与相关性，为寻找无冲突的资源调度方案提供了理论基础。.其次,建立了空间信息网络容量的分析模型，获得了典型场景下的网络容量。针对双层准静态星网络，利用图论与优化理论，获得了网络容量上、下界的闭合表达式，揭示了链路带宽、卫星数目、卫星高度、天线倾角等参数对网络容量的影响。针对高动态空间信息网络，将容量求解问题转化成资源时变图上的多商品流问题，揭示了网络中星载图像压缩模块能力、存储空间大小、电池大小等参数对网络容量的影响。.最后,提出了逼近网络容量的有QoS保障的空间信息网络资源管理方法。项目组针对对地观测系统中任务和资源分布的不均匀性，设计了一种联合观测、压缩、数传资源的规划方法，该方法不仅可以有效地提升网络中可承载的任务数，还可有效提升回传信息的质量。另外，项目组还提出了一种基于天线摆动时间的数传任务规划方法来提高中继卫星系统的资源利用率。该方法在任务规划过程中，根据中继卫星天线在用户卫星之间摆动时间来合理安排各天线的服务次序，从而降低天线空转时间，提高了空间信息网络资源的利用效率。.在整个研究期内，本项目共发表（或录用）论文27篇，其中期刊论文17篇，会议论文10篇。授权发明专利1项，申请发明专利12项。