基于任务驱动的动态重构空间信息网络体系设计与关键技术研究

As a core objective of future space information networks, it is required to improve the spatial-temporal capability for covering various space tasks in large coverage and highly dynamic environment. Accordingly, how to manage the time-varying, discrete, and heterogeneous network resource has become a critical challenge when regarding the versatile, complex, and diverse space tasks. To circumvent such an issue, this project studies the space information networks and proposes a reasonable network model with dynamically reconfigurable ability, by using the theories of virtualization and software-defined network. Next, by carefully analyzing the inherent characteristics of space tasks and network resources, we reveal the potential relationship between the task structure and network property, and then propose a unified representation system for various tasks. Based on these theoretical researches, we study task-oriented resource management strategy, associated with the dynamic network resource aggregation technology, to continuously support the space tasks. Moreover, we plan to build a network simulation system, which could perform multi-layered space information, to verify the correctness of our analysis and evaluate the efficiency of the proposed approaches. By this project, we will provide a comprehensive study to support the massive space transmissions with various objectives, resulting in leading and boosting development of future space information networks.

提升网络在大覆盖范围、高动态环境下对多样化空间任务的时空连续保障能力是未来空间信息网络的重要目标。如何以时变、离散、异质的空间信息网络资源来承载需求各异、结构多变、种类纷繁的空间任务是目前亟待解决的关键技术难题。本项目借鉴虚拟化和软件定义网络的概念重新定义并设计空间信息网络，建立动态可重构的虚拟化网络体系模型；深入分析空间任务以及网络资源的内在特征，揭示空间信息网络任务结构与资源属性的相互映射机理，形成面向多样空间任务的统一表征与映射体系；研究面向任务的空间网络资源动态管理机制，通过离散网络资源的动态聚合，实现对空间任务的时空连续性支持；搭建多层空间信息网络原型仿真系统，验证理论分析的正确性与可行性，为多样化空间任务的承载提供理论支撑和技术保障，并对未来空间信息网络的研究和发展起到引领和推动作用。

随着空间任务需求的日益增长，传统的卫星网络架构无法有效支持需求各异、结构多变、种类众多的空间任务。因此，集高、中、低轨道卫星、近地空间飞行器、地面信关站等众多空间资源的空间信息网络肩负起满足日益增长空间任务需求的重要使命。然而，空间信息网络资源的时变、离散、异质等特点使得传统的网络管控架构和机制无法实现高效的资源管控，无法有效支撑各类空间任务的实施。因此，本项目旨在建立任务驱动的空间信息网络资源可重构体系架构，使网络能够有效承载多样化的空间任务，取得如下主要成果。.1）建立了空间信息网络服务能力理论模型，揭示了空间信息网络规模-承载能力-可靠性之间的关系，确定了网络服务能力边界；形成了具有最佳控制面拓扑构型的弹性资源管控架构，确保了网络管控信息的低开销、高时效性交互，有效提升了网络可用容量；.2）提出了面向任务的时间聚合资源时变图，实现了时变、异质、非均匀资源的可扩展、低复杂度表征，有效降低了网络资源与空间任务匹配的复杂度。通过统一表征各类空间任务、网络资源以及它们之间的约束关系，可支持多类型任务的联合调度；.3）提出了面向知识的鲁棒任务编排方法，提升了网络资源的利用率、快速响应能力、负载均衡能力以及任务完成率；建立了基于资源虚拟化的资源管控模型和资源动态管理机制，实现了多类任务需求与多维资源的高效匹配，从而达到了提升资源利用率的目的；.4）构建了面向多任务的动态资源管控原型系统，可实现多任务动态资源匹配的功能演示和性能测试，并且开发与西安卫星测控中心站网系统铰链接口，验证了算法与实际系统接口的正确性以及性能的有效性，为我国航天测控系统的站网资源的高效利用奠定了基础。.项目在在国内外主流期刊和会议上发表论文47篇，其中SCI检索论文27篇，中科院2区以上24篇，标注本自然科学基金项目资助47篇，标注率100%，此外，获得空间信息网络论坛优秀论文奖2项；申请发明专利26项，授权发明专利20项。