复杂空天地一体化网络多维参数耦合的动力学研究

The integration of Space-Air-Ground integrated network has important strategic significance in various fields, such as national security, environmental monitoring, traffic management, disaster relief, and so on. In the multi-dimensional network, we need to ensure reliable effective data transmission by exchanging space-time information and coordination control condition between networks, which is one of the major problems to be solved. The most important feature of the integrated network is heterogeneity, hierarchy, the extension of the link, the rapid changes in topology. The complex network control theories are used to capture the dynamic behavior of the integrated network, and to ensure the transmission of real-time information flow. This project will use the multi domain heterogeneous network system composed of “the Internet, mobile communication network and space network" as the research object. According to the characteristics of continuous and discrete multidimensional parameter we present the dynamic model with hybrid characteristics. Based on the theory of synchronization and consistency of complex network theory, the stability theorem of multi-parameters coupling of network resources is derived. On the basis of the dynamic model, the direction matrix method is used to establish the virtual intelligent domain, and the time delay synchronization coupling optimization algorithm is proposed to guarantee the efficient transmission of the large scale time delay data.

空天地一体化网络在国家安全、环境监测、交通管理、抢险救灾等各种不同领域具有重要的战略性意义。在多维立体的空天地一体化场景中，如何通过网络之间的时空信息互通与协调管控保证数据的可靠有效传输将成为空天地一体化网络构建中亟待解决的重大问题之一。.空天地一体化网络的最大的特点是异构性、层次性、链路时延长、拓扑变化快。利用复杂网络控制理论来捕捉空天地一体化网络的整体动态行为，保证实时信息流的传输。本课题将利用“互联网、移动通信网络、空间网络”构成的多域异构网络系统作为研究对象，根据空天地一体化网络多维参数的连续和离散特点，提出具有混杂特征的动力学模型。利用复杂网络的同步与一致性理论，推导出网络资源多维参数耦合的稳定性定理，寻求控制网络模型的多域临近动态平衡点。并以此动力学模型为基础，利用矩阵测度法建立虚拟智能域，提出“时延—同步—耦合”协同优化算法保证大尺度时滞数据的有效传输。

1 项目背景：空天地一体化网络是由卫星、空中网络和地面通信集成的新兴网络架构, 在国家安全、环境监测、交通管理、抢险救灾等各种不同领域具有广阔的应用场景。然而作为一种新型的网络架构，其具有高异构性、复杂多变性和长短时滞混合性等特点。如何通过网络之间的时空信息互通与协调管控，实现海量数据的可靠有效传输，将成为未来空天地一体化网络亟待解决的重大问题。.2 研究内容：本项目定位于解决空天地一体化网络的无线资源管理和传输协议优化问题,针对提出了空天地一体化通信场景下的联合资源分配策略。首先，研究了通过复杂网络控制理论，构建有效可行的“空天地一体化”异构网络动力学模型。基于空天地一体化异构网络的时变拓扑，将终端输入速率、输出端的丢包率等可控的外部因素抽象为“连续状态”向量；将链路切换、网络拥塞、信道衰落等诸多随机变化的内部因素抽象为“离散状态”向量。提出了空天地异构网络中性能优化模型的稳定性判定定理，并设计了保证数据流端到端传输的链路多维参数协同控制算法。其次，由于空天地网络一体化的节点数目巨大时，增加了时间同步的难度。为此我们充分考虑网络边界判定，端到端传输时滞模型、同步系统的稳定性等因素，推导网络资源多维参数耦合的稳定性定理，并在此基础上开展端到端的协同优化算法研究。进一步利用博弈论、人工智能等方法，提升了网络感知能力，并结合多天线技术研究了无人机作为空中基站实现紧急通信的传输性能增强方案。最后，为实现可靠、实时、高质量的空天地一体化传输提供有价值的研究方案，搭建了空天地一体化异构网络性能仿真演示平台，并对所提理论和方案加以验证。.3 重要成果：该项目执行期间，共完成相关学术论文10篇，申请专利2项，发表专著1项，开展了多次学术交流研讨，在国内外专注空天地一体化异构网络的研究团队中取得了一定的影响力。.4 科学意义：本项目对于空天地一体化网络的网络机理、传输方案、优化方法等方面取得了一些突破。为实现海量数据在空天地异构网络中的顺畅传输，为终端用户提供无缝满意的服务，提供有效解决思路与途径，符合未来技术发展的趋势。