空间信息网络可靠性评估与优化

As a basic attribute, reliability is the important index to measure the network quality. With the wide application of space information network, the demands for communication ability and service life are increasing.. The gradual degradation of the performance or function level of satellite node leads to network polymorphism. The reliability analysis of the traditional binary-state system cannot accurately describe the failure process and law of space information network. There are many kinds of services in space information network, and the requirements of QoS are different. This project adopts multi-state theory, divides space information network into multiple states according to the transmission service characteristics and the network performance evaluation, which more fits the degenerate process of space information network. The object-oriented fuzzy Petri net is applied to build the reliability modeling for space information network. This method reduces the structure complexity, enhances the reusability, scalability and feasibility of system model. On this basis, the reliability measurement index is constructed, and the reliability is analyzed based on the rough inclusion-exclusion principle of the binary-state distance of the knowledge base system. Furthermore, applying the smart cache strategy, the proposed method reduces flow exchange and network congestion, lights network burden, saves bandwidth resource and improves network reliability.

可靠性作为网络的基本属性，是衡量网络质量的重要指标。随着空间信息网络的广泛应用，对网络的通信能力和使用寿命的需求越来越高。. 卫星节点的性能或功能水平是逐渐退化的，导致网络具有多态性。传统的二态系统可靠性分析己经不能够准确地描述空间信息网络复杂的失效过程和失效规律。空间信息网络业务种类多，QoS需求各不相同，本项目采用多状态理论，依据传输业务特点及网络性能评估等级将空间信息网络划分为多个状态，符合天基信息网络实际的失效过程。采用面向对象的模糊Petri网进行空间信息网络可靠性建模，利用对象的封装及继承等特性，降低模型的结构复杂性，增强可重用性、可剪裁性和可求解性。在此基础上，构建了空间信息网络可靠性的衡量指标，基于知识库系统二态距离的粗糙容斥理论进行空间信息网络可靠性分析。同时，采用智能缓存存储策略减少流量交换，减轻网络负担，节省带宽资源，减少网络拥塞，进而提高网络可靠性。

随着空间信息网络在军事侦察、导航定位、资源观测、灾害防护、气象预报和环境监测等领域的广泛应用，对网络的可靠性提出了更高要求。.针对空间信息网络拓扑结构时变、卫星大时空尺度、星间链路差异巨大等问题，本项目以多状态系统的理论基础为指导，突破卫星通信系统多状态可靠性建模的关键技术瓶颈问题，重点开展了卫星通信系统多状态信息网络可靠性建模与分析、可靠性优化技术研究。具体内容包括三个方面。①空间信息网络节点和链路除“完全可靠”和“完全失效”外，还存在许多中间过程。本项目从多状态角度分析了节点和链路的多态性，以用户QoS需求出发为出发点，基于Petri网建立了空间信息网络的可靠性模型。②分析现有可靠性指标间的关系，依据用户QoS需求，建立了符合空间信息网络数据传输的可靠性指标体系，并提出满足业务QoS需求的端-端可靠性和k端可靠性分析方法，使得网络可靠性分析更接近理论值。③提出多态性空间信息网络拓扑生成优化方法，避免了状态差的卫星节点建链，使得平均时延和最大时延分别降低16%和34%。根据空间信息网络卫星节点运行特点及拓扑变化，提出了空间信息网络分区模型，建立节点协作缓存模型，根据内容流行度等信息优选卫星缓存节点，降低了用户内容获取时延，提高缓存命中率，从而提升了网络可靠性。.本项目为空间信息网络可靠性研究提供有力的技术支撑，对于空间信息网络不同业务的可靠传输具有重要意义。