基于极值理论与参数优化的空天DTN网络高效传输机理

With the trends of the globe developments on the scientific aerospace techniques and space communications, this project develops an elaborated theoretical fundamental on the image delivery for space disrupt tolerant networking, which fully exploits the capabilities of the collaborative earth-satellite relaying networks in order to get back the scientific returns rapidly and reliably. The work will put the highlights on the theoretical model of the EVT-based (Extreme Value Theory) estimation on the capabilities of each hop, which could be used to obtain the optimal parameters of the image delivery on the end-to-end path. Taking into the consideration the link quality characteristics and the aerial node’ kinetic characteristics, we attempt to establish the delivery time and packet loss probability models of the single hop link and introduce the erasure coding and bundle fragmentation into the image transport. These efforts will make systematic theoretical and technical breakthroughs on the applications of DTN into the earth-space network, by attentively addressing critical challenges in the way of prompting space communications. As a hopeful result, the proposed project expects to make the interesting improvements with the respects of the data delivery latency performance the data delivery successful probability for the image return over the space DTN.

本课题面向我国航天科技和空间科学的发展趋势，针对空天DTN网络中图像数据的回传问题，开展空天DTN网络的高效传输机理研究。以空天DTN网络星间链路特性建模与分析为切入点，基于极值理论方法对单跳链路的性能进行估计和预测，分析影响端到端性能的主要因素，并据此对端到端性能进行评估以优化配置相应的传输参数，提高图像数据在空间网络中的传输效率。在此基础上，基于前向纠删编码设计空天DTN网络的数据传输策略，探索高动态链路下数据的无反馈可靠传输理论，在保障可靠传输的条件下加快数据在网络中的传递，进一步提高空天网络节点存储资源的使用效率和网络吞吐量。拟提升空天DTN网络在数据传输时延和给定时间内投递成功概率两项指标上的图像回传能力，满足空天信息网络图像数据业务的可靠性和有效性需求。

本课题拟针对空天DTN 网络星间链路特性进行建模，开展对图像数据在多跳链路的高效传输机理研究，开展了下列研究内容：结合节点动力学特性和电波传播特性的空天链路建模；基于极值理论的图像传输性能估计算法与误差分析；给定节点存储条件下端到端传输性能优化模型与协议设计。取得的主要研究进展包括：一、针对空间DTN网络星间链路特性，对DTN网络传输协议进行优化设计，解决空间链路下DTN协议的高效传输难题。重点分析bundle尺寸对链路传输性能的影响，并据此对传输参数进行优化配置，减小端到端传输时延，提高传输吞吐量。二、课题针对空间链路的高动态特点，对链路可用带宽的进行估计和预测。围绕连接中断、流量拥塞等突发情况下的传输策略，设计空天混合DTN网络的路由算法，解决卫星网络在突发条件下的数据传输难题。三、针对空间DTN网络的拓扑分析难题，课题通过引时变图模型对空间DTN网络的拓扑进行建模，重点针对网内缓存机制设计基于沿路缓存的数据分发策略，减少数据分发过程中的冗余链路，减少数据分发时延，提高分发性能。课题经过四年多的深入探索，共计录用和发表高水平期刊论文6篇，高水平国际会议论文9篇，申请国家发明专利9项，授权3项，获得了WCSP 2018国际会议最佳论文奖。项目已培养出硕士研究生10名，均已获得硕士学位。上述研究成果，针对课题的预定科学目标展开，经过系统性的研究工作，深入的探索了空天DTN 网络的高效传输机理，较好的实现了对空天DTN 网络传输协议的优化设计，部分解决了数据的可靠和快速返回难题。