空間信息網(wǎng)絡是以各類空間平臺(如地球同步軌道衛(wèi)星、中軌衛(wèi)星或低軌衛(wèi)星、升空平臺等)為載體,以運控地面段(如網(wǎng)絡控制分系統(tǒng)、地面站和任務管理中心等)為控制管理平面,實現(xiàn)實時獲取、處理和傳輸海量空間信息的網(wǎng)絡系統(tǒng),是我國“十三五”國家戰(zhàn)略百大工程項目之一。與傳統(tǒng)地面無線網(wǎng)絡相比,空間信息網(wǎng)絡具有全球覆蓋、組網(wǎng)靈活、遠距離傳輸?shù)蕊@著優(yōu)點,并為導航定位、應急救災、航天測控、智能交通等應用提供一體化服務與支撐,已逐漸成為國家戰(zhàn)略利益的高邊疆。相比于傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡資源特征,空間信息網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡資源具有離散分布性、異構性、動態(tài)性以及資源受限、協(xié)同能力弱等特點。此外,空間信息網(wǎng)絡中的資源多樣,資源間的沖突關系復雜且具有時變性。與此同時,空間信息網(wǎng)絡中的任務復雜多樣,不同任務類型有不同的任務特征,例如通信任務具有時延小、可靠性高的特征,而觀測任務具有數(shù)據(jù)量大、觀測頻率需求的特征�？臻g信息網(wǎng)絡中每項任務往往需要多種資源協(xié)同完成,不同任務對資源的需求也互不相同,例如觀測任務需要成像儀資源而通信任務則不需要。因此,在面向任務的網(wǎng)絡資源管理過程中,既要滿足任務對資源的需求,又要保證資源的無沖突調(diào)度。繁多的資源種類、不同的任務對資源需求的多樣性、網(wǎng)絡資源以及資源之間沖突的時變性給空間信息網(wǎng)絡資源的管理帶來極大的挑戰(zhàn)。為了緩解資源緊張和任務需求發(fā)展的矛盾,如何針對空間信息網(wǎng)絡的多維資源特點以及多樣的任務特征及需求,研究適用于空間信息網(wǎng)絡的高效資源管理方法至關重要。本文研究了適用于應對不同類型任務需求及鏈路資源時變動態(tài)的空間信息網(wǎng)絡多維資源聯(lián)合管理算法,實現(xiàn)了任務需求與多維資源的高效匹配,從而提升資源利用率,進而提升任務數(shù)據(jù)回傳量。具體研究內(nèi)容如下:1.針對觀測任務分布與傳輸資源分布不匹配造成的局部資源瓶頸問題,提出了任務感知的資源聯(lián)合管理策略,實現(xiàn)了具有差異性的觀測任務與鏈路資源、能量資源及存儲資源的有效匹配。具體而言,首先,利用時間擴展圖刻畫網(wǎng)絡的多維資源關系。進而,基于該圖,本論文將最大化網(wǎng)絡加權回傳數(shù)據(jù)量的資源管理問題建模為一個混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP,mixed-integer linear program)問題。為了高效的求解該問題,通過利用其問題的特點,本論文提出一個原始分解的方法將原問題等價的拆成可以并行求解的多個子問題,從而以多項式計算復雜度求解了所建模的問題。為了進一步降低其計算復雜度,提出沖突圖的思想,并且在沖突圖上提出一個考慮衛(wèi)星剩余能量、任務數(shù)據(jù)差異性的鏈路度量。基于該沖突圖,進一步設計了一個啟發(fā)式的基于任務調(diào)度的資源分配算法。最后,通過仿真驗證了所提出算法的有效性,并且證實了資源管理中考慮能量約束以及任務差異性的必要性。2.針對信道狀態(tài)分布對任務調(diào)度中的鏈路調(diào)度和功率分配之間耦合關系的制約問題,提出了基于信道感知的中繼衛(wèi)星任務調(diào)度方法,從而實現(xiàn)任務與鏈路、功率資源之間的有效匹配。由于用戶衛(wèi)星軌道運動和大氣衰減等原因,中繼衛(wèi)星系統(tǒng)星地、星間鏈路信道狀態(tài)呈時空非均勻特征。鏈路的信道狀態(tài)和鏈路可用功率共同決定了鏈路的傳輸能力,而鏈路的信道狀態(tài)分布制約了任務時空分布與鏈路傳輸能力的匹配。因此,為了提升匹配精度,即提升網(wǎng)絡任務完成率,本論文提出聯(lián)合優(yōu)化網(wǎng)絡可行星間鏈路調(diào)度和下行鏈路功率分配的策略。具體來講,首先,基于時間擴展圖,將基于中繼衛(wèi)星協(xié)作傳輸?shù)娜蝿照{(diào)度問題建模為一個混合整數(shù)非線性規(guī)劃(MINLP,mixed-integer nonlinear program)問題,其求解很具有挑戰(zhàn)性。為了使所建模的問題可解,本論文將原始問題等價的拆分成一個功率分配問題和一個基于最優(yōu)功率分配的任務調(diào)度問題,該任務調(diào)度問題仍然是一個MILP問題。本論文進一步設計了一個兩階段的方法高效的求解該MILP問題。最后,仿真結果驗證了所提方法在任務完成率方面的有效性,同時也證實了在任務調(diào)度決策過程中考慮時變且具有差異化的星間鏈路和星地鏈路的必要性。3.針對確定性到達的任務與隨機到達任務之間的資源競爭問題,本論文提出了一種基于隨機到達任務模糊信息的兩階段任務編排方法,進而研究隨機任務到達分布對鏈路容量分配、存儲器容量分配及能量分配之間耦合關系的作用機理,從而保障網(wǎng)絡的整體收益。該方法考慮了網(wǎng)絡資源的動態(tài)重構特性以及規(guī)劃周期內(nèi)隨機任務到達的模糊性,設計了一種任務到達分布魯棒的兩階段隨機優(yōu)化架構。具體而言,利用時間擴展圖刻畫網(wǎng)絡動態(tài)且時變的資源,并將具有時延約束的任務規(guī)劃問題建模為一個兩階段隨機流優(yōu)化問題。隨后,受分布式魯棒優(yōu)化的啟發(fā),本論文引入了模糊集的概念來刻畫不確定分布的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)到達�；谒岢龅哪：�,本論文進一步提出一個數(shù)據(jù)到達分布魯棒的兩階段任務編排算法。本論文將原始的隨機優(yōu)化問題轉化為一個確定性的錐規(guī)劃問題,其可以相對高效的求解。最后,通過仿真實驗,本論文研究了不同網(wǎng)絡參數(shù)對網(wǎng)絡性能的影響,同時驗證了所提出的算法在部分可知隨機任務數(shù)據(jù)到達分布信息的情況下,相比現(xiàn)有算法可以獲得更好的任務數(shù)據(jù)傳輸性能。
【學位單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN927
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
縮略語對照表
第一章 緒論
    1.1 空間信息網(wǎng)絡的研究背景及意義
        1.1.1 空間信息網(wǎng)絡系統(tǒng)組成
        1.1.2 空間信息網(wǎng)絡國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
    1.2 空間信息網(wǎng)絡任務特性及分類
    1.3 空間信息網(wǎng)絡資源管理方法設計現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)
        1.3.1 空間信息網(wǎng)絡資源管理方法研究現(xiàn)狀
        1.3.2 空間信息網(wǎng)絡資源管理方法面臨的挑戰(zhàn)
    1.4 論文的主要貢獻及結構安排
第二章 任務感知的多維資源聯(lián)合管理策略
    2.1 引言
    2.2 相關工作
    2.3 系統(tǒng)模型及問題建模
        2.3.1 時間擴展圖
        2.3.2 任務數(shù)據(jù)流模型
        2.3.3 問題建模
    2.4 基于原始分解的網(wǎng)絡收益最大化算法
        2.4.1 RAPD算法
        2.4.2 復雜度分析
    2.5 基于沖突圖的啟發(fā)式算法
    2.6 仿真結果與分析
        2.6.1 仿真參數(shù)設置
        2.6.2 網(wǎng)絡性能
    2.7 本章小結
第三章 信道感知的中繼衛(wèi)星任務調(diào)度策略
    3.1 引言
    3.2 系統(tǒng)模型
        3.2.1 網(wǎng)絡場景
        3.2.2 信道模型
        3.2.3 時間擴展圖
        3.2.4 任務流模型
    3.3 問題建模
        3.3.1 相關約束
        3.3.2 問題建模
    3.4 最優(yōu)功率導向的基于圖的任務調(diào)度算法
        3.4.1 算法框架
        3.4.2 信道感知的鏈路連接算法
        3.4.3 基于聚合最短路徑的任務調(diào)度算法
        3.4.4 局部搜索算法
        3.4.5 算法復雜度分析
    3.5 仿真結果與分析
        3.5.1 仿真參數(shù)設置
        3.5.2 網(wǎng)絡性能分析
    3.6 本章結語
第四章 任務到達分布魯棒的兩階段任務編排策略
    4.1 引言
    4.2 系統(tǒng)模型
        4.2.1 信道模型
        4.2.2 時間擴展圖
        4.2.3 能量相關模型
    4.3 問題建模
        4.3.1 基本約束
        4.3.2 優(yōu)化問題建模
    4.4 數(shù)據(jù)到達分布魯棒的兩階段算法
        4.4.1 二階段隨機數(shù)據(jù)到達分布的模糊集
        4.4.2 DADR-TR算法設計
        4.4.3 復雜度分析
    4.5 仿真分析
        4.5.1 仿真場景及參數(shù)設置
        4.5.2 性能分析
    4.6 本章小結
第五章 總結與展望
    5.1 全文內(nèi)容總結
    5.2 后續(xù)研究工作展望
參考文獻
致謝
作者簡介

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