【摘要】：空間信息網(wǎng)絡(luò)是我國“十三五”國家戰(zhàn)略百大工程項(xiàng)目之一,它以空間平臺(tái)(如地球同步軌道衛(wèi)星、中低軌道衛(wèi)星和臨近空間段節(jié)點(diǎn)等)為載體,以地面段(如網(wǎng)絡(luò)控管中心、測控中心和地面站等)為控制管理平面,通過立體、動(dòng)態(tài)的星間鏈路和星地鏈路等建立連接,從而實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)海量空間信息的近實(shí)時(shí)獲取、處理和傳輸。由于空間信息網(wǎng)絡(luò)由多顆同步軌道衛(wèi)星或衛(wèi)星星座組成骨干網(wǎng),因此具有全球覆蓋、遠(yuǎn)距離傳輸、組網(wǎng)靈活和部署方便等顯著優(yōu)點(diǎn),并支持靈活的、無處不在的對地觀測、定位導(dǎo)航和衛(wèi)星通信等一體化服務(wù)。然而,隨著任務(wù)需求的爆發(fā)式增長和新型任務(wù)種類的不斷涌現(xiàn),現(xiàn)有的封閉式資源管理架構(gòu)和單一資源獨(dú)立、靜態(tài)分配方法已難以保障不同業(yè)務(wù)的差異化服務(wù)質(zhì)量需求,這為空間信息網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)演進(jìn)提出了新的需求和挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)相比,空間信息網(wǎng)絡(luò)多維資源呈現(xiàn)出以下鮮明的特點(diǎn),即網(wǎng)絡(luò)資源不流動(dòng)、承接轉(zhuǎn)換關(guān)系復(fù)雜、資源沖突劇烈和匹配程度低等。因此,如何針對空間信息網(wǎng)絡(luò)多維資源的特點(diǎn),設(shè)計(jì)高效的資源管理架構(gòu)及方法至關(guān)重要。本文研究適用于空間信息網(wǎng)絡(luò)的資源管理架構(gòu),實(shí)現(xiàn)多維資源的異構(gòu)融合,并在此基礎(chǔ)上提出多維資源聯(lián)合分配方法,以匹配任務(wù)完成過程中不同種類資源的分配力度。具體研究內(nèi)容如下:1.提出了彈性可重構(gòu)空間信息網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化管理架構(gòu),并詳細(xì)闡述其設(shè)計(jì)理念、邏輯架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)方法、功能模塊及接口關(guān)系。該資源虛擬化管理架構(gòu)借助軟件定義網(wǎng)絡(luò)的概念實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆蛛x,基于網(wǎng)絡(luò)虛擬化實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間通過構(gòu)建虛擬子網(wǎng)共享底層物理資源,并在每個(gè)虛擬子網(wǎng)內(nèi)利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化實(shí)現(xiàn)功能的靈活配置,從而屏蔽底層實(shí)體和協(xié)議之間的差異。與傳統(tǒng)架構(gòu)相比,所提資源虛擬化管理架構(gòu)可以得到更高的吞吐量性能和資源利用率。隨后,研究了資源虛擬化管理架構(gòu)下的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能編排問題,提出了高效、低計(jì)算復(fù)雜度的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能編排算法,實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)功能和資源的按需配置。本章的資源管理架構(gòu)研究為第三章和第四章的多維資源異構(gòu)融合和聯(lián)合優(yōu)化內(nèi)容奠定了基礎(chǔ)。2.提出空間信息網(wǎng)絡(luò)多維網(wǎng)絡(luò)資源(觀測資源和傳輸資源)聯(lián)合調(diào)度方法。具體而言,首先,利用拓展時(shí)變圖來表征空間信息網(wǎng)絡(luò)多維資源(即觀測資源、傳輸資源及存儲(chǔ)資源)間的承接轉(zhuǎn)換關(guān)系�；谕卣箷r(shí)變圖,聯(lián)合考慮觀測資源和傳輸資源,建模一個(gè)整數(shù)線性優(yōu)化問題,以最大化可成功調(diào)度任務(wù)的合優(yōu)先級。為了求解該問題,本章提出了一種多項(xiàng)式計(jì)算復(fù)雜度迭代優(yōu)化算法,該算法將問題分解為傳輸調(diào)度和觀測調(diào)度兩個(gè)子問題,并分別用傳輸時(shí)間分配圖和觀測沖突圖求解。大量的仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提算法的有效性。在小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中,所提算法可得到近似最優(yōu)解。在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中,所提算法能夠得到比現(xiàn)有算法更好的和優(yōu)先級和任務(wù)完成率性能。3.提出空間信息網(wǎng)絡(luò)多維資源(即觀測資源、傳輸資源和計(jì)算資源)動(dòng)態(tài)調(diào)度方法。首先,在時(shí)變觀測信道和傳輸信道條件下,聯(lián)合考量完成對地觀測任務(wù)的觀測調(diào)度、壓縮比選擇和傳輸調(diào)度三個(gè)過程,建模一個(gè)拓展時(shí)變圖上的約束流優(yōu)化問題。隨后,借助排隊(duì)模型,將上述優(yōu)化問題等價(jià)轉(zhuǎn)化為隊(duì)列穩(wěn)定條件下的網(wǎng)絡(luò)效能最大化隨機(jī)優(yōu)化問題。為了求解該問題,本章基于李雅普諾夫優(yōu)化理論和圖論提出了一種多維資源動(dòng)態(tài)調(diào)度算法。該算法將上述優(yōu)化問題分解為單時(shí)隙內(nèi)的兩個(gè)獨(dú)立子問題,并分別采用拉格朗日對偶理論和二分圖中的最大權(quán)值匹配方法求解。該算法僅根據(jù)當(dāng)前時(shí)隙的隊(duì)列大小和信道信息,通過自適應(yīng)的計(jì)算資源分配來緩解觀測資源和傳輸資源之間的差異。分析表明該算法可漸進(jìn)收斂到最優(yōu)解,并保障隊(duì)列的穩(wěn)定性。最后,仿真結(jié)果驗(yàn)證了該算法可以有效提升網(wǎng)絡(luò)的效能。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN927

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本文編號：2709482