空间信息网络资源管理架构及方法研究

发布时间：2020-06-12 11:43

【摘要】：空间信息网络是我国“十三五”国家战略百大工程项目之一,它以空间平台(如地球同步轨道卫星、中低轨道卫星和临近空间段节点等)为载体,以地面段(如网络控管中心、测控中心和地面站等)为控制管理平面,通过立体、动态的星间链路和星地链路等建立连接,从而实现全球范围内海量空间信息的近实时获取、处理和传输。由于空间信息网络由多颗同步轨道卫星或卫星星座组成骨干网,因此具有全球覆盖、远距离传输、组网灵活和部署方便等显著优点,并支持灵活的、无处不在的对地观测、定位导航和卫星通信等一体化服务。然而,随着任务需求的爆发式增长和新型任务种类的不断涌现,现有的封闭式资源管理架构和单一资源独立、静态分配方法已难以保障不同业务的差异化服务质量需求,这为空间信息网络的持续演进提出了新的需求和挑战。与传统地面网络相比,空间信息网络多维资源呈现出以下鲜明的特点,即网络资源不流动、承接转换关系复杂、资源冲突剧烈和匹配程度低等。因此,如何针对空间信息网络多维资源的特点,设计高效的资源管理架构及方法至关重要。本文研究适用于空间信息网络的资源管理架构,实现多维资源的异构融合,并在此基础上提出多维资源联合分配方法,以匹配任务完成过程中不同种类资源的分配力度。具体研究内容如下:1.提出了弹性可重构空间信息网络资源虚拟化管理架构,并详细阐述其设计理念、逻辑架构、实现方法、功能模块及接口关系。该资源虚拟化管理架构借助软件定义网络的概念实现网络控制与数据传输的分离,基于网络虚拟化实现异构网络之间通过构建虚拟子网共享底层物理资源,并在每个虚拟子网内利用网络功能虚拟化实现功能的灵活配置,从而屏蔽底层实体和协议之间的差异。与传统架构相比,所提资源虚拟化管理架构可以得到更高的吞吐量性能和资源利用率。随后,研究了资源虚拟化管理架构下的虚拟网络功能编排问题,提出了高效、低计算复杂度的虚拟网络功能编排算法,实现了网络功能和资源的按需配置。本章的资源管理架构研究为第三章和第四章的多维资源异构融合和联合优化内容奠定了基础。2.提出空间信息网络多维网络资源(观测资源和传输资源)联合调度方法。具体而言,首先,利用拓展时变图来表征空间信息网络多维资源(即观测资源、传输资源及存储资源)间的承接转换关系。基于拓展时变图,联合考虑观测资源和传输资源,建模一个整数线性优化问题,以最大化可成功调度任务的合优先级。为了求解该问题,本章提出了一种多项式计算复杂度迭代优化算法,该算法将问题分解为传输调度和观测调度两个子问题,并分别用传输时间分配图和观测冲突图求解。大量的仿真结果验证了所提算法的有效性。在小规模网络中,所提算法可得到近似最优解。在大规模网络中,所提算法能够得到比现有算法更好的和优先级和任务完成率性能。3.提出空间信息网络多维资源(即观测资源、传输资源和计算资源)动态调度方法。首先,在时变观测信道和传输信道条件下,联合考量完成对地观测任务的观测调度、压缩比选择和传输调度三个过程,建模一个拓展时变图上的约束流优化问题。随后,借助排队模型,将上述优化问题等价转化为队列稳定条件下的网络效能最大化随机优化问题。为了求解该问题,本章基于李雅普诺夫优化理论和图论提出了一种多维资源动态调度算法。该算法将上述优化问题分解为单时隙内的两个独立子问题,并分别采用拉格朗日对偶理论和二分图中的最大权值匹配方法求解。该算法仅根据当前时隙的队列大小和信道信息,通过自适应的计算资源分配来缓解观测资源和传输资源之间的差异。分析表明该算法可渐进收敛到最优解,并保障队列的稳定性。最后,仿真结果验证了该算法可以有效提升网络的效能。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN927

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