分布式星群网络体系结构与智能重构方法研究

Concerning the issues of low platform capability, few geostationary orbits and limited frequency bands to our country, this project proposes a space-reconfigurable distributed satellite-cluster network, which consists a basal network platform for the future new concept services. Multi-satellite collocation and multi-satellite collaboration strategies are employed to improve the transmission and coverage abilities of space communications. Using these technologies, the distributed satellite-cluster network can improve the integrated usage efficiency of satellite resources, and has significantly meanings to carrying out the construction of space information systems. To meet the demands of future networked space information systems, the general architecture of the reconfigurable distributed satellite-cluster is proposed in this project. According to the heterogeneous, long transmission delay, highly dynamic topology and other properties of distributed satellite-cluster network, this project employs multi-object optimization, wireless cooperation, load-aware, data mining etc, theories and methods. Several Key techniques, i.e. networking methods of distributed satellite-cluster networks, cooperative resource allocation based on virtual service buses, reconfiguration and self-healing strategies based on multi-region cognition, are studied in this project. Moreover, a simulation system is built to verify the architecture design and key techniques. The research results of this project can provide technical supports and fundamental theories for the engineering projects of space communication networks.

本项目针对我国单星平台能力有限、同步卫星轨位和频谱资源匮乏的困境，提出发展空间可重构分布式星群网络，构建未来空间新概念业务的基础性网络平台，利用多星共轨、多星协同提升空间通信传输和覆盖等能力，对提升卫星资源综合效率，实现我国空间信息系统的创新发展和跨越发展具有重大意义。项目着眼未来空间信息系统网络化需求，设计并提出可重构分布式星群的总体体系结构；针对分布式星群网络异构性、传输长时延、拓扑高动态等特性，采用多目标优化、无线协同、负载感知、数据挖掘等理论和方法，开展分布式星群网络组网、基于星群虚拟服务总线的协同资源分配、基于多域认知的重构与自愈等创新关键技术研究，构建仿真验证系统，对系统总体设计和关键技术进行验证，项目研究成果将为我国空间通信网络工程提供技术支撑和理论基础。

随着卫星定位、对地观测和空间应急通信等技术的普及和进步，空间已成为国家安全的战略高边疆。卫星通信网作为空间信息网络的基础传输平台，需要向上支持深空探测的超远程、大时延不间断可靠传输，向下支持对地观测的高动态、宽带实时传输，同时可保障远洋航行、航空接入、应急救援等重要价值用户通信。目前，我国面临着单星平台能力有限、同步卫星轨位和频谱资源匮乏的困境，亟待发展未来空间新概念网络。因此，本项目着眼未来空间信息系统网络化需求，提出分布式星群概念，利用多星共轨、多星协同提升空间通信传输和覆盖等能力，提升卫星资源综合效率，对实现我国空间信息系统的创新发展和跨越发展具有重大科学意义，项目研究成果为我国空间通信网络工程提供了技术支撑和理论基础。本项目的主要研究内容和重要结果包括： .1.面向天地一体化信息网络构建需求，提出基于分布式星群的空间信息网络体系架构，解决了空间信息网络构建与平台承载能力弱之间的矛盾；采用复杂网络分析理论，提出了一种新型HAP/卫星综合通信组网方法，解决了能耗受限条件下高网络服务质量实现的难题，为我国空间信息网络构建提供了重要支撑。相关成果已应用于我国下一代空间信息网络的设计和规划，指导有关项目立项实施。.2. 面向分布式星群多用户接入及协同传输需求，设计了非正交多址的稀疏序列，大幅降低了信号检测处理复杂度，解决了海量用户接入难题；利用围线积分、留数定理等方法研究了协同传输中断概率和平均符号错误概率等性能，分析了长延时反馈信息失配对协同传输系统的性能影响，为星群网络协同传输提供了理论依据。.3. 面向星群网络的资源高效配置需求，提出基于延迟因子的吞吐量最大化与时间调度的优化方法，提出基于云端的空地一体化网络资源分配方法，提出基于非理想信道信息的分式优化方法，有效解决了时隙、频率、功率等资源相互关联耦合的复杂资源共享问题，为星群网络资源优化效率的提升提供了手段。