卫星网络中面向任务的资源优化分析

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1、第1章绪论第1章绪论1.1研究背景及意义自从1957年第一颗人造卫星上天后，全世界总计发射了5000多颗人造卫星。航天技术给人类进步和文明带来了巨大的影响，航天工业已成了一门新兴的高技术产业。随着航天技术的发展，卫星网络已成为网络研究领域的热点[1]。在早期的五六十年代，人类发射的卫星规模、重量较小，功能也较单一，七十年代以后，随着航天技术的不断成熟，人们对卫星性能要求的不断增加，对空间信息的要求不断提高[2]。而航天技术的发展又使空间的战略地位日益提高，21世纪国家对空间信息的需求和依赖，可以与19世纪、2

2、0世纪工业革命对电和石油的需求和依赖相比拟，人类生活中的数据有80%和空间数据有关，空间信息资源的重要性越来越被人们所认识，空间信息优势将成为国家强大的关键因素[1,3]。目前包括美国、俄罗斯在内的各航天军事强国，都相继展开了以不同种类卫星组网为核心的空间网络技术研究，以期在未来通过强有力的空间网络保障获得信息优势和决策优势[3]。近年来，我国航天事业也有了长足的发展，越来越多的中低轨道的对地观测、气象应用等卫星进入太空，使得卫星在各领域内的应用越来越广泛，同时国防、国土资源管理、气象预报、灾难预防和救灾等各

3、重要领域对卫星的依赖性越来越大[4]。为了能更好的完成赋予卫星的各项职能，对卫星的管理控制尤其是卫星资源的管理控制也越来越复杂，由最初的人工调度管理己经发展成由多种设备组成的庞大的信息系统进行的管理控制[5,6]。因此大力发展卫星的管理控制特别是资源管理控制技术，充分利用卫星的信息资源已经成为各国发展信息化建设和提高卫星应用能力的重要手段。卫星网是由不同轨道上多种类型的卫星系统，采用集中和分布式相结合方式，通过互联互通和信息交换，在空天信息获取的基础上，融合陆、海、空基多种信息网络，实现安全可靠、不间断、实时

4、地获取、处理、提升、传输和分发多源信息，并具有一定自主运行管理和网络重构能力的智能化综合信息网络[7-9]。-1-沈阳理工大学硕士学位论文卫星上的各种功能设备(如各种照相机、摄像机、传感器、存储器、处理器等)以及一些逻辑资源(如频率、频带等)构成了整个网络的计算资源、通信资源、存储资源、侦察资源、遥测资源、跟踪资源、气象资源等可共享资源[10-11]。地面用户终端根据实际情况会对这些不同类型的资源提出任务请求。各个任务比如侦察任务的完成经常需要包括侦察、计算、存储等多种资源的配合完成。对于卫星网来说，由于卫星

5、的发射成本和运行成本与其重量成正比，且入轨后的资源通常是不可扩充的，这就造成了卫星上的资源有限性，相对于地面资源，星上资源显得尤为宝贵。卫星组网的最终目标就是把整个空间资源整合成一个统一的有机整体，实现各种空间资源的全面共享，有效地提供信息服务、计算服务、存储服务以及侦察、导航定位、预警等服务功能。目前各类应用越来越依赖于空间信息的支持，用户对卫星的需求也日益增多，当同一段时间内有多个用户提出多个任务请求时，这些不同的任务经常会需要同类资源去完成，由于资源的有限性往往不可能同时满足这些任务请求。此时，如何合理

6、分配卫星网络的资源进行，安排任务的执行顺序，充分利用有限的卫星网络资源，在最短的时间内最大限度地满足不同用户的资源需求，就显得十分必要了。与固有的有线网络和传统网络相比，卫星网是一种具有高度复杂性，异构性和动态性的网络，它的资源结构和特性都与传统网络有所不同，因此当前地面的资源优化模型和方法无法直接照搬到卫星网络中来。首先，卫星网络的结构是高度动态多变的，组成卫星网络的核心节点——卫星及星座由于其运行的轨道周期特性，新节点的入网、已有卫星节点的故障或退出，通信链路的质量下降而导致无法正常通信或通信中断，以及由

7、于节点的相对移动性而发生的通信链路重建或拆除，都势必导致网络动态拓扑改变。在传统的网络管理中，尽管也存在拓扑变化，如新设备的引进或消除，已有设备的故障等，但是其动态性无法和卫星网的高度动态性相比。因此传统Internet上的资源优化选择不能直接应用于卫星网络。其次，卫星网的网络结构复杂、网元功能各异、资源严重受限。卫星网络是一个综合性的网络，不再是传统意义上的具有单一功能的卫星系统，是由不同轨道上多种类型的卫星系统，按照空间信息资源的最大有效综合利用原则，互通互连，有机构成的智能化体系。而且各个卫星上的有效设

8、备各有差异，并且卫星上的各种资源都是极其有限的。那么如何在卫星网络复杂的条件下合理的选择利用各种资源完成用户提交的任务，-2-第1章绪论进行资源优化和任务调度，是一个亟待解决的问题。本研究来源于国家“863”项目，以卫星网络为背景。本文在分析卫星网络的特点及网络结构的基础上，重点研究如何对卫星网络的侦察、计算、存储资源进行优化组合，提出合理有效的面向任务的资源优化方法。提出了一种基于遗传算法的资源优