[发明专利]一种多状态空间信息网络拓扑生成优化算法

说明书

本发明公开了一种多状态空间信息网络拓扑生成优化算法，考虑卫星系统的多状态特点，利用现有的卫星星座，以连接度和可视距离等为约束条件，针对卫星网络高动态性，以链路平均端到端时延和最大端到端时延为优化目标，设计了一种改进的多目标模拟退火算法进行拓扑生成，在考虑卫星多状态的情况下，得到全局最优拓扑结构的近似解，并证明了生成的卫星网络拓扑的可靠性和抗毁性。本发明通过设计算法，对静态拓扑进行改变，生成并优化为动态拓扑，减小了网络时延，提高了网络抗毁性。通过该IMOSA算法，解决了静态拓扑在多状态情况下网络通信性能下降的问题，保证了卫星间信息的快速传输，以及整个空间信息网络的抗毁性。

技术领域

本发明涉及一种GEO-LEO卫星网络的信道分配方法，特别是一种多状态空间信息网络拓扑生成优化算法。

背景技术

随着“空天地一体化”进程的推进，空间信息网络(Space Information Network，SIN)在信息的传输、获取和分发任务中起着极其重要的作用。与地面网络不同，卫星网络中通信节点高速运动，通信链路频繁断开，信息传输的时延大、误码率高，严重影响网络拓扑的稳定性。而稳定的卫星网络拓扑不仅是实现网络信息交换和资源共享的基础，而且也是实现网络管理、协议设计优化、安全控制等的前提。因此，设计可靠的卫星网络拓扑算法至关重要。

传统的卫星网络拓扑生成算法大多仅考虑卫星网络的空间特性，即看作分布在近地空间的一般节点，而实际情况则更为复杂，卫星节点本身是一个多状态系统。多状态系统的定义及可靠性概念在20世纪70年代首次被提出，实际上，卫星在轨运行期间，由于零部件老化、负载及储能损耗等，卫星系统性能逐渐劣化，系统从正常工作到完全失效需要经历一系列中间过渡状态，这些不同状态导致了卫星实际上的工作性能不同，即卫星工作中具有多态性。在多状态条件下的卫星网络中，由于部分卫星节点会有电阻电容发生老化、磁盘机械磨损和故障率提升等现象，并且当卫星节点数据并发量过大，导致CPU和存储读写繁忙，都会导致处理能力下降、读取数据速度变慢等问题。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能改善读取数据速度变慢等多状态现象导致网络整体时延下降问题的多状态空间信息网络拓扑生成优化算法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种多状态空间信息网络拓扑生成优化算法，包括以下步骤：

A、建立星间拓扑模型

设星间链路拓扑是一个各边权值为星间距离的无向图，并描述如下：

G(S,E) (1)

其中，S＝{s₁,s₂,…s_n}是n颗卫星的有限节点集，表示网络中卫星节点；E是有限边集，表示网络中卫星间的链路。建立n×n的矩阵A表示n颗卫星s₁至s_n的相互连通状态，当卫星s_i和卫星s_j之间连通时，令a_ij＝1，否则令a_ij＝0，当i＝j 时令a_ij＝0，其中i＝1、2、…、n，j＝1、2、…、n，并称矩阵A为卫星网络的邻接拓扑矩阵，其表达形式如下：

设矩阵V为星间链路的可视矩阵，表示卫星由于地球的遮挡，呈现可视或不可视状态的矩阵。当卫星s_i和卫星s_j之间可视时，v_ij＝1，否则，v_ij＝0，其表达形式如下：