空间综合信息网络管理关键技术研究与仿真

论文摘要

空间综合信息网（Aerospace Integrated Information Network）是以空间信息系统为主，由不同轨道上多种类型的卫星系统和地面支持系统，按照空间信息资源的最大有效综合利用原则，互通互联有机构成的智能化体系。空间综合信息网络系统设备复杂多样，各种设备有不同格式的控制参数、状态信息和故障信息，对这种高度复杂高度集成的空间综合信息系统进行网络管理是一个具有挑战性的课题，传统的卫星测控体制和业务管理体制很难有效地解决网络管理问题。本文的目标是对未来空间综合信息网络管理的体系结构和关键技术进行研究。空间综合信息网络是一个全新的课题，目前还处于概念研究和飞行演示验证阶段，对网络管理的研究要先于实际网络的部署，本文的研究思路是采用“网络管理系统原型+卫星网络地面仿真环境”的方法，对空间信息网络的空间特性、管理规范进行研究和分析，提出网络管理的功能模型和信息模型，开发一个空间综合网络管理系统原型；在此基础上，为了对管理系统原型进行评估和验证，本文研究和实现了一个空间网络地面仿真环境，作为空间综合信息网络管理系统的被管对象，进行各项管理功能和管理流程的演示验证，经过验证后的空间网络管理的关键技术和管理算法能够以最小的代价移植并应用到未来的空间综合信息网络管理系统中。本文的主要工作和创新主要包括以下几点：1、针对未来空间综合信息网络的特点，以Internet／SNMP管理体制和OSI网络管理体制为基础，提出了一种分层分域的空间综合信息网络管理系统（AIINMS）的体系结构，该管理系统由地面管理中心、星上管理分站和星载代理组成，针对中低轨混合星座组网的空间特性制订了适用于卫星网络管理的功能模型、信息模型和通信模型。在此基础上实现了一个空间综合信息网络管理系统原型，对网络管理体系结构、卫星管理信息库、空间网络管理协议、性能管理算法、故障管理算法、配置管理算法、子网分割算法进行了验证和评估；2、提出并实现了一种应用于空间网络管理的基于小波和神经网络的空间网络流量监测与预测算法，本文对空间信息网络管理的流量遥测和预测进行了研究，使用HSNMP机制来收集星上代理采集的流量统计遥测信息，对非平稳、非线性、高突发的空间信息网络业务负荷进行预测。本文使用基于冗余小波的多分辨率分析结合神经网络的方法，使用冗余小波将时间序列信号分解为表征基本趋势和突发特征的不同尺度的分量，进而使用神经网络方法对各分量进行预测分析，并在空间综合信息网络地面仿真环境中对该算法进行了仿真评估；3、设计并实现了一个基于HLA／RTI的空间综合信息网络地面仿真环境，该仿真环境是一个基于卫星实体仿真的半实物仿真平台，使用一系列HLA／RTI联邦成员，包括轨道仿真成员、星间链路仿真成员、路由协议仿真成员等构成控制网络来模拟空间综合信息网的基本特性，对卫星网络的拓扑结构和传输特性进行控制，并通过服务访问点来运行第三方高层应用。空间网管系统能够象管理一个真实存在的空间信息网络一样在仿真环境中实施网络管理，对包括网络管理在内的多项空间任务进行演示验证；4、提出并实现了一种基于分形散粒噪声的背景业务流量模拟算法。决定仿真的可信度的一个重要因素是对业务数据流量的模拟，业务流量的模拟包括前景业务流量和背景业务流量，前景业务流量由要仿真的上层应用产生，背景业务流量则是为上层应用提供一个逼近真实的网络环境。本文提出了一种基于分形散粒噪声的卫星网络聚合背景流量生成算法，该算法根据星间链路的差错特性、星上路由器随机丢弃策略、星间路由往返时延抖动特性、拥塞控制策略等因素来对单个流的速率波动进行建模，进而使用分形散粒噪声过程对天基组网中的聚合背景业务流量进行模拟生成。本文在空间综合信息网络仿真环境中使用该算法对基于SCPS-VJ空间传输控制协议的聚合背景业务流量进行了模拟生成，仿真结果表明该算法能够生成符合空间网络特性的背景业务流量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 空间信息网络的发展
• 1.1.2 问题的提出
• 1.1.3 空间综合信息网络的网络管理
• 1.2 国内外研究现状与发展趋势
• 1.2.1 国内外卫星网络管理的研究现状
• 1.2.2 卫星网络管理的发展趋势
• 1.3 论文主要工作和创新
• 1.3.1 论文采取的研究方法
• 1.3.2 论文的主要工作
• 1.3.3 论文的创新内容
• 1.4 论文结构
• 第二章 空间综合信息网络管理系统 AIINMS
• 2.1 空间网络管理的需求分析
• 2.1.1 卫星通信网络管理
• 2.1.2 空间综合信息网络管理应具备的特点
• 2.2 网络管理的标准分析
• 2.2.1 ISO的基于 OSI/CMIP的网络管理体系
• 2.2.2 ITU-T的TMN电信网络管理体系
• 2.2.3 IETF的Internet/SNMP网络管理体系
• 2.2.4 几种网络管理体系的比较分析
• 2.3 一种分层分域的空间综合信息网络管理系统 AIINMS
• 2.3.1 AIINMS在航天任务体系中的作用
• 2.3.2 AIINMS的管理层面
• 2.3.3 AIINMS体系结构
• 2.4 AIINMS的功能模型
• 2.4.1 配置管理
• 2.4.2 性能管理
• 2.4.3 故障管理
• 2.4.4 安全管理
• 2.4.5 资源与任务管理
• 2.4.6 管理功能间关系分析
• 2.5 AIINMS的信息模型
• 2.5.1 管理对象和管理信息提取
• 2.5.2 抽象语法表示 ASN.1
• 2.5.3 空间综合信息网络的管理信息建模
• 2.6 AIINMS的空间网络管理协议
• 2.7 小结
• 第三章 空间综合信息网络仿真环境
• 3.1 卫星网络的仿真
• 3.1.1 卫星网络的仿真方法
• 3.1.2 卫星网络仿真的国内外研究进展
• 3.2 空间综合信息网络的轨道模型
• 3.2.1 单层轨道面卫星轨道模型
• 3.2.2 多层轨道面卫星轨道模型
• 3.3 空间综合信息网络的链路仿真
• 3.3.1 太空环境对卫星通信的影响
• 3.3.2 日凌与卫星蚀对星间链路的影响
• 3.3.3 单层轨道面内星间链路
• 3.3.4 多层轨道面内星间链路
• 3.3.5 基于 STK的多层星座组网仿真
• 3.4 空间综合信息网络的拓扑仿真
• 3.5 空间综合信息网络的协议仿真
• 3.5.1 空间组网的协议体系
• 3.5.2 星间路由仿真
• 3.6 空间综合信息网络仿真环境
• 3.6.1 空间综合信息网络仿真环境的体系结构
• 3.6.2 卫星节点实体的设计
• 3.6.3 典型的组网仿真想定
• 3.7 仿真环境中的功能测试
• 3.7.1 STK轨道计算成员
• 3.7.2 链路计算成员和路由成员
• 3.7.3 仿真时间推进测试
• 3.8 小结
• 第四章 空间网络仿真中的背景业务流量建模与生成
• 4.1 混合模式的空间网络流量仿真
• 4.2 分形散粒噪声过程与聚合流量建模
• 4.2.1 分形散粒噪声驱动的随机点过程
• 4.2.2 基于散粒噪声的聚合流量建模
• 4.3 基于TCP拥塞控制的流速率波动模型
• 4.3.1 基于随机差错的 AIMD模型
• 4.3.2 吞吐量建模
• 4.4 卫星环境下TCP聚合流量模拟研究
• 4.4.1 卫星网络环境下变化的往返时延对聚合流量的影响
• 4.4.2 卫星网络环境下的传输差错对聚合流量的影响
• 4.5 与其他业务流量模型的对比分析
• 4.6 小结
• 第五章 空间综合信息网络管理中的网络测量技术研究
• 5.1 空间综合信息网络管理中的网络测量
• 5.1.1 空间综合信息网络管理中网络测量的需求分析
• 5.1.2 网络测量的基本内容
• 5.1.3 网络测量的方法与相关研究工作
• 5.2 网络测量的体系结构
• 5.2.1 网络测量的层次
• 5.2.2 RTFM的实时流量测量体系框架
• 5.3 空间综合信息网络管理中的流量监测
• 5.3.1 卫星网络中的流量监测方法
• 5.3.2 流量数据采样
• 5.4 空间综合信息信息网络流量测量系统
• 5.4.1 空间综合信息网络流量测量系统构成
• 5.4.2 测量工作流程
• 5.4.3 与流量测量相关的管理信息定义
• 5.4.4 在仿真环境中的测试
• 5.5 小结
• 第六章 空间综合信息网络管理中的流量预测技术研究
• 6.1 预测方法研究
• 6.2 基于多孔小波变换的遥测信号分解
• 6.3 基于 Elman神经网络的预测
• 6.3.1 Elman神经网络
• 6.3.2 对不同尺度信号的Elman神经网络预测仿真
• 6.4 基于 BP神经网络的预测
• 6.4.1 BP神经网络
• 6.4.2 对不同尺度信号的BP神经网络预测仿真
• 6.5 对预测结果的分析
• 6.6 小结
• 第七章 AIINMS原型设计与仿真分析
• 7.1 AIINMS的网络管理中心原型
• 7.2 AIINMS的星上代理
• 7.3 AIINMS网络管理协议的协议数据单元格式
• 7.4 对 AIINMS原型的仿真测试
• 7.4.1 仿真部署
• 7.4.2 拓扑探测
• 7.4.3 子网划分
• 7.4.4 网络管理命令的响应时间
• 7.4.5 网络管理的通信开销
• 7.5 仿真置信度分析
• 7.6 小结
• 第八章 结束语
• 8.1 论文的主要工作和创新
• 8.2 下一步研究工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录一: 作者在学期间参加的研究课题
• 附录二: 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录三: 缩略语