低轨星座路由数字孪生系统关键技术研究

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紧扣我国卫星互联网重大项目未来面向网络运营的应用需求,在低轨星座网络中,卫星节点及星座拓扑高动态、用户数量多、业务种类多样性且随机性强,对星座系统的在轨灵活配置、业务处理和流量均衡调度等能力提出了更高的要求。本课题通过在低轨星座网络中引入数字孪生技术,以数字化的方式创建低轨星座网络中物理实体的虚拟模型,利用该虚拟模型模拟实际物理环境中的网络行为,以此进行由实到虚的孪生再现,并通过以实映虚、虚实交互、业务识别、智能推演等关键技术手段,对物理星座网络进行深度解析、智能预测和迭代优化,最终增强实际低轨星座网络中的智能化和服务化能力。本课题基于本单位前期已构建好的低轨星座数字孪生系统虚拟模型,在此基础上重点开展业务分类、负载均衡和数据存储安全三方面研究工作:1)针对业务分类功能提出了一种基于Shapley值法进行分类投票权值分配的随机森林业务识别分类方法,与传统二叉树随机森林相比,降低了泛化误差,准确度平均提高10%;2)针对网络负载均衡功能提出了一种低轨星座网络流量负载均衡算法,根据采集到的低轨星座网络流量信息首先设计性能判断方法,在卫星状态更新后,进行对比分析确定出负载因子和阈值的差值来决定链路开销调整或重置,优化路由选择相对空闲的链路来发送信息,使用DDPG强化学习算法来学习不同业务模型下的路由策略,针对平均延迟、丢包率、吞吐量和负载分配性能方面进行优化,其数据包丢失率平均为2.9%,平均吞吐量为201.7Mbps,负载分布指数平均值为0.54:3)针对数据的Map/Reduce大数据储存架构,提出了基于Hadoop的大数据存储入侵检测和安全控制算法,相对于传统的apriori算法和IPS大数据挖掘系统,数据访问速度平均提升了 12%,辨别的准确率维持在95%。基于上述关键技术研究工作,结合前期虚拟模型,构建了全星座的低轨数字孪生环境,分别对业务分类、负载均衡和数据存储安全三方面进行了仿真测试验证,结果表明达到了预期效果。该技术可直接用于构建低轨星座数字孪生系统,尤其对平行伴飞过程中的实际星座网络的在轨自智和远程管控具有一定作用,可有效提升低轨星座网络的健壮性和服务能力。
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