CN104869017B - 一种基于核度积的卫星信息系统拓扑结构优化方法 - Google Patents

Abstract

一种基于核度积的卫星信息系统拓扑结构优化方法，首先将卫星信息系统抽象得到其对应的有向图，再引入广义度的概念并计算有向图中各个节点的广义度，然后计算有向图中各个节点的节点核度积及链路的重要性，最后依次比对有向图中所有节点的节点核度积与设定节点核度积阈值、有向图中两节点之间的所有最短链路重要性与设定链路重要性阈值，得到拓扑结构中待优化节点并进行优化。本发明方法与现有技术相比，通过引入广义度来区分各个节点的重要性，不仅考虑各个节点的度或介度，还考虑节点和链路在拓扑结构中的重要性，能够更准确全面的对整个拓扑结构进行优化。

Description

一种基于核度积的卫星信息系统拓扑结构优化方法

技术领域

本发明涉及卫星信息系统拓扑结构分析方法，特别是一种基于核度积的卫星信息系统拓扑结构优化方法。

背景技术

卫星信息系统拓扑结构对于卫星信息系统总体设计有着及其重要的作用，传统的卫星工程是借助经验对卫星信息系统拓扑结构进行分析优化，缺乏定量的分析方法。传统的拓扑结构分析体系包括节点度、介度、紧密性、连通度和平均最短路径长度等测度指标。节点的节点度就是连接这个节点的链接数，节点的介度等于穿过这个节点的最短路径数，如果一个节点有着很大的节点度和介度，该节点对于这个网络是重要的，节点的紧密性是这个节点到网络其余节点的平均最短路径的倒数，紧密型越小，那么该节点就距离其它节点越近，对于这个网络更重要。

上述传统网络拓扑结构研究均以无差异节点和链路假设为前提，未考虑节点本身在整个系统中的功能和处理能力等方面差异，如果应用到卫星信息系统中，其分析结果与实际情况会有很大的偏差。例如，在卫星复杂信息系统中，采用主从多机通信机制，即总线通信的节点中存在一个主控节点，主控节点通过总线收集系统其余节点的信息，完成信息组织后，再通过其它连接方式交给拓扑中某些节点，从而完成信息采集和指令发送任务。另外，卫星信息系统中除总线拓扑外还存在局部星型、树形、线性等拓扑结构，因此系统中主控节点不是唯一固定的，在卫星信息系统拓扑结构不改变的情况下存在多种工作模式，不同工作模式下某些从节点可以切换为主控节点。由此可见，卫星复杂信息系统拓扑结构是灵活的，因此为了更好的优化设计卫星信息系统拓扑结构，需要考虑节点本身在整个系统中的功能和处理能力等方面差异，进一步优化拓扑结构。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种考虑节点在卫星信息系统中功能和处理能力差异的基于核度积的卫星信息系统拓扑结构优化分析方法。

本发明的技术解决方案是：一种基于核度积的卫星信息系统拓扑结构优化方法，包括如下步骤：

(1)将卫星信息系统中的功能单元作为节点，将卫星信息系统中功能单元之间的链路作为边，得到卫星信息系统对应的有向图；

(2)计算有向图中各个节点的广义度为k＝(1-ε)k_a+k_c，其中，k_a为在有向图中与该节点连接的边的个数，k_c＝εK，K是有向图中所有节点的节点度的最大值，ε＝ε_f+ε_m+ε_t，

其中，n_child表示当前节点作为根节点时在有向图中的子节点数，是有向图中各个节点分别作为根节点时在有向图中子节点数的和，N为有向图中的节点总数，α₁,α₂,α₃,α₄,α₅,α₆∈[0,1]且α₁+α₂+α₆＝1，主控节点为控制各节点之间进行信息交互的节点，备用节点为主控节点的备份，其余节点为普通节点；

(3)计算有向图中各个节点的节点核度积

其中，S_G为有向图中所有节点相互通信的最短路径长度，为节点i被孤立后有向图中所有节点相互通信的最短路径长度，l_G是有向图中边的总数，是节点i被孤立后有向图中边的总数，i＝1，2，3，，，N；

(4)计算有向图中节点i与节点j之间的最短路径e_ij的重要性为

其中，i＝1，2，3，，，N，j＝1，2，3，，，N且i≠j，W(u,v)为节点u与节点v之间的路由权重总量，R表示从节点u到节点v最短路径上的所有节点集合，W_ij(u,v)表示在从节点i到节点j之间的最短路径e_ij失效时从节点u到节点v的路由权重总量；

(5)如果节点的节点核度积小于设定节点核度积阈值，则该节点为短板节点，否则该节点为正常节点，遍历有向图中的所有节点得到短板节点的集合并记为D1；依次将有向图中两节点之间的所有最短路径重要性与设定路径重要性阈值比对，如果路径的重要性小于设定路径重要性阈值，则该路径为短板路径，否则该路径为正常路径，遍历有向图中所有两点之间的最短路径后得到短板路径的集合后，提取所有短板路径中的节点，并得到集合D2；

(6)将集合D1、集合D2都包含的节点作为待优化节点，在每一个待优化节点附近添加一个备用节点，并将备用节点分别连接至当前待优化节点的相邻节点；所述相邻节点为在有向图中通过边与当前节点相连的节点。

所述的α₁＝0.6,α₂＝0.2,α₃＝0,α₄＝0.2,α₅＝0,α₆＝0.2。

所述的设定节点核度积阈值为0.3，设定路径重要性阈值为0.3。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法与现有技术相比，建立了一套完整的面向卫星信息系统的拓扑结构分析和优化方法，相对于传统借助经验进行卫星信息系统拓扑结构分析的方法，本发明方法能够对拓扑结构进行定量分析，并根据客观定量的反映卫星信息系统拓扑结构的各项指标来对拓扑结构进行优化；

(2)本发明方法与现有技术相比，不仅考虑各个节点的度或介度，还考虑节点和链路在拓扑结构中的重要性，更全面的对整个拓扑结构进行优化；

(3)本发明方法与现有技术相比，通过引入广义度来区分各个节点的重要性，进而定量计算得到节点重要性对链路重要性的影响，更准确的反映了卫星信息系统拓扑结构的实际情况；

(4)本发明与现有技术相比，根据卫星工程实际，提出了通过增加备用节点的方式对卫星信息系统拓扑结构进行优化的方法。

附图说明

图1为本发明方法原理流程图。

具体实施方式

本发明考虑了卫星信息系统中节点和链路的差异性，设计了卫星信息系统拓扑结构的定性优化方法，给出了优化的拓扑结构，可以满足复杂卫星信息系统的需要。本发明具体实现步骤包括：

第一步：将卫星信息系统中的功能单元和链路抽象为节点和边，构造有向图G＝(V,E)，得到系统的抽象链接。

第二步：计算节点的广义度k；在卫星信息系统中含有不同功能的节点，因此某节点的节点度虽然与其它节点的节点度相同或者小于其它节点的节点度，但在不同工作模式下，该节点有可能成为拓扑中非常重要的节点，所以不能仅依靠节点的节点度来衡量节点的关键程度，本发明引入广义度概念，认为每个节点都具备中心属性，广义度为k＝(1-ε)k_a+k_c，其中，k_a为节点的实际度，即在有向图G中与该节点连接的边的个数；k_c为节点的中心属性度，由节点的通信方式和在拓扑图中的位置决定，k_c＝εK；K是拓扑图中所有节点的节点度的最大值；ε是中心系数，0≤ε≤1，ε＝ε_f+ε_m+ε_t；ε_f是功能影响因子，在节点总数为N的拓扑结构中，由节点功能属性的决定，其中，主控节点为控制总线通信功能的主节点，总线上各节点之间进行信息交互全部由主控节点进行控制，备用节点为主控节点的备份，当主控节点失效时，启用备份节点替代主控节点的功能，控制总线上各节点之间进行信息交互，除主控节点和备用节点外，其它节点为普通节点。

ε_m是通信方式影响因子，由通信方式决定，反映了各节点通信方式对拓扑结构的影响，如果卫星信息系统中通信单元通过卫星总线进行通信，则其对拓扑结构的影响较大，如果卫星信息系统中的功能单元通过点对点通信方式，则对拓扑结构的影响较小。

ε_t是拓扑影响因子，由节点在拓扑图中的位置决定，即将每个节点按树形拓扑结构区分为根节点和叶节点，通过ε_t衡量节点在局部拓扑结构中的重要性，

n_child表示当前节点作为根节点时在拓扑中的子节点数，N_child是各个节点分别作为根节点时在拓扑中子节点数的和，α₁,α₂,α₃,α₄,α₅,α₆∈[0,1]，α₁＝0.6,α₂＝0.2,α₃＝0,α₄＝0.2,α₅＝0,α₆＝0.2，且α₁+α₂+α₆＝1。

第三步：基于拓扑结构的节点核度积T_i(重要性)计算；本发明采用节点孤立法，以节点核度积为评价准则，不仅考虑了拓扑连通度，而且动态地考虑了拓扑中所有节点相互通信的最短路径总长度的增加值，并对重要性进行了归一化，将通信网中被孤立后对应的核度积最大的节点作为最重要节点。节点核度积T_i取决于该节点孤立后，拓扑中所有节点相互通信的最短路径总长度以及拓扑中的链路数目，即

其中，S_G为有向图G中所有节点相互通信的最短路径长度总和；为节点i(V_i)被孤立后图中所有节点相互通信的最短路径长度总和；l_G是图G中的链路数；是节点i(V_i)被孤立后图中的链路数。另外，核度积也与节点的广义度相关，因此核度积在反应拓扑连通度的同时也反应了节点广义度的信息，同时节点对应的核度积越大，表明节点越重要。遍历拓扑结构中的节点，得到所有节点的核度积(重要性)。

第四步：基于拓扑结构的链路(路径)重要性I_link计算；将节点核度积T_i(重要性)作为节点的权重，计算某条链路的损坏导致路由权重总量的减少(即为当前链路的重要性I_link)，路由权重总量减少得越多，则表明该链路对终端传输健壮性越重要。

将拓扑结构中的节点两两任意配对得到多对点组合并记为集合PV，在集合PV中任意取一个点组合，并记为源节点i、目的节点j，计算节点i与节点j之间的最短链路链路e_ij的重要性为

其中，W(u,v)表示节点u与节点v之间链路(路径)的路由权重总量，计算公式为其中，R代表从节点u到节点v的最短路径上的所有节点集合，W_ij(u,v)表示在从源节点i到目的节点j之间的最短链路(路径)失效时从节点u到节点v的路由权重总量。遍历集合PV中的多对点组合，得到所有点组合组成链路的重要性。

第五步：将所有节点的节点核度积分别与设定节点核度积阈值比对，如果节点的节点核度积小于设定节点核度积阈值，则该节点为短板节点，否则该节点为正常节点，遍历所有拓扑结构中所有节点得到短板节点的集合并记为D1；将所有链路的重要性分别与设定链路重要性阈值比对，如果链路的重要性小于设定链路重要性阈值，则该链路为短板链路，否则该链路为正常链路，遍历拓扑结构中所有链路得到短板链路的集合后，提取所有短板链路中的节点，并得到集合D2；其中设定节点核度积阈值取值范围为[0.25-0.35]，最好取值为0.3，链路(路径)重要性阈值取值范围为[0.25-0.35]，最好取值为0.3。

第六步：比对第五步得到的集合D1、集合D2，将集合D1、集合D2中重合的节点作为待优化节点，在每一个待优化节点附近添加一个备用节点，并将备用节点分别连接至对应待优化节点的相邻节点。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种基于核度积的卫星信息系统拓扑结构优化方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将卫星信息系统中的功能单元作为节点，将卫星信息系统中功能单元之间的链路作为边，得到卫星信息系统对应的有向图；

(2)计算有向图中各个节点的广义度为k＝(1-ε)k_a+k_c，其中，k_a为在有向图中与该节点连接的边的个数，k_c＝εK，K是有向图中所有节点的节点度的最大值，ε＝ε_f+ε_m+ε_t，

${\mathrm{\ϵ}}_t={\mathrm{\α}}_6\·\frac{n_{child}}{\underset{N}{\Σ}{n}_{child}}$

其中，n_child表示当前节点作为根节点时在有向图中的子节点数，是有向图中各个节点分别作为根节点时在有向图中子节点数的和，N为有向图中的节点总数，α₁,α₂,α₃,α₄,α₅,α₆∈[0,1]且α₁+α₂+α₆＝1且α₁>α₂>α₃,α₄>α₅，主控节点为控制各节点之间进行信息交互的节点，备用节点为主控节点的备份，其余节点为普通节点；

(3)计算有向图中各个节点的节点核度积

$T_i=\frac{S_{G-V_i}-S_G}{S_{G-V_i}}\×(l_G-l_{G-V_i})$

其中，S_G为有向图中所有节点相互通信的最短路径长度，为节点i被孤立后有向图中所有节点相互通信的最短路径长度，l_G是有向图中边的总数，是节点i被孤立后有向图中边的总数，i＝1，2，3，，，N；

(4)计算有向图中节点i与节点j之间的最短路径e_ij的重要性为

$I_{link}(i,j)=\underset{u=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{v=u+1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{W_{ij}(u,v)}{W(u,v)}$

其中，i＝1，2，3，，，N，j＝1，2，3，，，N且i≠j，W(u,v)为节点u与节点v之间的路由权重总量，R表示从节点u到节点v最短路径上的所有节点集合，W_ij(u,v)表示在从节点i到节点j之间的最短路径e_ij失效时从节点u到节点v的路由权重总量；

(5)如果节点的节点核度积小于设定节点核度积阈值，则该节点为短板节点，否则该节点为正常节点，遍历有向图中的所有节点得到短板节点的集合并记为D1；依次将有向图中两节点之间的所有最短路径重要性与设定路径重要性阈值比对，如果路径的重要性小于设定路径重要性阈值，则该路径为短板路径，否则该路径为正常路径，遍历有向图中所有两点之间的最短路径后得到短板路径的集合后，提取所有短板路径中的节点，并得到集合D2；

(6)将集合D1、集合D2都包含的节点作为待优化节点，在每一个待优化节点附近添加一个备用节点，并将备用节点分别连接至当前待优化节点的相邻节点；所述相邻节点为在有向图中通过边与当前节点相连的节点。

2.根据权利要求1所述的一种基于核度积的卫星信息系统拓扑结构优化方法，其特征在于：所述的α₁＝0.6,α₂＝0.2,α₃＝0,α₄＝0.2,α₅＝0,α₆＝0.2。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于核度积的卫星信息系统拓扑结构优化方法，其特征在于：所述的设定节点核度积阈值为0.3，设定路径重要性阈值为0.3。