空间信息网络体系架构及其应用

　　本书围绕空间信息网络体系架构及其应用，探讨了空间信息网络拓扑理论、协议体系、资源动态配置、安全管理和半实物仿真等主要问题。本书基于现有的空间信息网络体系和近几年对空间信息网络关键技术的研究进展，提出了基于时变图的空间信息网络建模、高吞吐量可靠性传输、业务自适应的资源动态配置和重构、安全防护资源和网络流量管理等方法和理论，解决了现有空间信息网络时空频覆盖存在盲区、协作规划能力有限等问题，实现了空间信息网络中信息的有效获取、高效传输和可靠处理。最后，本书介绍了当前受到广泛关注的空间信息网络半实物仿真方法，及其在气象灾害预测预报上的应用。 本书可供高等院校通信与网络、计算机等专业的师生作为教学参考书，也可供信息类相关领域的研究和实践工作者参考。

　　任勇，博士，清华大学电子工程系教授，博士生导师。1999年创建清华大学电子系复杂工程系统实验室（CESL），担任主任，从事复杂系统理论与方法及其在通信网络与电子系统中的应用，讲授《信息与系统》课程。 姜春晓，博士，清华大学信息科学技术学院，助理研究员。于2008年在北京航空航天大学获工学学士学位，2013年在清华大学电子工程系获博士学位。现从事空间信息网络通信理论研究。

目 录
第 1章 绪 论001
1．1 空间信息网络及其发展概述002
1．2 空间信息网络业务和资源简述005
1．3 空间信息网络体系架构概述007
1．4 本书章节安排010
参考文献012
第 2章 空间信息网络拓扑理论015
2．1 引言016
2．2 空间信息网络时变图模型017
2．2．1 时变图模型018
2．2．2 时变连接和时变路径019
2．2．3 时变距离020
2．3 基于复杂理论的空间信息网络时间累积时变图021
2．3．1 空间信息网络高动态建模023
2．3．2 基于时间累积时变图的空间信息网络复杂性分析025
2．3．3 基于C-TVG的复杂性分析在空间信息网络中的应用030
2．3．4 仿真分析031
2．4 空间信息网络关键节点分析036
2．4．1 关键节点与网络抗毁性036
2．4．2 时变介数中心性039
2．4．3 时变介数计算方法——动态矩阵乘积算法041
2．4．4 仿真分析045
2．5 本章小结050
参考文献050
第3章 空间信息网络协议体系055
3．1 引言056
3．2 基于CCSDN的空间信息网络协议体系057
3．2．1 CCSDS简介057
3．2．2 基于CCSDS的协议体系架构057
3．2．3 CCSDS主网业务061
3．3 SCPS协议简介064
3．3．1 SCPS-NP066
3．3．2 SCPS-SP067
3．3．3 SCPS-TP067
3．3．4 SCPS-FP068
3．4 基于TCP IP的空间信息网络协议体系068
3．4．1 TCP IP协议体系068
3．4．2 空间信息网络路由技术介绍070
3．4．3 CCSDS与TCP IP结合的协议体系071
3．5 基于DTN的空间信息网络协议体系072
3．5．1 DTN简介072
3．5．2 DTN协议特点073
3．5．3 束协议076
3．5．4 汇聚层协议076
3．6 空间信息网络传输层协议078
3．6．1 TCP及其改进078
3．6．2 空间信息网络传输层协议080
3．6．3 针对空间信息网络TCP的改进086
3．7 本章小结093
参考文献095
第4章 空间信息网络资源配置099
4．1 引言100
4．2 基于认知的空间信息网络动态资源配置101
4．2．1 空间信息网络高动态建模103
4．2．2 基于认知的中继协作机制与资源动态分配协议108
4．2．3 基于系统稳定的中继资源优化分配110
4．2．4 仿真分析114
4．3 基于业务特性的空间信息网络动态资源配置120
4．3．1 系统模型122
4．3．2 基于离散小波分解的BP神经网络流量预测系统126
4．3．3 基于预测背压的服务资源分配131
4．3．4 仿真分析135
4．4 空间信息网络移动性管理141
4．4．1 基于时变图模型的空间信息网络高效地址绑定新方法141
4．4．2 基于信号强度、QoS历史信息及运动模型的空间信息网络切换综合判决方法151
4．4．3 仿真分析157
4．5 本章小结159
参考文献161
第5章 空间信息网络安全管理与可靠性分析167
5．1 引言168
5．2 空间信息网络任务规划的可靠性分析与优化176
5．2．1 对地观测卫星任务规划问题建模177
5．2．2 基于冗余度分配的可靠性优化模型179
5．2．3 任务规划的可靠性优化问题建模与求解181
5．2．4 仿真分析187
5．3 空间信息网络传输的可靠性分析与防护策略191
5．3．1 通信网络节点模型和流量模型193
5．3．2 基于防护资源分配的网络传输可靠性优化模型196
5．3．3 仿真分析203
5．4 空间信息网络流量管理机制206
5．4．1 基于时变介数中心性的流量调度机制207
5．4．2 时变介数中心性均衡路由算法209
5．4．3 仿真分析213
5．5 空间信息网络高可靠结构化数据构建216
5．5．1 生成对抗网络218
5．5．2 基于LSTM网络的气象灾害观测数据链式特征学习模型221
5．5．3 基于GAN和LSTM网络的气象灾害结构化数据构建227
5．5．4 仿真分析230
5．6 本章小结232
参考文献233
第6章 空间信息网络半实物仿真系统及其应用239
6．1 引言240
6．2 半实物仿真系统组成240
6．2．1 STK240
6．2．2 STK与MATLAB联合仿真241
6．2．3 半实物仿真系统整体架构243
6．3 仿真系统工作原理——卫星信道建模244
6．4 应用：灾害事件的时空协同信息感知247
6．4．1 台风数据248
6．4．2 拓扑分析248
6．4．3 基于链路预测的协同转发方法248
6．4．4 仿真结果250
6．5 本章小结252
参考文献252
第7章 结论与展望253
名词索引257