一種衛(wèi)星系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法
【專利摘要】一種衛(wèi)星系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法，將航天器各設(shè)備抽象為節(jié)點，如果系統(tǒng)未運(yùn)行，尋求完好性關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化完成后調(diào)整系統(tǒng)為運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)運(yùn)行時，如果需要進(jìn)行優(yōu)化，則同時進(jìn)行基于節(jié)點可信度的拓?fù)鋬?yōu)化和基于加權(quán)負(fù)載流量的拓?fù)鋬?yōu)化，直到任意兩個節(jié)點之間均不存在備用路徑。本發(fā)明定量地分析了各個節(jié)點對系統(tǒng)的影響程度，克服了現(xiàn)有技術(shù)中有關(guān)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度的分析方法應(yīng)用于衛(wèi)星系統(tǒng)中的不足，通過本發(fā)明的拓?fù)鋬?yōu)化方法，在系統(tǒng)未運(yùn)行時對完好性關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行加固，在系統(tǒng)運(yùn)行時實時對節(jié)點進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，有效降低了每個節(jié)點的失效對系統(tǒng)運(yùn)行所產(chǎn)生的影響，提高了衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目煽啃?、健壯性和抗毀性?br>【專利說明】
_種衛(wèi)星系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法，屬于航天器單粒子軟錯誤防護(hù)技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星系統(tǒng)在空間環(huán)境中會受到單粒子的影響，當(dāng)衛(wèi)星系統(tǒng)中某個器件由于單粒子 的輻射效應(yīng)導(dǎo)致器件邏輯錯誤或失效時，會影響整個衛(wèi)星系統(tǒng)正?？煽抗ぷ?。
[0003] 為了抵抗空間環(huán)境中的單粒子效應(yīng)，需要在系統(tǒng)級對衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行可靠性保障， 一種先進(jìn)的做法是將衛(wèi)星系統(tǒng)中各設(shè)備及其連接關(guān)系抽象成為網(wǎng)絡(luò)，由于無尺度網(wǎng)絡(luò)和小 世界網(wǎng)絡(luò)學(xué)說的提出，使人們認(rèn)識到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中一些極小的因素就有可能造成大范圍的影 響。研究表明，只要5%~10%的重要節(jié)點同時失效就將導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。這樣就更加強(qiáng) 調(diào)了網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵節(jié)點的作用。如果能對衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點做出準(zhǔn)確的識別并采取 相應(yīng)措施，便可使在受到單粒子影響時，衛(wèi)星系統(tǒng)損失減少到最小程度。
[0004] 現(xiàn)有研究中，多數(shù)學(xué)者從結(jié)構(gòu)特性出發(fā)來評估網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，認(rèn)為只有確定了哪 里是網(wǎng)絡(luò)中最重要的部分才能有效保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。其中，度數(shù)、介度、緊密性等是普遍使用的測 度指標(biāo)。如果一個節(jié)點有著很大的度數(shù)和介度，這個節(jié)點就被認(rèn)為對于這個網(wǎng)絡(luò)是很重要 的。一個節(jié)點的緊密性是這個節(jié)點到網(wǎng)絡(luò)其余節(jié)點的平均最短路徑的倒數(shù)，這個量越小，那 么這個點就距離其它節(jié)點很近，因此就很重要。
[0005] 另外，有學(xué)者從網(wǎng)絡(luò)抵御破壞的能力方面探討了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)魯棒性和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征 之間的關(guān)系，即網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點在遭受攻擊后，剩余的節(jié)點間仍能保持連通的能力，剩余節(jié) 點連通性越弱則說明該節(jié)點越重要。
[0006] 然而，以上研究均以無差異節(jié)點和鏈路假設(shè)為前提，而未考慮節(jié)點本身在整個系 統(tǒng)中的功能和處理能力等方面差異，使分析結(jié)果與實際情況有所偏差。在衛(wèi)星系統(tǒng)中，采用 主從多機(jī)通信機(jī)制，即總線通信的節(jié)點中存在一個主控節(jié)點，主控節(jié)點通過總線收集系統(tǒng) 其余節(jié)點的信息，完成信息組織后，再通過其它連接方式交給網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點，從而完成信 息采集和指令發(fā)送任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)中除總線拓?fù)渫膺€存在局部星型、樹形、線性等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；另 外系統(tǒng)中主控節(jié)點不是唯一固定的，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不改變的情況下存在多種工作模式， 不同工作模式下某些從節(jié)點可以切換為主控節(jié)點。由此可見，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是靈活的， 現(xiàn)有技術(shù)中有關(guān)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度的分析方法并不適用于衛(wèi)星系統(tǒng)。
[0007] 另一方面，衛(wèi)星系統(tǒng)實際運(yùn)行過程中，各個節(jié)點之間的可靠連接關(guān)系能夠有效保 證應(yīng)用系統(tǒng)的高可用性，使構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有良好的彈性，避免空間環(huán)境中的單粒 子效應(yīng)導(dǎo)致某個節(jié)點失效，從而造成系統(tǒng)崩潰和服務(wù)質(zhì)量的明顯下降。在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn) 網(wǎng)絡(luò)中的薄弱環(huán)節(jié)，例如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲腥菀资У哪承┕?jié)點或鏈路，有針對性的加強(qiáng)和優(yōu)化， 是維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的重要手段。因此，需要增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目煽啃?、健壯性和抗毀性以確 保網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中每一個節(jié)點可靠的相互連通。但是目前還沒有適用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)淇煽啃?、健壯性和抗毀性的有效方法?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種衛(wèi)星系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方 法，能夠有效保證衛(wèi)星系統(tǒng)在空間環(huán)境中遭受單粒子效應(yīng)時仍能可靠工作。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種衛(wèi)星系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法，步驟如下：
[0010] (1)將衛(wèi)星系統(tǒng)抽象為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，衛(wèi)星系統(tǒng)中的各設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中 的節(jié)點；
[0011] (2)判斷衛(wèi)星系統(tǒng)當(dāng)前是否處于運(yùn)行狀態(tài)，未處于運(yùn)行狀態(tài)則進(jìn)入步驟(3)，否則 進(jìn)入步驟(4);
[0012] (3)確定衛(wèi)星系統(tǒng)中的完好性關(guān)鍵點，對完好性關(guān)鍵點進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化后，調(diào)整系統(tǒng) 為運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)入步驟(4);
[0013] (4)判斷是否需要進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行后優(yōu)化，如果需要，進(jìn)入步驟(5);否則，拓?fù)鋬?yōu)化 結(jié)束；
[0014] (5)同時進(jìn)行基于節(jié)點可信度的拓?fù)鋬?yōu)化和基于加權(quán)負(fù)載流量的拓?fù)鋬?yōu)化，直到 任意兩個節(jié)點之間均不存在備用路徑，完成衛(wèi)星系統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化。
[0015] 所述步驟(3)中確定衛(wèi)星系統(tǒng)中的完好性關(guān)鍵點，對完好性關(guān)鍵點進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化 的實現(xiàn)步驟如下：
[0016] (2.1)確定衛(wèi)星系統(tǒng)完好性關(guān)鍵點指標(biāo)，所述完好性關(guān)鍵點指標(biāo)包括節(jié)點的可靠 性、節(jié)點的完好性、節(jié)點的度、節(jié)點的接近度、節(jié)點的介數(shù)、節(jié)點的核度積和節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)效 率；
[0017] (2.2)計算每個節(jié)點的各個指標(biāo)值；
[0018] (2.3)利用公5
W計算每一個指標(biāo)與其他指標(biāo)相關(guān)函數(shù)的平均相關(guān)性， 若所有指標(biāo)的平均相關(guān)性的最大值大于預(yù)先設(shè)定的閾值，則刪除平均相關(guān)性最大值對應(yīng)的 指標(biāo)，重新返回步驟(2.2)，否則，進(jìn)入步驟(2.4);其中為第j個節(jié)點的指標(biāo)s與其他指標(biāo) 相關(guān)函數(shù)的平均相關(guān)性，c為指標(biāo)的總個數(shù)，rsj,t為第j個節(jié)點的指標(biāo)s與指標(biāo)t之間的相關(guān) 函數(shù)；
[0019] (2.4)利用以下公式對每個節(jié)點篩選后剩余的各個指標(biāo)分別進(jìn)行歸一化處理：
[0020]
[0021 ]其中Xj, t表示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中第j個節(jié)點的第t個指標(biāo)的指標(biāo)值，X ' j, t是指標(biāo)Xj, t 歸一化后的值；
[0022] (2.5)采用熵權(quán)計算的方法計算每個指標(biāo)的權(quán)重；
[0023] (2.6)根據(jù)每個節(jié)點各個指標(biāo)歸一化后的值以及每個指標(biāo)的權(quán)重，利用以下公式 計算每個節(jié)點的關(guān)鍵度：
[0024]
[0025] 其中I」為第j個節(jié)點的關(guān)鍵度，wt為第t個指標(biāo)的權(quán)重，

β為預(yù)先給定的常數(shù)；
[0026] (2.7)根據(jù)各個節(jié)點的關(guān)鍵度計算節(jié)點關(guān)鍵度歸一化方差，判斷得到的節(jié)點關(guān)鍵 度歸一化方差是否小于設(shè)定的閾值，若小于，則完好性關(guān)鍵點拓?fù)鋬?yōu)化完成;否則，將 衛(wèi)星系統(tǒng)中關(guān)鍵度最大的節(jié)點作為完好性關(guān)鍵點，采用環(huán)網(wǎng)等效的方法對該完好性關(guān)鍵點 進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化完成后返回步驟(2.2)。
[0027] 所述步驟(2.2)中計算每個節(jié)點的節(jié)點可靠性指標(biāo)的步驟如下：
[0028] (3.1)利用公式&=?」(3。，3"1，311)，0彡1^彡1計算第」個節(jié)點的節(jié)點可靠性指標(biāo)，其 中h是第j個節(jié)點的模糊系統(tǒng)，a。為第j個節(jié)點的計算可用性，am為第j個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)可用性， an為第j個節(jié)點的存儲可用性，第j個節(jié)點的模糊系統(tǒng)h的輸出為第j個節(jié)點的可靠性指標(biāo) Rj，可靠性指標(biāo)Rj分為￥1^、1^、1?、冊和￥服五個模糊集；
[0029] (3 · 2)利用以下公式計算ac、a4Pan的值：
[0030] ac= l-uc，(Xuc彡1，(Xac^l，uc為新任務(wù)分配前節(jié)點的計算使用率;a m= l-um，0 <1111^1，0^^11^1，11 111為新任務(wù)分配前節(jié)點的存儲使用率;311=1-1111，0<11 1^1，0^^1^1，1111 為新任務(wù)分配前節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)使用率；
[0031] (3.3)計算ac的隸屬度函數(shù)值LAC、MAC和HA C，&"的隸屬度函數(shù)值LAm、MA4PHAm，a n的 隸屬度函數(shù)值LAn、ΜΑ4ΡΗΑη:
[0038] (3.4)模糊系統(tǒng)h的模糊規(guī)則如下表所示，計算每個模糊規(guī)則中隸屬度函數(shù)值的 最小值，將該最小值作為對應(yīng)模糊規(guī)則的隸屬度函數(shù)MP;
[0039]
[0041 ] (3.5)取每個模糊集對應(yīng)的所有模糊規(guī)則的隸屬度函數(shù)值MP中的最大值為該模糊 集的輸出權(quán)重ω ;
[0042] (3.6)利用逆模糊化使用面積中心法公式得到第j個節(jié)點的可靠性指標(biāo)&，公式如 下：
[0043]
[0044] 其中c〇VLR、coLR、ωΜΚ、ω ΗΚ和ωνΗΚ依次為￥1^、1^、1?、服和￥服五個模糊集的輸出權(quán) 重。
[0045] 所述計算每個節(jié)點的節(jié)點完好性指標(biāo)的公式如下：
[0046]
[0047] 其中為第j個節(jié)點的完好性指標(biāo)，MTTRq為該節(jié)點在第q種故障中的平均排故時 間，所述排故時間包括發(fā)現(xiàn)故障時間和排故時間；MTBFq為該節(jié)點在第q種故障中的平均故 障間隔時間，即工作時間。
[0048] 所述計算每個節(jié)點的度、接近度、介數(shù)、核度積和網(wǎng)絡(luò)效率的方法如下：
[0049] 利用公十算第j個節(jié)點的度h，其中乜表示與第j個節(jié)點直接相連的邊；
[0050] 利用公式
十算第j個節(jié)點的接近度CCj，其中di表示第j個節(jié)點與系 統(tǒng)中其他節(jié)點中每個節(jié)點的最短距離，N是系統(tǒng)中總節(jié)點個數(shù)；
[0051] 利用公另
計算第j個節(jié)點的介數(shù)I，其中nlk為第i個節(jié)點與第k個節(jié) 點之間最短路徑的條數(shù)，nlk(j)表示為第i個節(jié)點與第k個節(jié)點之間最短路徑中經(jīng)過第j個節(jié) 點的條數(shù)；
[0052] 利用公式= dr, -ScML-lr,)計算第j個節(jié)點被孤立后的核度積，其中Sg為 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中所有節(jié)點相互通信的最短路徑長度總和，為第j個節(jié)點被孤立后G中 任意兩個節(jié)點相互通信的最短路徑長度總和，lc為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中的鏈路數(shù)，為第j個 節(jié)點被孤立后G中的鏈路數(shù)；
[0053] 利用公式nj = MEAN(l/dij)，1彡i，j<N&&i辛j計算第j個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)效率，其中nj 為第j個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)效率，MEAN為進(jìn)行取平均值運(yùn)算的函數(shù)，(^表示第j個節(jié)點被孤立后網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中任意兩個節(jié)點間的路徑長度。
[0054]所述步驟(2.5)的實現(xiàn)方法為：
[0055] (6.1)計算每個節(jié)點的各個指標(biāo)值在所有節(jié)點所有指標(biāo)的指標(biāo)值中所占的概率：
[0056]
[0057] 其中P^t為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中第j節(jié)點的第t個指標(biāo)的指標(biāo)值在所有節(jié)點所有指標(biāo) 的指標(biāo)值中所占的概率，為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中第j個節(jié)點的第t個指標(biāo)歸一化后的值;N 表示N是系統(tǒng)中總節(jié)點個數(shù);ζ為調(diào)整參數(shù)，取值范圍為10-8-10-6;
[0058] (6.2)根據(jù)步驟(6.1)的結(jié)果計算第t個指標(biāo)的信息熵Ht
[0059] (6.3)計算第t個指標(biāo)的熵權(quán)重wt:
[0060]
[0061 ]所述基于節(jié)點可信度的拓?fù)鋬?yōu)化的實現(xiàn)方法如下：
[0062] (7.1)實時計算衛(wèi)星系統(tǒng)中每個節(jié)點與相鄰節(jié)點之間的可信度，進(jìn)入步驟(7.2);
[0063] 其中第i個節(jié)點對所選擇的第j個節(jié)點之間的可信度Ku的計算方法為：
[0064]
[0065] 其中ν表示第i個節(jié)點與第j個節(jié)點通信成功的次數(shù)，f表示第i個節(jié)點與第j個節(jié)點 通信失敗的次數(shù)。
[0066] (7.2)如果某個節(jié)點與相鄰節(jié)點之間的可信度大于等于預(yù)先給定的閾值，則返回 步驟(7.1);否則，判斷這兩個節(jié)點之間是否存在備用路徑，若存在備用路徑，則增加這兩個 節(jié)點之間的路徑，并平衡這兩個節(jié)點之間兩條鏈路的流量，直到這兩個節(jié)點之間的可信度 大于等于預(yù)先給定的閾值，然后返回步驟(7.1);若不存在備用路徑，則產(chǎn)生可信度無法滿 足的警告，基于節(jié)點可信度的拓?fù)鋬?yōu)化方法結(jié)束。
[0067] 所述步驟(7.2)中平衡這兩個節(jié)點之間兩條鏈路流量的方法為：
[0068]
[0069]其中1^111^是這兩個節(jié)點之間原有鏈路的流量，Links是這兩個節(jié)點之間新增的備 用鏈路的流量，&是這兩個節(jié)點之間原有鏈路的信道容量，&是這兩個節(jié)點之間新增的備用 鏈路的信道容量。
[0070] 所述基于加權(quán)負(fù)載流量的拓?fù)鋬?yōu)化的實現(xiàn)方法如下：
[0071] (9 . 1)計算衛(wèi)星系統(tǒng)中各條鏈路的加權(quán)負(fù)載流量，得到系統(tǒng)流量矩陣，
進(jìn)入步驟(9.2)，其中Fij為由第i個節(jié)點流向第j個節(jié)點的加權(quán) 負(fù)載流量，i = l，2,. . .，N，j = l，2,. . .，N，N是系統(tǒng)中總節(jié)點個數(shù)；
[0072] (9.2)判斷某條鏈路的加權(quán)負(fù)載流量是否大于預(yù)先給定的閾值，若大于，進(jìn)入步驟 (9.3);否則，返回步驟(9.1)重新計算加權(quán)負(fù)載流量F;
[0073] (9.3)判斷該鏈路兩個節(jié)點之間是否存在備用路徑，若存在備用路徑，則增加兩個 節(jié)點之間的路徑，并平衡這兩個節(jié)點之間各條鏈路的流量，返回步驟(9.1)重新計算加權(quán)負(fù) 載流量矩陣;若不存在備用路徑，則產(chǎn)生過度流量負(fù)載的警告，基于加權(quán)負(fù)載流量的拓?fù)鋬?yōu) 化結(jié)束。
[0074]所述由第i個節(jié)點流向第j個節(jié)點的加權(quán)負(fù)載流量的計算方法為：
[0075] Fij=E γ kdk
[0076] 其中，dk為由第i個節(jié)點流向第j個節(jié)點的第k類信息的數(shù)據(jù)速率，單位為bit/s; Yk 為該第k類信息的權(quán)重，
預(yù)先給定的第k類信息 的影響因子，常數(shù)且EAk=l，Dk為第k類信息的產(chǎn)生速率，單位為bit/s，k=l，2，...，K， K為信息種類數(shù)。
[0077] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0078] (1)本發(fā)明針對衛(wèi)星系統(tǒng)的特點，提出了一種遍布網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥\(yùn)行前和運(yùn)行時兩個 階段的拓?fù)鋬?yōu)化方法，在系統(tǒng)運(yùn)行前進(jìn)行基于完好性關(guān)鍵點的拓?fù)鋬?yōu)化，能夠根據(jù)衛(wèi)星系 統(tǒng)實際工作機(jī)制，識別出系統(tǒng)的完好性關(guān)鍵點并進(jìn)行環(huán)網(wǎng)等效優(yōu)化，從而實現(xiàn)了完好性關(guān) 鍵節(jié)點的加固；系統(tǒng)運(yùn)行后同時進(jìn)行基于節(jié)點可信度的拓?fù)鋬?yōu)化和基于加權(quán)負(fù)載流量的拓 撲優(yōu)化，實現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)實際鏈路通信情況進(jìn)行優(yōu)化。利用本發(fā)明方法彌補(bǔ)了前期設(shè)計拓?fù)?中可能遇到的不足，和后期拓?fù)溥\(yùn)行過程中不可抵御的某個節(jié)點或者鏈路超出負(fù)載的情 況，有效降低了每個節(jié)點的失效對系統(tǒng)運(yùn)行所產(chǎn)生的影響，從而有效保證了衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)涞目煽啃?、健壯性和抗毀性?br>[0079] (2)本發(fā)明結(jié)合節(jié)點的可靠性、節(jié)點的完好性和節(jié)點的拓?fù)渲匾?，從多個角度反 應(yīng)了節(jié)點在衛(wèi)星系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用，引入灰色關(guān)聯(lián)分析和熵權(quán)概念，結(jié)合極大不相關(guān)法進(jìn) 行指標(biāo)篩選，提出一種確定完好性關(guān)鍵點的方法。與傳統(tǒng)尋找關(guān)鍵節(jié)點的算法相比，本發(fā)明 方法按照次序順次尋找完好性關(guān)鍵點，一個完好性關(guān)鍵點優(yōu)化完成后重新尋找下一個完好 性關(guān)鍵點，從而實現(xiàn)按照重要程度實時對節(jié)點進(jìn)行加固，可以有效并且更加全面實現(xiàn)重要 節(jié)點的加固。
[0080] (3)本發(fā)明利用計算的可用性、存儲的可用性和網(wǎng)絡(luò)的可用性，采用模糊系統(tǒng)的方 法，有效計算了各個節(jié)點的可靠性;同時，本發(fā)明結(jié)合導(dǎo)航衛(wèi)星的特點將故障情況分成了四 類，實現(xiàn)了對導(dǎo)航衛(wèi)星的節(jié)點完好性指標(biāo)的定量化計算，從故障發(fā)生程度評價了每個節(jié)點 的完好性;再結(jié)合節(jié)點的拓?fù)渲匾?節(jié)點的度、接近度、介數(shù)、核度積、網(wǎng)絡(luò)效率），從而從 多個角度衡量了節(jié)點在衛(wèi)星系統(tǒng)中的作用，與傳統(tǒng)方法單一采用節(jié)點度評價每個節(jié)點的方 法，更能有效的區(qū)分每個節(jié)點，有效的彌補(bǔ)節(jié)點度的不足，使所確定的完好性關(guān)鍵點更加接 近實際情況。
[0081] (4)本發(fā)明在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行后給出了基于節(jié)點可信度的實時控制和優(yōu)化方法，網(wǎng)絡(luò)中 的所有動作，例如路由請求、路由回復(fù)、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收都要滿足定的可信度要求。如果接 收節(jié)點的可信度不滿足要求，就可以不向該節(jié)點發(fā)送信息：如果發(fā)送節(jié)點的可信度不滿足 要求，就可以拒絕接收或不執(zhí)行發(fā)送節(jié)點請求的操作，兩鄰節(jié)點間的可信度反映了這兩個 節(jié)點間這一跳通信的安全性，本發(fā)明基于這一原則實時計算兩個相鄰節(jié)點之間的可信度， 并對可信度低于閾值的節(jié)點增加備用路徑，從而提高節(jié)點之間的可信度，該方法能夠?qū)崟r 識別網(wǎng)絡(luò)中的薄弱環(huán)節(jié)，有效的啟用備份，或進(jìn)行報警，增加了網(wǎng)絡(luò)的連通性，確保網(wǎng)絡(luò)中 每一個節(jié)點的相互連通，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目煽啃?、健壯性和抗毀性?br>[0082] (5)本發(fā)明在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行后給出了基于加權(quán)負(fù)載流量的實時控制和優(yōu)化方法，能夠 根據(jù)節(jié)點之間鏈路變化情況實時計算鏈路流量，有效地處理節(jié)點和鏈路實時出現(xiàn)的故障， 有效的啟用備份，而且還有很好的對鏈路和節(jié)點故障的報警能力，增加了網(wǎng)絡(luò)的連通性，確 保網(wǎng)絡(luò)中每一個節(jié)點的相互連通，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目煽啃?、健壯性和抗毀性?br>【附圖說明】
[0083]圖1為本發(fā)明方法流程圖；
[0084]圖2為衛(wèi)星系統(tǒng)完好性關(guān)鍵點指標(biāo)示意圖；
[0085] 圖3為確定衛(wèi)星系統(tǒng)中的完好性關(guān)鍵點進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的流程圖；
[0086] 圖4為計算可用性、存儲可用性和網(wǎng)絡(luò)可用性的隸屬度函數(shù)示意圖；
[0087] 圖5為節(jié)點自身的可靠性的隸屬度函數(shù)示意圖；
[0088]圖6為衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)化前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0089] 圖7為對完好性關(guān)鍵點進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0090] 圖8為利用本發(fā)明方法和傳統(tǒng)方法對完好性關(guān)鍵點進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化前各節(jié)點的關(guān)鍵 度結(jié)果對比圖；
[0091] 圖9為利用本發(fā)明方法和傳統(tǒng)方法對完好性關(guān)鍵點進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化后各節(jié)點的關(guān)鍵 度結(jié)果對比圖；
[0092] 圖10為系統(tǒng)運(yùn)行后未進(jìn)行優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0093] 圖11為進(jìn)行基于節(jié)點可信度的拓?fù)鋬?yōu)化前后的效果對比圖；
[0094] 圖12為進(jìn)行基于加權(quán)負(fù)載流的拓?fù)鋬?yōu)化前后的效果對比圖。
【具體實施方式】
[0095] 本發(fā)明將衛(wèi)星系統(tǒng)中的設(shè)備抽象成網(wǎng)絡(luò)模型(每個設(shè)備作為一個節(jié)點），對網(wǎng)絡(luò)拓 撲優(yōu)化主要體現(xiàn)在兩個方面，第一方面需要對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究出發(fā)，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò) 中一些節(jié)點的重要性，進(jìn)行一定程度上的拓?fù)鋬?yōu)化，來提高網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母呖煽啃?第二方面 是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲心承┕?jié)點失效的情況下，仍然能夠優(yōu)化后運(yùn)行，盡可能減少對整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?的影響。
[0096]如圖1所示，本發(fā)明提出了一種衛(wèi)星系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法，步驟如下：
[0097] (1)將衛(wèi)星系統(tǒng)抽象為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，衛(wèi)星系統(tǒng)中的各設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中 的節(jié)點，判斷當(dāng)前系統(tǒng)是否處于運(yùn)行狀態(tài)(定義運(yùn)行狀態(tài)為Running)，如果當(dāng)前系統(tǒng)未處于 運(yùn)行狀態(tài)(Running = 0)，進(jìn)入步驟(2)，如果當(dāng)前系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)(Running= 1)，那么進(jìn) 入步驟(3);
[0098] (2)此時進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行前的優(yōu)化算法，利用灰色關(guān)聯(lián)分析法確定衛(wèi)星系統(tǒng)中的完 好性關(guān)鍵點，對完好性關(guān)鍵點進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，如圖3所示，其主要步驟如下：
[0099] (2.1)衛(wèi)星系統(tǒng)完好性關(guān)鍵點指標(biāo)的選取:衛(wèi)星系統(tǒng)完好性是指"衛(wèi)星系統(tǒng)在接收 到指定的任務(wù)后，在規(guī)定時間內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)各個節(jié)點形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔Ｕ闲l(wèi)星系統(tǒng)完成任務(wù)的 功能的能力"，這里的節(jié)點可以指衛(wèi)星各分系統(tǒng)，星上設(shè)備、組件、器件或元件等，本發(fā)明主 要適用于衛(wèi)星系統(tǒng)中的各個模塊;衛(wèi)星系統(tǒng)完好性關(guān)鍵點是指"導(dǎo)航衛(wèi)星中的某個節(jié)點發(fā) 生故障或者損壞時，其對整個系統(tǒng)完好性產(chǎn)生的影響超過某一個程度時，那么這個節(jié)點就 是整個衛(wèi)星系統(tǒng)完好性的一個關(guān)鍵點"，分析得到衛(wèi)星系統(tǒng)完好性關(guān)鍵點的指標(biāo)分為三個 方面:節(jié)點自身的可靠性、節(jié)點自身的完好性和節(jié)點的拓?fù)渲匾?其中，節(jié)點的拓?fù)渲匾?度還包括節(jié)點的度、節(jié)點的接近度、節(jié)點的介數(shù)、節(jié)點的核度積和節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)效率;因此，如 圖2所示，最終選定七個參數(shù)作為衛(wèi)星系統(tǒng)完好性關(guān)鍵點指標(biāo):節(jié)點的可靠性、節(jié)點的完好 性、節(jié)點的度、節(jié)點的接近度、節(jié)點的介數(shù)、節(jié)點的核度積和節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)效率，依次標(biāo)記為指 標(biāo)1、指標(biāo)2、指標(biāo)3、指標(biāo)4、指標(biāo)5、指標(biāo)6、指標(biāo)7。
[0100] (2.2)計算每個節(jié)點的各個指標(biāo)值：
[0101] (a)計算每個節(jié)點的節(jié)點可靠性指標(biāo)的步驟如下：
[0102] (a. 1)利用公式RjiFjUc^an^an)，(XRj彡1計算第j個節(jié)點的節(jié)點可靠性指標(biāo)，其 中h是第j個節(jié)點的模糊系統(tǒng)，a。為第j個節(jié)點的計算可用性，am為第j個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)可用性， an為第j個節(jié)點的存儲可用性，第j個節(jié)點的模糊系統(tǒng)h的輸出為第j個節(jié)點的可靠性指標(biāo) Rj，可靠性指標(biāo)心分為￥1^、1^、1?、冊和￥冊五個模糊集;所述五個模糊集分別表示非常低的 可靠性、低可靠性、中可靠性、高可靠性和非常高的可靠性，如圖5所示。
[0103] (3.2)利用以下公式計算3。、3]11和311的值 ：
[0104] ac= l-Uc，(Xuc彡1，(Xac彡1，uc為新任務(wù)分配前節(jié)點的計算使用率;am= 1-Um，0 <11]1^1，0^^11^1，11111為新任務(wù)分配前節(jié)點的存儲使用率;3 11=1-1111，0<111^1，0^^1^1，11 11 為新任務(wù)分配前節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)使用率；
[0105] (a. 3)計算ac的隸屬度函數(shù)值LAC、MAC和HAC，隸屬度函數(shù)值LA m、MA4PHAm，an的 隸屬度函數(shù)值LAn、MAn和HAn，如圖4所示。
[0112] (a.4)模糊系統(tǒng)h的模糊規(guī)則如表1所示，計算每個模糊規(guī)則中隸屬度函數(shù)值的最 小值，將該最小值作為對應(yīng)模糊規(guī)則的隸屬度函數(shù)MP;
[0113] 表1
[0114]
[0115]
[0116] 將步驟(a.2)計算的ac；、adPan的值輸入模糊系統(tǒng)中，利用步驟(a.3)中的公式分別 求得a。、ajPa n的隸屬度函數(shù)值LA、Μ和HA;
[0117] (a. 5)取每個模糊集對應(yīng)的所有模糊規(guī)則的隸屬度函數(shù)值ΜΡ中的最大值為該模糊 集的輸出權(quán)重ω ;
[0118] (a.6)利用逆模糊化使用面積中心法公式得到第j個節(jié)點的可靠性指標(biāo)心，公式如 下：
[0119]
[0120] 其中ω vlr、《lr、〇mr、〇hr和ω vhr依次為￥1^、1^、]\?、冊和￥冊五個模糊集的輸出權(quán) 重。
[0121 ] (b)計算每個節(jié)點的節(jié)點完好性指標(biāo)的公式如下：
[0122]
[0123] 其中為第j個節(jié)點的完好性指標(biāo)，MTTRq為該節(jié)點在第q種故障中的平均排故時 間，所述排故時間包括發(fā)現(xiàn)故障時間和排故時間；MTBFq為該節(jié)點在第q種故障中的平均故 障間隔時間，即工作時間。
[0124] 在衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，會產(chǎn)生各種各樣的故障，有的是可以排故恢復(fù)的，有的 會使某個節(jié)點或者模塊永久失效，為了有效分析故障，根據(jù)故障不同特點分成四類故障，故 障種類如表2所示。
[0125] 表2故障種類表
[0126]
[0127] (c)計算每個節(jié)點的度、接近度、介數(shù)、核度積和網(wǎng)絡(luò)效率的方法如下：
[0128] 利用公式十算第j個節(jié)點的度h，其中1,表示與第j個節(jié)點直接相連的邊； /
[0129] 利用公式
汁算第j個節(jié)點的接近度CCj，其中di表示第j個節(jié)點與系 統(tǒng)中其他節(jié)點中每個節(jié)點的最短距離，N是系統(tǒng)中總節(jié)點個數(shù)；
[0130] 利用公：
十算第j個節(jié)點的介數(shù)&，其中nlk為第i個節(jié)點與第k個節(jié) 1 y·' -·'- - iK 點之間最短路徑的條數(shù)，nlk(j)表示為第i個節(jié)點與第k個節(jié)點之間最短路徑中經(jīng)過第j個節(jié) 點的條數(shù)；
[0131] 利用公式（計算第j個節(jié)點被孤立后的核度積，其中Sc為 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中所有節(jié)點相互通信的最短路徑長度總和，為第j個節(jié)點被孤立后G中 任意兩個節(jié)點相互通信的最短路徑長度總和，lc為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中的鏈路數(shù)，為第j個 節(jié)點被孤立后G中的鏈路數(shù)；
[0132] 利用公式nj = MEAN(l/dij)，1彡i，j<N&&i辛j計算第j個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)效率，其中nj 為第j個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)效率，MEAN為進(jìn)行取平均值運(yùn)算的函數(shù)，(^表示第j個節(jié)點被孤立后網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中任意兩個節(jié)點間的路徑長度。
[0133] (2.3)應(yīng)用極大不相關(guān)法則進(jìn)行指標(biāo)篩選:利用公?
計算每一個指標(biāo) 與其他指標(biāo)相關(guān)函數(shù)的平均相關(guān)性，若所有指標(biāo)的平均相關(guān)性的最大值大于預(yù)先設(shè)定的閾 值，則刪除平均相關(guān)性最大值對應(yīng)的指標(biāo)，重新返回步驟(2.2)，否則，進(jìn)入步驟(2.4);其中 為第j個節(jié)點的指標(biāo)s與其他指標(biāo)相關(guān)函數(shù)的平均相關(guān)性，c為指標(biāo)的總個數(shù)，rsj,t為第j 個節(jié)點的指標(biāo)s與指標(biāo)t之間的相關(guān)函數(shù)；
[0134] (2.4)利用以下公式對每個節(jié)點篩選后剩余的各個指標(biāo)分別進(jìn)行歸一化處理：
[0135] _
[0136] 其中Xj, t表示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中第j個節(jié)點的第t個指標(biāo)的指標(biāo)值，X ' j, t是指標(biāo)Xj, t 歸一化后的值。
[0137] (2.5)采用熵權(quán)計算的方法計算每個指標(biāo)的權(quán)重，具體步驟如下：
[0138] (b.l)計算每個節(jié)點的各個指標(biāo)值在所有節(jié)點所有指標(biāo)的指標(biāo)值中所占的概率：
[0139]
[0140] 其中h,t為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中第j節(jié)點的第t個指標(biāo)的指標(biāo)值在所有節(jié)點所有指標(biāo) 的指標(biāo)值中所占的概率，為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中第j個節(jié)點的第t個指標(biāo)歸一化后的值;N 表示N是系統(tǒng)中總節(jié)點個數(shù);ζ為調(diào)整參數(shù)，取值范圍為10-8-10-6;
[0141] (b.2)根據(jù)步驟(b.l)的結(jié)果計算第t個指標(biāo)的信息熵Ht:
[0142] (b.3)計算第t個指標(biāo)的熵權(quán)重wt:
[0143]
[0144] 采用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重可避免因主觀確定權(quán)重而造成的評價偏差，同時為避免 熵權(quán)計算產(chǎn)生無意義的取值引入調(diào)整參數(shù)ζ(這里是為了避免在取對數(shù)操作時，出現(xiàn)InO的 情況）。
[0145] (2.6)根據(jù)每個節(jié)點各個指標(biāo)歸一化后的值以及每個指標(biāo)的權(quán)重，利用以下公式 計算每個節(jié)點的關(guān)鍵度：
[0146] 產(chǎn)1
[0147] 其中L為第j個節(jié)點的關(guān)鍵度，Wt為第t個指標(biāo)的權(quán)重，

為預(yù)先給定的常數(shù)；
[0148] (2.7)根據(jù)各個節(jié)點的關(guān)鍵度計算節(jié)點關(guān)鍵度歸一化方差，判斷得到的節(jié)點關(guān)鍵 度歸一化方差是否小于設(shè)定的閾值，若小于，則完好性關(guān)鍵點拓?fù)鋬?yōu)化完成；否則，將 衛(wèi)星系統(tǒng)中關(guān)鍵度最大的節(jié)點作為完好性關(guān)鍵點，采用環(huán)網(wǎng)等效的方法對該完好性關(guān)鍵點 進(jìn)行優(yōu)化，其中，環(huán)網(wǎng)等效方法是當(dāng)某一關(guān)鍵節(jié)點承擔(dān)著較為重要的任務(wù)又處于多個子網(wǎng) 之間時，可以考慮將以多個節(jié)點連成環(huán)狀來代替該節(jié)點，將其工作量分擔(dān)或者備份到多個 節(jié)點上，并且當(dāng)某個節(jié)點產(chǎn)生問題時可以經(jīng)由環(huán)路兩種另外的節(jié)點進(jìn)行傳輸。使得原先關(guān) 鍵節(jié)點的關(guān)鍵程度降低，提升整個系統(tǒng)的可靠性能。優(yōu)化完成后返回步驟(2.2)。
[0149] (3)判斷是否需要進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行后優(yōu)化，如果需要，調(diào)整系統(tǒng)為運(yùn)行狀態(tài)(Running =1 )，進(jìn)入步驟(4);否則，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)束；
[0150] (4)同時進(jìn)行基于節(jié)點可信度的拓?fù)鋬?yōu)化和基于加權(quán)負(fù)載流量的拓?fù)鋬?yōu)化，直到 任意兩個節(jié)點之間均不存在備用路徑，完成衛(wèi)星系統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化。
[0151 ]基于節(jié)點可信度的拓?fù)鋬?yōu)化步驟如下：
[0152] (4.11)實時計算衛(wèi)星系統(tǒng)中每個節(jié)點與相鄰節(jié)點之間的可信度，進(jìn)入步驟 (4.12)；
[0153] 其中計算第i個節(jié)點對所選擇的第j個節(jié)點之間可信度的方法為：
[0154]
[0155] 其中Ku計算表示第i個節(jié)點對所選擇的第j個節(jié)點之間的可信度，v表示第i個節(jié)點 與第j個節(jié)點通信成功的次數(shù)，f表示第i個節(jié)點與第j個節(jié)點通信失敗的次數(shù)。
[0156] 其中，通信成功:是指從鄰居節(jié)點處接收到路由分組，并且通過了預(yù)檢測的通信， 或者在規(guī)定的時間內(nèi)收到了來自鄰居節(jié)點的HELLO消息，則認(rèn)為收到一個成功的通信。如果 沒有通過預(yù)檢測，則該節(jié)點被歸入為惡意節(jié)點，不需要再進(jìn)行可信度的計算。本文所提出的 預(yù)檢測，指的是依據(jù)信任程度對節(jié)點的行為進(jìn)行一些限制，如單位時間內(nèi)發(fā)送的請求數(shù)量 等。
[0157] 通信失敗:是指收到由于鏈路斷裂的錯誤信息。所謂路徑的鏈路斷裂，指當(dāng)一個節(jié) 點在經(jīng)過HELLO周期后發(fā)現(xiàn)與鄰居節(jié)點之間的路徑有中斷現(xiàn)象，會向其它節(jié)點廣播發(fā)送一 個錯誤信息，或者每隔一個網(wǎng)絡(luò)接收報文的周期時間內(nèi)，沒有收到來自鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的報 文，也被視為通?目失敗。
[0158] (4.12)如果某個節(jié)點與相鄰節(jié)點之間的可信度大于等于預(yù)先給定的閾值，則返回 步驟(4.11);否則，判斷這兩個節(jié)點之間是否存在備用路徑，若存在備用路徑，則增加這兩 個節(jié)點之間的路徑，直到這兩個節(jié)點之間的可信度大于等于預(yù)先給定的閾值，然后返回步 驟(4.11);若不存在備用路徑，產(chǎn)生可信度無法滿足的警告消息，則基于節(jié)點可信度的拓?fù)?優(yōu)化方法結(jié)束。
[0159] 增加備用路徑后，根據(jù)公5
Ρ衡流量，其中LinkjPLink2是每條鏈路的 流量，&和&是每條鏈路的信道容量。
[0160] 基于加權(quán)負(fù)載流量的拓?fù)鋬?yōu)化的實現(xiàn)方法如下：
[0161 ] (4.21)實時計算各條鏈路的加權(quán)負(fù)載流量;檢測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲懈鳁l鏈路的流量，其 流量矩陣為
其中Fij為由第i個節(jié)點流向第j個節(jié)點的加權(quán)負(fù)載 流量，i = l，2, · · ·，N，j = l，2, · · ·，N。
[0162] 由第i個節(jié)點流向第j個節(jié)點的加權(quán)負(fù)載流量Fij的計算方法為：
[0163] Fij= Σ γ kdk
[0164] 其中，dk為由第i個節(jié)點流向第j個節(jié)點的第k類信息的數(shù)據(jù)速率，單位為bit/s; Yk 為該第k類信息的重要度權(quán)重，為避免不同種類信息量的差距而使得重要信息被淹沒的情
況， ，其中預(yù)先給定的第k類信息的影響因子，為常 數(shù)且EAk=l，Dk為第k類信息的產(chǎn)生速率，單位為bit/s，k=l，2，...，K，K為信息種類數(shù)。
[0165] (4.22)判斷某條鏈路的加權(quán)負(fù)載流量是否大于預(yù)先給定的閾值，若大于，進(jìn)入步 驟(4.23);否則，返回步驟(4.21)重新計算加權(quán)負(fù)載流量；
[0166] (4.23)判斷該鏈路兩個節(jié)點之間是否存在備用路徑，若存在備用路徑，則增加兩 個節(jié)點之間的路徑用于平衡兩個節(jié)點之間的流量，并且根據(jù)公另
平衡流量，其 中1^他1和1^1^2是每條鏈路的流量，(：1和(：2是每條鏈路的信道容量，返回步驟(4.21)重新計 算加權(quán)負(fù)載流量矩陣;若不存在備用路徑，產(chǎn)生過度流量負(fù)載的警告消息，則基于加權(quán)負(fù)載 流量的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)束。
[0167] 實施例：
[0168] 如圖6所示，是一個衛(wèi)星系統(tǒng)的系統(tǒng)拓?fù)鋱D，首先，系統(tǒng)拓?fù)錄]有處于運(yùn)行狀態(tài) (Running = 0)，采用本發(fā)明方法確定完好性關(guān)鍵點。
[0169] 計算每個節(jié)點的各個指標(biāo)值，如下表3所示，并進(jìn)行極大不相關(guān)法的指標(biāo)篩選。
[0170] 表3每個節(jié)點的各個指標(biāo)值
[0171]
[0172]我們選取閾值為D = 75%，計算每一個指標(biāo)與其他指標(biāo)相關(guān)函數(shù)的平均相關(guān)性，從 第一行可以看出，指標(biāo)6超過閾值，因此刪除了指標(biāo)6,獲得結(jié)果如表4所示：
[0173] 表4指標(biāo)平均相關(guān)性表
[0174]
[0175] 對每個節(jié)點篩選后剩余的各個指標(biāo)分別進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化后的值。
[0176] 計算各指標(biāo)的權(quán)重，如表5所示：
[0177] 表5各指標(biāo)的權(quán)重
[0178]
Lm /y」根據(jù)母個節(jié)點谷個指稱！a-化后的值以及母個指稱的儀里，計算母個節(jié)點的天鍵 度，并進(jìn)一步計算節(jié)點關(guān)鍵度歸一化方差，查看節(jié)點的關(guān)鍵度是否大于我們規(guī)定的閾值 ?得到節(jié)點5的關(guān)鍵度最大，節(jié)點5為完好性關(guān)鍵點，這里我們采用環(huán)網(wǎng)等效的方 法，將節(jié)點5等效成四個節(jié)點環(huán)網(wǎng)，節(jié)點5a，5b，5c，5d，得到結(jié)果如圖7所示。重新計算此時各 個節(jié)點的關(guān)鍵度，我們得到新的關(guān)鍵度歸一化方差為σ 2 = 0.0746,小于我們的閾值 =().丨，那么優(yōu)化算法結(jié)束，從優(yōu)化結(jié)果圖8和圖9顯示，本發(fā)明的優(yōu)化效果明顯優(yōu)于現(xiàn) 有的從結(jié)構(gòu)特性出發(fā)對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點進(jìn)行優(yōu)化的傳統(tǒng)算法。
[0180] 需要進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行后優(yōu)化，調(diào)整系統(tǒng)為運(yùn)行狀態(tài)，我們將系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)置成運(yùn)行狀 態(tài)(Running=l)，如圖10所示，同時進(jìn)行基于節(jié)點可信度的拓?fù)鋬?yōu)化和基于加權(quán)負(fù)載流量 的拓?fù)鋬?yōu)化。
[0181] 基于可信度的優(yōu)化算法開始后，計算每個節(jié)點與鄰居節(jié)點的可信度，然后判斷某 個節(jié)點與相鄰節(jié)點之間的可信度是否低于我們要求的閾值，這里我們設(shè)置該閾值為0.8,我 們發(fā)現(xiàn)節(jié)點10的可信度低于我們的要求，那么我們增加兩點之間的鏈路，并且平衡兩條鏈 路的流量。返回重新計算可信度，此時的可信度0.87;如果沒辦法增加鏈路，發(fā)出可靠性無 法滿足的告警信號，算法結(jié)束。該算法的運(yùn)行效果圖參看圖11。
[0182] 基于加權(quán)負(fù)載流量的拓?fù)鋬?yōu)化算法，計算整個拓?fù)涞呢?fù)載流動矩陣F，并找到負(fù)載 最大的邊，其負(fù)載Fi。其中，不同的數(shù)據(jù)流量參看表6。
[0183] 表6數(shù)據(jù)速率及所屬類別
[0184]
[0185] 如果Fi小于我們設(shè)定的閾值，重新返回計算負(fù)載流量矩陣。這里設(shè)置的閾值為 Fthread = 8MbpS。結(jié)果鏈路7大于了閾值，我們要判斷是否可以增加鏈路，如果可以增加鏈路， 增加兩點之間的鏈路，并且平衡兩條鏈路的流量，返回重新計算負(fù)載流動矩陣得到新的結(jié) 果，此時鏈路7的加權(quán)負(fù)載流量小于7;如果沒辦法增加鏈路，發(fā)出過度流量負(fù)載的告警信 號，算法結(jié)束。該算法的運(yùn)行效果圖參看圖12。
[0186] 觀察圖12顯示的優(yōu)化前后的結(jié)果可以看出，該算法可以控制整個網(wǎng)絡(luò)對可信度的 要求，這樣就可以有效的從拓?fù)溥\(yùn)行角度處理節(jié)點的突然損壞情況，并實時有效的避免其 對整個拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的影響，提高了整個衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目煽啃院涂箽浴?br>[0187] 本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【主權(quán)項】
1. 一種衛(wèi)星系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于步驟如下： (1) 將衛(wèi)星系統(tǒng)抽象為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，衛(wèi)星系統(tǒng)中的各設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的節(jié) 占. (2) 判斷衛(wèi)星系統(tǒng)當(dāng)前是否處于運(yùn)行狀態(tài)，未處于運(yùn)行狀態(tài)則進(jìn)入步驟(3)，否則進(jìn)入 步驟(4); (3) 確定衛(wèi)星系統(tǒng)中的完好性關(guān)鍵點，對完好性關(guān)鍵點進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化后，調(diào)整系統(tǒng)為運(yùn) 行狀態(tài)，進(jìn)入步驟(4); (4) 判斷是否需要進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行后優(yōu)化，如果需要，進(jìn)入步驟(5);否則，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)束； (5) 同時進(jìn)行基于節(jié)點可信度的拓?fù)鋬?yōu)化和基于加權(quán)負(fù)載流量的拓?fù)鋬?yōu)化，直到任意 兩個節(jié)點之間均不存在備用路徑，完成衛(wèi)星系統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種衛(wèi)星系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于:所述步驟(3)中確 定衛(wèi)星系統(tǒng)中的完好性關(guān)鍵點，對完好性關(guān)鍵點進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的實現(xiàn)步驟如下： (2.1) 確定衛(wèi)星系統(tǒng)完好性關(guān)鍵點指標(biāo)，所述完好性關(guān)鍵點指標(biāo)包括節(jié)點的可靠性、節(jié) 點的完好性、節(jié)點的度、節(jié)點的接近度、節(jié)點的介數(shù)、節(jié)點的核度積和節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)效率； (2.2) 計算每個節(jié)點的各個指標(biāo)值；計算每一個指標(biāo)與其他指標(biāo)相關(guān)函數(shù)的平均相關(guān)性，若所 有指標(biāo)的平均相關(guān)性的最大值大于預(yù)先設(shè)定的閾值，則刪除平均相關(guān)性最大值對應(yīng)的指 標(biāo)，重新返回步驟(2.2)，否則，進(jìn)入步驟(2.4);其中;為第j個節(jié)點的指標(biāo)s與其他指標(biāo)相 關(guān)函數(shù)的平均相關(guān)性，c為指標(biāo)的總個數(shù)，r sj,t為第j個節(jié)點的指標(biāo)s與指標(biāo)t之間的相關(guān)函 數(shù)； (2.4) 利用以下公式對每個節(jié)點篩選后剩余的各個指標(biāo)分別進(jìn)行歸一化處理：其中Xj, t表示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中第j個節(jié)點的第t個指標(biāo)的指標(biāo)值，X ' j, t是指標(biāo)Xj, t歸一 化后的值； (2.5) 采用熵權(quán)計算的方法計算每個指標(biāo)的權(quán)重； (2.6) 根據(jù)每個節(jié)點各個指標(biāo)歸一化后的值以及每個指標(biāo)的權(quán)重，利用以下公式計算 每個節(jié)點的關(guān)鍵度：其中L為第j個節(jié)點的關(guān)鍵度，wt為第t個指標(biāo)的權(quán)重，(2.7) 根據(jù)各個節(jié)點的關(guān)鍵度計算節(jié)點關(guān)鍵度歸一化方差，判斷得到的節(jié)點關(guān)鍵度歸 一化方差是否小于設(shè)定的閾值，若小于，則完好性關(guān)鍵點拓?fù)鋬?yōu)化完成;否則，將衛(wèi)星 系統(tǒng)中關(guān)鍵度最大的節(jié)點作為完好性關(guān)鍵點，采用環(huán)網(wǎng)等效的方法對該完好性關(guān)鍵點進(jìn)行 優(yōu)化，優(yōu)化完成后返回步驟(2.2)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種衛(wèi)星系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于:所述步驟(2.2)中 計算每個節(jié)點的節(jié)點可靠性指標(biāo)的步驟如下： (3.1) 利用公式Rj = Fj(a。，am,an) ,(XRjSl計算第j個節(jié)點的節(jié)點可靠性指標(biāo)，其中Fj是 第j個節(jié)點的模糊系統(tǒng)，a。為第j個節(jié)點的計算可用性，am為第j個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)可用性，a n為第 j個節(jié)點的存儲可用性，第j個節(jié)點的模糊系統(tǒng)Fj的輸出為第j個節(jié)點的可靠性指標(biāo)Rj，可靠 性指標(biāo)Rj分為VLR、LR、MR、HR和VHR五個模糊集； (3.2) 利用以下公式計算a。、am和an的值： ac= I-Uc ,(Xuc彡I ,(Xac彡1，Uc為新任務(wù)分配前節(jié)點的計算使用率;am= I-Um，(XUm彡 I ,(Xam彡I，Um為新任務(wù)分配前節(jié)點的存儲使用率;an= I-Un ,(Xun彡I ,(Xan彡I，Un為新任 務(wù)分配前節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)使用率； (3.3) 計算&。的隸屬度函數(shù)值1^。、1^。和說。，&"的隸屬度函數(shù)值1^^、1^"和說"， &11的隸屬 度函數(shù)值LAn、MAn和HAn:(3.4) 模糊系統(tǒng)Fj的模糊規(guī)則如下表所示，計算每個模糊規(guī)則中隸屬度函數(shù)值的最小 值，將該最小值作為對應(yīng)模糊規(guī)則的隸屬度函數(shù)MP; (3.5) 取每個模糊集對應(yīng)的所有模糊規(guī)則的隸屬度函數(shù)值MP中的最大值為該模糊集的 輸出權(quán)重ω ;(3.6) 利用逆模糊化使用面積中心法公式得到第j個節(jié)點的可靠性指標(biāo)吣，公式如下：其中ω vlr、《lr、〇mr、Ohr和ω VHR依次為￥1^、1^、]\?、冊和￥!11?五個模糊集的輸出權(quán)重。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種衛(wèi)星系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于:所述計算每個節(jié)點 的節(jié)點完好性指標(biāo)的公式如下：其中W為第j個節(jié)點的完好性指標(biāo)，MTTRq為該節(jié)點在第q種故障中的平均排故時間，所 述排故時間包括發(fā)現(xiàn)故障時間和排故時間;MTBFq為該節(jié)點在第q種故障中的平均故障間隔 時間，即工作時間。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種衛(wèi)星系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于:所述計算每個節(jié)點 的度、接近度、介數(shù)、核度積和網(wǎng)絡(luò)效率的方法如下：計算第j個節(jié)點的度Dj，其中I i表示與第j個節(jié)點直接相連的邊；第j個節(jié)點的接近度CCj，其中Cl 1表示第j個節(jié)點與系統(tǒng)中 其他節(jié)點中每個節(jié)點的最短距離，N是系統(tǒng)中總節(jié)點個數(shù)；?計算第j個節(jié)點的介數(shù)Bj，其中ruk為第i個節(jié)點與第k個節(jié)點之 間最短路徑的條數(shù)，nlk(j)表示為第i個節(jié)點與第k個節(jié)點之間最短路徑中經(jīng)過第j個節(jié)點的 條數(shù)； 利用公式7-Wx(L-Iri)計算第j個節(jié)點被孤立后的核度積，其中Sc為網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中所有節(jié)點相互通信的最短路徑長度總和，&-r,為第j個節(jié)點被孤立后G中任意 兩個節(jié)點相互通信的最短路徑長度總和，Ic為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中的鏈路數(shù)，Li,為第j個節(jié)點 被孤立后G中的鏈路數(shù)； 利用公式=MEAN( 1/dij)，I < i，j<N&&i辛j計算第j個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)效率，其中nj為第j 個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)效率，MEAN為進(jìn)行取平均值運(yùn)算的函數(shù)，(^表示第j個節(jié)點被孤立后網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?結(jié)構(gòu)G中任意兩個節(jié)點間的路徑長度。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種衛(wèi)星系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于:所述步驟(2.5)的 實現(xiàn)方法為： (6.1) 計算每個節(jié)點的各個指標(biāo)值在所有節(jié)點所有指標(biāo)的指標(biāo)值中所占的概率：其中Pit為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中第j節(jié)點的第t個指標(biāo)的指標(biāo)值在所有節(jié)點所有指標(biāo)的指 標(biāo)值中所占的概率，為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中第j個節(jié)點的第t個指標(biāo)歸一化后的值;N表示N 是系統(tǒng)中總節(jié)點個數(shù);ζ為調(diào)整參數(shù)，取值范圍為HT8-KT6; (6.2) 根據(jù)步驟(6.1)的結(jié)果計算第t個指標(biāo)的信息熵Ht (6.3) 計算第t個指標(biāo)的熵權(quán)重wt:7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種衛(wèi)星系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于:所述基于節(jié)點可信 度的拓?fù)鋬?yōu)化的實現(xiàn)方法如下： (7.1) 實時計算衛(wèi)星系統(tǒng)中每個節(jié)點與相鄰節(jié)點之間的可信度，進(jìn)入步驟(7.2); 其中第i個節(jié)點對所選擇的第j個節(jié)點之間的可信度Klj的計算方法為：其中V表示第i個節(jié)點與第j個節(jié)點通信成功的次數(shù)，f表示第i個節(jié)點與第j個節(jié)點通信 失敗的次數(shù)。 (7.2) 如果某個節(jié)點與相鄰節(jié)點之間的可信度大于等于預(yù)先給定的閾值，則返回步驟 (7.1);否則，判斷這兩個節(jié)點之間是否存在備用路徑，若存在備用路徑，則增加這兩個節(jié)點 之間的路徑，并平衡這兩個節(jié)點之間兩條鏈路的流量，直到這兩個節(jié)點之間的可信度大于 等于預(yù)先給定的閾值，然后返回步驟(7.1);若不存在備用路徑，則產(chǎn)生可信度無法滿足的 警告，基于節(jié)點可信度的拓?fù)鋬?yōu)化方法結(jié)束。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種衛(wèi)星系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于:所述步驟(7.2)中 平衡這兩個節(jié)點之間兩條鏈路流量的方法為：其中1^111^是這兩個節(jié)點之間原有鏈路的流量，Link2是這兩個節(jié)點之間新增的備用鏈 路的流量，C1是這兩個節(jié)點之間原有鏈路的信道容量，C2是這兩個節(jié)點之間新增的備用鏈路 的信道容量。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種衛(wèi)星系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于:所述基于加權(quán)負(fù)載 流量的拓?fù)鋬?yōu)化的實現(xiàn)方法如下： (9 . 1 )計算衛(wèi)星系統(tǒng)中各條鏈路的加權(quán)負(fù)載流量，得到系統(tǒng)流量矩陣，進(jìn)入步驟(9.2 )，其中Fi」為由第i個節(jié)點流向第j個節(jié)點的加 權(quán)負(fù)載流量，i = l，2,. . .，N，j = l，2,. . .，N，N是系統(tǒng)中總節(jié)點個數(shù)； (9.2) 判斷某條鏈路的加權(quán)負(fù)載流量是否大于預(yù)先給定的閾值，若大于，進(jìn)入步驟 (9.3);否則，返回步驟(9.1)重新計算加權(quán)負(fù)載流量F; (9.3) 判斷該鏈路兩個節(jié)點之間是否存在備用路徑，若存在備用路徑，則增加兩個節(jié)點 之間的路徑，并平衡這兩個節(jié)點之間各條鏈路的流量，返回步驟(9.1)重新計算加權(quán)負(fù)載流 量矩陣;若不存在備用路徑，則產(chǎn)生過度流量負(fù)載的警告，基于加權(quán)負(fù)載流量的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié) 束。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種衛(wèi)星系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于:所述由第i個節(jié)點 流向第j個節(jié)點的加權(quán)負(fù)載流量Fij的計算方法為： Fij= Σ Ykdk 其中，dk為由第i個節(jié)點流向第j個節(jié)點的第k類信息的數(shù)據(jù)速率，單位為bi t/s; γ k為該 第k類信息的權(quán)重，，其中AkS預(yù)先給定的第k類信息的影 響因子，4為常數(shù)且EAk=l，Dk為第k類信息的產(chǎn)生速率，單位為bit/s，k=l，2,. . .，K，K為 信息種類數(shù)。
【文檔編號】H04L12/24GK105933147SQ201610232563
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月14日
【發(fā)明人】林益明, 于登云, 鄭晉軍, 張弓, 楊聰偉, 劉安邦, 門愛東, 姜竹清, 宋洪超, 婁英欣
【申請人】北京空間飛行器總體設(shè)計部