CC BY
13
№ 2 (119)
февраль, 2024 г.
ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СВЯЗНОГО КОСМИЧЕСКОГО РЕСУРСА
Пискунов Антон Андреевич
аспирант,
Сибирский Федеральный Университет, РФ, г. Красноярск E-mail: piskunoff_a_a@mail.ru
Ченцов Сергей Васильевич
д-р техн. наук, профессор, Сибирский Федеральный Университет, РФ, г. Красноярск
REVIEW OF EXISTING MODELS AND METHODS OF DISTRIBUTION OF COMMUNICATION SPACE RESOURCES
Anton Piskunov
Postgraduate student, Siberian Federal University, Russia, Krasnoyarsk
Sergey Chentsov
Scientific supervisor, grand PhD in Engineering, professor, Siberian Federal University, Russia, Krasnoyarsk
АННОТАЦИЯ
В данной статье произведен обзор существующих моделей и методов распределения связного космического ресурса, показана перспективность использования методов, основанных на применении искусственных нейронных сетей, при решении задач распределения связного космического ресурса.
ABSTRACT
This article provides a review of existing models and methods for distributing a connected space resource, showing the prospects of using methods based on the use of artificial neural networks in solving problems of distributing a connected space resource.
Ключевые слова: машинное обучение, искусственная нейронная сеть, системы спутниковой связи, межспутниковые линии связи, маршрутизация данных.
Keywords: machine learning, artificial neural network, satellite communication systems, inter-satellite communication links, data routing.
Последние десятилетия большое внимание уделяется системам спутниковой связи, в том числе основывающимся на использовании малых космических аппаратов. Так, в статье [1] сформирована описательная модель системы спутниковой связи Starlink, которая может использоваться для разработки исходных данных при моделировании связных процессов в отечественных многоспутниковых низкоорбитальных системах спутниковой связи в интересах научно-обоснованного выбора принципов организации связи в ней. В работе [2] автором предлагается концепция создания орбитальных группировок, космические аппараты которых связаны межспутниковыми радиолиниями, что позволит управлять всей орбитальной группировкой в режиме квазиреального времени.
В работе [3], в ходе анализа современного состояния орбитальных группировок КА дистанционного зондирования Земли различного целевого назначения, отмечено следующее:
• рассмотренные в работе космические аппараты отличаются высоким качеством бортовой аппаратуры и крайне высокой оперативностью доведения целевой информации до конечного потребителя, достигаемой посредством использования межспутниковых радиолиний связи и ретрансляции информации на удаленные земные станции через КА-ретрансляторы на высоких орбитах;
• сравнительный анализ КА-ретрансляторов показал, что в результате достижения хороших результатов в разработке высоких пропускных способностей
Библиографическое описание: Пискунов А.А., Ченцов С.В. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СВЯЗНОГО КОСМИЧЕСКОГО РЕСУРСА // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2024. 2(119). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/16764
№ 2 (119)
каналов сброса и ретрансляции целевой информации с КА ДЗЗ на удаленные земные станции скорость сброса, составляющая до нескольких сот мегабит в секунду, позволяет получать информацию в реальном масштабе времени;
• перспективным является использование оптических линий связи, обеспечивающих скрытность передачи информации, защиту от несанкционированного доступа, высокую помехоустойчивость и электромагнитную совместимость, высокие скорости передачи информации.
В статье [4] представлена модель оценивания эффективности управления многоспутниковыми орбитальными системами (МС). На основе анализа структуры типовой системы управления МС выявлен показатель эффективности управления МС и разработана его математическая модель. Для оценки эффективности управления МС разработана марковская модель оценивания на основе анализа агрегированных характеристик системы управления МС.
Проблемы реализации облачных технологий в низкоорбитальных космических системах персональной спутниковой связи, передачи данных и телеуправления рассмотрены в [5]. Отмечается, что экономическая состоятельность глобальной низкоорбитальной космической информационной системы (ГКНИС) будет в первую очередь зависеть от возможности использовать в ее составе КА малой массы и габаритов, унифицированных по платформе служебных систем и производимых поточно конвейерным способом. Приводятся следующие особенности такой системы:
1. Малогабаритные космические аппараты (МКА) в силу своей многочисленности действуют в зоне прямой видимости друг друга в условиях отсутствия помех со стороны атмосферы Земли, что позволяет организовывать обмен данными между космическими аппаратами с незначительными энергетическими затратами.
2. Технологии межспутникового обмена данными позволяют превращать всю совокупность МКА ГКНИС в единую вычислительную сеть, в которой перегруженный вычислениями объект имеет возможность передать часть своих функций по обработке информации другому объекту.
Кроме того, авторами указывается, что при кластерном построении многоспутниковой орбитальной группировки МКА можно с точки зрения управления каждый МКА рассматривать как периферийный компьютер ограниченной мощности в единой сети, предназначенной для решения ресурсоемких задач.
В работе [6] отмечаются следующие пункты:
• в разворачиваемых на сегодняшний день широкополосных низкоорбитальных системах связи (НОСС) Starlink и One Web планируется испытать межспутниковые тракты для обеспечения доставки сообщений от абонента к абоненту;
• предполагается, что в указанных выше системах доставка сообщений будет осуществляться в соответствии с протоколом BGP (Border Gateway Protocol), подразумевающим коррекцию бортовых таблиц маршрутизации спутников-ретрансляторов.
февраль, 2024 г.
В данной работе ставится цель предложить и исследовать математически НОСС с улучшенными по сравнению с приведенными системами характеристиками. Приведенные в работе технические решения позволяют сохранить скорость доставки сообщений, снизить стоимость спутников-ретрансляторов с функцией маршрутизатора и их обслуживания.
Помимо анализа современного состояния систем спутниковой связи и выявления перспектив развития данной области, можно выделить ряд работ, относящихся к проблеме организации межспутниковых линий связи с точки зрения протоколов передачи данных и маршрутизации пакетов данных. Например, в [7] представлено исследование систем коммуникации и связи с использованием методов моделирования и оптимизации, сформулированы основные цели оптимизации связи.
В работе [8] проведен анализ протоколов сетевого взаимодействия для повышения надежности, быстродействия и безопасности сети организации. Сформулированы основные проблемы обеспечения надежности применительно к локальной сети организации, перечислены популярные методы анализа надежности компьютерных сетей. Кроме того, авторами произведен обзор протоколов, обеспечивающих защиту сети и данных (IPsec, SSL/TLS, SSH, HTTPS, SNMPv3 и т.д.). Сделан вывод, что анализ и оптимизация протоколов сетевого взаимодействия позволяют повысить надежность, быстродействие и безопасность сетей.
В статье [9] рассмотрены наиболее актуальные угрозы информационной безопасности. Авторами предлагается использовать расширенный набор требований для устройств IoT в целях повышения безопасности.
В статье [10] показано решение проблем разработки гибридного протокола динамической маршрутизации с помощью построения имитационной модели, подтверждающей эффективность функционирования разработанного протокола.
В работе [11] предложен метод маршрутизации трафика в трехмерной сети с применением серого реляционного анализа. В работе заключается, что эффективность данного метода тем выше, чем шире набор значений используемых параметров в конкретной сети, однако для его применения необходимо получать исходные данные о показателях качества и выполнять дополнительные вычисления.
В [12] разработаны модели и методики повышения пропускной способности объединенной сети связи на основе использования Mesh-технологий. Применение разработанной методики позволяет обосновать доли информационных потоков, ретранслируемых с целью балансировки нагрузки, а также обеспечения высокой пропускной способности и требуемого уровня своевременности передачи сообщений.
В статье [13] решена операционная задача автоматизации построения и маршрутизации сетевой модели с известными координатами условных целей, поставленных для их достижения в течение
№ 2 (119)
февраль, 2024 г.
минимального времени. В работе рассмотрен метод динамического программирования, реализуемый с использованием алгоритма маршрутизации Беллмана -Форда, дополненный рекурсивной процедурой пошаговой оптимизации, снимающей ограничение алгоритма при наличии в графе обратно ориентированных ребер с отрицательными весами.
Также можно выделить ряд работ, касающихся возможности применения искусственных нейронных сетей в задаче распределения связного космического ресурса. В статье [14] приведен общий обзор актуальных сведений о применяемых технологиях ИИ на космических пространствах. Авторами выделены следующие основные пункты:
• использование ИИ для решения задачи анализа поступающей с радиолокационных станций информации, что позволяет контролировать возникающие космические помехи разного рода происхождения и непрерывно наблюдать за обстановкой в космосе;
• создание автоматизированных систем интеллектуального анализа информации и выявления аномалий на основе использования нейронных сетей и методов анализа больших данных;
• применение ИИ в области, связанной с дистанционным зондированием Земли;
• создание архитектуры нейронных сетей для анализа изображений, получаемых с искусственных спутников Земли.
В статье [15] произведена оценка методов машинного обучения - градиентного бустинга и обобщенной регрессионной нейронной сети - для прогнозирования качества маршрутов связи в беспроводных самоорганизующихся сетях передачи данных на основе частных маршрутных метрик.
В работе [16] дана оценка перспектив развития и применения искусственного интеллекта в мобильной связи 5-го и 6-го поколений, выполнен обзор
возможных приложений применения ИИ в мобильной связи.
В [17] рассмотрен вопрос о целесообразности использования нейронных сетей в помехоустойчивом кодировании. Показано, что нейронные сети не уступают по конкурирующей способности, а в некоторых случаях и превосходят коды с мягким решением.
В работе [18] построена концептуальная модель обмена информацией между органами управления, учитывающая используемые информационные технологии и качество информационных потоков. Сделан вывод о том, что за счет применения имитационного моделирования, нейросети и теории игр при выборе оптимальной услуги связи (набора услуг) для обеспечения передачи требуемой информации определенному количеству абонентов за заданное время обоснованность принятия решения повышается и как следствие обеспечения своевременной передачи информации между пунктами управления.
В статье [19] при решении задачи классификации трафика в программно-конфигурируемых сетях с элементами ИИ используется архитектура программно-конфигурируемых сетей (SDN) для разработки системы классификации сетевых приложений на основе гибридной сети глубокого обучения, состоящей из многоуровневого автокодировщика и слоя регрессии softmax. Результаты экспериментов указывают на более высокие комплексные характеристики точности классификации, чем у модели на базе метода опорных векторов (SVM).
Таким образом, в результате выполненного обзора можно сделать вывод о перспективности использования методов, основанных на машинном обучении, при решении задач распределения связного космического ресурса.
Список литературы:
1. Описательная модель системы спутниковой связи Starlink / С.В. Пехтерев, С.И. Макаренко, А.А. Ковальский // Системы управления, связи и безопасности. - 2022. - № 4. - С. 190-255.
2. Пантелеймонов И.Н. Перспективная методика управления полетом космических аппаратов одной орбитальной группировки с применением межспутниковых радиолиний / И.Н. Пантелеймонов // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. - 2018. - Т. 5, В. 2. - С. 73-83.
3. Обзор современного состояния орбитальных группировок космических аппаратов дистанционного зондирования земли и космических ретрансляторов / Д.Г. Пантенков, Н.В. Гусаков, А.А. Ломакин // Известия высших учебных заведений. Электроника. - 2022. - № 1, т. 27. - С. 120-149.
4. Модель оценивания эффективности управления многоспутниковыми орбитальными системами / Е.П. Минаков, А.Е. Привалов, П.Ю. Бугайченко // Труды МАИ. - 2022. - № 125. - С. 614-639.
5. Проблемы реализации облачных технологий в низкоорбитальных космических системах персональной спутниковой связи и передачи данных и телеуправление / Е.А. Карпенко, М.В. Кравчин, А.В. Сергиенко, Д.С. Андрашитов // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. - 2023. - № 1, т. 15. -С. 4-9.
6. Пичугин С.Б. Модели массового обслуживания с простейшими потоками для низкоорбитальной спутниковой системы / С.Б. Пичугин // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2022. - № 1 (742). -С. 61-70.
7. Моделирование и оптимизация систем коммуникации и связи / Л.Э. Кулиева, М.М. Гурбанбердиев // Всемирный ученый. - 2023. - Т. 1, № 12. - С. 286-291.
• 7universum.com
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_Февраль. 2024 г.
8. Анализ протоколов сетевого взаимодействия для повышения надежности, быстродействия и безопасности сети организации / Р.А. Юхимук, С.А. Веревкин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2023. - № 8. - С. 286-296.
9. Анализ возможных угроз для беспроводных технологий IoT / И.Д. Крылов, А.К. Тимкин, И.В. Кича,
B.А. Селищев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2023. - № 8. -
C. 330-337.
10. Разработка и моделирование гибридного протокола динамической маршрутизации / Л.И. Абросимов, Х. Хаю, М.А. Орлова // Программные продукты и системы. - 2023. - Т. 36, № 1. - С. 71-82.
11. Метод маршрутизации трафика в трехмерной сети интернета вещей высокой плотности с применением серого реляционного анализа / А.В. Марочкина, А.И. Парамонов // Труды учебных заведений связи. - 2023. -Т. 9, № 4. - С. 75-85.
12. Повышение пропускной способности объединенной воздушно-космической сети связи. Часть 1. Модели и методика повышения пропускной способности объединенной сети связи на основе использования Mesh-технологий // М.С. Иванов, А.В. Аганесов, С.И. Макаренко // Системы управления, связи и безопасности. -2022. - № 3. - С. 183-259.
13. Маршрутизация потоковой сети на основе модификации алгоритма Беллмана - Форда / А.А. Чертков, Я.Н. Каск, Л.Б. Очина // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. - 2022. - Т. 14, № 4. - С. 615-627.
14. Применение российских технологий с элементами искусственного интеллекта в космосе / Д.О. Судьина, Л.Э. Петросян, С.А. Зырянова // Инженерный вестник Дона. - 2023. - № 1 (97). - С. 18-26.
15. Пестин М.С. Методы машинного обучения в задачах построения маршрутов связи в беспроводных AD-HOC- сетях передачи данных / М.С. Пестин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2022. - № 8. - С. 121-127.
16. Оценка перспектив развития и применения искусственного интеллекта в мобильной связи 5-го и 6-го поколений / Ш.И. Исобоев, Б.М. Халматов, В.А. Коптев // Экономика и качество систем связи. - 2022. -№ 1 (23). - С. 20-25.
17. Повышение достоверности мобильной цифровой связи в сетях пятого и шестого поколения / А.В. Семашко, А.Д. Абакшин // Экономика и качество систем связи. - 2023. - № 4 (30). - С. 76-85.
18. Концептуальная модель обмена информацией между органами управления, учитывающая используемые информационные технологии и качество информационных потоков / А.С. Белов, М.М. Добрышин, Д.С. Горбуля, Д.Е. Шугуров // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. -2022. - № 9. - С. 126-130.
19. Елагин В.С. Модель классификации трафика в программноконфигурируемых сетях c элементами искусственного интеллекта / В.С. Елагин // Труды учебных заведений связи. -2023. - Т. 9, № 5. - С. 66-78.
№ 2 (119)
