ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СВЯЗНОГО КОСМИЧЕСКОГО РЕСУРСА

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 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.

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 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.
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, В. А. Селищев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2023. – № 8. – С. 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.