1.3.1 科学问题

按需服务卫星通信网络作为一种新的网络架构，厘清、探究并刻画其背后蕴含的科学问题是推动其发展的根本。本书从网络规模与能力的数学关系、多域不均匀分布的业务建模问题、网络和业务相互作用机理3个方面阐述按需服务卫星通信网络涉及的主要科学问题。

① 网络规模与能力的数学关系。目前，国际上一些卫星通信网络计划拟通过发射大规模数量的卫星以提升其用户服务能力。然而，庞大数量规模的卫星星座建设受到多方面复杂因素的影响，若化解不佳易形成复杂系统。一般而言，复杂系统付出的代价与系统复杂度呈超线性关系，系统复杂度与代价、收益的一般关系如图1-1所示。在达到一定复杂度后，系统获得的收益往往偏向亚线性，极端情况下收益有可能崩塌。因此，我们需要对卫星通信网络规模和能力的数学关系进行分解、抽象和表征，但其理论研究仍处于起步阶段，亟待进一步深入。

图1-1 系统复杂度与代价、收益的一般关系

② 多域不均匀分布的业务建模问题。业务分布模型是研究按需服务卫星通信网络的基础。与地面网络不同，卫星通信网络广域业务呈现显著的时空非均匀特性。例如，从全球人口分布来看，地球总面积的29.2%为陆地，而全球90%的人口集中在10%的陆地面积上，陆地人口聚集特性明显。目前，对于广域业务需求分布的模型研究不足，缺少一般性的数学模型描述，导致卫星通信网络能力需求的研究与实际情况存在较大差距。

③ 网络和业务相互作用机理。网络效能包含多元化的评价指标，除了总吞吐量、端到端时延、抖动等客观指标，还涉及用户的主观评价指标。实际上，网络效能与业务输入是相互作用、紧密耦合的。一方面，业务需求及分布决定了网络的服务成本，而用户体验可激发或抑制业务需求，从而决定运营商效益；另一方面，网络服务也能影响用户的消费使用习惯，如服务质量和价格可影响用户的使用偏好，通过为用户推荐低成本的热门内容或索引可以协助用户进行业务选择等。通过网络和业务相互作用机理研究，在不同业务条件下优化网络效能，可为灵活调配卫星通信网络受限的通信与信息处理资源提供重要的参考依据。