基于AI的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu)設(shè)計(jì)

王朱偉，徐廣書，買天樂，楊 磊，高 宇

(北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

0 引言

近年來，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)作為我國未來信息化建設(shè)的核心，一直深受我國政府的高度重視。2013年2月23日，《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃(2012—2030年)的通知》[1]對發(fā)展信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提出了要求。2016年7月28日，《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃的通知》[2]發(fā)布，提出要建設(shè)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，推進(jìn)天基信息網(wǎng)、未來互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)的全面融合，形成覆蓋全球的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)。因此，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新已成為“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃落地實(shí)施的重要內(nèi)容之一。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)協(xié)同合作來實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合的一體化信息處理平臺，一體化網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部傳輸信息將呈現(xiàn)多元化、多樣化、數(shù)量巨大等特點(diǎn)，人們利用天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)多維、多源的空間信息的采集、傳輸、處理、實(shí)時全區(qū)域共享與應(yīng)用等一體化的應(yīng)用。

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)憑借其全球覆蓋、不受地理?xiàng)l件影響等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)洋、沙漠、極地等地面網(wǎng)絡(luò)不易覆蓋的區(qū)域通信，是天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。隨著天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，用戶星上數(shù)據(jù)傳輸需求不斷增加，復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、爆發(fā)式增長的信息量使得衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信息傳輸和處理的及時性、準(zhǔn)確性、可靠性面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。同時星上資源極其有限，可擴(kuò)展能力差，使得衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)要實(shí)現(xiàn)多維、多源的空間信息的采集、傳輸、處理、實(shí)時全區(qū)域共享與應(yīng)用等一體化服務(wù)，首要解決的問題就是對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部資源進(jìn)行有效的管理和分配。

本文以天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)[3-5]為研究背景，考慮到不斷擴(kuò)大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、有限的星上資源以及高動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞忍攸c(diǎn)，提出了一種基于人工智能(AI)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu)。該架構(gòu)應(yīng)用了衛(wèi)星分集群技術(shù)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)、網(wǎng)絡(luò)大腦(Network Mind)以及AI算法，對大規(guī)模衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行有效的管理與智能分配，增加了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu)的普適性，節(jié)省了星上資源，提高了衛(wèi)星資源分配的效率。

1 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)

近些年來，太空域和信息域結(jié)合而生的空間信息資源已經(jīng)引起了世界各國的廣泛關(guān)注。2004年，BHASIN K等[6]提出了一體化空間通信架構(gòu)ISCA，解決不同衛(wèi)星系統(tǒng)之間資源不能及時共享和利用等問題，避免航天設(shè)施重復(fù)建設(shè)，促進(jìn)航天資源整合優(yōu)化。2006年，沈榮駿[5]提出了我國天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想，對我國天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)的總體目標(biāo)、體系組成、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議提出了初步構(gòu)想。北京航空航天大學(xué)張軍教授綜述了空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，并對其帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)進(jìn)行了論證與研究[7]等。

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是一種支持各種業(yè)務(wù)的大型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，它整合了天基衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)和移動無線網(wǎng)絡(luò)，為各種類型的用戶提供全球覆蓋的信息支持，具有綜合性、異構(gòu)性、高效性和智能性等特點(diǎn)。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示[3-8]，主要由天基和深空骨干網(wǎng)絡(luò)、接入網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)組成。

天基和深空骨干網(wǎng)絡(luò)主要由骨干高軌(GEO)衛(wèi)星、衛(wèi)星鏈路以及深空節(jié)點(diǎn)組成。GEO衛(wèi)星具由較大的覆蓋范圍和高速的空地通信能力，多個骨干GEO衛(wèi)星可以充當(dāng)數(shù)據(jù)中心，具有數(shù)據(jù)存儲、分析、處理能力以及路由和天基網(wǎng)絡(luò)管理能力，可以實(shí)時處理衛(wèi)星用戶數(shù)據(jù)，從而減少了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，降低空-地鏈路負(fù)載和空-地通信時延。

接入網(wǎng)絡(luò)由專用星座衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、小衛(wèi)星編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)、航空移動節(jié)點(diǎn)以及空間內(nèi)提供特定接入服務(wù)的子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。這些分散的子系統(tǒng)可以通過星間鏈路與天基骨干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，也可以直接與地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。由多種子網(wǎng)組成的接入網(wǎng)絡(luò)通信連接具有多樣性，便于整合各種衛(wèi)星資源，有助于實(shí)現(xiàn)各個子系統(tǒng)之間的實(shí)時通信。

地面網(wǎng)絡(luò)主要由因特網(wǎng)、移動通信網(wǎng)以及其他地面節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)組成。地面網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和處理以及網(wǎng)絡(luò)管理，通過光纖互聯(lián)進(jìn)行實(shí)時的信息共享并與其他網(wǎng)絡(luò)的骨干節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。地面網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，不斷增長的數(shù)據(jù)流和綜合業(yè)務(wù)需求使得地面網(wǎng)絡(luò)具備對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理能力，因此地面數(shù)據(jù)中心構(gòu)成的中心網(wǎng)絡(luò)不僅能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營和管理，并且需要與互聯(lián)網(wǎng)中骨干節(jié)點(diǎn)進(jìn)行互聯(lián)互通，以便于實(shí)時獲取網(wǎng)絡(luò)信息和數(shù)據(jù)資源。

此外，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還用到了組網(wǎng)技術(shù)和骨干接入以及網(wǎng)絡(luò)分級技術(shù)。組網(wǎng)技術(shù)是天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的基礎(chǔ)，天、空、地中各大網(wǎng)絡(luò)組成種類繁多，多種網(wǎng)絡(luò)通過組網(wǎng)技術(shù)、聯(lián)合路由和一體化協(xié)議技術(shù)共同構(gòu)成了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，而一體化網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各大組網(wǎng)通過各組網(wǎng)的骨干接入節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信。從建設(shè)上看，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)既包括已經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，又包括即將建設(shè)的系統(tǒng)，不同系統(tǒng)之間的運(yùn)行模式和協(xié)議體系具有較大差異。本文引入了兩級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：一級網(wǎng)絡(luò)由起到骨干傳輸和信息獲取作用的骨干節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，包括骨干衛(wèi)星、深空節(jié)點(diǎn)、地面站和地面網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點(diǎn)；二級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要完成具體的任務(wù)，其主要組成包括小衛(wèi)星編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)、接入網(wǎng)絡(luò)、地面網(wǎng)絡(luò)中的非骨干節(jié)點(diǎn)、航空一等節(jié)點(diǎn)和其他移動節(jié)點(diǎn)。這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有利于降低一體化網(wǎng)絡(luò)的路由復(fù)雜度，提升信息傳輸效率。

圖1 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 基于AI的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管理方法[9-10]的提出大多基于一定的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)背景，其算法只針對特定拓?fù)浜吞囟I(yè)務(wù)服務(wù)功能的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，星上資源分配體系架構(gòu)不具有普適性。目前，國內(nèi)外對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管理算法方面的研究僅局限于小規(guī)模(一般為6～10顆)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，沒有考慮到日益擴(kuò)大的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，資源管理問題的解決方法過于依賴簡化或近似的模型，對資源的管理過于依賴人為設(shè)置而缺乏資源狀態(tài)的實(shí)時觀測。其次，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)高動態(tài)的拓?fù)涮匦钥赡軙?dǎo)致路由表的頻繁收斂，產(chǎn)生較重的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。因此，原有的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu)和資源分配算法已經(jīng)難以滿足未來發(fā)展需要。

為解決上述問題，本文以天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)為研究背景，結(jié)合天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，提出了一種基于AI的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu)。該架構(gòu)對大規(guī)模的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分集群管理，并在地面數(shù)據(jù)中心引入了SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與控制分離。同時，考慮到SDN技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源的智能分配，在此基礎(chǔ)上引入了Network Mind，應(yīng)用AI算法對SDN獲取的衛(wèi)星資源信息進(jìn)行學(xué)習(xí)優(yōu)化，并通過迭代訓(xùn)練得出資源管理策略，上傳到SDN控制器，從而實(shí)現(xiàn)對大規(guī)模衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行有效的管理與智能分配。

2.1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分集群管理

首先對天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分集群管理。如圖2所示，對于日益擴(kuò)大的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分集群處理，每個地面站可接收區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星屬于同一集群，對同一集群內(nèi)的衛(wèi)星的星上資源進(jìn)行批量管理。每個集群內(nèi)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的資源狀態(tài)信息通過星間鏈路及時地傳送到地面的衛(wèi)星接收站，相鄰集群存在交叉以實(shí)現(xiàn)全覆蓋。

圖2 基于天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分集群管理

圖3 基于SDN的地面網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸控制架構(gòu)

2.2 基于SDN的地面網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸控制分離架構(gòu)

SDN作為一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和控制分離。為簡化地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)備復(fù)雜度，提高地面網(wǎng)絡(luò)的控制效率，在地面數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中引入了SDN架構(gòu)，如圖3所示。

將SDN架構(gòu)部署到地面數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，來實(shí)現(xiàn)地面網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸和控制分離，減小了地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的復(fù)雜度，同時縮減了地面數(shù)據(jù)中心網(wǎng)對衛(wèi)星資源狀態(tài)信息的共享時延，保障了獲取衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)信息的實(shí)時性。當(dāng)?shù)孛嫘l(wèi)星接收站接收到屬于同一集群的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源的狀態(tài)信息后，通過光纖通信將接收到的狀態(tài)信息傳輸給與之最近的地面網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心，然后通過網(wǎng)絡(luò)共享到地面其他的數(shù)據(jù)中心。如此，每個集群的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)信息都被實(shí)時共享到地面數(shù)據(jù)中心構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中。

2.3 基于AI的SDN + Network Mind架構(gòu)

由于天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、時變的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、爆發(fā)式增長的信息量，地面網(wǎng)絡(luò)中SDN難以支持對獲取的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)信息進(jìn)行智能分析與分配，因此在地面數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)SDN架構(gòu)上引入了Network Mind來解決此問題，其架構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于AI的SDN + Network Mind架構(gòu)

SDN控制器將獲取到的衛(wèi)星資源狀態(tài)信息傳達(dá)給Network Mind，當(dāng)Network Mind中的Agent獲取到衛(wèi)星資源狀態(tài)信息后，采用AI算法從歷史資源狀態(tài)和資源分配數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到處理當(dāng)前資源狀態(tài)情況下的資源分配策略，并將策略上傳到SDN，并由SDN控制器將Action信息經(jīng)過地面接收站反饋到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中。整個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu)形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，保障了AI算法的運(yùn)行環(huán)境，節(jié)省了星上計(jì)算資源，

保障了對衛(wèi)星資源狀態(tài)信息處理后得到的資源分配策略的及時反饋，增加了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu)的普適性，提高了資源分配的效率。

3 結(jié)論

本文以天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)為研究背景，考慮到不斷擴(kuò)大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、有限的星上資源、高動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约氨l(fā)式增長的數(shù)據(jù)量等特點(diǎn)，提出了一種基于AI衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu)。與傳統(tǒng)的資源管理研究方案相比，本文所提架構(gòu)在地面網(wǎng)絡(luò)中引入SDN用來對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中路由狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時觀測并執(zhí)行資源管理策略，使用Network Mind對觀測到的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)信息和歷史資源分配信息進(jìn)行學(xué)習(xí)，形成觀測、分析、處理和控制相結(jié)合的一體化結(jié)構(gòu)。本文基于AI的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu)研究，基于天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，為天地一體化網(wǎng)絡(luò)資源管理提供了一種通用性強(qiáng)、簡單有效的資源管理的方案。

[1] 國發(fā)〔2013〕8號, 國務(wù)院關(guān)于印發(fā)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃(2012—2030年)的通知[Z].2013.

[2] 國發(fā)〔2016〕43號, 國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃的通知[Z].2016.

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