基于預(yù)案匹配的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源動態(tài)分配研究

王洪良，丁 暉，趙維晨，王 萌，馬樹森，張京平

（1.96946部隊，北京 100085；2.中國衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司，北京 100190；3. 凱睿星通信息科技（南京）股份有限公司，江蘇 南京 210012）

0 引言

隨著2021年4月23日，搭載4名宇航員的SpaceX公司的載人龍飛船由“獵鷹9號”火箭從佛羅里達(dá)肯尼迪航天發(fā)射中心發(fā)射升空，馬斯克的星鏈（Starlink）衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)項目再次受到強(qiáng)烈關(guān)注，而星鏈項目早已在2020年底開放公測，短短幾個月時間參與的用戶數(shù)量就超過了1萬人[1]。SpaceX公司旨在通過星鏈項目打造一個由數(shù)千顆衛(wèi)星組成的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，這種衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)能夠向地球上任何地方的終端用戶提供高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。星鏈項目一系列成功運(yùn)營表明，全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的時代已經(jīng)開啟。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的全球覆蓋、全天候、便攜、移動、寬帶通信可以滿足地面用戶接入互聯(lián)網(wǎng)的需求[2]；同時，在互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展下，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的終端用戶會成幾何倍速增長，截止到2021年4月，全球互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量已經(jīng)達(dá)到約47億，占全球人口數(shù)量的60%，而且互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量還在快速增長[3]?；谝陨蟽蓚€現(xiàn)狀，未來的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)就會遇到新的問題，即面對海量用戶，衛(wèi)星通信資源申請流程的繁瑣和資源分配的不穩(wěn)定性也成為影響衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信速率的問題。

針對這個問題，需要研究基于預(yù)案匹配的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)資源動態(tài)分配技術(shù)。目前提出的設(shè)計方案很多，主要的設(shè)計思想有兩點：一是如何簡化衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信資源申請流程[4]？二是如何獲得衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信資源分配的最優(yōu)化方式[5]？本文研究的重點在于首先實現(xiàn)基于預(yù)案匹配的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信資源申請流程，然后進(jìn)一步研究基于多參數(shù)遺傳算法的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信資源分配的最優(yōu)化算法。圖1為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源分配示意圖。

圖1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源分配示意圖

1 基于預(yù)案匹配的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)資源申請流程

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具有地面互聯(lián)網(wǎng)不具備的特點，比如高延遲性、移動性、星間鏈路通斷、不同選星鏈路距離差異等，這些特點在海量用戶同時申請時，帶來的關(guān)鍵網(wǎng)關(guān)節(jié)點大量擁塞，極大降低了鏈路的利用率[6]。

基于預(yù)案匹配的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)資源申請流程，將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點的資源頻段通過預(yù)案的方式分成多段，網(wǎng)管系統(tǒng)可以通過用戶申請任務(wù)的信息計算出所需最優(yōu)帶寬，幫助衛(wèi)星通信系統(tǒng)節(jié)約了帶寬資源，提高了鏈路利用率，并且通過申請的時間和帶寬信息在可用的預(yù)案中進(jìn)行匹配，通過用戶填寫的任務(wù)信息和歷史任務(wù)的評分為用戶動態(tài)匹配出最優(yōu)預(yù)案，幫助用戶節(jié)約選擇資源的時間，簡化了任務(wù)申請的流程，還可以避免資源碰撞，提高資源穩(wěn)定性，并且用戶可以對任務(wù)設(shè)置等級。當(dāng)空閑資源不足時，用戶可以手動暫?；蛘呋厥盏燃壿^低的任務(wù)，這樣就可以預(yù)留出充足的帶寬資源，以保證當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行。用戶如果在任務(wù)執(zhí)行的時間內(nèi)不能完成任務(wù)，還可以提交延長任務(wù)時間的申請，審核單位通過申請后，即可繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，為任務(wù)的順利完成提供充足的保障，該方法還提供了任務(wù)撤回功能，用戶如果超前完成任務(wù)，可以使用該功能完成任務(wù)，提前回收資源，為后續(xù)任務(wù)的執(zhí)行提供支持。其流程如圖2所示。

圖2 基于預(yù)案匹配的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)資源申請流程圖

填寫申請使用資源的基本信息主要包括：任務(wù)名稱、任務(wù)類型、任務(wù)等級、開始時間、結(jié)束時間、所屬網(wǎng)系等。用戶填寫的開始時間不能早于當(dāng)前時間，用戶所填基本信息會作為最優(yōu)資源匹配的參數(shù)；選擇參與任務(wù)的單位以及參與設(shè)備相關(guān)信息，用戶所填的相關(guān)設(shè)備信息會作為最優(yōu)資源匹配的參數(shù)；選擇參與人員信息，用戶所填的人員信息會作為最優(yōu)資源匹配的參數(shù)；在地圖中圈出任務(wù)執(zhí)行區(qū)域，通過算法獲取任務(wù)執(zhí)行區(qū)域的經(jīng)緯度和面積。根據(jù)業(yè)務(wù)需求可以選擇填寫申請帶寬，用戶也可選擇關(guān)聯(lián)各個單位之間的鏈路關(guān)系，不選擇系統(tǒng)會根據(jù)任務(wù)信息自動計算帶寬，TDMA通信體制任務(wù)帶寬為通聯(lián)關(guān)系總和加1 M，F(xiàn)DMA通信體制任務(wù)帶寬為通聯(lián)關(guān)系總和乘二再加1 M，并根據(jù)配置自動進(jìn)行關(guān)聯(lián)，帶寬會作為查詢可用資源的參數(shù)，關(guān)聯(lián)關(guān)系則會作為資源匹配的參數(shù)。

網(wǎng)管對任務(wù)進(jìn)行審批，查看任務(wù)申請是否合理，申請合理即可通過任務(wù)審批，申請不合理即可駁回修改后重新提交。如果合理，利用搜索匹配出適合用戶使用的資源，通過任務(wù)執(zhí)行區(qū)域的經(jīng)緯度和面積，匹配出在任務(wù)執(zhí)行區(qū)間沒有被使用的預(yù)案，預(yù)案中綁定的有波束和波束轉(zhuǎn)發(fā)器資源，如果沒有合適的預(yù)案用戶可以手動新增預(yù)案。

圖3 預(yù)案匹配過程示意圖

網(wǎng)管服務(wù)器根據(jù)任務(wù)填寫的信息以及預(yù)案的歷史評分對可用預(yù)案進(jìn)行排序，預(yù)案按照匹配度降序排序，同等匹配度按預(yù)案的歷史評分降序排序，其中預(yù)案的匹配度最大值為1，匹配度與任務(wù)和預(yù)案的網(wǎng)系、區(qū)域?qū)傩?、裝備、帶寬等因素相關(guān)，預(yù)案的歷史評分為，預(yù)案執(zhí)行過的歷史任務(wù)用戶針對此次任務(wù)執(zhí)行的預(yù)案滿意度評分（最高為100，最低為0）的平均值。這樣排序可以方便用戶更直觀的看到匹配度最高的預(yù)案，節(jié)省了用戶選擇合適預(yù)案的時間。

用戶也可以手動選擇預(yù)案或者自動使用綜合評分和匹配度最高的預(yù)案，任務(wù)執(zhí)行結(jié)束后，系統(tǒng)會自動回收此預(yù)案，用戶可以對此段資源進(jìn)行評分，以便下次匹配的準(zhǔn)確性。當(dāng)存在緊急任務(wù)無空閑資源可用時，用戶可以選擇撤銷不緊要的未開始、進(jìn)行中的任務(wù)，任務(wù)撤銷后，占用資源被釋放，可提供給其他任務(wù)使用?；蛉蝿?wù)提前完成，用戶可以選擇撤銷該任務(wù)，提前釋放資源，為后續(xù)任務(wù)的執(zhí)行提供支持。任務(wù)如果在規(guī)定時間內(nèi)沒有完成，用戶可以申請延長任務(wù)，繼續(xù)使用該段資源或其他未被占用資源。

2 多參數(shù)遺傳算法

圖4 任務(wù)暫停和取消過程示意圖

上文提出了預(yù)案匹配的申請流程，發(fā)現(xiàn)雖然有比較清晰簡約的預(yù)案生成，但帶寬匹配還需要找出最優(yōu)方案，本文基于海量用戶的數(shù)據(jù)基數(shù)，同時每個鏈路多種狀態(tài)切換造成可用帶寬的不確定性，同時分配帶寬還要計算多個參數(shù)的影響因子，所以考慮使用多參數(shù)遺傳算法，基于“適者生存”機(jī)制是遺傳算法的一大特征，可以實現(xiàn)高度并行自適應(yīng)搜索算法。1967年，Rosenberg首次將遺傳進(jìn)化應(yīng)用到多個參數(shù)的選擇優(yōu)化問題，從此關(guān)于多參數(shù)問題的研究邁入新紀(jì)元，采用遺傳進(jìn)化的搜索思想后來也隨之成為大量學(xué)者研究的基礎(chǔ)[7]。

設(shè)一個衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中有L個可用鏈路，表示為L={1，2，L，L}，每個鏈路的已占用和正在申請用戶集為N={1，2，L，N}，用N1表示在鏈路l中的所有用戶，并且有衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的總帶寬設(shè)為Btot。

用戶申請頻段資源的基本信息主要包括10個參數(shù)，分別是任務(wù)名稱N、任務(wù)類型C、任務(wù)等級L、開始時間Ts、結(jié)束時間Te、申請帶寬B、所屬網(wǎng)系F、參與任務(wù)的單位信息D、人員信息P、設(shè)備信息E等任務(wù)基本信息，用戶填寫的開始時間Ts不能早于當(dāng)前系統(tǒng)時間T，用戶所填基本信息會作為初次計算此次申請所能分配的鏈路資源的輸入?yún)?shù)。

以十種數(shù)據(jù)類型N、C、L、Ts、Te、B、F、D、P、E為對象，進(jìn)行染色體的編碼，并在L個可用鏈路中進(jìn)行收索查詢，L={1，2，L，L}，隨機(jī) 生成初始元數(shù)據(jù)種群Y={1，2，L，Y}。判斷進(jìn)化元數(shù)據(jù)文件Y={1，2，L，Y}的版本數(shù)是否達(dá)到客戶要求，如果達(dá)到要求，則輸出最后一代元數(shù)據(jù)文件種 群Ytot={1，2，L，Y}，其中Ytot的種群帶寬之和為Btot，用于分配帶寬，并結(jié)束算法流程，否則計算種群適應(yīng)度值，采用“十種數(shù)據(jù)類型競技”法選取父代的上一版本元數(shù)據(jù)文件（包括原始文件和需求文件）并以某種規(guī)則進(jìn)行交叉，產(chǎn)生子代元數(shù)據(jù)版本；交叉完成之后，父代原始文件以一定概率變異，加上需求迭代變化產(chǎn)生子代下一個版本的元數(shù)據(jù)文件（為保留種群多樣性，變異后的父代版本保留）。將交叉、變異后的子代版本與父代版本對比合并，觀察新需求是否在新版本中添加，重新計算用戶集為N={1，2，L，N}的種群個體適應(yīng)度值。判斷種群的元數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)類型數(shù)量是否大于初始設(shè)定值Btot，超過設(shè)定值Btot則根據(jù)適應(yīng)度通過“十種數(shù)據(jù)錦標(biāo)賽”剔除多余解。進(jìn)化代數(shù)的版本數(shù)version+1，返回。圖5為多參數(shù)遺傳算法的流程圖。

圖5 多參數(shù)遺傳算法的流程圖

3 基于預(yù)案匹配的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)資源動態(tài)分配技性能測試

本節(jié)采用基于預(yù)案匹配的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)資源動態(tài)分配技術(shù)的衛(wèi)星網(wǎng)管服務(wù)器，在真實的運(yùn)營環(huán)境中進(jìn)行測試，如圖6所示。

圖6 基于預(yù)案匹配的中心網(wǎng)管測試環(huán)境

在1號終端的臺式機(jī)192.168.201.10上部署iperf 軟件的客戶端，在10.16.0.66上部署iperf服務(wù)端，在4 M、2 M和1 M的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)帶寬下，分別不使用預(yù)案匹配方案，標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)案匹配方案和多參數(shù)遺傳算法的預(yù)案匹配方案分別測試平均發(fā)送速率，取6次樣本的平均值來進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 預(yù)案匹配方案測試數(shù)據(jù)

由表1中看出，預(yù)案匹配方案對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的傳輸速度由明顯提升。而用戶平均等待時間的對比結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，在相同帶寬的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)前提下，包含多參數(shù)遺傳算法的預(yù)案匹配方案可以較大的提升用戶申請效率。因此，在衛(wèi)星通信中，采用基于預(yù)案匹配的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)資源動態(tài)分配技術(shù)可以大大提升帶寬分配效率，進(jìn)而可以提高系統(tǒng)的吞吐量。

圖7 多種分配方式的帶寬分配時間對比

4 結(jié)束語

基于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新方向，由于衛(wèi)星本身具有的移動性和時變性以及地面-衛(wèi)星混合網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，面對海量用戶、衛(wèi)星通信資源申請流程的繁瑣和資源分配的不穩(wěn)定性也成為影響衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信速率的問題。而基于預(yù)案匹配的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)資源動態(tài)分配技術(shù)可以大大提升帶寬分配效率，進(jìn)而可以提高系統(tǒng)的吞吐量。