大規(guī)模天基組網(wǎng)演化建模及效能評估方法

韓曉亞 王厚天 杜軍 王敬 余漢晨

(1 北京跟蹤與通信技術研究所,北京 100094)(2錢學森空間技術實驗室，北京 100094)(3 清華大學，北京 100084)

隨著近年來科學技術的發(fā)展，衛(wèi)星的制造成本和發(fā)射成本越來越低、研產(chǎn)速度不斷加快，大規(guī)模、自主化、智能化的天基體系迅速發(fā)展。目前美國加緊構建“下一代太空體系”七層架構和低軌巨型星云。大規(guī)模天基體系是由不同軌道、搭載不同傳感器、面向不同應用的衛(wèi)星及其它空間平臺構成，屬于高動態(tài)復雜異構網(wǎng)絡化信息系統(tǒng)[1]。隨著未來衛(wèi)星數(shù)量增多，功能更加集成，這些由衛(wèi)星軌道、傳感器功能及性能方面的差異導致的網(wǎng)絡節(jié)點物理拓撲與邏輯拓撲關系將愈加復雜。同時，隨著大規(guī)模天基體系的網(wǎng)絡化探測與傳輸不斷發(fā)展，在資源協(xié)作機制、配置機制對網(wǎng)絡性能優(yōu)化的同時，網(wǎng)絡的高動態(tài)性和復雜特性也必然會影響體系優(yōu)化性能的發(fā)揮。因此，更深層次理解高動態(tài)的大規(guī)模天基網(wǎng)絡體系結構，挖掘網(wǎng)絡運行中隱藏的復雜特性，對于大規(guī)模天基體系的高效組網(wǎng)運行具有非常重要的作用。

本文在分析大規(guī)模天基體系架構的基礎上，對大規(guī)模天基組網(wǎng)演化建模及效能評估方法開展分析研究，提出了一種天基體系的效能評估總體思路架構，以支撐后續(xù)演化建模與效能評估分析為主要目標，對指標進行了初步設定，并對模擬驗證平臺的構建進行了探索，從而為我國大規(guī)模天基體系的正向設計與分析提供參考。

1 未來天基體系架構特點分析

2019年7月1日，美國國防部太空發(fā)展局(SDA)發(fā)布了“下一代太空體系架構”信息征詢書。該架構由包括傳輸層、跟蹤層、監(jiān)管層、威懾層、導航層、作戰(zhàn)管理層、支持層在內(nèi)的7個功能層組合而成[1]，是一種靈活、彈性、敏捷的系統(tǒng)架構。該架構由數(shù)百顆衛(wèi)星組成，將整合整個國防部及航天工業(yè)的下一代太空能力，目的是保持其在太空領域的優(yōu)勢地位，以滿足未來大國競爭的戰(zhàn)略需求。2021年，美國國防部國防創(chuàng)新小組(DIU)向商界發(fā)布了“混合太空體系架構”議案征詢。議案明確“該體系架構將安全、可擴展、快速響應、以信息為中心，它還必須反映靈活，以便在快速技術變革和動態(tài)威脅環(huán)境中，保持關聯(lián)度和可信度。軟件定義的控制、接口和安全性是保持敏捷性的基礎。這種體系架構必須作為一種有效載荷(托管或定制)，演示驗證能在不同的政府和商業(yè)網(wǎng)絡之間進行通信。”該架構面向美國軍事威脅和外國政府支持下的商業(yè)航天競爭，目的是增強美國政府與航天工業(yè)界合作[2]。美國國防先進研究計劃局(DARPA)牽頭啟動了“黑杰克”項目，旨在利用新興商業(yè)低軌星座發(fā)展的經(jīng)驗成果，建立高度“彈性”、擁有自主運行能力、成本低廉的低軌衛(wèi)星星座。項目遠期目標是構建60～200顆規(guī)模的衛(wèi)星星座，運行于500～1300 km的軌道高度，每顆衛(wèi)星均裝載智能化協(xié)同任務管理系統(tǒng)“Pit boss”，可完成多類信息融合處理、網(wǎng)絡化傳輸和分發(fā)?；谕ㄓ没脚_、模塊化載荷及標準化接口設計理念，實現(xiàn)衛(wèi)星“即插即用”和批量化生產(chǎn)，滿足大規(guī)模星座“快速建設、組網(wǎng)運行、彈性維護”的緊迫需求。

美國提出的各類太空架構主要具有以下特點：一是針對能力短板急需，提出的太空架構都明確針對國家安全太空領域關鍵且急需的能力短板；二是突出強調(diào)彈性和可演進性，利用大規(guī)模和分布式提升彈性以及快速演進更新能力，應對現(xiàn)實、新興威脅；三是注重頂層架構設計，通過一體化體系架構設計，注重技術創(chuàng)新向?qū)嶋H應用快速轉(zhuǎn)化的變革；四是注重軍民融合，充分利用私營企業(yè)投資及相關成熟配套技術，采用靈活、螺旋式發(fā)展的模式。

2 大規(guī)模天基體系建模方法分析

未來大規(guī)模天基體系屬于高動態(tài)的復雜網(wǎng)絡信息系統(tǒng)，網(wǎng)絡的高動態(tài)性和復雜性將成為影響系統(tǒng)效能的重要方面。時變演化圖模型(TVG)已經(jīng)成為刻畫大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡動態(tài)拓撲的重要工具，這種能夠反映網(wǎng)絡演化特性的圖模型為空間信息網(wǎng)絡中任務的優(yōu)化分配、信息的高效傳遞等問題的研究提供了基礎[3-4]。文獻[5]和文獻[6]研究了小衛(wèi)星網(wǎng)絡(Pico-Satellites Network)中的路由算法，將衛(wèi)星網(wǎng)絡建模為動態(tài)演化的快照(Snapshot)序列，每張快照對應一種網(wǎng)絡的靜態(tài)拓撲結構。相似的，文獻[7]在時變圖模型的基礎上，設計了一種多路徑路由算法(MCMP)，以尋找一組可行的可用路由路徑，通過這些路徑可以在可容忍的延遲內(nèi)，以最小代價將一定數(shù)量的任務數(shù)據(jù)傳輸回地面站。

目前，大部分衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲模型均將網(wǎng)絡的動態(tài)變化刻畫為一系列有序靜態(tài)圖，并基于不同時隙內(nèi)的靜態(tài)拓撲對網(wǎng)絡進行管理、控制和分析。然而，上述這種建模方式對于未來高動態(tài)的大規(guī)模天基網(wǎng)絡而言，一方面必然會存在時隙劃分復雜的弊端；另一方面無法呈現(xiàn)網(wǎng)絡動態(tài)過程中的特征和效能。在TVG的基礎上，通過時間演化累積建模，一方面可以更真實的刻畫天基網(wǎng)絡一定時間尺度內(nèi)呈現(xiàn)的特征；另一方面也可以為運用復雜網(wǎng)絡理論分析大規(guī)模網(wǎng)絡演化機理奠定基礎。

3 天基體系效能評估方法分析

2010年至今，多域戰(zhàn)、馬賽克戰(zhàn)等新型作戰(zhàn)概念不斷涌現(xiàn)，數(shù)字孿生、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術開始在軍用領域落地，武器裝備效能評估的研究進入高級階段。2018年8月，美國國防部發(fā)布了數(shù)字工程戰(zhàn)略，旨在建立開發(fā)、集成和使用模型的規(guī)范化流程，形成權威的基礎數(shù)據(jù)和模型；通過不斷融入運用人工智能、大數(shù)據(jù)及分析、認知技術、先進計算、數(shù)字孿生、數(shù)字制造等技術，構建數(shù)字工程架構和生態(tài)系統(tǒng)，全面支撐武器裝備效能評估全生命周期的活動[8]。圍繞天基信息體系的效能評估，文獻[9]提出了一種星座配置性能評估方法。在考慮低軌衛(wèi)星星座覆蓋性能的基礎上，建立了星座單次覆蓋率、觀測仰角、不同觀測仰角下可見衛(wèi)星數(shù)和覆蓋效率4個評估維度。將該評估方法應用于加拿大電信衛(wèi)星星座(Telesat)、一網(wǎng)(OneWeb)和星鏈(Starlink)3個典型的低軌大型通信衛(wèi)星星座，得出每個星座的覆蓋性能指標值，并對3個星座的特性進行比較分析。結果表明：該評估方法可以評估不同類型低軌大型星座的配置性能，為未來低軌大型星座配置的優(yōu)化設計和評估提供依據(jù)和參考。圍繞天基信息體系效能評估的樣本數(shù)量少、影響因子復雜等特點，一種支持向量回歸機模型被提出[10]，該算法引入布谷鳥搜索算法對模型的3個關鍵參數(shù)進行優(yōu)化選取。仿真結果表明：所提模型具備更高的精確度，可以有效對天基信息體系開展效能評估。

綜上所述，針對未來大規(guī)模天基信息體系在多維度全方位的效能評估方面目前還未見公開文獻報道。針對未來天基系統(tǒng)所呈現(xiàn)出的大規(guī)模、智能化等技術發(fā)展趨勢，為了能夠描述各要素間復雜的關聯(lián)關系，效能評估指標體系的構建方法至關重要。同時，針對未來天基信息體系所處物理環(huán)境的復雜性和不確定性等特點，在復雜性以及動態(tài)演化性等條件下的天基信息體系效能評估方法研究必不可少。

4 總體設計思路

在對大規(guī)模天基網(wǎng)絡演化建模以及天基體系的效能評估方法開展分析的基礎上，本文提出的總體設計思路架構如圖1所示。

圖1 總體設計思路架構Fig.1 Overall design framework

其中，大規(guī)模天基體系高動態(tài)演化特性分析是對天基體系隨時間的演變規(guī)律開展的特性分析，而指標體系的構建是進行體系效能評估的基礎和前提。針對指標體系構建，通過基于指標關聯(lián)分析的網(wǎng)絡化指標體系構建，并對效能度量指標進行梳理，形成網(wǎng)絡化指標體系；針對效能評估方法，借助大數(shù)據(jù)分析的手段對天基信息體系效能評估方法開展研究，并在天基體系結構演化特性分析的基礎上，對網(wǎng)絡化指標體系在時間維度上進行擴展，形成隨時間變化的網(wǎng)絡化指標體系與相關數(shù)據(jù)，并結合大數(shù)據(jù)分析開展天基體系的效能評估研究。基于上述考慮，核心主要包含3個部分：①大規(guī)模天基體系高動態(tài)演化特性分析；②網(wǎng)絡化指標體系構建方法設計；③天基體系效能評估方法設計。

4.1 大規(guī)模天基組網(wǎng)演化建模

引入復雜網(wǎng)絡分析方法，對網(wǎng)絡復雜特性進行分析，從而揭示網(wǎng)絡中重要節(jié)點、鏈路以及網(wǎng)絡連通度等性能。傳統(tǒng)復雜網(wǎng)絡中主要參數(shù)包括：節(jié)點度與節(jié)點度分布、平均最短路徑長度、介數(shù)中心性、群聚系數(shù)等。傳統(tǒng)復雜特性是對網(wǎng)絡節(jié)點、邊或整個網(wǎng)絡統(tǒng)計特性的刻畫。在大規(guī)模天基網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡拓撲呈現(xiàn)弱聯(lián)通性，傳統(tǒng)復雜特性分析難以有效應用于空間信息網(wǎng)絡的特征挖掘；同時，由于網(wǎng)絡的高動態(tài)性，單一時隙的拓撲無法反映大規(guī)模天基網(wǎng)絡中衛(wèi)星節(jié)點或傳感器節(jié)點的真實關聯(lián)。針對這些問題，計劃采用基于累積特性的時間演化圖分析模型，用以刻畫一定時間尺度內(nèi)空間信息網(wǎng)絡的時變拓撲結構，通過將天基系統(tǒng)在時變過程中的演化拓撲進行累積，構建虛擬節(jié)點和虛擬連路，在時間維度、空間維度上對時隙網(wǎng)絡拓撲進行拓展，從而對生成的高維演化圖運用復雜理論進行特性分析[11]。

如圖2所示，在基于累積特性的時間演化圖分析中，針對單一時隙拓撲圖T1和T2網(wǎng)絡連通度較低，且均不能構成全連通網(wǎng)絡的問題，通過將兩個時隙的拓撲進行時間累積，使時間累積圖連通度得到提高，形成了全連通網(wǎng)絡，有助于分析信息在網(wǎng)絡中的有效傳播，并反映出高動態(tài)網(wǎng)絡在一定時間尺度內(nèi)的連通狀態(tài)。

通過對圖2中T1和T2兩個時隙的時間累積時變圖以及單一時隙拓撲進行復雜性分析可以看出：通過時間累積的方式，一些單一時隙無法反映或錯誤呈現(xiàn)的高動態(tài)網(wǎng)絡真實復雜特性被有效挖掘出來。

圖2 空間信息網(wǎng)絡時間累積時變圖構建Fig.2 Construction of time cumulative time-varying graph of spatial information network

4.2 網(wǎng)絡化指標體系構建方法

本文提出的網(wǎng)絡化指標體系構建方法如圖3所示。

圖3 指標體系構建方法Fig.3 Construction method of indicator system

圍繞指標關聯(lián)性分析，基于仿真大數(shù)據(jù)的效能評估指標體系構建方法的設計思路[12]，提出大規(guī)模天基體系的網(wǎng)絡化指標體系構建方法，基于具有關聯(lián)性特征的指標數(shù)據(jù)，對各指標之間的關聯(lián)關系進行深度挖掘。

4.3 天基體系效能評估方法設計

本文提出的天基體系效能評估方法如圖4所示。

圖4 天基體系效能評估方法Fig.4 Evaluation method of space-based system effectiveness

在構建網(wǎng)絡化指標體系的基礎上，按照時間線的維度對各類指標進行計算和采集，形成大數(shù)據(jù)存儲。利用Oracle、Hadoop、OpenStack等軟件對大數(shù)據(jù)進行分析，開展評估指標演化特性分析、關鍵指標挖掘、指標體系驗證以及體系效能評估和監(jiān)測。其中，關鍵指標挖掘是天基體系效能評估方法實施的關鍵環(huán)節(jié)。針對關鍵指標挖掘，本文采用基于集成學習的思路[13]對特征指標進行挖掘，先利用集成學習挖掘與具體能力關系最為密切的指標，然后利用主成分分析法處理指標間的關系，挑選包含信息量最大的指標作為關鍵指標。

典型的并行集成方法是隨機森林[13]，該方法一般采用決策樹和袋裝法結合使用。袋裝法是從樣本集中有放回的隨機選擇數(shù)據(jù)樣本，生成與樣本集規(guī)模相同的多個訓練樣本集，利用學習器對每個訓練樣本集進行訓練，得到與訓練樣本集數(shù)量相等的預測結果，再利用投票法或求均值法得到最終預測結果。

決策樹充當集成學習中的學習器[13]，分類與回歸決策樹(CART)應用較多。CART決策樹是自上而下的分裂算法，通過樹的不斷分裂實現(xiàn)預測和回歸。對于多屬性分裂問題，選擇使基尼系數(shù)降低最大的屬性進行分裂。當節(jié)點w分裂為左節(jié)點wl和右節(jié)點wr時，目標變量Y的不純度降低為

(1)

式中：n表示節(jié)點的樣本大小，nl表示左節(jié)點的樣本大小，nr表示右節(jié)點的樣本大小。H表示在各節(jié)點的不純度評估值。

選擇目標變量Y的不純度降低為變量重要性度量(VIM)標準，用R表示。對于第t顆樹的節(jié)點j，當使用變量Xi作為分裂變量時，R可以表示為

(2)

式中：I為波爾量，只有采用變量Xi作為分裂變量時值為1，其他情況值為0。

整個隨機森林的變量重要性為

(3)

式中：T為決策樹的數(shù)量。

5 模擬驗證

結合未來天基體系大規(guī)模、網(wǎng)云化和智能化的發(fā)展趨勢，觀察-判斷-決策-執(zhí)行(OODA)信息鏈路閉合是未來天基體系的一項核心效能。本文構建了由待識別目標、300顆低軌道衛(wèi)星、6顆中軌道衛(wèi)星以及地面站組成的混合體系，低軌衛(wèi)星主要負責感知，中軌衛(wèi)星主要負責處理和傳輸，地面站主要負責網(wǎng)絡管理以及任務規(guī)劃，所構建的模擬驗證平臺架構如圖5所示。

圖5中，航天裝備仿真模型庫負責提供通信衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、導航衛(wèi)星等多類航天裝備模型，形成模型庫；場景仿真模塊通過仿真引擎，支持對不同場景的模擬，通過數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)輸入至試驗數(shù)據(jù)管理部分；網(wǎng)絡仿真模塊完成天基體系網(wǎng)絡化模型的仿真構建，涵蓋地面、衛(wèi)星和應用多段要素；演化特性分析模塊基于場景仿真數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡仿真數(shù)據(jù)，對天基體系的演化特性進行分析；試驗數(shù)據(jù)管理模塊基于數(shù)據(jù)庫的管理和維護，完成對于場景仿真數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡仿真數(shù)據(jù)以及演化特性分析數(shù)據(jù)的管理和維護；效能評估模塊基于場景仿真數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡仿真數(shù)據(jù)以及演化特性分析數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)挖掘和統(tǒng)計分析等手段，實現(xiàn)對于天基體系的效能評估；綜合顯示模塊基于可視化軟件開發(fā)，通過讀取數(shù)據(jù)庫和接收來自網(wǎng)絡仿真部分和場景仿真部分輸出的狀態(tài)信息，對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行展示。平臺中的幾類重點模塊如圖6所示。

結合4.2節(jié)，本文選取路由收斂時間作為網(wǎng)絡能力基礎評估指標，選取感知傳輸處理總時間作為作戰(zhàn)效能基礎評估指標，結合本節(jié)中場景設計，得出的仿真結果如圖7所示。

圖7 仿真結果Fig.7 Simulation results

由圖7可知，對路由收斂時間而言，該項指標在前800 s的時間內(nèi)在0.543 537 s上下浮動；對感知傳輸處理總時間而言，當待傳輸與處理的數(shù)據(jù)量為12 Mbyte時，感知傳輸處理總時間為11.294 s，而當數(shù)據(jù)量增大至900 Mbyte以上時(如光學遙感圖像)，感知傳輸處理總時間已超過10 min。以該平臺架構以及所得到的部分指標數(shù)據(jù)作為牽引，對指標進行進一步完善，并以此對大規(guī)模天基體系的演化機理及效能評估進行進一步深入分析。

6 結束語

未來天基體系將呈現(xiàn)出大規(guī)模、網(wǎng)云化和智能化等技術發(fā)展趨勢，其應用面臨任務多樣性、目標與場景不確定性以及體系運行高動態(tài)高復雜性等典型特征，開展動態(tài)演化建模及效能評估方法研究對推動天基裝備體系建設發(fā)展，提升體系能力具有重要的意義。以此為背景，本文對未來天基體系的架構特點進行了分析，結合超網(wǎng)絡理論的時空關聯(lián)以及多維度表征等研究分析方法，給出了大規(guī)模天基體系高動態(tài)演化建模、網(wǎng)絡化指標體系構建以及天基體系效能評估方法的初步設計思路，同時圍繞信息鏈路快速閉合的任務需求，提出了融合感知傳輸處理的網(wǎng)絡建模仿真框架，從而為后續(xù)大規(guī)模天基體系演化機理及效能評估方法的進一步研究奠定基礎。