空間信息網多業務傳輸優先級算法研究

孫 博，李睿德，孫文靜

（北京理工大學通信技術研究所，北京100081）

空間信息網多業務傳輸優先級算法研究

孫 博，李睿德，孫文靜

（北京理工大學通信技術研究所，北京100081）

空間信息網中不同業務對通信速率、存儲容量、傳輸時延及誤碼率要求差異較大而難以統一，針對如何對不同業務進行優先級確定從而保證QoS需求的問題，提出了一種基于層次分析法的改進TOPSIS算法。在充分考慮空間節點參與業務傳輸能力的情況下，對不同業務的優先級進行計算并排隊，使空間信息網絡節點與業務需求達到動態匹配，實現滿足不同業務的QoS需求的目標。

空間信息網；服務質量；TOPSIS算法

1 引言

空間信息網是以空間平臺（如同步衛星或中、低軌道衛星，平流層氣球和有人或無人駕駛飛機等）為載體，實時獲取、傳輸和處理空間信息的網絡系統［1］。空間信息網具有全球覆蓋的能力，能夠保證高速率傳輸和較寬的帶寬，并支持靈活的、大規模的網絡結構［2］。在空間信息網中，有多種類型不同的節點，用于實現不同的功能：寬帶大容量通信衛星構成了空間信息網的骨干節點，導航衛星為整個網絡提供時空基準，遙感衛星用于信息獲取，例如戰場環境監測，戰場態勢感知等。衛星網絡通過星際鏈路與空間各類節點和網絡緊密聯系，通過星地鏈路與地面、海事、近空網絡有機結合，進行信息的獲取、處理和傳輸［3］。空間網絡除了具有地面網絡的通信業務外，還有自己的特殊業務，如導航、遙感業務等。其中，通信業務是指利用人造地球衛星作為中繼站轉發無線電波，以實現兩個或多個地球站之間的通信［4］。導航指采用導航衛星對地面、海洋、空中和空間用戶進行導航定位的技術。遙感是指利用空間網絡進行信息采集，再傳遞給地面站進行處理，為用戶提供資源勘查，環境監測等信息服務。

對多種業務的支持使得空間信息網為接入用戶提供QoS（Quality of Service）保證成為了一個極具挑戰性的問題。QoS是指網絡提供給應用實現正常功能所需的性能保證，它是一個系統的非功能化特征，體現了用戶對通信系統提供的服務的滿意程度［5］。QoS具體可以量化為傳輸延遲、抖動、丟包率、帶寬、吞吐量、業務可用性等指標［6］。空間信息網絡應該能夠提供高質量的接入服務和QoS保證，并且其QoS保證必須與衛星網路的特性即拓撲持續動態變化、節點星上載荷能力有限、星際鏈路傳輸時延長、時延抖動大相適應［7］，在路由的過程中，每個節點計算各種QoS信息，并根據計算所得來決定是否接納新的業務請求。現有的路由算法大多采用單個約束條件尋求最優，但在空間信息網中，QoS需求的性能約束條件往往不是單一的［8］，即應該在多約束條件下尋求最優解。并且，在現有的QoS服務中，沒有考慮到當星上資源有限但有多項同等優先級業務需要處理時，如何對多業務的優先級進行計算并排序的問題。

針對上述問題，本文提出一種空間信息網多業務傳輸優先級算法，在多業務情況下，充分考慮空間節點參與業務傳輸能力，對不同業務的優先級進行計算并排隊以滿足不同業務的QoS需求。

2 空間信息網業務優先級排序系統設計

不同的業務對空間信息網所提出的服務要求不盡相同，為了對不同業務進行具有區分的QoS服務，需要對這些多種類型多樣要求的業務進行優先級排序。本文主要考察空間通信節點的通信速率、存儲容量、傳輸時延以及誤碼率，以這四種指標作為QoS需求的典型代表。當空間通信節點接收到新的業務請求時，會對業務的不同要求進行動態計算并排序，為區分QoS服務提供前提條件。

2.1空間網絡節點業務篩選過程

空間中的衛星以及星地通信鏈路都是高成本的網絡資源［9］，業務服務能力有限，需要充分利用有限的網絡資源，根據網絡業務需求情況與節點自身資源使用情況，包括多種業務QoS保障的區間范圍以及空間節點的資源使用情況對業務進行篩選。借鑒決策理論中的多屬性決策，可以使空間網絡節點快速智能地判斷是否對新的業務請求具有服務能力，以使空間信息網絡節點的規模與業務需求達到動態匹配優化，實現使不同業務的QoS服務可以得到基本保障的目的。

本文將結合空間信息網絡，利用層次分析法（the Analytic Hierarchy Process，AHP）給出空間信息網絡節點業務篩選過程。在下文論述的新業務與正在服務的業務，如不做特別聲明，則視為業務人為設定為同一優先級。空間信息網絡節點在任意時刻收到新的業務請求后，便對新的業務請求進行匹配判決，即根據新業務需要的QoS保障區間范圍分析和空間網絡節點自身資源使用情況分析，判斷空間信息網絡節點是否具有保障新業務QoS的能力，以上可看作初步篩選的過程。具體是將業務需要QoS保障所占用的空間節點資源與空間信息網絡節點剩余資源進行一對一地比較，只要空間信息網絡節點剩余資源符合新業務QoS保障所需資源，則對新業務進行接收并提供服務；若保障不了則拒絕該業務。其業務選擇及排序的過程如圖1所示。

初步進行篩選后，若空間信息網絡節點接受該業務，則對業務的人為設定優先級進行判斷，如果業務的優先級最高且唯一，則服務該業務，否則將對人為設定同等級優先級的業務進行基于TOPSIS（Technique for Order Preference by Similari?ty to an Ideal Solution）改進算法的匹配判決。該算法主要考慮新業務需要的QoS保障區間范圍和空間網絡節點自身資源使用情況，對人為設定同等級優先級的任務進行二次排序，以此得出最后的優先級序列，并輸出優先級最高的業務，服務該業務。

2.2基于TOPSIS改進算法的多屬性判決

對于空間信息網絡業務而言，其業務服務質量要求大多為一個區間范圍，并且空間信息網絡的業務要求具有一定的動態性，只要空間網絡節點可以將對業務的服務要求保證在區間范圍內，空間網絡節點便可對該業務進行服務，故區間數多屬性決策方法適合空間信息網絡業務服務要求決策。又考慮到空間信息網絡節點的剩余資源與業務要求的匹配問題，傳統TOPSIS算法中利用正負理想點進行決策的思想［10］經過改進之后可以很好的應用于新業務與空間網絡節點服務的匹配判決。

我們把空間信息網絡業務與網絡節點的匹配抽象為一個多屬性決策問題，并將業務的QoS指標用多屬性決策中的屬性來表示，設這個多屬性決策問題的業務集為，屬性集為，業務在屬性U下的屬性值為從而構成決策矩陣A。其算法如下：

1）規范化決策矩陣

在向量規范化的基礎上，根據區間數運算的法則，采用公式（1）～（4）將決策矩陣A轉化為規范化矩陣R［11］。

屬性值為效益型：

屬性值為成本型：

3）確定正負理想點：

基于傳統TOPSIS對于正負理想點的概念的詮釋［10］，結合業務匹配的需要，此處本文將正理想點定義為網絡節點的規范化屬性值如式（5）：

其中r0j是對網絡節點第j個屬性進行規范化后的結果。

（2） 負理想點 v－＝ （v－1，v－2，v－3，…，v－n）T

負理想點即虛擬的最差方案，是離正理想點距離最遠的方案，選取時需根據效益型或成本型的不同來進行考慮。

對于效益型來說，屬越大越好。故即使對于距離正理想點相同的方案其所代表的實際距離應該是不同的。換句話說，此時小于正理想點的方案要比大于理想點的方案距離更遠，即需要對小于方案的距離乘以一個大于1的修正系數α，以體現屬性具有效益型的特點。在這里不妨取α＝1．5。

同理，對于成本型來說，將大于正理想點的距離乘以一個修正系數，采用公式（6）～（7）對距離進行修正。

屬性值為效益型：

屬性值為成本型：

對于同一屬性，不同業務的距離cij分別對其上邊界和下邊界取最大值maxcij，最大值所對應的業務為k。則可得負理想點如式（8）所示：

4）確定每個業務與正負理想點的距離

根據距離的定義式可得業務xi與正負理想點之間的距離分別為式（9）、（10）：

其中i＝1，2，…，m。根據最佳方案即選取既靠近正理想點又遠離負理想點的思路，可通過式（11）所示多目標優化模型確定屬性權重

進一步，該雙目標優化模型可以轉化成式（12）所示的單目標優化形式［11］：

將得到的每個屬性的權重帶入式（9）和式（10），分別計算每一個業務與正負理想點的距離，并根據式（13）得到相對接近度。

6）排列方案的優先次序

將s?i按照由大到小的順序排列，排在前面的業務優先服務，為空間信息網絡節點接受哪一項具體業務提供依據。

基于以上排序，可對空間信息網絡服務的同等級業務進行二次分類，通過多屬性決策算法設置不同服務的優先級，在網絡發生擁塞時，保證先傳輸高優先級的業務數據，放棄低優先級的業務數據，如果沒有擁塞，則正常傳輸。

3 仿真與結果分析

在上文設計的基礎上，以5項業務同時到達一個空間信息網絡節點為例，說明該算法的應用效果。

假設一個空間信息網絡節點收到5項業務請求，各項業務人為設定的優先級相同，它們所需要保障的具體要求如表1所示。

表1 各項業務具體參數要求Table 1 Specific parameters of the services require?ments

與請求業務所給出的具體參數要求相對應，該網絡節點的通信速率、存儲容量、延遲時間以及誤碼率如表2所示。

表2 該空間信息網絡節點的具體參數Table 2 Specific parameters of the space information network node

首先，根據表1和表2中的具體參數進行空間信息網絡節點資源情況和業務要求的匹配判決。從空間信息網絡節點的角度來看，需要判斷節點自身是否具有保障新業務所要求的能力，以此來進行初步篩選。經過篩選后，可知5項業務所需要求均能在此節點上得到滿足，即該節點可以服務這5項業務。

接下來對于可以服務的業務再進行服務優先級的判決。在該空間信息網絡節點上進行基于TOPSIS改進算法的多屬性判決。其中需要考慮通信速率、存儲容量、延遲時間和誤碼率四種屬性。前兩者為效益型屬性，而后兩者延遲時間和誤碼率為成本型屬性。為了解決該決策判決問題，可按照前述的計算步驟進行。

首先根據式（1）～（4），計算出其規范化決策矩陣。根據對正負理想點的修正定義，可直接得到正理想點的值，即網絡節點的規范化屬性值。并進一步根據式（6）和式（7）得到負理想點。再利用MATLAB求解二次規劃問題，得到對于該空間信息網絡節點的屬性權重如表3所示：

表3 該空間信息網絡節點的屬性權重Table 3 Attributes weight of the space information net?work node

各項業務距正、負理想點的距離如表4所示：

表4 業務距正、負理想點的距離Table 4 Distance between services and the positive ideal point and negative ideal point

最后，根據式（13）求解相對接近度，給出空間信息網絡節點業務排序的結果，如圖2所示。

將各項業務的相對接近度按照由大到小的順序排列，排在前面的業務優先服務，該空間信息網絡節點的服務順序為：業務3，業務4，業務1，業務2，業務5。

為進一步說明本算法效果，方便對空間信息網絡節點與業務要求匹配進行評判，如果空間信息網絡節點與目前多個業務的某一項要求（如通信速率、存儲容量、延遲時間、誤碼率）最佳匹配，則將最佳匹配業務的某項要求設為1，其他次優匹配項則向該最優匹配項進行折算，以此進行歸一化衡量。圖3呈現了按時間到達順序和按本算法順序對同等級業務進行服務的網絡服務性能情況的對比。

由上圖可見，使用本算法對多個業務進行排序使空間信息網絡節點在通信速率、延遲時間和誤碼率三個方面的業務需求滿足情況都優于按業務時間到達順序的算法，只有在存儲容量方面的業務需求滿足情況較按時間到達順序的算法有些差距。但總體來看，本算法比按業務時間到達順序算法對業務需求的滿足情況更優。綜上可知，按照到達時間對業務進行排序會導致節點資源不能被最大程度的利用，也不能有效控制傳輸時延和誤碼率，而空間信息網多業務傳輸優先級算法可根據網絡業務需求情況與節點自身可提供服務情況對同等級業務進行排序，得出優先級序列，使空間信息網絡節點與業務需求達到動態匹配，保障不同業務QoS服務。

4 結論

本文設計的空間信息網絡保障不同業務QoS服務的總體框架和基于TOPSIS改進算法的多屬性判決實現步驟，在保證通用性和靈活性的基礎上，可根據網絡業務需求情況與節點可提供服務情況，使空間信息網絡節點可提供的服務與業務需求達到動態匹配優化，實現了不同業務QoS服務可以得到基本保障的目的。

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（責任編輯：龍晉偉）

Multi Services Transmission Priority Algorithm for Space Information Network

SUN Bo，LI Ruide，SUN Wenjing

（Research Institute of Communication Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

It is difficult to unify the requirements on the communication rate，the storage capacity，the transmission delay and the bit error rate for the different services in space information network. Consequently，an improved TOPSIS algorithm based on analytic hierarchy process was proposed so as to guarantee the quality of service（QoS）requirements by determining the priorities of various services.The algorithm proposed could calculate and arrange the priorities of different services with adequate consideration of the node’s capability to participate in the service transmission.Thus，the space information network node could dynamically match the service requirements and achieve the goal of satisfying diverse QoS requirements.

space information network；quality of service（QoS）；TOPSIS

TN915.02；N 945.25

：A

：1674?5825（2017）02?0279?06

2016?07?21；

2017?03?02

載人航天預先研究項目（060501）

孫博，女，碩士研究生，研究方向為通信與信息工程。E?mail：sunbo19930629＠126.com