PSO-TOPSIS的天基信息網(wǎng)絡(luò)接入選擇算法

王世超，吳 斌，汪 勃

(1.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094; 2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)

PSO-TOPSIS的天基信息網(wǎng)絡(luò)接入選擇算法

王世超1，吳 斌2，汪 勃2

(1.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094; 2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)

針對(duì)未來(lái)天基信息網(wǎng)絡(luò)用戶接入選擇過(guò)程中接入節(jié)點(diǎn)候選集大、決策變量多和傳統(tǒng)接入算法不夠高效的問(wèn)題，提出了粒子群(Particle Swarm Optimization,PSO)與優(yōu)劣解距離法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS)相結(jié)合的接入選擇算法。建立了天基信息網(wǎng)絡(luò)接入選擇問(wèn)題模型，引入優(yōu)劣解距離法，在綜合考慮多種決策變量的基礎(chǔ)上對(duì)候選接入節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)劣排序并做出接入選擇；設(shè)計(jì)了粒子群優(yōu)化算法，利用反饋的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)驅(qū)動(dòng)粒子群算法對(duì)權(quán)重向量做出優(yōu)化，避免了人為確定系數(shù)時(shí)的主觀性，進(jìn)一步改善了網(wǎng)絡(luò)性能。仿真結(jié)果表明，TOPSIS接入選擇方法將接入阻塞率和路由時(shí)延分別降低了82%和3%，用戶滿意度和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡提高了27%和12%，而PSO-TOPSIS方法使網(wǎng)絡(luò)性能得到了進(jìn)一步提高。

天基信息網(wǎng)絡(luò)；接入選擇；優(yōu)劣解距離法；粒子群算法；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

0 引言

隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，航天器數(shù)量正在快速增加，預(yù)計(jì)未來(lái)10年，僅微小衛(wèi)星的數(shù)量就要新增2 500顆以上[1]。數(shù)以千計(jì)的航天器對(duì)測(cè)控與數(shù)據(jù)傳輸提出巨大挑戰(zhàn)，地面測(cè)控網(wǎng)和中繼星衛(wèi)星系統(tǒng)(Tracking and Data Relaying Satellite System,TDRSS)的現(xiàn)有測(cè)控能力將不再滿足未來(lái)的龐大需求。近年來(lái)，利用星間鏈路構(gòu)建天基信息網(wǎng)絡(luò)成為熱門議題，文獻(xiàn)[2-5]中提出的天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為全球?qū)崟r(shí)測(cè)控通信提供了新的解決思路。在這一網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，用戶數(shù)量多，用戶如何選擇接入節(jié)點(diǎn)成為關(guān)乎網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率的重要問(wèn)題。

針對(duì)衛(wèi)星接入選擇問(wèn)題，學(xué)者提出了一系列算法。文獻(xiàn)[6-9]討論了TDRSS中的離線集中式接入調(diào)度算法，該算法在調(diào)度開(kāi)始前由控制中心計(jì)算生成調(diào)度表，調(diào)度周期內(nèi)衛(wèi)星嚴(yán)格執(zhí)行調(diào)度表中分配的天線資源，因此是一種離線的、集中式的和計(jì)劃驅(qū)動(dòng)模式的接入方法，該方法的接入時(shí)間成本高，不具備自動(dòng)化的能力，不適用于未來(lái)天基信息網(wǎng)絡(luò)的接入選擇場(chǎng)景。文獻(xiàn)[10-11]討論了低軌衛(wèi)星和同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的接入選擇算法，其中文獻(xiàn)[10]介紹了距離優(yōu)先算法，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度做出接入選擇；文獻(xiàn)[11]討論了覆蓋時(shí)間優(yōu)先算法和仰角加權(quán)的覆蓋時(shí)間優(yōu)先算法，前者通過(guò)選擇覆蓋時(shí)間最長(zhǎng)的接入節(jié)點(diǎn)來(lái)降低切換頻率，后者則綜合考慮覆蓋時(shí)間和仰角等影響因素。這些算法簡(jiǎn)單有效，但只針對(duì)衛(wèi)星對(duì)地面形成拼接覆蓋的接入場(chǎng)景。未來(lái)天基網(wǎng)絡(luò)中骨干網(wǎng)對(duì)低軌用戶形成高度多重覆蓋，每個(gè)用戶的候選接入節(jié)點(diǎn)多，增加了接入選擇問(wèn)題復(fù)雜度，這與地面異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇問(wèn)題具有相似性，文獻(xiàn)[12-15]提出的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入選擇算法對(duì)于天基信息網(wǎng)絡(luò)接入選擇算法設(shè)計(jì)具有重要借鑒意義。由于傳統(tǒng)接入方法考慮的判決因素簡(jiǎn)單，制約了網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行，本文對(duì)未來(lái)天基信息網(wǎng)絡(luò)中的用戶接入選擇算法進(jìn)行研究，考慮影響網(wǎng)絡(luò)效率的多種接入判決因素，引入TOPSIS方法，并提出PSO與TOPSIS相結(jié)合的接入選擇算法，提高了接入效率，改善了網(wǎng)絡(luò)性能。

1 衛(wèi)星接入選擇場(chǎng)景描述

天基信息網(wǎng)(Space Information Network,SIN)是指通過(guò)星地、星間鏈路連接在一起的不同類別、不同性能、不同軌道的飛行器及相應(yīng)的地面設(shè)施和應(yīng)用系統(tǒng)，按空間信息資源利用效率最大化原則組成的“天地空一體化”綜合信息網(wǎng)[3]。為便于接入選擇問(wèn)題的研究，本文將天基信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡(jiǎn)化為骨干網(wǎng)和用戶兩部分，如圖1所示(圖中只給出了部分典型的星間鏈路)。其中，骨干網(wǎng)是指SIN中負(fù)責(zé)完成信息的交換轉(zhuǎn)發(fā)且通信速率高、用戶容量大、可靠性高、鏈路相對(duì)固定的核心網(wǎng)絡(luò)，一般由通過(guò)微波/激光鏈路連接起來(lái)的中高軌衛(wèi)星組成[11]，例如天鏈路數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、北斗導(dǎo)航星座中的中軌衛(wèi)星(Medium Earth Orbit,MEO)等。用戶是指被骨干網(wǎng)絡(luò)覆蓋、具有數(shù)據(jù)傳輸需求的各類軌道與非軌道飛行器，例如低軌衛(wèi)星、空間站、高超聲速飛行器、航空氣球和無(wú)人機(jī)等，傳輸?shù)膬?nèi)容可以為偵察圖像、觀測(cè)數(shù)據(jù)、網(wǎng)頁(yè)信息和話音等載荷數(shù)據(jù)，也可以是各類衛(wèi)星的測(cè)控?cái)?shù)據(jù)。當(dāng)用戶有數(shù)據(jù)傳輸需求時(shí)，需要選擇骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)并發(fā)起接入請(qǐng)求。

圖1 天基信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

為滿足用戶的服務(wù)質(zhì)量要求，同時(shí)保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率，用戶在接入選擇時(shí)需要綜合考慮信號(hào)強(qiáng)度、帶寬、時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)和丟包率等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，基于這些決策變量，通過(guò)運(yùn)行接入選擇算法來(lái)選擇接入節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化。因此，天基網(wǎng)絡(luò)接入選擇問(wèn)題為多屬性決策問(wèn)題(Multiple Attribute Decision Making,MADM)。網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化目標(biāo)包括降低接入阻塞率、減少平均通信時(shí)延、提高用戶滿意度和平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等，這些目標(biāo)通過(guò)決策變量相互制約，并且可能相互矛盾，從而導(dǎo)致加權(quán)目標(biāo)函數(shù)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，難于求解。而目前發(fā)展較為成熟的MADM方法可以很好地解決天基信息網(wǎng)絡(luò)接入選擇問(wèn)題，接入過(guò)程如圖2所示。

圖2 天基信息網(wǎng)絡(luò)多屬性決策接入過(guò)程示意

2 TOPSIS接入選擇算法

優(yōu)劣解距離法是解決MADM問(wèn)題的重要方法之一，文獻(xiàn)[16-18]給出了TOPSIS算法的基本原理，其主要思想為：決策結(jié)果應(yīng)該距離理想最優(yōu)方案最近，距離理想最劣方案最遠(yuǎn)，如圖3所示。其中橫縱坐標(biāo)為代表方案性能優(yōu)劣的參數(shù)，Vi為候選方案i的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，V+為理想最優(yōu)方案的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，V-為理想最劣方案的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。本文在天基信息網(wǎng)絡(luò)接入選擇過(guò)程中引入TOPSIS算法，將接入節(jié)點(diǎn)選擇問(wèn)題轉(zhuǎn)化為典型的多屬性決策問(wèn)題。算法設(shè)計(jì)中，將多種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)作為決策變量，發(fā)起接入請(qǐng)求的用戶作為決策者，可用接入節(jié)點(diǎn)作為候選方案。

圖3 TOPSIS算法示意

2.1 TOPSIS算法流程

TOPSIS接入選擇算法流程如下：

① 建立決策矩陣。假設(shè)影響網(wǎng)絡(luò)接入選擇的參數(shù)個(gè)數(shù)為n(即每個(gè)候選接入節(jié)點(diǎn)具有n個(gè)屬性)，用戶可見(jiàn)的接入節(jié)點(diǎn)數(shù)量為m，且第i個(gè)接入節(jié)點(diǎn)的第j個(gè)屬性值為aij，則可建立決策矩陣A為：

A=(aij)m×n,i=1,…,m,j=1,…,n。

為便于不同單位變量之間的分析對(duì)比，需將決策矩陣標(biāo)準(zhǔn)化：

② 建立分配權(quán)重的決策矩陣。設(shè)W為權(quán)重系數(shù)向量，

式中，ωi為第i個(gè)屬性的權(quán)重系數(shù)，W的確定見(jiàn)第4.2節(jié)。將網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)屬性值乘以相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，可得分配權(quán)重的決策矩陣為：

V=A′W。

⑤ 選擇接入節(jié)點(diǎn)。接入節(jié)點(diǎn)的選擇原則是距離理想最佳點(diǎn)最近，距離理想最劣點(diǎn)最遠(yuǎn)，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)可設(shè)計(jì)為：S=min(Cj)，其中，S為被選擇的接入節(jié)點(diǎn)，

2.2 權(quán)重向量的確定

在選擇接入節(jié)點(diǎn)過(guò)程中，為體現(xiàn)不同決策變量的重要程度，TOPSIS算法在步驟②中對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)賦予不同權(quán)重。本文利用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)，根據(jù)對(duì)一定客觀現(xiàn)實(shí)的主觀判，對(duì)兩兩參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同參數(shù)重要程度的確定。具體步驟如下：

① 建立權(quán)重系數(shù)判決矩陣B=(bij)m×n，其中，bij代表參數(shù)i與參數(shù)j的相對(duì)重要程度，bji=1/bij，i,j=1,…,n，bij的值可根據(jù)參數(shù)i與參數(shù)j的相對(duì)重要程度確定為1～9之間的某一整數(shù)或其倒數(shù)，數(shù)值越大，說(shuō)明參數(shù)i比參數(shù)j越重要。

③ 計(jì)算接入節(jié)點(diǎn)第i個(gè)屬性的權(quán)重系數(shù)：

由于權(quán)重矩陣的建立完全依賴于人的主觀判斷，可能會(huì)出現(xiàn)“A比B重要，B比C重要，而C比A重要”這樣的矛盾，為了避免各屬性重要程度不協(xié)調(diào)的情況，需要對(duì)矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。本文利用一致性比率CR作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：

式中，λmax為權(quán)重矩陣B的最大特征值；n為需要考查的接入點(diǎn)屬性個(gè)數(shù)。若CR<0.1，則認(rèn)為權(quán)重矩陣是協(xié)調(diào)的。

3 粒子群與TOPSIS相結(jié)合的接入選擇算法

與傳統(tǒng)接入選擇方法相比，TOPSIS算法充分考慮多種因素，實(shí)現(xiàn)了對(duì)決策過(guò)程的優(yōu)化，提升了網(wǎng)絡(luò)性能。但TOPSIS算法中參數(shù)權(quán)重的確定依賴人的主觀判斷，容易造成權(quán)重分配不精確甚至不合理，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)不到最優(yōu)狀態(tài)。為此，本文提出了粒子群與多屬性決策相結(jié)合的接入選擇算法(POS-TOPSIS)，其基本思想為：在算法中增加反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)權(quán)值系數(shù)的調(diào)節(jié)，利用采集的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)與理想性能參數(shù)之間的差值，來(lái)驅(qū)動(dòng)粒子群優(yōu)化算法對(duì)系數(shù)進(jìn)行全局尋優(yōu)。

由于決策變量與網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)之間的影響規(guī)律復(fù)雜，難以建立描述其相互關(guān)系的公式，因此在反饋控制過(guò)程中無(wú)法得到準(zhǔn)確的誤差修正方程。粒子群優(yōu)化算法讓粒子根據(jù)當(dāng)前周圍粒子的運(yùn)動(dòng)來(lái)在空間中搜索最優(yōu)解，回避了誤差修正方程的建立，可以很好地解決權(quán)值系數(shù)尋優(yōu)問(wèn)題。粒子群算法將問(wèn)題解空間的解表示成搜索空間的一個(gè)粒子，在天基信息網(wǎng)絡(luò)接入選擇問(wèn)題中，權(quán)重系數(shù)向量Wi表示微粒i的當(dāng)前位置，優(yōu)化目標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)與理想最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的歐式距離最小，優(yōu)化問(wèn)題模型為：

圖4 POS-TOPSIS算法流程

在實(shí)際應(yīng)用中，為盡量避免算法運(yùn)行過(guò)程對(duì)天基信息網(wǎng)絡(luò)的影響，可在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行之前利用天基信息網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)來(lái)運(yùn)行反饋修正的過(guò)程，得到較好的權(quán)重系數(shù)后，再將系數(shù)上注到實(shí)際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中用戶的接入選擇模塊。

4 仿真及結(jié)果分析

4.1 仿真場(chǎng)景設(shè)置

本文的仿真場(chǎng)景中，骨干網(wǎng)以北斗導(dǎo)航星座為原型，采用Walker(24/3/1)星座模型，軌道高度24 000 km，軌道傾角55°，采用網(wǎng)格型星間鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[19]；用戶為在軌道高度500～2 000 km和全球范圍內(nèi)均勻分布的低軌衛(wèi)星。設(shè)所有用戶發(fā)起接入請(qǐng)求的數(shù)量符合參數(shù)為λ的泊松分布(仿真中λ可變)，每次接入后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸所需要的時(shí)間服從μ=0.05的泊松分布，即全網(wǎng)中平均每秒到達(dá)λ個(gè)接入請(qǐng)求，每個(gè)接入平均持續(xù)1/μ=200 s的時(shí)間。

仿真中，考察的決策變量共3個(gè)：用戶所得帶寬b、用戶與接入節(jié)點(diǎn)的距離d和路由時(shí)延td；考察的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)共4個(gè)：接入阻塞率B、網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延Td、用戶滿意度S和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡L。假設(shè)用戶關(guān)注所分配的帶寬，當(dāng)帶寬較小時(shí)，服務(wù)質(zhì)量較差，因此滿意度較低；當(dāng)帶寬接近用戶所需帶寬時(shí)，滿意度則會(huì)快速提升；當(dāng)帶寬大幅超過(guò)用戶所需帶寬時(shí)，滿意度趨于飽和。基于上述規(guī)律，利用Sigmoid函數(shù)[20]來(lái)定義用戶滿意度為：

式中，bn為用戶所需帶寬；參數(shù)α用以表征滿意度對(duì)所得帶寬的敏感程度，本文取α=0.01。

網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡利用骨干網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)上負(fù)載的方差來(lái)衡量，定義負(fù)載均衡程度為:

式中，X為所有骨干節(jié)點(diǎn)上的負(fù)載，即服務(wù)的用戶數(shù)量;β用以表征L對(duì)方差的敏感程度，文中β=1。

4.2 仿真結(jié)果分析

利用PSO-TOPSIS接入選擇算法仿真天基信息網(wǎng)絡(luò)中用戶的接入選擇過(guò)程。首先求解權(quán)重系數(shù)的優(yōu)化結(jié)果，算法最終收斂于f=3.074，即與理想性能指標(biāo)距離為3.074，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)權(quán)重向量為W=[0.364,0.251,0.385]。

為分析算法性能，本文以最小距離接入算法作為對(duì)比。接入阻塞率、平均通信時(shí)延、平均用戶滿意度和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡隨任務(wù)達(dá)到率的變化曲線如圖5所示。可以看出，與最小距離接入選擇算法相比，多目標(biāo)決策的接入算法使得網(wǎng)絡(luò)性能在4個(gè)性能指標(biāo)上均有顯著提升，考慮任務(wù)到達(dá)率為3個(gè)/s的情況，算法將接入阻塞率和路由時(shí)延分別降低了82%和3%，將用戶滿意度和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡提高了27%和12%。通過(guò)對(duì)比PSO-TOPSIS與TOPSIS算法可以發(fā)現(xiàn)，粒子群算法的應(yīng)用在不增加平均接入阻塞率的情況下，使得另外3個(gè)方面的網(wǎng)絡(luò)性能均有所提升。

圖5 不同接入選擇算法的網(wǎng)絡(luò)性能對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)未來(lái)天基信息網(wǎng)中用戶接入選擇復(fù)雜、傳統(tǒng)接入選擇算法不夠高效的問(wèn)題，提出了粒子群與TOPSIS相結(jié)合的接入選擇算法。算法利用經(jīng)典多屬性決策方法TOPSIS方法對(duì)決策變量進(jìn)行綜合考量，并根據(jù)與理想最優(yōu)/劣點(diǎn)的距離做出接入選擇。與傳統(tǒng)接入選擇算法相比，該算法將接入阻塞率和路由時(shí)延分別降低了82%和3%，同時(shí)將用戶滿意度和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡提高了27%和12%。在TOPSIS方法的基礎(chǔ)上，提出了PSO-TOPSIS接入選擇算法，利用粒子群對(duì)權(quán)重向量進(jìn)行反饋，避免了TOPSIS方法中權(quán)重系數(shù)人為判斷的主觀性，進(jìn)一步改善了網(wǎng)絡(luò)性能表現(xiàn)。因此，PSO-TOPSIS是一種高效的接入選擇算法，有助于提高網(wǎng)絡(luò)整體性能，對(duì)未來(lái)天基信息網(wǎng)絡(luò)的工程建設(shè)具有借鑒意義。

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AccessSelectionAlgorithmBasedonPSO-TOPSISinSpaceInformationNetwork

WANG Shi-chao1,WU Bin2,WANG Bo2

(1.BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094，China; 2.BeijingInstituteofTrackingandTelecommunicationTechnology,Beijing100094,China)

There are a large number of candidate nodes and decision variables for users when they are going to access to the space information network,which leads to inefficiency of traditional access algorithm.A new access algorithm combining PSO and TOPSIS is proposed in this paper to improve access efficiency.First,mathematic model of access selection problem in space information network is established.And the TOPSIS is introduced in this model to ranging all the candidate access nodes more reasonably considering varieties of decision variables.Secondly,the PSO algorithm is designed.The PSO is driven by network performance parameters and gives a feedback modification of the weigh vector,which can avoid subjectivity when the weigh vector is determined manually.Simulation results show that the TOPSIS can decrease the access blocking rate and routing delay by 82% and 3%,and increase the users’satisfaction and network load index by 27% and 12%,while the PSO-TOPSIS access algorithm can improve the access performance further.

space information network;access selection;TOPSIS;PSO;network optimization

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.10.01

王世超，吳斌，汪勃.PSO-TOPSIS的天基信息網(wǎng)絡(luò)接入選擇算法[J].無(wú)線電工程,2017,47(10):1-5,11.[WANG Shichao,WU Bin,WANG Bo.Access Selection Algorithm Based on PSO-TOPSIS in Space Information Network[J].Radio Engineering,2017,47(10):1-5,11.]

TN927.23

A

1003-3106(2017)10-0001-05

2016-12-16

中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013M532136)。

王世超男，(1990—)，碩士，助理工程師。主要研究方向：天基信息網(wǎng)絡(luò)。吳斌男，(1963—)，博士，研究員。主要研究方向：航天測(cè)控總體。