基于AI的LEO衛星網絡資源管理架構設計

王朱偉，徐廣書，買天樂，楊 磊，高 宇

(北京工業大學，北京 100124)

0 引言

近年來，網絡建設作為我國未來信息化建設的核心，一直深受我國政府的高度重視。2013年2月23日，《國務院關于印發國家重大科技基礎設施建設中長期規劃(2012—2030年)的通知》[1]對發展信息網絡建設提出了要求。2016年7月28日，《國務院關于印發“十三五”國家科技創新規劃的通知》[2]發布，提出要建設天地一體化信息網絡，推進天基信息網、未來互聯網、移動通信網的全面融合，形成覆蓋全球的天地一體化信息網絡。因此，天地一體化信息網絡技術創新已成為“十三五”國家科技創新規劃落地實施的重要內容之一。天地一體化信息網絡是多種異構網絡系統協同合作來實現多源數據融合的一體化信息處理平臺，一體化網絡的內部傳輸信息將呈現多元化、多樣化、數量巨大等特點，人們利用天地一體化信息網絡可以實現多維、多源的空間信息的采集、傳輸、處理、實時全區域共享與應用等一體化的應用。

衛星通信網絡憑借其全球覆蓋、不受地理條件影響等優勢，被廣泛應用于遠洋、沙漠、極地等地面網絡不易覆蓋的區域通信，是天地一體化信息網絡的重要組成部分。隨著天地一體化信息網絡的發展，用戶星上數據傳輸需求不斷增加，復雜的網絡架構、動態的網絡拓撲、爆發式增長的信息量使得衛星網絡信息傳輸和處理的及時性、準確性、可靠性面臨著前所未有的挑戰。同時星上資源極其有限，可擴展能力差，使得衛星網絡要實現多維、多源的空間信息的采集、傳輸、處理、實時全區域共享與應用等一體化服務，首要解決的問題就是對衛星網絡內部資源進行有效的管理和分配。

本文以天地一體化信息網絡[3-5]為研究背景，考慮到不斷擴大的網絡規模、有限的星上資源以及高動態的網絡拓撲等特點，提出了一種基于人工智能(AI)衛星網絡資源管理架構。該架構應用了衛星分集群技術、軟件定義網絡(SDN)、網絡大腦(Network Mind)以及AI算法，對大規模衛星通信網絡資源進行有效的管理與智能分配，增加了衛星網絡資源管理架構的普適性，節省了星上資源，提高了衛星資源分配的效率。

1 天地一體化信息網絡

近些年來，太空域和信息域結合而生的空間信息資源已經引起了世界各國的廣泛關注。2004年，BHASIN K等[6]提出了一體化空間通信架構ISCA，解決不同衛星系統之間資源不能及時共享和利用等問題，避免航天設施重復建設，促進航天資源整合優化。2006年，沈榮駿[5]提出了我國天地一體化航天互聯網構想，對我國天地一體化航天互聯網的總體目標、體系組成、網絡結構和協議提出了初步構想。北京航空航天大學張軍教授綜述了空天地一體化信息網絡，并對其帶來的機遇和挑戰進行了論證與研究[7]等。

天地一體化信息網絡是一種支持各種業務的大型異構網絡基礎設施，它整合了天基衛星網絡、互聯網和移動無線網絡，為各種類型的用戶提供全球覆蓋的信息支持，具有綜合性、異構性、高效性和智能性等特點。天地一體化信息網絡架構如圖1所示[3-8]，主要由天基和深空骨干網絡、接入網絡和地面網絡組成。

天基和深空骨干網絡主要由骨干高軌(GEO)衛星、衛星鏈路以及深空節點組成。GEO衛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衛星可以充當數據中心，具有數據存儲、分析、處理能力以及路由和天基網絡管理能力，可以實時處理衛星用戶數據，從而減少了傳輸的數據量，降低空-地鏈路負載和空-地通信時延。

接入網絡由專用星座衛星網絡、小衛星編隊網絡、航空移動節點以及空間內提供特定接入服務的子網絡構成。這些分散的子系統可以通過星間鏈路與天基骨干網絡進行通信，也可以直接與地面網絡進行通信。由多種子網組成的接入網絡通信連接具有多樣性，便于整合各種衛星資源，有助于實現各個子系統之間的實時通信。

地面網絡主要由因特網、移動通信網以及其他地面節點網絡組成。地面網絡中的數據中心負責數據的存儲和處理以及網絡管理，通過光纖互聯進行實時的信息共享并與其他網絡的骨干節點進行通信。地面網絡規模大，不斷增長的數據流和綜合業務需求使得地面網絡具備對多源數據進行融合處理能力，因此地面數據中心構成的中心網絡不僅能夠進行網絡的運營和管理，并且需要與互聯網中骨干節點進行互聯互通，以便于實時獲取網絡信息和數據資源。

此外，天地一體化信息網絡架構還用到了組網技術和骨干接入以及網絡分級技術。組網技術是天地一體化信息網絡建設的基礎，天、空、地中各大網絡組成種類繁多，多種網絡通過組網技術、聯合路由和一體化協議技術共同構成了天地一體化信息網絡，而一體化網絡內部各大組網通過各組網的骨干接入節點實現通信。從建設上看，天地一體化信息網絡既包括已經存在的網絡系統，又包括即將建設的系統，不同系統之間的運行模式和協議體系具有較大差異。本文引入了兩級網絡架構：一級網絡由起到骨干傳輸和信息獲取作用的骨干節點構成，包括骨干衛星、深空節點、地面站和地面網絡骨干節點；二級網絡節點需要完成具體的任務，其主要組成包括小衛星編隊網絡、接入網絡、地面網絡中的非骨干節點、航空一等節點和其他移動節點。這種網絡架構有利于降低一體化網絡的路由復雜度，提升信息傳輸效率。

圖1 天地一體化信息網絡架構

2 基于AI的衛星網絡資源管理架構設計

傳統的衛星網絡資源管理方法[9-10]的提出大多基于一定的衛星網絡背景，其算法只針對特定拓撲和特定業務服務功能的衛星網絡，星上資源分配體系架構不具有普適性。目前，國內外對衛星網絡資源管理算法方面的研究僅局限于小規模(一般為6～10顆)衛星網絡，沒有考慮到日益擴大的衛星網絡規模，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置而缺乏資源狀態的實時觀測。其次，衛星網絡高動態的拓撲特性可能會導致路由表的頻繁收斂，產生較重的網絡負擔。因此，原有的衛星網絡資源管理架構和資源分配算法已經難以滿足未來發展需要。

為解決上述問題，本文以天地一體化信息網絡為研究背景，結合天地一體化信息網絡特點，提出了一種基于AI的衛星網絡資源管理架構。該架構對大規模的衛星網絡進行了分集群管理，并在地面數據中心引入了SDN網絡架構來實現數據的傳輸與控制分離。同時，考慮到SDN技術難以實現對網絡資源的智能分配，在此基礎上引入了Network Mind，應用AI算法對SDN獲取的衛星資源信息進行學習優化，并通過迭代訓練得出資源管理策略，上傳到SDN控制器，從而實現對大規模衛星通信網絡資源進行有效的管理與智能分配。

2.1 衛星網絡分集群管理

首先對天地一體化信息網絡中大規模LEO衛星網絡進行分集群管理。如圖2所示，對于日益擴大的衛星網絡規模，對衛星網絡進行分集群處理，每個地面站可接收區域內的衛星屬于同一集群，對同一集群內的衛星的星上資源進行批量管理。每個集群內衛星網絡的資源狀態信息通過星間鏈路及時地傳送到地面的衛星接收站，相鄰集群存在交叉以實現全覆蓋。

圖2 基于天地一體化信息網絡架構的衛星網絡分集群管理

圖3 基于SDN的地面網絡數據傳輸控制架構

2.2 基于SDN的地面網絡數據傳輸控制分離架構

SDN作為一種新的網絡架構可以實現數據的傳輸和控制分離。為簡化地面網絡設備復雜度，提高地面網絡的控制效率，在地面數據中心網絡中引入了SDN架構，如圖3所示。

將SDN架構部署到地面數據中心網絡中，來實現地面網絡的數據傳輸和控制分離，減小了地面網絡設備的復雜度，同時縮減了地面數據中心網對衛星資源狀態信息的共享時延，保障了獲取衛星網絡資源狀態信息的實時性。當地面衛星接收站接收到屬于同一集群的衛星網絡資源的狀態信息后，通過光纖通信將接收到的狀態信息傳輸給與之最近的地面網絡數據中心，然后通過網絡共享到地面其他的數據中心。如此，每個集群的衛星網絡資源狀態信息都被實時共享到地面數據中心構成的網絡中。

2.3 基于AI的SDN + Network Mind架構

由于天地一體化信息網絡中復雜的網絡架構、時變的網絡拓撲、爆發式增長的信息量，地面網絡中SDN難以支持對獲取的衛星網絡資源狀態信息進行智能分析與分配，因此在地面數據中心網絡SDN架構上引入了Network Mind來解決此問題，其架構如圖4所示。

圖4 基于AI的SDN + Network Mind架構

SDN控制器將獲取到的衛星資源狀態信息傳達給Network Mind，當Network Mind中的Agent獲取到衛星資源狀態信息后，采用AI算法從歷史資源狀態和資源分配數據中學習到處理當前資源狀態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信息經過地面接收站反饋到衛星網絡中。整個衛星網絡資源管理架構形成閉環結構，保障了AI算法的運行環境，節省了星上計算資源，

保障了對衛星資源狀態信息處理后得到的資源分配策略的及時反饋，增加了衛星網絡資源管理架構的普適性，提高了資源分配的效率。

3 結論

本文以天地一體化信息網絡為研究背景，考慮到不斷擴大的網絡規模、有限的星上資源、高動態的網絡拓撲以及爆發式增長的數據量等特點，提出了一種基于AI衛星網絡資源管理架構。與傳統的資源管理研究方案相比，本文所提架構在地面網絡中引入SDN用來對衛星網絡中路由狀態信息進行實時觀測并執行資源管理策略，使用Network Mind對觀測到的衛星網絡資源狀態信息和歷史資源分配信息進行學習，形成觀測、分析、處理和控制相結合的一體化結構。本文基于AI的衛星網絡資源管理架構研究，基于天地一體化信息網絡，為天地一體化網絡資源管理提供了一種通用性強、簡單有效的資源管理的方案。

[1] 國發〔2013〕8號, 國務院關于印發國家重大科技基礎設施建設中長期規劃(2012—2030年)的通知[Z].2013.

[2] 國發〔2016〕43號, 國務院關于印發“十三五”國家科技創新規劃的通知[Z].2016.

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[4] 潘堤, 費海濤, 張成,等. 基于HLA的空天地一體化通信仿真系統[J]. 信息通信, 2013(3): 190-191.

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