面向任務的空間信息網絡體系結構可重組設計

1. 航天工程大學 復雜電子系統仿真實驗室，北京 101416 2. 西安電子科技大學 計算機學院，西安 710071 3. 61618部隊，北京 100094 4. 武警工程大學 信息工程學院，西安 710000

作為網絡理論與空間信息科學交叉發展前沿的空間信息網絡已經成為當前的熱點研究領域，世界主要航天國家都在積極探索和展開相關方面的研究[1-2]。空間信息網絡作為一個復雜巨型網絡系統，與其他網絡系統相比，具有一些典型特征，如復雜性、異質異構性、動態性、多層性、高維多元性等[3]，這為研究空間信息網絡的相關理論和技術帶來了巨大的挑戰。設想，在未來戰場中，如果確定了某次戰役的局域范圍，則將相應覆蓋范圍內的空間信息網絡的組成裝備實體進行快速重組，從而提供所需的信息支援服務，當戰役結束后便可進行解構，使其恢復到自然運行狀態。基于上述方法，一方面可以縮短整個流程的延時，確保高效地進行信息支援，另一方面可以降低成本，提高網絡的利用效率。探究其實質會發現，通常定義的空間信息網絡是一個整體，而通過重組后的空間信息網絡是其一個子網，是為了實現特定功能，提供特定服務，而在局域范圍內實現的結構和功能重現的一種狀態。

在互聯網領域，關于重組和重構的相關技術有著較多的應用[4]。針對航天器和機器人領域，為了滿足不同環境的多重任務需求，學者們又提出可重組模塊化的概念，特別是可重構模塊化機器人的發展，為可重組模塊化航天器的發展起到了促進的作用[5]。而在空間信息網絡體系結構設計中還沒有公開發表的文獻對其進行報道，只是在空間信息網絡重大專項研究中對可重組的空間信息網絡體系結構研究提出了需求[2]。針對空間信息網絡頂層設計和體系結構研究的問題，國內外已經形成了一些研究成果，如美國NASA面向未來的空間網絡體系結構[6-7]，歐盟的天基互聯網計劃ISICOM[8]。中國學者將3D-Mesh[9]網絡、分層自治域[10]思想、軟件定義網絡[11]概念及分布式星群[12]觀點等內容引入到空間信息網絡的體系結構研究中來，也取得了一些成果，為研究空間信息網絡的體系結構提供了新的思路。

NASA面向未來的空間信息網絡系統由骨干網、接入網、航天器內網和鄰近網絡組成，能夠很好地滿足美國對未來空間通信的需要。基于NASA框架，無需為新出現的任務構建一套新的通信基礎設施，能夠有效避免重復建設[13]。分層自治域的空間信息網絡組網和建模將空間信息網絡根據節點屬性、鏈路能力、任務特點、分布區域等劃分為一系列的自治域，通過這種劃分將整體上最高動態變化的空間信息網絡劃分為一個個局部動態性變化的子網絡，從而提高對空間信息網絡的管控效率。基于分布式星群的空間信息網絡體系結構是針對骨干節點頻率軌位匱乏、衛星平臺承載能力弱等問題，通過多星共軌，星間高速互聯、分布式自主協同的方式實現構建穩定可靠的空間信息網絡。軟件定義網絡(Software Defined Network，SDN)是一種新型網絡創新架構，SDN技術能夠有效降低設備負載，協助更好地控制基礎設施，降低整體運營成本，成為最具前途的網絡技術之一，在空間信息網絡領域只是進行了初級探索。

筆者在前期研究中，借鑒以往在軍事信息系統上的體系結構描述和建模方法的思想來研究空間信息網絡，通過綜合應用基于活動[14]的靈活性、跨產品關聯性，面向服務[15]的多維共享、靈活可重組等優點，在DODAF2.0的多視圖框架支撐實現的基礎上，提出了一種改進的空間信息網絡體系設計的建模方法——數據即中心(Data as a Center，DaaC)，該方法能夠確保所有的基本數據以支持各種各樣的分析任務的同時，還確保了體系結構描述中各視圖間的協調一致，從不同視角來進行體系結構模型的建立。同時，這種基于DaaC的思想能夠充分利用數據資源，也滿足當前大數據環境下數據量龐大、數據價值密度低等需求，符合當前及今后的發展趨勢[16]。

因空間信息網絡是一個較新的概念，上述方法只是對空間信息網絡頂層設計和體系結構研究的初步探索，關于可重組的空間信息網絡體系結構的研究，目前尚無公開發表的資料對其進行報道和論述。因此，以可重組與重構技術在互聯網領域的成功應用為啟發，在前期DaaC體系結構建模方法的基礎上，本文探索性的提出了一種以任務為牽引的可重組的空間信息網絡體系結構模型，以期為新形勢下現代化戰爭中的為滿足多重任務的空間信息網絡體系結構設計的研究提供一些新的思路和方法。

1 可重組設計

1.1 基本概念

前面給出了空間信息網絡的廣義概念，為了便于進行后期驗證，將空間信息網絡的規模控制在有效、適當的范圍是后續研究的前提和基礎，因此，在空間信息網絡廣義概念的基礎上，結合新時代信息化作戰需求，給出了其狹義概念。

定義1 空間信息網絡是以衛星系統(同步衛星或中、低軌道衛星，主要負責處理載荷)為主干網絡，連接其他信息系統(臨近空間的氣球或飛機等)或終端(地面站，主要負責控制)，提供一體化偵查、導航、通信等服務，實現通信廣播、偵查監視、情報探測、導航定位、導彈預警和氣象、水文、地形等戰場態勢感知的綜合信息網絡系統。

定義2 空間信息網絡重組是指根據具體的任務需求、滿足的功能需求和提供的服務需求，對組成空間信息網絡的實體進行重新組合的過程。通過重組后，相應的網絡稱為可重組空間信息網絡(Reorganization SINs)，簡稱為可重組網絡(R-SINs)。通常意義論述的空間信息網絡是一個集成的、一體化的、實現信息支援的國家基礎設施，而面向任務的可重組空間信息網絡，其本質是以特定任務需求為牽引而構建的子空間信息網絡。

定義3 可重組目標(Reorganization Goal，RG)是指用于指導空間信息網絡根據服務需要，通過重組而實現和進入的新狀態的藍本，是指可重組網絡具有何種功能，已經重組好的網絡各個功能實體如何提供相應的服務，功能實體應服務到何種程度等。

定義4 可重組方案(Reorganization Scheme，RS)是指根據可重組目標，結合所包含的裝備實體的具體情形，為了實現特定任務、提供特定服務，針對實體間如何連接，如何相互配合工作而做的具體計劃，是用于指導可重組網絡的具體組網的指南。

1.2 可重組設計原則

空間信息網絡的可重組性是指空間信息網絡為完成某一任務而實現的體系結構從一種形式轉換為另一種形式的情形，轉換前后的兩種體系結構不僅在組成成分上不同，實現的功能也不同。同時，轉換前后不是簡單的排列組合，而是注重其整體能力的體現。結合可重組的特征和空間信息網絡在未來戰場環境中的發展趨勢，在建立空間信息網絡可重組體系結構模型時，一方面要保證靈活、可擴展和適用性的優點，另一方面還有遵循以下原則，才能更好地實現其建立體系結構模型。

原則1 松耦合原則。可重組空間信息網絡中重組的網絡是依據特定功能服務而進行的重組，是依據特定用戶業務需求而提供相應的網絡服務，所以，其服務和需求是一一對應的，因此這種網絡是一種松耦合的模式。

原則2 兼容性原則。可重組的空間信息網絡其組成部分包含多種異質異構實體，橫跨不同層級，因此，要進行實時的信息支援，必須能實現實時的數據信息共享。因此，實現良好的兼容和融合是保證其實現整體功能的前提和基礎。

原則3 隔離性原則。可重組空間信息網絡由于其服務對象的不同需要構建的不同的網絡，為保證已構建網絡能夠高效地提供服務，需要將已構建網絡與其他各個網絡隔離，避免受到其他網絡的干擾和影響，即從實現上做到解耦。

原則4 可解構原則。可重組空間信息網絡提供某一特定服務是在特定的時間段和特定的局域范圍內實現的，待某一服務結束后，已構建網絡也就沒有了存在的價值。因此，為了避免資源浪費，需要對其進行解構，解構后，又恢復到自然狀態，時刻為下一次的可重組做準備。

1.3 可重組設計實現機制

基于第1.1節空間信息網絡的概念和第1.2節的設計原則，結合DaaC思路，提出一種可重組網絡體系結構模型。可重組模型主要包括兩部分核心，即管理層和資源層。管理層是可重組網絡的管理中心，資源層是可重組網絡資源中心，二者相輔相成，共同完成和實現空間信息網絡可重組的任務。

定義5 管理層—可重組網絡管理中心(R-SINs Management Center，RMC)，主要負責管理整個可重組網絡的構建和構建方式。根據任務需求和上級命令，確定滿足服務任務的可重組網絡的規模和組成結構，同時，在整個構建過程中負責所相關的指令的發送，包括向數據中心和實體資源池發出構建網絡的激勵，等待對方響應等。

定義6 資源層—可重組網絡資源中心(R-SINs Resource Center，RRC)，包含實體資源池(Entity Resource Pool，ERP)和數據中心(Data Center，DC)兩部分，主要用來提供可重組網絡所需要的實體資源和數據資源，實體資源池包含空間信息網絡所有組成部分的全部內容，在構建可重組網絡時，只需要從這個資源池中選擇所需的實體資源發揮功能即可。數據中心既包含體系結構設計所需要的實體數據，也包含體系結構構建過程中所產生的新數據。

圖1所示為面向任務的可重組網絡示意，圖中除包含管理中心、實體資源池和數據中心3部分內容外，將數據中心的數據格式進行單獨的展示說明。在整個可重組網絡的構建過程中，起決定性作用的就是RMC和RRC，這里以圖示的方式展示其運行機制，如圖2所示。

圖1 面向服務的可重組網框架Fig.1 Service-oriented R-SINsframework

圖2 可重組網絡各模塊運行機制Fig.2 Operation mechanism ofR-SINs modules

1)RMC運行機制：可重組網絡管理中心作為進行管理和控制的核心，充當大腦的作用，其中也是接受任務/指令的接口。在接受到命令/指令后，根據需求和所要提供的服務制定可重組目標，同時向RRC發送指令，分析可以滿足目標需求的數據信息，待RRC完成分析數據后，便可向RRC發送第二條指令，同時接收RRC的回復信息。依據可重組目標，結合已確定的實體資源，制定可重組方案，同時，發送建立連接的指令，在收到可重組網絡建立完成的反饋指令的同時，需要對網絡提供的功能和指令/任務進行對比分析，從而進一步優化和調整可重組方案，如有需要改進的地方，則重復圖2中第⑧～⑩步即可。

2) RRC運行機制：可重組網絡資源中心主要提供數據資源和裝備實體資源，發揮資源庫的作用，一方面具有接受RMC指令的接口，另一方面具有輸出可重組網絡的接口。將所有描述實體資源的數據匯集在一起，進行有序組織后便形成了數據中心，數據中心對所有實體資源進行編號和詳細的數據描述，包含所有實體資源的屬性信息和數據。數據中心存儲數據的格式在圖2中已經具體展示，其本質是一個結構化數據庫，包含了所有裝備實體資源的數據信息和相應配套的其他數據信息。數據中心是管理中心和實體資源池之間建立連接的中心環節，發揮著橋梁和紐帶的作用。

可重組網絡主要是在管理層和資源層的協作下，實現面向服務的重組，根據可重組目的，結合可重組方案，通過分析數據中心的數據資源，從實體資源池調度一些相關資源實體最終生成一個能實現特定功能、提供所需服務的空間信息網絡。因此，用五元組來定義可重組模型。

定義7 可重組網絡體系結構模型(R-SINs Architecture Model，RAM)定義為

MRA=〈RG,RS,RD,RE,RN〉(1)

式中:可重組目標(RG)表示在任務需求的牽引下，對可重組網絡構建為何種樣式、提供何種服務的一種形式化描述。可重組方案(RS)描述了如何進行構造和重組的整個過程，方案中還包括對可重組網絡的優化和調整的過程。可重組功能資源集合包含可重組實體資源(RE)和可重組數據資源(RD)兩部分，表示為實現可重組目標，分析符合條件的數據資源，并確定滿足需求的實體資源的過程。可重組網絡(RN)表示根據既定目標和方案所輸出的可重組空間信息網絡的雛形，是R-SINs的前身。

1.4 可重組設計實現算法

在前文論述的基礎上，為了將理論轉化為具體實現，設計了可重組設計實現算法，從而指導后面的驗證分析。可重組設計是在已有空間信息網絡的基礎上針對具體任務進行的結構重組和功能重現，其算法偽代碼如下：

algorithm：R-design algorithm

Input： RD,RE,Instructions

Output： R-SINs

1 for input a new Instructions

2 analysis Instructions to determine RG;

3 analysis RG to map RD;

4 analysis RD to match RE;

5 analysis RG and RE to make RS;

6 accordance with RS to connect RE;

7 output RN;

8 end for

9 while the RN not match the R-SINs

10 repeat step 5 and 6;

11 end while

根據偽代碼，進一步分析了其算法實現流程，如下所示：

1)針對接收到的上級指令(Instructions)，分析其具體內容，從而確定所需提供信息支援服務的位置(Position)、方位(Orientation)、周期(Period)等指標，進而進行整理和梳理重組需求，進一步制定和擬制重組目標RG；

2)結合所制定的重組目標RG的特征，根據其包含的指標，在數據中心映射能滿足需求的可重組數據資源RD，然后，通過選擇的數據RD匹配資源池中的可重組實體資源RE；

3)結合重組目標RG和所確定實體資源的特征，制定能滿足該項任務的重組連接方案RS，在方案RS的指導下，對所篩選的實體資源RE建立連接，確保能夠進行正常的數據信息傳輸；

4)當前3部分工作都完成后，便可以輸出第一版的重組網絡RN，通過測試重組網絡RN的功能和性能，進而判斷存在的不足，反饋重組效果，為下一步優化提供依據；

5)根據反饋效果進行重組網絡的優化，判斷輸出網絡是否滿足要求，如果不滿足，則調整重組方案RS，重復上述步驟，實現重組網絡的進一步優化，待滿足要求后，則算法結束。

需要指出的是，由于本文是面向任務的體系結構描述和分析，所以在實際操作中，每一次的建立都表示的是一個瞬間狀態，不可能一次性就達到所要實現的可重組目標，即根據每一次的重組反饋重復上述所示的各個環節，最終才能實現滿足要求的可重組空間信息網絡。

2 案例分析

本節基于衛星工具包STK(Satellite Tool Kit)實現了可重組設計的仿真驗證，通過進行作戰想定，設計一個場景，按照算法流程進行具體實現。

作戰想定如下：假設a方欲通過某型彈道導彈對b方軍事重地進行襲擊，b方實施陸基反導作戰活動，而在整個過程中，需要可重組空間信息網絡來完成信息支援的任務，上級機關將該指令下發到RMC。按照可重組網絡體系結構開發流程，可以得知本次反導作戰活動中，空間信息網絡全周期提供信息支援(RG)，根據a方導彈可能出現的方向、位置等情形，可以確定空間信息網絡將參與戰前偵測、早期預警、引導搜索及跟蹤等任務。為此，通過分析和篩選滿足要求的RD，確定了以下RE將參與本次任務，具體包括偵查衛星A、測繪衛星B、預警衛星C、中繼衛星J、雷達跟蹤機D、雷達預警機F、空基情報處理中心、地面指控中心，其基本參數信息如表1所示。

表1 基本參數信息

結合重組連接方案RS，進一步給出連接方案的概念演示如圖3所示。

圖3 支持反導任務的可重組網絡概念演示Fig.3 Demonstration of R-SINs for anti-missile

基于STK平臺分別實現的2D和3D的可重組空間信息網絡演示模型R-SINs，如圖4所示。

圖4 可重組網絡多維演示模型Fig.4 Multi-dimensional demo model of R-SINs

圖4(a)從二維平面上展示某一瞬態組成可重組網絡的實體運行軌跡和覆蓋范圍。圖4(b)中，星A、星B、星C、星J分別用不同顏色的亮點顯示，圖示中稍小的綠色亮點代表地面指控中心Lc，機D、機F和空基情報處理中心Nc因受圖示截圖界面范圍有限的限制，因而在圖示中未能清晰展示。同時，結合表1和圖3中的數據信息傳輸關系，建立了實體間的連接關系，圖示中由綠色實心直線表示。

為了驗證本文提出的可重組模型的正確性，我們從復雜性和性能兩個角度對該模型進行驗證。想定了5個作戰方法，其中，組成空間信息網絡的實體和鏈路呈遞增趨勢，從而分析空間信息網絡節點數量和OODA耗時的效率關系，進而定量反應其進行信息支援的效率，分別如表2和圖5所示。

如圖5所示，分析了在5個既定方案中可重組網絡節點數量和連邊數量對OODA耗時的影響。從圖中可知，隨著節點和連邊數量的增加，對應的OODA耗時呈現增長趨勢，且可重組網絡組成結構復雜度不同，節點和連邊對其耗時的影響程度也不同。因此，與本文出發點相對應，研究面向任務的空間信息網絡體系結構可重組設計對于節約網絡資源，節省損耗具有重要的現實意義。

表2 可重組網絡效率分析數據列表

3 結束語

空間信息網絡體系結構的可重組設計是空間信息網絡基礎理論和關鍵技術研究的重要組成部分，雖然現階段已有關于其體系結構的研究，但是可重組設計應是未來空天一體化信息網絡體系結構描述和設計的主流形式，針對在該領域研究的空白，本文給出了一個空間信息網絡體系結構可重組設計的一個框架，并開展了相關工作。

1)通過定義基本概念，界定了研究范圍，結合可重組的特點，制定了設計原則，并重點分析了可重組設計的實現機制。

2)在可重組網絡模型的基礎上，設計了實現體系結構可重組設計的算法，并詳細論述了算法流程，進而指導可重構設計的具體實現。

3)通過一個典型案例——反導作戰活動，對文中的理論方法進行了仿真驗證和定性分析，從而也驗證了可重構設計方法的有效性和可行性。

然而，文中還存在一些不足有待在下一步研究中加以改善，包括設計原則的完善，實現流程和算法的優化。同時，在模型可行性和有效性驗證方面，缺乏定量的分析，這也是課題組下一步需要研究的主要內容。