天基網絡體系及自適應資源動態管理

王睿，韓笑冬，韓歡，王柏巖，安衛鈺，王超

中國空間技術研究院 通信與導航衛星總體部，北京 100094

天基網絡對未來空間優勢的確立具有重要意義。值得注意的是，近年來美軍發布的方案和條令文件，著重強調了天基網絡的地位，在地面管控中心建設的基礎上強調了天基信息系統的建設，主要集中在態勢感知、導航定位、衛星通信等方面，通過各種具備不同功能和工作領域的衛星網絡以及航天器組網，實現全球覆蓋的高效信息交互和處理能力，以滿足快速反應和精確打擊的需求。尤其是對信息獲取和輔助決策能力提升相關的新技術，體現了較多的傾向性。

美軍近年來發布了幾個同天基網絡建設相關的重要規劃報告[1]。如圖1所示即為(JP3-14)《太空作戰》所制定的聯合太空作戰規劃程序[2-3]。

圖1 聯合太空作戰規劃程序Fig.1 Joint space tasking order process

《無人系統綜合路線圖(2017-2042)》報告強調，未來聯合作戰中所應用的無人系統，其聚焦點應非特定作戰域，而是應當放在全域作戰的視角，相關的關鍵技術應支撐跨域指控、跨域通信以及與聯合部隊的集成[4]。在如圖2所示的情報、監視與偵察(Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance，ISR)數據傳輸能力中，突出顯示了向分散的用戶提供可靠且響應性強的數據傳遞所應需的一些關鍵傳輸能力模塊。

圖2 ISR數據傳輸能力體系Fig.2 ISR data transmission capacity system

從以上的文件中可以總結出，在以天基為中心的信息化建設中，著重強調了信息交互的實時性和輔助決策能力的智能化，構建包括天、陸、海、空、臨近空間系統的強大的ISR系統是保證信息優勢的前提所在。建設方向主要包括天基系統與其它陸、海、空、臨系統的協同、天基系統內多手段、多軌道衛星協同，而實時互聯、實時操控是體系協同的基礎。

在現有的天基網絡系統中，管控系統的主要職能在地面完成，正隨著星上處理能力和通信帶寬的提升逐步向星上搬移；而衛星管控系統作為調度控制中樞，其主要功能是接收各類任務和需求，結合不同類型傳感器的特點，通過任務規劃，對衛星和地面測運控和資源進行調度，制定傳感器控制、測控接收的計劃等；然后通過生成控制指令，管理控制衛星傳感器；同時，對衛星傳感器的狀態、指令發送和數據注入狀態進行監視，提升衛星任務完成的可靠度。

隨著衛星探測和處理能力的增強、衛星搭載應用類型和衛星數量大幅增加，各類型應用的融合和協作不斷深入，對多星聯合探測與監視的需求日益迫切，管控系統逐漸從人工操作向自動生成發展；任務規劃由離線編制向在線規劃發展，由人工編制衛星控制指令向高時效指令生成發展；從單一衛星管控演變為多星統一管理，由裝載多類型探測設備的多顆衛星聯合工作以提高時效性和準確性。

可見，未來天基網絡的發展是建立在其覆蓋面廣，信息獲取渠道多，反應速度快的基礎上的。一方面，對于各種不同形式的情報收集，包括定位信息、氣象及地形感知、通信獲取等，可以做到對戰場形勢全面了解，掌握戰場主動權；另一方面，通過天基網絡的高速數據傳輸能力以及構筑在天基網絡的數據分析和決策能力，可以大幅縮短信息傳遞和指令下達的時間。這同未來戰爭全面監控、快速反應、精確打擊的特點緊密契合，因此成為了未來天基網絡建設和發展的重點。

天基網絡管控技術中，與一般單星資源調度問題相比，多星多目標高時效的調度問題更復雜，時效性更高，多種不同類型的任務及資源約束條件復雜且求解困難，任務規劃評價指標較多，評價體系復雜。在此研究方向上，對多種資源分配方法設計的論證方面，例如通過設定每個任務的固定優先級，構建基于迭代修復算子和啟發式策略局部搜索算子結合的混合類型算法。通過研究多顆衛星與測控站之間以及星間的調度問題，采用沖突消解方法解決測控接收站可見窗口之問的重疊問題，再基于遺傳算法求解之后的調度問題等[5，6-7]。文獻[8]在星間通信中針對不同鏈路的信道條件和業務需求，設計了對帶寬和功率進行協調分配的方法；文獻[9]針對天基信息港的多源信息融合問題，設計多機循環插入算法來優化任務的完成時間等等[10-11]。但以上提出的算法，多是針對某種特定資源和場景的分配，而非從通用和統一化的資源角度對天基網絡資源分配問題進行分析。本文就天基網絡中的自適應資源動態管理技術開展研究，針對資源調度和分配技術，提出了一種基于FPSB拍賣博弈的分布式資源分配方法，并對方案在系統資源利用率和系統運行效率上的提升進行了仿真驗證。

1 自適應資源動態分配技術及方案

面對不同應用場景的業務需求，由于存在大量的復雜耗時計算，如可見時間窗口計算，星上導引率計算等相關算法，為了避免計算量過大，計算時間過長而導致的自主管理調度陷入延遲崩潰狀態，需要實現自主運算算法的快速、高效的計算功能。這一方面可以通過增強單星的計算能力實現，但是由于可靠性等問題，目前衛星的星上計算能力還無法與地面計算機匹敵。因此另一種實現方式即為采用基于天基信息的分布式協同計算體系框架與算法，例如云計算架構[12]，利用分布式計算原理，通過天基信息廣域和互聯的計算能力，進行協助計算，減輕單星計算負擔，實現高效并行化處理，提升算法執行效率。

針對衛星網絡特點，考慮信息傳輸延時等問題，對衛星進行對等設計，采用遠程求值模式，也就是天基信息網絡在進行星上自主管理和服務時，可以由服務衛星將相關算法分解，與相關輸入參數一起發送給分布式計算衛星，將特定功能在星內/衛星模塊遷移重構，對部分或者全部算法進行計算，實現對被服務衛星的任務算法的并行處理，最終將計算結果返回給被服務星，提高星上自主運算能力。通過星上自主分布式計算，實現星上計算和存儲資源的動態可重構。

不限于用于分布式計算的計算資源管理和分配，天基信息資源的內容包括信息獲取、計算、傳輸和存儲過程中所必備的設備和能力，同時也覆蓋了以上過程中不可見的功能性實現，例如安全性、穩定性等。受位置分布、網絡結構以及不同類型需求的約束，各信息資源主體所設計的資源模型呈現相互獨立的特征，導致在建模、描述等方面的差異，使協作的個體間在對于資源定義與模型構建上缺乏統一的表達，導致在網絡中進行信息交換和共享時產生信息缺失、語義沖突、處理方法不兼容等問題[13-15]。將分布、異構、多樣的天基網絡資源進行協同管理，是在天基信息網絡中實現資源主體間的資源高效共享與有序協同的前提條件。

針對實時的資源分配，本文基于首價密封(first price sealed-bid，FPSB)拍賣博弈提出了一種分布式資源分配方法，用于天基網絡中的節點(包括衛星及其他航天器)間的資源分配。本文采用基于博弈方式設計算法的主要原因為：

1)未來天基網絡的發展方向為模塊化、智能化，網絡功能單元通常不處于同一網絡實體上，星上處理單元也通常采用具備獨立計算和存儲資源的模塊設計，在資源管理方面形成了分布式的網絡結構，集中式的資源管理算法對該種結構的適應性較差，在資源交互和管理上的效率較低。

2)由于星上的能源和計算資源有限，重復博弈和采用迭代算法收斂的方案不適用于天基系統的工作環境，浪費了計算資源，同時會產生較多的通信開銷，占用天基網絡鏈路的帶寬，這與天基網絡具備較長通信時延的鏈路特征和極為有限的帶寬資源特征兼容性較差。

對下文中用到的變量做如下的定義：Rs表示提出方在參與協作計算過程中占用的資源；Rri表示參與方i在參與協作計算過程中占用的資源；Wi表示通信過程占用的帶寬；Pri表示參與協作計算過程中的消耗功率，Qri表示參與方的總功率；η表示參與方的協作效率；αi表示參與方的競價；ki表示參與方的競價系數。

對于參與方的協作效率，如下計算：

(1)

即發起方占用資源越多，參與方的占用資源就越少，同時協作效率同占用帶寬和消耗功率成反比。通過以上的關系，參與方的競價可以以提出方占用資源Rs為參數表示：

(2)

(3)

因此，對于發起方，協作計算的占用資源可以表示為如下形式：

Ci=Rs+αi

(4)

結合式(2)，可以得到：

(5)

從式(5)可以得出，Ci是Rs的線性函數，因此Ci對于給定范圍的Rs存在最小值，同時在該區間是連續的，依據Kakutani不動點定理，必定存在至少一個納什均衡點。因此基于此首價密封拍賣博弈的算法的參與方會選擇收益最大的競價策略，通過對其競價進行自適應的調整，可以使系統達到穩定狀態。

對于資源分配提出方和參與方，其操作流程如圖3所示。根據以上提出的發起方和參與方的實現流程，即可建立各節點的資源分配，且該分配過程由各節點自主完成，無需中心管理節點的統籌管理。

圖3 資源分配算法流程Fig.3 Process of resource allocation algorithm

對于資源分配的任務發起方，其操作流程如圖3所示，可以分為以下的步驟：

1)設定參與方的協作效率η，將參與協作計算過程中占用的資源Rs通過廣播的形式發送給可以參與該過程的其他衛星。

2)在設定的等待周期內，通過獲取參與方的反饋，其中包含了參與方的競價αi。

3)等待周期結束后，對收到的競價進行比較，選取競價最低的參與方作為協作計算的合作方，發送給該參與方確認消息。

4)同該參與方建立連接，根據占用資源比例發送協作數據，結束該輪分配過程。

5)返回步驟1。

對于資源分配的任務參與方，可分為以下的步驟：

1)收到廣播的拍賣消息，提取發起方的占用資源Rs，計算同博弈發起方通信占用的帶寬Wi，參與協作的占用資源Rri，以及參與協作過程消耗的功率Pri。

2)計算競拍的底價，提出一個高于該底價的競價系數ki，計算參與協作計算的競價αi，提交給發起方。

3)若在等待周期結束后未收到發起方的確認消息，視為該次競價失敗，對競價進行調整，返回步驟1。

4)若在等待周期內收到發起方的確認消息，則認為該次競價成功，建立數據鏈路，接收需要進行協作的數據，結束分配過程。

5)協作完成后，返回步驟1。

2 效果仿真及分析

下面對本文提出的算法進行了應用效果的仿真。本文提出的方法以MRAF(Method of Resources Allocation based FPSB)命名標示。其對比算法為集中式的統一規劃(centralized planning scheme，CPS)，也就是將多個節點的實際可用資源之和平均分配給具備可用于協作的多余資源的節點。可以看到，CPS需要具備中心管理節點，獲取到各節點的可用資源信息，然后才可以進行分配，因此是不適用于無中心節點的網絡結構的。基于MATLAB仿真軟件構建了仿真平臺，針對天基網絡管控節點的實際配置情況，在網絡中除任務的提出方外，還分布著不多于10個的潛在參與方。為保證協作參與方的參與程度和自身任務完成保障程度，協作過程中，參與方的可用資源上限設定為發起方的30%，可用通信帶寬為100 Mbit/s，參與方消耗功率上限為5 W。

圖4所示為本文提出算法的收益在不同競價策略情況下同統一規劃方法的對比。a的取值越大，則節點提出的底價越高，b則對底價的變化具有相反的效果。底價越高，則表示節點參與協作的意愿較強，但若以較高的競價獲取了協作的機會，有可能分配的工作會超過本節點的可用資源上限，從而無法完成任務提出方交給的任務。因此，根據競價的結果進行相應的策略調整，才能增加節點獲取參與協作的幾率。通過仿真結果可見，本文提出的算法可以獲得比統一規劃方式更高的收益，當n=10時，將a設定為20～70可以獲得更高的收益，將n調整為5時，可獲得更高收益a的取值范圍變為10～40。仿真的結果可見，首先，使用本文提出的資源分配方法，通過自適應的調整節點提出的競價策略和實際競價，可以得到比直接分配的方式更大的收益；其次，節點數目的增加加劇了網絡中的競爭，同樣的競價隨著節點數目的增長，其競拍成功的幾率在降低。但同時，網絡中節點數目較少的情況下，節點可獲得的收益也相應較低。

圖4 MRAF算法收益在不同競價策略下與CPS的對比Fig.4 The profit of MRAF for different biding strategies compared with CPS

圖5所示為本文提出算法的收益在不同網絡節點數目情況下同統一規劃方法的對比。當a=30時，隨著節點數目的增加，節點獲得的收益不斷增加，在n=6時到達極值點，隨后收益降低，但始終大于統一規劃方法的收益。a=60時，其收益增加趨勢較緩，但節點獲得的平均收益較高。可見本文提出的資源分配方法是可以獲得更高的收益的。在節點采用較為積極的競爭策略時，在網絡節點數目較少的情況下其獲得收益不如較為消極的競爭策略高，可見網絡中的節點數目增加會加劇網絡中的競爭態勢。

圖5 MRAF算法收益在不同網絡節點數目情況與CPS的對比Fig.5 The profit of MRAF compared with CPS for different number of participants

同時，為驗證在天基信息網絡中的實際應用效能，構建了如下的應用場景：天基信息網絡中設置6個骨干網節點，其覆蓋范圍內隨機接入最多150個的天基節點，依據就近接入的原則同骨干網節點進行通信，同時作為資源的提供方進行自適應的協作資源管理，各參與方根據自身的可用資源在博弈中自主決定其競價策略。

圖6為MRAF算法的收益在此網絡同CPS算法的對比，根據自主選擇競價策略，可獲得較CPS算法一倍以上的收益。

圖6 MRAF算法收益在大規模網絡中同CPS算法的對比Fig.6 The profit of MRAF in large range network compared with CPS

圖7 MRAF算法獲得收益最高的競價和最高競價在大規模網絡中的變化情況Fig.7 The profit-most and highest price of MRAF in large range network

圖7為MRAF算法為獲得較高的收益，所提出的平均競價的仿真結果。隨著網絡規模和節點密度的增加，上圖可見，使節點獲得最高收益的競價有所增加，同局部網絡的仿真結果一致；下圖為節點提出的最高競價，可見最高競價的提出者并不能得到最高的收益，也無法成功得到協作的機會。而這一點也保證了資源在網絡中的均衡分布。

3 結束語

本文就天基網絡中的自適應資源動態管理技術開展研究，通過對近期未來太空作戰體系的規劃的分析得出，未來天基網絡建設的重點強調了信息交互的實時性和輔助決策能力的智能化。通過進一步對天基信息網絡資源管控系統的研究，總結了管控系統的通用特點和未來的發展重心。

根據天基網絡對通信能力、計算能力和存儲能力發展的需求，本文對天基網絡中的自適應資源動態分配技術進行了研究，并提出了一種用于天基網絡的資源分配方法，在節點資源有限的情況下進行資源的協作利用，提高了系統資源的利用率和整個系統的運行效率。相比使用重復博弈和采用迭代算法收斂的方案減少了通信鏈路的數據交互，考慮了各節點自身資源條件的限制，有利于降低通信鏈路帶寬的占用率和優化功率消耗。通過方法流程設計和網絡仿真的結果，證明了方法的有效性。