基于預案匹配的衛星互聯網資源動態分配研究

王洪良，丁 暉，趙維晨，王 萌，馬樹森，張京平

（1.96946部隊，北京 100085；2.中國衛通集團股份有限公司，北京 100190；3. 凱睿星通信息科技（南京）股份有限公司，江蘇 南京 210012）

0 引言

隨著2021年4月23日，搭載4名宇航員的SpaceX公司的載人龍飛船由“獵鷹9號”火箭從佛羅里達肯尼迪航天發射中心發射升空，馬斯克的星鏈（Starlink）衛星互聯網項目再次受到強烈關注，而星鏈項目早已在2020年底開放公測，短短幾個月時間參與的用戶數量就超過了1萬人[1]。SpaceX公司旨在通過星鏈項目打造一個由數千顆衛星組成的互聯網絡，這種衛星互聯網能夠向地球上任何地方的終端用戶提供高速互聯網服務。星鏈項目一系列成功運營表明，全球衛星互聯網的時代已經開啟。衛星互聯網的全球覆蓋、全天候、便攜、移動、寬帶通信可以滿足地面用戶接入互聯網的需求[2]；同時，在互聯網的迅速發展下，衛星互聯網的終端用戶會成幾何倍速增長，截止到2021年4月，全球互聯網用戶數量已經達到約47億，占全球人口數量的60%，而且互聯網用戶數量還在快速增長[3]?；谝陨蟽蓚€現狀，未來的衛星互聯網就會遇到新的問題，即面對海量用戶，衛星通信資源申請流程的繁瑣和資源分配的不穩定性也成為影響衛星互聯網通信速率的問題。

針對這個問題，需要研究基于預案匹配的衛星互聯網絡資源動態分配技術。目前提出的設計方案很多，主要的設計思想有兩點：一是如何簡化衛星互聯網通信資源申請流程[4]？二是如何獲得衛星互聯網通信資源分配的最優化方式[5]？本文研究的重點在于首先實現基于預案匹配的衛星互聯網通信資源申請流程，然后進一步研究基于多參數遺傳算法的衛星互聯網通信資源分配的最優化算法。圖1為衛星互聯網資源分配示意圖。

圖1 衛星互聯網資源分配示意圖

1 基于預案匹配的衛星互聯網絡資源申請流程

衛星互聯網具有地面互聯網不具備的特點，比如高延遲性、移動性、星間鏈路通斷、不同選星鏈路距離差異等，這些特點在海量用戶同時申請時，帶來的關鍵網關節點大量擁塞，極大降低了鏈路的利用率[6]。

基于預案匹配的衛星互聯網絡資源申請流程，將衛星互聯網關鍵節點的資源頻段通過預案的方式分成多段，網管系統可以通過用戶申請任務的信息計算出所需最優帶寬，幫助衛星通信系統節約了帶寬資源，提高了鏈路利用率，并且通過申請的時間和帶寬信息在可用的預案中進行匹配，通過用戶填寫的任務信息和歷史任務的評分為用戶動態匹配出最優預案，幫助用戶節約選擇資源的時間，簡化了任務申請的流程，還可以避免資源碰撞，提高資源穩定性，并且用戶可以對任務設置等級。當空閑資源不足時，用戶可以手動暫?；蛘呋厥盏燃壿^低的任務，這樣就可以預留出充足的帶寬資源，以保證當前任務的執行。用戶如果在任務執行的時間內不能完成任務，還可以提交延長任務時間的申請，審核單位通過申請后，即可繼續執行任務，為任務的順利完成提供充足的保障，該方法還提供了任務撤回功能，用戶如果超前完成任務，可以使用該功能完成任務，提前回收資源，為后續任務的執行提供支持。其流程如圖2所示。

圖2 基于預案匹配的衛星互聯網絡資源申請流程圖

填寫申請使用資源的基本信息主要包括：任務名稱、任務類型、任務等級、開始時間、結束時間、所屬網系等。用戶填寫的開始時間不能早于當前時間，用戶所填基本信息會作為最優資源匹配的參數；選擇參與任務的單位以及參與設備相關信息，用戶所填的相關設備信息會作為最優資源匹配的參數；選擇參與人員信息，用戶所填的人員信息會作為最優資源匹配的參數；在地圖中圈出任務執行區域，通過算法獲取任務執行區域的經緯度和面積。根據業務需求可以選擇填寫申請帶寬，用戶也可選擇關聯各個單位之間的鏈路關系，不選擇系統會根據任務信息自動計算帶寬，TDMA通信體制任務帶寬為通聯關系總和加1 M，FDMA通信體制任務帶寬為通聯關系總和乘二再加1 M，并根據配置自動進行關聯，帶寬會作為查詢可用資源的參數，關聯關系則會作為資源匹配的參數。

網管對任務進行審批，查看任務申請是否合理，申請合理即可通過任務審批，申請不合理即可駁回修改后重新提交。如果合理，利用搜索匹配出適合用戶使用的資源，通過任務執行區域的經緯度和面積，匹配出在任務執行區間沒有被使用的預案，預案中綁定的有波束和波束轉發器資源，如果沒有合適的預案用戶可以手動新增預案。

圖3 預案匹配過程示意圖

網管服務器根據任務填寫的信息以及預案的歷史評分對可用預案進行排序，預案按照匹配度降序排序，同等匹配度按預案的歷史評分降序排序，其中預案的匹配度最大值為1，匹配度與任務和預案的網系、區域屬性、裝備、帶寬等因素相關，預案的歷史評分為，預案執行過的歷史任務用戶針對此次任務執行的預案滿意度評分（最高為100，最低為0）的平均值。這樣排序可以方便用戶更直觀的看到匹配度最高的預案，節省了用戶選擇合適預案的時間。

用戶也可以手動選擇預案或者自動使用綜合評分和匹配度最高的預案，任務執行結束后，系統會自動回收此預案，用戶可以對此段資源進行評分，以便下次匹配的準確性。當存在緊急任務無空閑資源可用時，用戶可以選擇撤銷不緊要的未開始、進行中的任務，任務撤銷后，占用資源被釋放，可提供給其他任務使用。或任務提前完成，用戶可以選擇撤銷該任務，提前釋放資源，為后續任務的執行提供支持。任務如果在規定時間內沒有完成，用戶可以申請延長任務，繼續使用該段資源或其他未被占用資源。

2 多參數遺傳算法

圖4 任務暫停和取消過程示意圖

上文提出了預案匹配的申請流程，發現雖然有比較清晰簡約的預案生成，但帶寬匹配還需要找出最優方案，本文基于海量用戶的數據基數，同時每個鏈路多種狀態切換造成可用帶寬的不確定性，同時分配帶寬還要計算多個參數的影響因子，所以考慮使用多參數遺傳算法，基于“適者生存”機制是遺傳算法的一大特征，可以實現高度并行自適應搜索算法。1967年，Rosenberg首次將遺傳進化應用到多個參數的選擇優化問題，從此關于多參數問題的研究邁入新紀元，采用遺傳進化的搜索思想后來也隨之成為大量學者研究的基礎[7]。

設一個衛星互聯網中有L個可用鏈路，表示為L={1，2，L，L}，每個鏈路的已占用和正在申請用戶集為N={1，2，L，N}，用N1表示在鏈路l中的所有用戶，并且有衛星互聯網的總帶寬設為Btot。

用戶申請頻段資源的基本信息主要包括10個參數，分別是任務名稱N、任務類型C、任務等級L、開始時間Ts、結束時間Te、申請帶寬B、所屬網系F、參與任務的單位信息D、人員信息P、設備信息E等任務基本信息，用戶填寫的開始時間Ts不能早于當前系統時間T，用戶所填基本信息會作為初次計算此次申請所能分配的鏈路資源的輸入參數。

以十種數據類型N、C、L、Ts、Te、B、F、D、P、E為對象，進行染色體的編碼，并在L個可用鏈路中進行收索查詢，L={1，2，L，L}，隨機 生成初始元數據種群Y={1，2，L，Y}。判斷進化元數據文件Y={1，2，L，Y}的版本數是否達到客戶要求，如果達到要求，則輸出最后一代元數據文件種 群Ytot={1，2，L，Y}，其中Ytot的種群帶寬之和為Btot，用于分配帶寬，并結束算法流程，否則計算種群適應度值，采用“十種數據類型競技”法選取父代的上一版本元數據文件（包括原始文件和需求文件）并以某種規則進行交叉，產生子代元數據版本；交叉完成之后，父代原始文件以一定概率變異，加上需求迭代變化產生子代下一個版本的元數據文件（為保留種群多樣性，變異后的父代版本保留）。將交叉、變異后的子代版本與父代版本對比合并，觀察新需求是否在新版本中添加，重新計算用戶集為N={1，2，L，N}的種群個體適應度值。判斷種群的元數據文件數據類型數量是否大于初始設定值Btot，超過設定值Btot則根據適應度通過“十種數據錦標賽”剔除多余解。進化代數的版本數version+1，返回。圖5為多參數遺傳算法的流程圖。

圖5 多參數遺傳算法的流程圖

3 基于預案匹配的衛星互聯網絡資源動態分配技性能測試

本節采用基于預案匹配的衛星互聯網絡資源動態分配技術的衛星網管服務器，在真實的運營環境中進行測試，如圖6所示。

圖6 基于預案匹配的中心網管測試環境

在1號終端的臺式機192.168.201.10上部署iperf 軟件的客戶端，在10.16.0.66上部署iperf服務端，在4 M、2 M和1 M的衛星互聯網帶寬下，分別不使用預案匹配方案，標準的預案匹配方案和多參數遺傳算法的預案匹配方案分別測試平均發送速率，取6次樣本的平均值來進行對比，數據如表1所示。

表1 預案匹配方案測試數據

由表1中看出，預案匹配方案對衛星互聯網的傳輸速度由明顯提升。而用戶平均等待時間的對比結果如圖7所示。

由圖7可知，在相同帶寬的衛星互聯網前提下，包含多參數遺傳算法的預案匹配方案可以較大的提升用戶申請效率。因此，在衛星通信中，采用基于預案匹配的衛星互聯網絡資源動態分配技術可以大大提升帶寬分配效率，進而可以提高系統的吞吐量。

圖7 多種分配方式的帶寬分配時間對比

4 結束語

基于低軌衛星系統的寬帶衛星互聯網是當前互聯網發展的新方向，由于衛星本身具有的移動性和時變性以及地面-衛星混合網絡的復雜性，面對海量用戶、衛星通信資源申請流程的繁瑣和資源分配的不穩定性也成為影響衛星互聯網通信速率的問題。而基于預案匹配的衛星互聯網絡資源動態分配技術可以大大提升帶寬分配效率，進而可以提高系統的吞吐量。