衛星互聯網資源管控技術研究

王龍河 ，周一青 , ，曹歡 ，劉子凡 ，陳巖 , ，陳道進 ，石晶林 ,

（1. 中國科學院計算技術研究所，北京 100190；2. 處理器芯片全國重點實驗室，北京 100190；3. 移動計算與新型終端北京市重點實驗室，北京 100190；4. 中國科學院大學計算機科學與技術學院，北京 100049）

一、前言

近年來，衛星互聯網技術快速發展，星地網絡逐步融合，網絡資源規模呈爆發式增長[1]。在空間段，衛星應用已從單一衛星服務模式逐漸發展為多星組網、衛星集群的多星協同服務模式[2]；在星地網絡方面，衛星網絡和地面網絡由“各自一張網”逐漸融合為“空天地”一體化網絡[3,4]；在業務方面，衛星由原來的專用服務逐漸轉變為面向社會公眾的開放性通信服務[5]?？梢灶A判，衛星互聯網將集通信、遙感、導航、計算服務于一體[6~8]，面向諸多行業提供即時可用的衛星信息服務[9]。

衛星互聯網資源管控技術是保障網絡資源高效利用的關鍵技術，協調網絡中的多維資源，形成差異化的多維服務能力，優化網絡性能以提高用戶服務滿意度，進而保障衛星互聯網自身的穩定運行以及對外的可靠服務，實現高效、綠色、集約網絡。然而，當前衛星業務相互獨立，衛星參數、資源、能力各異；網絡資源孤立，相應調度仍依賴規則、經驗、人工干預等方式?，F有衛星通信資源管控技術主要采用分層管理方案，主流研究仍圍繞局部智能化管控展開，導致針對衛星互聯網的高動態、大規模、資源多維異構特性的高效管控技術較為薄弱，不適應未來衛星網絡的信息服務需求[10]。

研究衛星互聯網資源管控技術，提高資源運用效率、增強信息服務能力，是空間信息技術領域發展亟需。本文立足我國衛星互聯網建設的重大背景，面向衛星互聯網的資源高效運用需求，以星地網絡融合、“通導感算”協同應用為驅動要素，研判衛星互聯網的新環境、新特點并提出相應資源管控的新模式，設計智能化資源管控架構并闡述關鍵技術，以期為我國衛星互聯網資源管控的創新發展提供先導性、基礎性參考。

二、衛星互聯網發展與資源管控

（一）衛星互聯網概述

衛星互聯網的本質是“衛星通信承載的互聯網絡”，核心在于基于衛星通信系統構建互聯互通網絡[11]；發射大量衛星，組成覆蓋全球的大規模衛星網絡，為社會公眾提供全域、全天候的寬帶互聯網接入服務。與地面網絡相比，衛星互聯網覆蓋區域大、通信距離遠、服務機動靈活，不易受地面災害影響，在海上通信、空中通信、超視距傳輸、搶險救災等應用上具有特殊優勢。衛星互聯網被視為未來網絡實現全球覆蓋、萬物互聯的必由之路[12]，實現“空天地”一體化網絡的關鍵組成部分[13]。

衛星互聯網的體系架構主要分為空間段、地面段、用戶端三部分（見圖1）。① 空間段由通信、導航、遙感等衛星構成。通信衛星主要負責用戶鏈路、星間鏈路、饋電鏈路之間的信號傳輸，網絡節點之間通信數據的處理及傳遞；導航衛星提供定位、授時服務；遙感衛星提供環境監測、資源探測等服務?！巴▽нb”一體化網絡指將導航、遙感衛星接入衛星互聯網，實現“通導遙”融合網絡?；谛l星互聯網，導航資源、遙感資源可實現資源共享與融合，形成一體化服務的能力?？紤]到導航、遙感衛星的資源運用與衛星互聯網資源管控存在直接關系，本研究將導航資源、遙感資源納入衛星互聯網資源管控范圍。② 地面段主要包括地面站、運維管控站，主要功能有地面網絡接入、衛星數據落地處理、衛星資源綜合管控、衛星運行狀態分析及維護等。③ 用戶段主要指通過衛星進行通信的各類用戶終端，包括固定終端、車載終端、機載終端、船載終端、便攜 / 手持終端等。

圖1 衛星互聯網體系架構

（二）衛星互聯網發展

國際上，OneWeb、O3b、SpaceX、Telesat等企業推出了衛星互聯網計劃[14]。其中，O3b星座系統是目前唯一成功投入商業運營的中軌衛星通信系統；SpaceX公司是擁有衛星數量最多的商業衛星運營商。Starlink是Space X公司建造的衛星互聯網星座，目標是建設由約4.2×104顆衛星組成的中低軌衛星群；單顆衛星容量可達20 Gbps，星間鏈路采用激光通信技術。截至2023年11月，Starlink星座已有在軌衛星5057顆[15]，面向60多個國家和地區的超過2×106個用戶提供由衛星接入的互聯網通信服務。在民用領域，Starlink星座可提供500 Mbps下行速率、40 Mbps上行速率、20 ms延遲的互聯網接入服務，實測性能已與地面寬帶網絡的平均水平持平。

我國衛星互聯網起步稍晚，但近年來發展迅速，已提出“虹云”“鴻雁”“行云”“銀河”“國網”等星座計劃，組網數量大于30顆的低軌衛星項目超過10個，規劃衛星發射總量超過1.5×104顆。衛星互聯網被納入“新基建”范圍[16]，衛星互聯網建設上升為國家重大工程[17]并將融入遙感工程、導航工程，成為國家天地一體化信息系統的重要組成部分[5]。

隨著第五代移動通信（5G）的成熟應用，國際電信聯盟（ITU）、第三代合作伙伴計劃（3GPP）等國際標準化組織開始研究新一代衛星系統的星地融合標準化問題[11]。ITU提出了5G和衛星通信融合的4種應用場景：服務于偏遠地區的中繼通信場景、為地面小區擴容和增強的小區回傳場景、服務于移動平臺用戶的動中通場景、服務于內容分發的混合多播場景。3GPP標準組織提出了衛星互聯網與5G融合的三大場景：業務服務、泛在服務、擴展服務[18]。在網絡架構方面，3GPP提出了基于星上處理 / 透明轉發、有 / 無中繼的4種星地融合網絡架構方案。整體上，國際標準化組織將衛星通信作為未來通信系統的重要組成部分，針對非地面網絡制定了通信標準，提出了衛星與地面網絡融合方案[19]。

（三）衛星互聯網資源管控

衛星互聯網資源指信息獲取、處理、存儲、傳輸過程中必要的設施和能力，按照設施所處位置的不同分為天基資源、地面資源：前者由各種不同軌道的衛星組成，后者由分布在各處的信關站、管控站、地面網絡資源組成。其中，信關站是實現地面資源、天基資源連接的重要“橋梁”。

天基資源主要指衛星資源，根據衛星結構分為平臺資源、有效載荷資源：前者指保障衛星正常運行的基礎資源，如蓄電池、太陽能設備為系統提供能源，動力設備用于調整衛星姿態以保持正常在軌運行；后者是衛星提供服務的有效資源，根據衛星有效載荷類型的不同將天基衛星分為通信衛星、導航衛星、遙感衛星等，分別對應通信資源、導航資源、遙感資源等。

按照資源能否共享，衛星互聯網資源分為固定資源、可共享資源。星上能源設備、溫控設備、姿態控制設備等維持衛星在軌運行的衛星平臺資源屬于固定資源，無法實現資源共享；有效載荷中的通信、計算、遙感等資源可通過網絡共享，屬于可共享資源?？晒蚕碣Y源通過軟件定義網絡（SDN）、虛擬化技術映射為統一的服務資源，是智能化資源運用技術的重點研究對象。

衛星互聯網的主要資源及其特征如表1所示。計算、通信、存儲、遙感、導航資源均存在于空間段衛星中，但是受限于衛星制造成本以及星載設備入軌后難以擴充等因素，導致資源受限[20]。例如，衛星受質量、體積、發射成本的約束，星上載荷及存儲能力有限；衛星工作中受宇宙輻射嚴重，星載處理器需具備抗輻射能力，難以沿用地面高性能處理芯片，導致星上芯片處理性能大幅低于地面，制約了星上計算能力。地面資源集中在計算、通信、存儲方面，受建造因素的影響較小，可靈活擴展升級，能夠實現高性能、大容量的網絡資源。

表1 衛星互聯網關鍵資源及其特征

現階段，我國在役通信衛星主要是“天通”“中星”“亞太”等系列，衛星網絡結構簡單，在實際管控系統中多采用基于規則與策略的固定或半固定資源管控技術。這類資源管控技術易于實現，但缺乏靈活性，導致系統資源利用率低下，影響網絡綜合性能[21]。

在學術研究方面，網絡管控方法主要是分層管理，將大規模網絡劃分為多個組或域，降低管控復雜度[22]。分層管控概念將網絡分為高軌層、低軌層，增強了傳統衛星的靈活性和擴展性[23]；進一步發展的分層管理、域內自治的分布式域管控策略，有效降低了地面管控節點數目，適用于大規模衛星網絡的管理域劃分及動態維護[24]。高低軌雙層智能接入算法能夠提高衛星網絡的接入效率[25]。采用頻率及功率混合優化算法，設計智能時隙共享策略，以優化多層衛星網絡的功率、提高資源利用效率[26]。

分層管控技術在一定程度上降低了管控復雜度，但額外引入跨域問題；衛星網絡的高動態特性導致頻繁跨域切換，難以實現高動態網絡環境下的全局最優規劃。隨著人工智能（AI）技術的發展，將機器學習、強化學習等技術應用到衛星網絡資源管控成為熱點。例如，基于雙層深度Q網絡實現中繼衛星網絡任務動態調度，提升了任務分配效率[27]；采用圖卷積神經網絡實現動態網絡拓撲中的路由預測，支持資源連接關系的動態預測[28]；基于深度強化學習的衛星動態功率分配算法能夠提高系統吞吐量增益[29]。也要注意到，AI技術中的網絡結構復雜度極高，針對多維資源的智能管控技術仍在探索中。

三、衛星互聯網資源管控面臨的挑戰

隨著衛星互聯網的不斷發展，相應信息服務的空間范疇不斷擴大，多維綜合信息服務需求也在逐步提升。衛星互聯網將成為“全域覆蓋、隨遇接入、泛在連接”的核心服務，其網絡環境和服務模式均呈現新特性。

（一）衛星互聯網新環境

衛星互聯網的新環境主要體現在應用場景、網絡結構、網絡資源等方面。衛星互聯網的應用場景更加豐富多樣（見表2），網絡需求具有顯著的多樣性、差異性。相比傳統衛星通信、地面通信，衛星互聯網的服務行業更加廣闊、應用場景更加豐富，而這些應用場景下的服務需求存在顯著的差異性。例如，軍事保密通信、政府外交通信的需求重點是安全和可靠，國土資源監測、科研服務場景中的傳感資源獲取服務偏向高速下行傳輸速率，軍事偵查、空間對抗服務需求重點關注低時延、高速率，物聯網場景關鍵需求是海量連接。

表2 衛星互聯網服務場景

衛星覆蓋的技術場景主要有連續廣域覆蓋、熱點高容量、超大規模連接、低時延 / 高可靠。不同技術場景面臨的性能挑戰各不相同，傳輸速率、傳輸時延、連接密度、抗干擾、安全加密等指標都有可能成為挑戰性指標。例如，軍事通信對抗干擾指標有著嚴格要求，外交通信要求數據不能落地且具備加密功能。

衛星互聯網規模龐大，網絡結構動態復雜多變，網絡資源具有異質、異構特征。隨著全球在軌星座的不斷增加、星座規模趨向巨型化發展，網絡規模更大、節點更多。此外，低軌衛星移動速度快，網絡節點位置動態變化，網絡拓撲需要動態更新，也使網絡結構更加復雜、網絡資源動態變化。隨著衛星網絡的發展，衛星承載的業務增多，衛星節點的類型和功能呈現多樣化發展趨勢；不同類型的衛星具有不同的功能，所提供的資源和服務能力也存在差異性，使得網絡呈現異質、異構特性。例如，衛星網絡中的部分衛星只可透明轉發，部分衛星不具有星間鏈路，部分衛星功能固化且不具備虛擬化功能；在資源管控過程中需針對不同體制衛星建立不同模型，帶來了更大的資源管理難度。

（二）衛星互聯網新模式

衛星互聯網將徹底改變傳統天基系統以平臺為中心的單星服務模式，通過網絡融合、資源虛擬化協作共享、網絡切片等技術應用，實現按需擴展、自治、自演進的多星協同柔性服務模式，提供靈活多樣、快速實時的信息服務。

衛星互聯網除了進行數據的傳輸和共享，還支持海量的信息服務，對服務和網絡資源進行綜合管控，為不同用戶的服務需求提供合適、可靠的資源。傳統衛星網絡資源在可擴展性、控制管理等方面存在不足，難以滿足不同服務類型和服務對象對資源的需求。面向衛星互聯網資源的強變時空尺度特性、多樣化業務的復雜不確定性，一旦網絡環境發生變化，衛星互聯網需要及時制定應對策略，按需動態匹配有限的可用網絡資源，實現柔性自治、彈性服務，為超大容量廣域覆蓋網絡應用提供高可靠、高質量服務。

柔性服務模式依托高動態虛擬化技術，針對車聯網時延敏感性服務、物聯網海量連接服務、寬帶接入高速率通信服務等垂直行業的差異化服務需求，在大規模、一體化融合的衛星邏輯網絡內，抽象出多個互相隔離、互不影響的端到端虛擬網絡。針對差異化的廣域信息網絡應用需求，動態構建適應不同業務特征、差異化的虛擬網絡切片，精確匹配各類業務的數據資源，實現網絡功能的“按需伸縮、自主演進”。

（三）衛星互聯網新服務

隨著大規模星座的規劃與建設，各類衛星的數量大幅增加，在軌衛星的類型、配置、軌道位置呈現多樣化發展態勢，導致衛星互聯網的網絡結構復雜、網絡資源高度異質化。星地網絡融合代表了網絡服務用戶（行業）的進一步融合，業務類型更加豐富，用戶業務需求更顯多樣化、個性化、隨機化。各類業務對衛星網絡的高效運行、高質量服務提出了直接挑戰。一方面，以單一業務服務質量（QoS）為評價標準的傳統服務模式不再適應多種用戶（行業）的保障質量需求[4]，亟需針對行業特征和獨特需要來設計新的保障評估體系。另一方面，當前以經驗、規則為主的傳統規劃與調度方法，難以應對衛星組網規模大幅增長帶來的復雜調度問題，導致資源運用效率低下，無法即時響應用戶需求。

滿足差異化的用戶（行業）網絡服務需求，提高通、導、遙、算、存資源的利用效率，是衛星互聯網資源高效運用技術的發展目標，可采取如下方法予以實現。① 建立新的用戶服務質量評估手段，基于服務水平協議（SLA）構建用戶服務體系，將用戶需求轉化為行業差異化的服務保障指標，智能評估針對不同行業、不同場景、不同需求的服務能力[1]。② 建立靈活、輕量、可重構的天基和地基網絡底座，基于SDN、網絡功能虛擬化（NFV）等技術設計按需服務的智能資源編排器[30]。在統一表征網絡異構分層多維資源的基礎上，應用高效資源索引、智能化決策等技術，按照各行業差異需求靈活開展網絡功能重定義（如“通導遙”衛星通信載荷、計算載荷、感知載荷）以及節點服務切片組網，實現網絡資源能力的動態表征描述和高效運用，保障用戶（行業）的差異化服務需求。

四、衛星互聯網資源管控技術路線

當前，地面網絡資源管控研究已進入AI賦能階段[31~33]，而相應技術不能直接應用于衛星網絡；衛星互聯網發展相對緩慢，網絡架構落后于地面。面向衛星互聯網的新特點、新模式及其資源管控需求，著力提升衛星互聯網的星地資源利用效率，才能實現網絡資源的高效運用。本研究立足我國衛星通信系統發展現狀，論證提出了衛星互聯網資源管控技術發展路線（見圖2）。相應技術路線主要分為星地網絡互聯互通、星地異構資源融合、智能按需服務、智慧內生4個階段。

圖2 衛星互聯網資源管控技術路線

（一）星地網絡互聯互通

當前，通信、導航、遙感衛星是相互獨立的服務系統，設計功能及作用各不相同，如“通導遙”衛星系統的運行和服務模式自成體系，體制、接口、協議、服務流程等差異明顯。然而，隨著用戶需求的提高，未來“通導遙”衛星系統之間資源協同、綜合保障復雜任務是發展趨勢。衛星互聯網建設的目標之一即整合不同領域的衛星資源，為垂直行業用戶提供高質量服務。

衛星互聯網資源管控應將不同衛星網絡之間的互聯互通作為首要的階段性任務，實現異構網絡“通導遙”等資源和能力的集成運用，從而打破異構衛星網絡之間“煙囪式”信息服務框架，實現異構網絡之間的信息交互與快速流轉。以遙感衛星網絡為例，多采用緩存方式，與地面站建立連接后再將緩存數據傳輸至地面；通過星間鏈路接入通信衛星網絡，可實現觀測數據的實時回傳，從而提高即時信息的獲取能力[34]。

星地網絡的互聯互通，需要打破天、地界限，實現互操作、共資源、同服務；主要難度在于當前各個網絡具有不同的用戶群體、體系結構、協議標準、交互流程，難以協同資源開展服務保障?？蓮目湛诩夹g、網絡架構、網絡管控3個層面進行頂層綜合設計。在統一空口上，“通導遙”網絡的星地、星間、地面通信接口采用統一的傳輸體制和標準，從信息傳輸層面著手打通通路；在統一網絡架構上，“通導遙”網絡進行一體化設計，實現組網框架共享功能；在統一資源管控上，設計主從管理架構，經由主控對“通導遙”中分控進行統一管理，實現多網系管控系統的集成化應用、對異構網絡資源的協同調度和控制。

（二）星地異構資源融合

星地異構資源融合將在互聯互通的基礎上進一步融合多維資源，打破傳統網絡中資源孤立和閉塞的限制。以天基觀測感知場景為例，遙感衛星將采集的原始數據下發至地面網絡，地面網絡對其分析后根據判斷結果進一步請求興趣區域的高精度圖像；該場景下大量的原始數據傳輸限制了感知效率。融合遙感衛星網絡資源與天基計算資源，將遙感衛星的圖像分析任務卸載到天基計算網絡，在星上直接完成分析以縮短任務周期、提升天基感知效率。

在實現“通導遙”星地異構網絡互聯互通的基礎上，融合異構資源管理關鍵在于建立資源的統一表征。由于不同網絡自身資源的異質異構，互聯互通層面上的資源統一調度僅能實現協同工作，而系統之間的資源共享、靈活復用效率仍不高，導致資源綜合利用率較低。為此，打破異構網絡中的資源壁壘，對資源進行統一表征，形成時變虛擬化資源池模型并對資源的能力進行映射，據此支撐網絡資源管控開展高效配置。

（三）智能按需服務

在融合網絡架構下，“通導遙”衛星網絡資源的運用較為復雜。當前基于規則、人工干預的管理方法很難高效運用網絡資源，保障不同用戶需求的能力不強。需要針對部分重要且復雜的網絡功能進行智能化設計，根本性提升網絡運行的服務效率。例如，3GPP對核心網中的網絡數據分析功能進行智能化增強以提升分析效率。中國通信標準化協會的TC1WG1、TC5WG6、TC5WG10均開展了智能化技術的應用研究，旨在解決通信服務網絡中業務及應用的部署、運行、拓展、安全等問題，消除復雜網絡及平臺的規劃、優化、維護、節能，無線資源的動態按需分配等問題。在“通導遙”一體化網絡中，采用重點功能局部智能化的方法提升網絡資源運用效率是技術發展趨勢。

智能按需服務通過對資源進行更細粒度的融合，形成具備確定性服務能力的若干子網，充分適應網絡中的差異性服務需求。盡管星地異構資源融合可實現多維資源之間的聯動，但是衛星互聯網呈現高的動態特性，從高動態的多維時變資源中建立滿足差異性用戶需求的網絡仍是智能按需服務的難點。需要研究時變多維資源檢索方法，以快速高效地獲取資源集合、響應服務需求。

（四）智慧內生

局部智能化方法是提升網絡運行服務能力的手段，但在資源運用效率上還有較大的提升潛力。這是因為，局部智能化方法沒有跨層、跨域聯合優化能力，無法綜合全局信息進行規劃以實現星地網絡資源運用的最優。因此，未來網絡服務架構需實現AI能力的全網滲透，即智慧內生。智慧內生網絡可自動感知網絡變化，自動協調全局資源實現負載均衡、故障恢復，保證服務質量、增強網絡可靠性。在未來智能化通信服務場景中，AI賦能衛星互聯網，為行業用戶提供實時AI服務、實時計算類新業務，在數據隱私、極致性能、海量數據傳輸等方面提供更優化的解決方案。

在衛星互聯網中，多網系、分層次、高動態、極復雜的組網環境，差異化的用戶業務需求，使網絡資源的最優化運用十分困難。在衛星互聯網架構層面進行內生智能化設計，通過網絡性能的自優化能力實現智能連接、智能管理，顯著增強用戶體驗。

五、衛星互聯網資源管控模式、架構及關鍵技術

（一）衛星互聯網資源管控模式

衛星互聯網需要打破傳統基于經驗和規則的資源運用方式，轉而采用智能化的資源管控（見圖3），才能滿足多樣性、差異化的服務需求，實現按需分配、按需增強的彈性服務模式。該管控模式將貫穿本研究所提技術路線的全階段，相應流程為：將星地網絡物理設備的資源表征為資源池，作為資源智能高效運用的前提；將用戶服務需求轉化為SLA相關的服務指標，確定所需的服務能力；基于服務能力對網絡資源進行切片編排，調度網絡資源來實現用戶服務需求。衛星互聯網資源管控模式中，資源組織層是網絡互聯互通階段、異構資源融合階段的主要內容；資源分配與調度層是智能按需服務階段的重點內容；資源服務能力層是智慧內生階段的核心內容。

圖3 衛星互聯網資源管控模式

在資源組織層面，衛星互聯網可基于SDN、NFV統一表征地面資源和天基資源[35]，將星地網絡實體中的物理設備資源整合為網絡資源池，為高效靈活開展資源分配及調度提供基礎技術支持。針對衛星互聯網資源的時變特性，建立動態資源與服務能力的關系表征，是開展資源高效管控的必備前提。

在資源分配與調度層面，根據所需服務能力，采用切片技術從網絡資源池中選擇具備特定能力的資源集合，編排形成一組邏輯上獨立的專用服務保障網絡。根據信息處理類型的不同，可將星地一體化網絡中的資源劃分為通信、計算、存儲、導航、遙感等類型，經過切片編排后形成信息獲取、信息傳輸、信息處理等網絡服務能力，滿足差異化的服務需求。從多種時變多維資源集合中匹配最優資源調度方案，是資源智能管控的核心。

在資源服務能力層面，用戶的多維信息需求持續增長，用戶網絡需求呈現出差異化，不同行業和場景的網絡業務對QoS的定義存在不同。例如，物聯網場景的服務質量與最大連接數相關，遠程醫療和自動駕駛對網絡時延敏感，高清視頻通話、高清直播應用同時關注時延和速率指標。衛星互聯網需面向不同行業和場景提供多樣化的網絡能力組合。劃分不同等級的SLA服務指標，量化業務能力需求，從資源池中檢索滿足能力需求的資源集合。從動態變化的資源池中檢索出滿足服務需求的能力集合，是資源智能管控的基礎。

（二）衛星互聯網資源管控架構

衛星互聯網系統資源受限、具有高的時空動態特性，提高資源運用效率是瓶頸環節。衛星互聯網星地資源管控技術架構（見圖4）是資源管控模式的一種實現方案：針對衛星互聯網資源異構、異質的特點，面向分布式資源集群引入能力池概念，涵蓋多項關鍵技術。能力池指由多種資源通過共享或互聯形成的服務能力集合，如通信資源與計算資源通過網絡融合形成統一服務單元，為用戶提供信息處理的能力。能力屬于資源組合形成的抽象概念，在網絡中不是實體形式的存在，將資源編排成實體網絡后才能真實存在。能力池是網絡具備的多種能力集合，引入能力池可實現服務需求與資源池的匹配。

圖4 衛星互聯網星地資源管控技術架構

衛星互聯網星地資源管控技術架構中，網資源管控基本流程為：根據SLA服務協議，將差異化的服務需求轉化為包括時延、帶寬、速率、容量、可靠性、安全性在內的通信服務指標集合；根據服務指標集合，提取所需的信息獲取、傳輸、處理等服務能力要素；分析所需服務能力的要素特性，檢索能力池以獲取可用能力資源；采用智能決策規劃技術，確定資源調度方案；根據調度方案對資源進行聚合、編排，形成具備服務能力的網絡并反饋至用戶。

（三）衛星網絡資源管控關鍵技術

1. 高時空動態資源表征技術

衛星互聯網天基資源分散在環繞地球周期運行的衛星上，整體呈現分布式、時空動態變化的特性。針對衛星資源的分布特性，建立統一的資源表征技術（見圖5），是高效資源管控的基本要求。衛星資源在時間維度上受到運營規劃的影響，如某段時間是特定用戶的專用服務時間，整體或部分資源將被鎖定，導致衛星可用資源處于隨時間變化的狀態。衛星環繞其軌道持續運行，所處空間位置不斷變化，如運行至沒有光照位置時，衛星功耗將受到限制；衛星運行至受國際法律或法規管制區域時，衛星的部分功能不能啟用，導致相應資源不可使用；衛星運行至地磁或太陽輻射嚴重區域時，衛星射頻功能受到干擾，導致資源利用效率不足。因此，衛星的運動是有規律的，其空間位置與時間具有統一性，可將衛星資源時空動態特性描述為與時間t相關的表達式。

圖5 高時空動態資源表征技術

衛星互聯網可通過星間鏈路或其他網絡連接，將不同的網絡資源組合成差異化的服務能力，可將衛星互聯網的能力描述為P(t)。不同能力的P(t)由不同資源構建而得，而資源之間還可通過網絡連接使不同能力P(t)之間具備互聯關系；構建不同能力的P(t)時，可能采用相同的資源，導致能力之間存在沖突或約束。高時空動態資源表征技術可將種類繁多、異質異構、動態變化的資源表征為一系列的動態服務能力集合，結合服務能力之間的互聯 / 約束關系，從而為資源管控系統提供完備的數據集合。

2. 多維資源時間連續確定性分析技術

衛星互聯網的空間衛星處于周期性運動狀態、用戶業務動態變化、空間衛星與地面設備的通信環境差異性動態變化，這都導致資源關聯具有時變性。星地鏈路時延高，資源更新具有滯后性，導致網絡拓撲維護不及時、端到端性能難以保障[36]，將明顯制約資源管理算法的效能。需要對網絡多維資源的時間連續性進行確定性描述。對于大時延通信環境造成的信息滯后問題，可設計預測算法，根據衛星運動規律和數據統計規律，對網絡拓撲、鏈路、路由等資源連接關系的變化趨勢進行預測，將預測結果更新并映射到動態能力池，從而為資源管理算法設計提供精準支撐[5]。

3. 多維時變能力池索引技術

衛星互聯網的能力及其關聯資源均呈現動態特性，能力之間存在互聯 / 約束，資源之間存在關聯，導致能力需求匹配過程復雜、匹配結果離散。針對性提出了一種基于時變圖的多維時變能力池索引技術。

能力集合P在t時刻與多種資源集合相關聯，能力集合之間也存在關聯，這種動態關系模型的拓撲變化可由時變圖G(t)表征。時變圖G(t)中的頂點和邊均隨時間動態變化，難以直接進行搜索，故采用快照方式將其離散化為多個靜態的子圖g(t1)，g(t2)，…，g(tn)；對于子圖，采用廣度或深度有限算法、樹形分割算法等進行快速搜索匹配。將時變圖離散化為多個快照，盡快便于開展搜索，但也增大了搜索過程的計算量?？苫诓⑿兴阉骷夹g對相應時變圖進行索引（見圖6）：將時變圖G(t)離散為快照子圖后，子圖之間相互獨立，搜索過程互不影響；采用并行處理技術以顯著提高搜索效率；統一合并各個快照子圖的搜索結果，得到最終的索引結果G(V,E(t))。

圖6 時變圖并行索引技術

4. 智能決策規劃技術

衛星互聯網的大規模星座、高時空動態等特性，對當前集中式的運維、控制中心綜合資源管控模式構成了極大挑戰，亟待發展基于AI算法的智能決策方法，提高資源規劃及決策的實時性和有效性。在前述能力要素分析、能力時變圖構建的基礎上，提出了衛星互聯網資源智能決策規劃技術（見圖7），進一步細分為離線訓練、在線學習兩部分。

圖7 智能決策規劃技術框架

離線訓練時，基于構建的能力時變圖數據來訓練規劃策略。利用圖卷積神經網絡[37]捕獲能力時變圖中節點之間的復雜關系，采用注意力機制[38]學習資源狀態的演變，以此預測每個資源的可用時間。針對接收的資源狀態信息，由強化學習智能體決策出一個調度動作，再根據優化目標計算一個獎勵分數。通過最大化獎勵分數，使策略網絡不斷更新自身參數。經過訓練后，得到一個資源規劃決策代理，支持在網絡中規劃出服務時間最長的資源。

靜態的訓練參數難以滿足各種網絡條件，需要在決策過程中采取更新策略；實施更新策略時，可根據預先訓練的模型制定規劃策略。當使用該模型在進行資源規劃時，從經驗緩沖區中提取經驗并更新模型參數；在參數更新過程中，使用優先經驗重播方法[39]來存儲最優的經驗，使模型的決策方案達到最優。

六、結語

衛星互聯網是提高空間生產力、擴大空間影響力、增強空間國防力、掌握空間主權、推進網絡強國戰略的重要基礎信息設施。本文面向我國衛星互聯網建設的重大背景，針對資源高效運用需求，調研了國內外衛星互聯網的發展現狀，分析了衛星互聯網的新環境和新模式。針對我國衛星通信服務主體眾多、資源運用不暢的現實發展局面，結合我國衛星通信現狀與衛星網絡特性，提出了以智慧內生網絡為目標，層次明確、循序漸進、切實可行的發展路線。針對衛星互聯網規模龐大、結構復雜多變、資源異質異構、服務需求差異多樣的新環境和新特征，提出了包括高時空動態資源表征、多維資源時間連續確定性分析、多維時變能力池索引、智能決策規劃在內的衛星網絡資源管控模式和技術架構，可為我國高效開展衛星互聯網資源管控系統建設提供直接參考。

衛星互聯網資源復雜多變，資源管控技術在實踐應用中仍面臨諸多挑戰。為進一步加快我國衛星互聯網建設，從資源管控角度出發提出以下發展建議。① 合理加大衛星互聯網基礎研究投入，深化星間激光鏈路、星載高性能處理器、星載高性能陣列天線技術研究，為網絡資源靈活配置、資源互聯互通、異構資源融合打破技術“硬障礙”。② 適時發布網絡融合政策，推動通信、導航、遙感網絡融合進程，加快星地一體化網絡建設，實現網絡資源深度融合，掃清各類資源之間的“軟屏障”，為實施高效網絡資源管控創造良好條件。③ 鼓勵研發具有自主知識產權的專業軟件，如電磁仿真、衛星軌道仿真、電波傳播仿真等關鍵工具，打破國外專業軟件壟斷工程應用的不利局面，為資源管控系統提供自主可控、高性能、高精度的推演及預測能力。

利益沖突聲明

本文作者在此聲明彼此之間不存在任何利益沖突或財務沖突。

Received date:August 3, 2023;Revised date:December 8, 2023

Corresponding author:Zhou Yiqing is a research fellow form the Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences. Her major research field is convergence of communications and computing.E-mail: zhouyiqing@ict.ac.cn

Funding project:National Key R&D Program of China (2020YFB1808 004); Chinese Academy of Engineering project “Research on National Grain Security Strategy in the Context of Dual Circulation” (2022-XBZD-03)