基于AI的LEO卫星网络资源管理架构设计

王朱伟，徐广书，买天乐，杨 磊，高 宇

(北京工业大学，北京 100124)

0 引言

近年来，网络建设作为我国未来信息化建设的核心，一直深受我国政府的高度重视。2013年2月23日，《国务院关于印发国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012—2030年)的通知》[1]对发展信息网络建设提出了要求。2016年7月28日，《国务院关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知》[2]发布，提出要建设天地一体化信息网络，推进天基信息网、未来互联网、移动通信网的全面融合，形成覆盖全球的天地一体化信息网络。因此，天地一体化信息网络技术创新已成为“十三五”国家科技创新规划落地实施的重要内容之一。天地一体化信息网络是多种异构网络系统协同合作来实现多源数据融合的一体化信息处理平台，一体化网络的内部传输信息将呈现多元化、多样化、数量巨大等特点，人们利用天地一体化信息网络可以实现多维、多源的空间信息的采集、传输、处理、实时全区域共享与应用等一体化的应用。

卫星通信网络凭借其全球覆盖、不受地理条件影响等优势，被广泛应用于远洋、沙漠、极地等地面网络不易覆盖的区域通信，是天地一体化信息网络的重要组成部分。随着天地一体化信息网络的发展，用户星上数据传输需求不断增加，复杂的网络架构、动态的网络拓扑、爆发式增长的信息量使得卫星网络信息传输和处理的及时性、准确性、可靠性面临着前所未有的挑战。同时星上资源极其有限，可扩展能力差，使得卫星网络要实现多维、多源的空间信息的采集、传输、处理、实时全区域共享与应用等一体化服务，首要解决的问题就是对卫星网络内部资源进行有效的管理和分配。

本文以天地一体化信息网络[3-5]为研究背景，考虑到不断扩大的网络规模、有限的星上资源以及高动态的网络拓扑等特点，提出了一种基于人工智能(AI)卫星网络资源管理架构。该架构应用了卫星分集群技术、软件定义网络(SDN)、网络大脑(Network Mind)以及AI算法，对大规模卫星通信网络资源进行有效的管理与智能分配，增加了卫星网络资源管理架构的普适性，节省了星上资源，提高了卫星资源分配的效率。

1 天地一体化信息网络

近些年来，太空域和信息域结合而生的空间信息资源已经引起了世界各国的广泛关注。2004年，BHASIN K等[6]提出了一体化空间通信架构ISCA，解决不同卫星系统之间资源不能及时共享和利用等问题，避免航天设施重复建设，促进航天资源整合优化。2006年，沈荣骏[5]提出了我国天地一体化航天互联网构想，对我国天地一体化航天互联网的总体目标、体系组成、网络结构和协议提出了初步构想。北京航空航天大学张军教授综述了空天地一体化信息网络，并对其带来的机遇和挑战进行了论证与研究[7]等。

天地一体化信息网络是一种支持各种业务的大型异构网络基础设施，它整合了天基卫星网络、互联网和移动无线网络，为各种类型的用户提供全球覆盖的信息支持，具有综合性、异构性、高效性和智能性等特点。天地一体化信息网络架构如图1所示[3-8]，主要由天基和深空骨干网络、接入网络和地面网络组成。

天基和深空骨干网络主要由骨干高轨(GEO)卫星、卫星链路以及深空节点组成。GEO卫星具由较大的覆盖范围和高速的空地通信能力，多个骨干GEO卫星可以充当数据中心，具有数据存储、分析、处理能力以及路由和天基网络管理能力，可以实时处理卫星用户数据，从而减少了传输的数据量，降低空-地链路负载和空-地通信时延。

接入网络由专用星座卫星网络、小卫星编队网络、航空移动节点以及空间内提供特定接入服务的子网络构成。这些分散的子系统可以通过星间链路与天基骨干网络进行通信，也可以直接与地面网络进行通信。由多种子网组成的接入网络通信连接具有多样性，便于整合各种卫星资源，有助于实现各个子系统之间的实时通信。

地面网络主要由因特网、移动通信网以及其他地面节点网络组成。地面网络中的数据中心负责数据的存储和处理以及网络管理，通过光纤互联进行实时的信息共享并与其他网络的骨干节点进行通信。地面网络规模大，不断增长的数据流和综合业务需求使得地面网络具备对多源数据进行融合处理能力，因此地面数据中心构成的中心网络不仅能够进行网络的运营和管理，并且需要与互联网中骨干节点进行互联互通，以便于实时获取网络信息和数据资源。

此外，天地一体化信息网络架构还用到了组网技术和骨干接入以及网络分级技术。组网技术是天地一体化信息网络建设的基础，天、空、地中各大网络组成种类繁多，多种网络通过组网技术、联合路由和一体化协议技术共同构成了天地一体化信息网络，而一体化网络内部各大组网通过各组网的骨干接入节点实现通信。从建设上看，天地一体化信息网络既包括已经存在的网络系统，又包括即将建设的系统，不同系统之间的运行模式和协议体系具有较大差异。本文引入了两级网络架构：一级网络由起到骨干传输和信息获取作用的骨干节点构成，包括骨干卫星、深空节点、地面站和地面网络骨干节点；二级网络节点需要完成具体的任务，其主要组成包括小卫星编队网络、接入网络、地面网络中的非骨干节点、航空一等节点和其他移动节点。这种网络架构有利于降低一体化网络的路由复杂度，提升信息传输效率。

图1 天地一体化信息网络架构

2 基于AI的卫星网络资源管理架构设计

传统的卫星网络资源管理方法[9-10]的提出大多基于一定的卫星网络背景，其算法只针对特定拓扑和特定业务服务功能的卫星网络，星上资源分配体系架构不具有普适性。目前，国内外对卫星网络资源管理算法方面的研究仅局限于小规模(一般为6～10颗)卫星网络，没有考虑到日益扩大的卫星网络规模，资源管理问题的解决方法过于依赖简化或近似的模型，对资源的管理过于依赖人为设置而缺乏资源状态的实时观测。其次，卫星网络高动态的拓扑特性可能会导致路由表的频繁收敛，产生较重的网络负担。因此，原有的卫星网络资源管理架构和资源分配算法已经难以满足未来发展需要。

为解决上述问题，本文以天地一体化信息网络为研究背景，结合天地一体化信息网络特点，提出了一种基于AI的卫星网络资源管理架构。该架构对大规模的卫星网络进行了分集群管理，并在地面数据中心引入了SDN网络架构来实现数据的传输与控制分离。同时，考虑到SDN技术难以实现对网络资源的智能分配，在此基础上引入了Network Mind，应用AI算法对SDN获取的卫星资源信息进行学习优化，并通过迭代训练得出资源管理策略，上传到SDN控制器，从而实现对大规模卫星通信网络资源进行有效的管理与智能分配。

2.1 卫星网络分集群管理

首先对天地一体化信息网络中大规模LEO卫星网络进行分集群管理。如图2所示，对于日益扩大的卫星网络规模，对卫星网络进行分集群处理，每个地面站可接收区域内的卫星属于同一集群，对同一集群内的卫星的星上资源进行批量管理。每个集群内卫星网络的资源状态信息通过星间链路及时地传送到地面的卫星接收站，相邻集群存在交叉以实现全覆盖。

图2 基于天地一体化信息网络架构的卫星网络分集群管理

图3 基于SDN的地面网络数据传输控制架构

2.2 基于SDN的地面网络数据传输控制分离架构

SDN作为一种新的网络架构可以实现数据的传输和控制分离。为简化地面网络设备复杂度，提高地面网络的控制效率，在地面数据中心网络中引入了SDN架构，如图3所示。

将SDN架构部署到地面数据中心网络中，来实现地面网络的数据传输和控制分离，减小了地面网络设备的复杂度，同时缩减了地面数据中心网对卫星资源状态信息的共享时延，保障了获取卫星网络资源状态信息的实时性。当地面卫星接收站接收到属于同一集群的卫星网络资源的状态信息后，通过光纤通信将接收到的状态信息传输给与之最近的地面网络数据中心，然后通过网络共享到地面其他的数据中心。如此，每个集群的卫星网络资源状态信息都被实时共享到地面数据中心构成的网络中。

2.3 基于AI的SDN + Network Mind架构

由于天地一体化信息网络中复杂的网络架构、时变的网络拓扑、爆发式增长的信息量，地面网络中SDN难以支持对获取的卫星网络资源状态信息进行智能分析与分配，因此在地面数据中心网络SDN架构上引入了Network Mind来解决此问题，其架构如图4所示。

图4 基于AI的SDN + Network Mind架构

SDN控制器将获取到的卫星资源状态信息传达给Network Mind，当Network Mind中的Agent获取到卫星资源状态信息后，采用AI算法从历史资源状态和资源分配数据中学习到处理当前资源状态情况下的资源分配策略，并将策略上传到SDN，并由SDN控制器将Action信息经过地面接收站反馈到卫星网络中。整个卫星网络资源管理架构形成闭环结构，保障了AI算法的运行环境，节省了星上计算资源，

保障了对卫星资源状态信息处理后得到的资源分配策略的及时反馈，增加了卫星网络资源管理架构的普适性，提高了资源分配的效率。

3 结论

本文以天地一体化信息网络为研究背景，考虑到不断扩大的网络规模、有限的星上资源、高动态的网络拓扑以及爆发式增长的数据量等特点，提出了一种基于AI卫星网络资源管理架构。与传统的资源管理研究方案相比，本文所提架构在地面网络中引入SDN用来对卫星网络中路由状态信息进行实时观测并执行资源管理策略，使用Network Mind对观测到的卫星网络资源状态信息和历史资源分配信息进行学习，形成观测、分析、处理和控制相结合的一体化结构。本文基于AI的卫星网络资源管理架构研究，基于天地一体化信息网络，为天地一体化网络资源管理提供了一种通用性强、简单有效的资源管理的方案。

[1] 国发〔2013〕8号, 国务院关于印发国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012—2030年)的通知[Z].2013.

[2] 国发〔2016〕43号, 国务院关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知[Z].2016.

[3] BARAS J S, CORSON S, PAPADEMETRIOU S, et al. Fast asymmetric Internet over wireless satellite-terrestrial networks[C]// MILCOM 97 Proceedings. IEEE, 1997: 372-377.

[4] 潘堤, 费海涛, 张成,等. 基于HLA的空天地一体化通信仿真系统[J]. 信息通信, 2013(3): 190-191.

[5] 沈荣骏. 我国天地一体化航天互联网构想[J]. 中国工程科学, 2006, 8(10): 19-30.

[6] BHASIN K, HAYDEN J L. Developing architectures and technologies for an evolvable NASA space communication infrastructions 22nd AIAA International Communications Satellite Systems Confereace & Exhibit (ICSSC), 2014: 1-12.

[7] 张军. 面向未来的空天地一体化网络技术[J]. 国际航空, 2008(9): 34-37.

[8] 刘立祥.天地一体化网络[M]. 北京：科学出版社，2015.

[9] LIU X, JIANG Z, LIU C, et al. A Low-complexity Probabilistic Routing Algorithm for Polar Orbits Satellite Constellation Networks[C]// IEEE/CIC International Conference on Communications in China. IEEE, 2016: 1-5.

[10] DU P, NAZARI S, MENA J, et al. Multipath TCP in SDN-enabled LEO satellite networks[C]// Military Communications Conference, Milcom 2016. IEEE, 2016: 354-359.