基于预案匹配的卫星互联网资源动态分配研究

王洪良，丁 晖，赵维晨，王 萌，马树森，张京平

（1.96946部队，北京 100085；2.中国卫通集团股份有限公司，北京 100190；3. 凯睿星通信息科技（南京）股份有限公司，江苏 南京 210012）

0 引言

随着2021年4月23日，搭载4名宇航员的SpaceX公司的载人龙飞船由“猎鹰9号”火箭从佛罗里达肯尼迪航天发射中心发射升空，马斯克的星链（Starlink）卫星互联网项目再次受到强烈关注，而星链项目早已在2020年底开放公测，短短几个月时间参与的用户数量就超过了1万人[1]。SpaceX公司旨在通过星链项目打造一个由数千颗卫星组成的互联网络，这种卫星互联网能够向地球上任何地方的终端用户提供高速互联网服务。星链项目一系列成功运营表明，全球卫星互联网的时代已经开启。卫星互联网的全球覆盖、全天候、便携、移动、宽带通信可以满足地面用户接入互联网的需求[2]；同时，在互联网的迅速发展下，卫星互联网的终端用户会成几何倍速增长，截止到2021年4月，全球互联网用户数量已经达到约47亿，占全球人口数量的60%，而且互联网用户数量还在快速增长[3]。基于以上两个现状，未来的卫星互联网就会遇到新的问题，即面对海量用户，卫星通信资源申请流程的繁琐和资源分配的不稳定性也成为影响卫星互联网通信速率的问题。

针对这个问题，需要研究基于预案匹配的卫星互联网络资源动态分配技术。目前提出的设计方案很多，主要的设计思想有两点：一是如何简化卫星互联网通信资源申请流程[4]？二是如何获得卫星互联网通信资源分配的最优化方式[5]？本文研究的重点在于首先实现基于预案匹配的卫星互联网通信资源申请流程，然后进一步研究基于多参数遗传算法的卫星互联网通信资源分配的最优化算法。图1为卫星互联网资源分配示意图。

图1 卫星互联网资源分配示意图

1 基于预案匹配的卫星互联网络资源申请流程

卫星互联网具有地面互联网不具备的特点，比如高延迟性、移动性、星间链路通断、不同选星链路距离差异等，这些特点在海量用户同时申请时，带来的关键网关节点大量拥塞，极大降低了链路的利用率[6]。

基于预案匹配的卫星互联网络资源申请流程，将卫星互联网关键节点的资源频段通过预案的方式分成多段，网管系统可以通过用户申请任务的信息计算出所需最优带宽，帮助卫星通信系统节约了带宽资源，提高了链路利用率，并且通过申请的时间和带宽信息在可用的预案中进行匹配，通过用户填写的任务信息和历史任务的评分为用户动态匹配出最优预案，帮助用户节约选择资源的时间，简化了任务申请的流程，还可以避免资源碰撞，提高资源稳定性，并且用户可以对任务设置等级。当空闲资源不足时，用户可以手动暂停或者回收等级较低的任务，这样就可以预留出充足的带宽资源，以保证当前任务的执行。用户如果在任务执行的时间内不能完成任务，还可以提交延长任务时间的申请，审核单位通过申请后，即可继续执行任务，为任务的顺利完成提供充足的保障，该方法还提供了任务撤回功能，用户如果超前完成任务，可以使用该功能完成任务，提前回收资源，为后续任务的执行提供支持。其流程如图2所示。

图2 基于预案匹配的卫星互联网络资源申请流程图

填写申请使用资源的基本信息主要包括：任务名称、任务类型、任务等级、开始时间、结束时间、所属网系等。用户填写的开始时间不能早于当前时间，用户所填基本信息会作为最优资源匹配的参数；选择参与任务的单位以及参与设备相关信息，用户所填的相关设备信息会作为最优资源匹配的参数；选择参与人员信息，用户所填的人员信息会作为最优资源匹配的参数；在地图中圈出任务执行区域，通过算法获取任务执行区域的经纬度和面积。根据业务需求可以选择填写申请带宽，用户也可选择关联各个单位之间的链路关系，不选择系统会根据任务信息自动计算带宽，TDMA通信体制任务带宽为通联关系总和加1 M，FDMA通信体制任务带宽为通联关系总和乘二再加1 M，并根据配置自动进行关联，带宽会作为查询可用资源的参数，关联关系则会作为资源匹配的参数。

网管对任务进行审批，查看任务申请是否合理，申请合理即可通过任务审批，申请不合理即可驳回修改后重新提交。如果合理，利用搜索匹配出适合用户使用的资源，通过任务执行区域的经纬度和面积，匹配出在任务执行区间没有被使用的预案，预案中绑定的有波束和波束转发器资源，如果没有合适的预案用户可以手动新增预案。

图3 预案匹配过程示意图

网管服务器根据任务填写的信息以及预案的历史评分对可用预案进行排序，预案按照匹配度降序排序，同等匹配度按预案的历史评分降序排序，其中预案的匹配度最大值为1，匹配度与任务和预案的网系、区域属性、装备、带宽等因素相关，预案的历史评分为，预案执行过的历史任务用户针对此次任务执行的预案满意度评分（最高为100，最低为0）的平均值。这样排序可以方便用户更直观的看到匹配度最高的预案，节省了用户选择合适预案的时间。

用户也可以手动选择预案或者自动使用综合评分和匹配度最高的预案，任务执行结束后，系统会自动回收此预案，用户可以对此段资源进行评分，以便下次匹配的准确性。当存在紧急任务无空闲资源可用时，用户可以选择撤销不紧要的未开始、进行中的任务，任务撤销后，占用资源被释放，可提供给其他任务使用。或任务提前完成，用户可以选择撤销该任务，提前释放资源，为后续任务的执行提供支持。任务如果在规定时间内没有完成，用户可以申请延长任务，继续使用该段资源或其他未被占用资源。

2 多参数遗传算法

图4 任务暂停和取消过程示意图

上文提出了预案匹配的申请流程，发现虽然有比较清晰简约的预案生成，但带宽匹配还需要找出最优方案，本文基于海量用户的数据基数，同时每个链路多种状态切换造成可用带宽的不确定性，同时分配带宽还要计算多个参数的影响因子，所以考虑使用多参数遗传算法，基于“适者生存”机制是遗传算法的一大特征，可以实现高度并行自适应搜索算法。1967年，Rosenberg首次将遗传进化应用到多个参数的选择优化问题，从此关于多参数问题的研究迈入新纪元，采用遗传进化的搜索思想后来也随之成为大量学者研究的基础[7]。

设一个卫星互联网中有L个可用链路，表示为L={1，2，L，L}，每个链路的已占用和正在申请用户集为N={1，2，L，N}，用N1表示在链路l中的所有用户，并且有卫星互联网的总带宽设为Btot。

用户申请频段资源的基本信息主要包括10个参数，分别是任务名称N、任务类型C、任务等级L、开始时间Ts、结束时间Te、申请带宽B、所属网系F、参与任务的单位信息D、人员信息P、设备信息E等任务基本信息，用户填写的开始时间Ts不能早于当前系统时间T，用户所填基本信息会作为初次计算此次申请所能分配的链路资源的输入参数。

以十种数据类型N、C、L、Ts、Te、B、F、D、P、E为对象，进行染色体的编码，并在L个可用链路中进行收索查询，L={1，2，L，L}，随机 生成初始元数据种群Y={1，2，L，Y}。判断进化元数据文件Y={1，2，L，Y}的版本数是否达到客户要求，如果达到要求，则输出最后一代元数据文件种 群Ytot={1，2，L，Y}，其中Ytot的种群带宽之和为Btot，用于分配带宽，并结束算法流程，否则计算种群适应度值，采用“十种数据类型竞技”法选取父代的上一版本元数据文件（包括原始文件和需求文件）并以某种规则进行交叉，产生子代元数据版本；交叉完成之后，父代原始文件以一定概率变异，加上需求迭代变化产生子代下一个版本的元数据文件（为保留种群多样性，变异后的父代版本保留）。将交叉、变异后的子代版本与父代版本对比合并，观察新需求是否在新版本中添加，重新计算用户集为N={1，2，L，N}的种群个体适应度值。判断种群的元数据文件数据类型数量是否大于初始设定值Btot，超过设定值Btot则根据适应度通过“十种数据锦标赛”剔除多余解。进化代数的版本数version+1，返回。图5为多参数遗传算法的流程图。

图5 多参数遗传算法的流程图

3 基于预案匹配的卫星互联网络资源动态分配技性能测试

本节采用基于预案匹配的卫星互联网络资源动态分配技术的卫星网管服务器，在真实的运营环境中进行测试，如图6所示。

图6 基于预案匹配的中心网管测试环境

在1号终端的台式机192.168.201.10上部署iperf 软件的客户端，在10.16.0.66上部署iperf服务端，在4 M、2 M和1 M的卫星互联网带宽下，分别不使用预案匹配方案，标准的预案匹配方案和多参数遗传算法的预案匹配方案分别测试平均发送速率，取6次样本的平均值来进行对比，数据如表1所示。

表1 预案匹配方案测试数据

由表1中看出，预案匹配方案对卫星互联网的传输速度由明显提升。而用户平均等待时间的对比结果如图7所示。

由图7可知，在相同带宽的卫星互联网前提下，包含多参数遗传算法的预案匹配方案可以较大的提升用户申请效率。因此，在卫星通信中，采用基于预案匹配的卫星互联网络资源动态分配技术可以大大提升带宽分配效率，进而可以提高系统的吞吐量。

图7 多种分配方式的带宽分配时间对比

4 结束语

基于低轨卫星系统的宽带卫星互联网是当前互联网发展的新方向，由于卫星本身具有的移动性和时变性以及地面-卫星混合网络的复杂性，面对海量用户、卫星通信资源申请流程的繁琐和资源分配的不稳定性也成为影响卫星互联网通信速率的问题。而基于预案匹配的卫星互联网络资源动态分配技术可以大大提升带宽分配效率，进而可以提高系统的吞吐量。