孫 博，李睿德，孫文靜

（北京理工大學(xué)通信技術(shù)研究所，北京100081）

空間信息網(wǎng)多業(yè)務(wù)傳輸優(yōu)先級算法研究

孫 博，李睿德，孫文靜

（北京理工大學(xué)通信技術(shù)研究所，北京100081）

空間信息網(wǎng)中不同業(yè)務(wù)對通信速率、存儲容量、傳輸時延及誤碼率要求差異較大而難以統(tǒng)一，針對如何對不同業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級確定從而保證QoS需求的問題，提出了一種基于層次分析法的改進(jìn)TOPSIS算法。在充分考慮空間節(jié)點參與業(yè)務(wù)傳輸能力的情況下，對不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級進(jìn)行計算并排隊，使空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與業(yè)務(wù)需求達(dá)到動態(tài)匹配，實現(xiàn)滿足不同業(yè)務(wù)的QoS需求的目標(biāo)。

空間信息網(wǎng)；服務(wù)質(zhì)量；TOPSIS算法

1 引言

空間信息網(wǎng)是以空間平臺（如同步衛(wèi)星或中、低軌道衛(wèi)星，平流層氣球和有人或無人駕駛飛機等）為載體，實時獲取、傳輸和處理空間信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［1］。空間信息網(wǎng)具有全球覆蓋的能力，能夠保證高速率傳輸和較寬的帶寬，并支持靈活的、大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［2］。在空間信息網(wǎng)中，有多種類型不同的節(jié)點，用于實現(xiàn)不同的功能：寬帶大容量通信衛(wèi)星構(gòu)成了空間信息網(wǎng)的骨干節(jié)點，導(dǎo)航衛(wèi)星為整個網(wǎng)絡(luò)提供時空基準(zhǔn)，遙感衛(wèi)星用于信息獲取，例如戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)測，戰(zhàn)場態(tài)勢感知等。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通過星際鏈路與空間各類節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)緊密聯(lián)系，通過星地鏈路與地面、海事、近空網(wǎng)絡(luò)有機結(jié)合，進(jìn)行信息的獲取、處理和傳輸［3］。空間網(wǎng)絡(luò)除了具有地面網(wǎng)絡(luò)的通信業(yè)務(wù)外，還有自己的特殊業(yè)務(wù)，如導(dǎo)航、遙感業(yè)務(wù)等。其中，通信業(yè)務(wù)是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無線電波，以實現(xiàn)兩個或多個地球站之間的通信［4］。導(dǎo)航指采用導(dǎo)航衛(wèi)星對地面、海洋、空中和空間用戶進(jìn)行導(dǎo)航定位的技術(shù)。遙感是指利用空間網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息采集，再傳遞給地面站進(jìn)行處理，為用戶提供資源勘查，環(huán)境監(jiān)測等信息服務(wù)。

對多種業(yè)務(wù)的支持使得空間信息網(wǎng)為接入用戶提供QoS（Quality of Service）保證成為了一個極具挑戰(zhàn)性的問題。QoS是指網(wǎng)絡(luò)提供給應(yīng)用實現(xiàn)正常功能所需的性能保證，它是一個系統(tǒng)的非功能化特征，體現(xiàn)了用戶對通信系統(tǒng)提供的服務(wù)的滿意程度［5］。QoS具體可以量化為傳輸延遲、抖動、丟包率、帶寬、吞吐量、業(yè)務(wù)可用性等指標(biāo)［6］?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠提供高質(zhì)量的接入服務(wù)和QoS保證，并且其QoS保證必須與衛(wèi)星網(wǎng)路的特性即拓?fù)涑掷m(xù)動態(tài)變化、節(jié)點星上載荷能力有限、星際鏈路傳輸時延長、時延抖動大相適應(yīng)［7］，在路由的過程中，每個節(jié)點計算各種QoS信息，并根據(jù)計算所得來決定是否接納新的業(yè)務(wù)請求?，F(xiàn)有的路由算法大多采用單個約束條件尋求最優(yōu)，但在空間信息網(wǎng)中，QoS需求的性能約束條件往往不是單一的［8］，即應(yīng)該在多約束條件下尋求最優(yōu)解。并且，在現(xiàn)有的QoS服務(wù)中，沒有考慮到當(dāng)星上資源有限但有多項同等優(yōu)先級業(yè)務(wù)需要處理時，如何對多業(yè)務(wù)的優(yōu)先級進(jìn)行計算并排序的問題。

針對上述問題，本文提出一種空間信息網(wǎng)多業(yè)務(wù)傳輸優(yōu)先級算法，在多業(yè)務(wù)情況下，充分考慮空間節(jié)點參與業(yè)務(wù)傳輸能力，對不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級進(jìn)行計算并排隊以滿足不同業(yè)務(wù)的QoS需求。

2 空間信息網(wǎng)業(yè)務(wù)優(yōu)先級排序系統(tǒng)設(shè)計

不同的業(yè)務(wù)對空間信息網(wǎng)所提出的服務(wù)要求不盡相同，為了對不同業(yè)務(wù)進(jìn)行具有區(qū)分的QoS服務(wù)，需要對這些多種類型多樣要求的業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級排序。本文主要考察空間通信節(jié)點的通信速率、存儲容量、傳輸時延以及誤碼率，以這四種指標(biāo)作為QoS需求的典型代表。當(dāng)空間通信節(jié)點接收到新的業(yè)務(wù)請求時，會對業(yè)務(wù)的不同要求進(jìn)行動態(tài)計算并排序，為區(qū)分QoS服務(wù)提供前提條件。

2.1空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點業(yè)務(wù)篩選過程

空間中的衛(wèi)星以及星地通信鏈路都是高成本的網(wǎng)絡(luò)資源［9］，業(yè)務(wù)服務(wù)能力有限，需要充分利用有限的網(wǎng)絡(luò)資源，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求情況與節(jié)點自身資源使用情況，包括多種業(yè)務(wù)QoS保障的區(qū)間范圍以及空間節(jié)點的資源使用情況對業(yè)務(wù)進(jìn)行篩選。借鑒決策理論中的多屬性決策，可以使空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點快速智能地判斷是否對新的業(yè)務(wù)請求具有服務(wù)能力，以使空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的規(guī)模與業(yè)務(wù)需求達(dá)到動態(tài)匹配優(yōu)化，實現(xiàn)使不同業(yè)務(wù)的QoS服務(wù)可以得到基本保障的目的。

本文將結(jié)合空間信息網(wǎng)絡(luò)，利用層次分析法（the Analytic Hierarchy Process，AHP）給出空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點業(yè)務(wù)篩選過程。在下文論述的新業(yè)務(wù)與正在服務(wù)的業(yè)務(wù)，如不做特別聲明，則視為業(yè)務(wù)人為設(shè)定為同一優(yōu)先級?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在任意時刻收到新的業(yè)務(wù)請求后，便對新的業(yè)務(wù)請求進(jìn)行匹配判決，即根據(jù)新業(yè)務(wù)需要的QoS保障區(qū)間范圍分析和空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自身資源使用情況分析，判斷空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是否具有保障新業(yè)務(wù)QoS的能力，以上可看作初步篩選的過程。具體是將業(yè)務(wù)需要QoS保障所占用的空間節(jié)點資源與空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點剩余資源進(jìn)行一對一地比較，只要空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點剩余資源符合新業(yè)務(wù)QoS保障所需資源，則對新業(yè)務(wù)進(jìn)行接收并提供服務(wù)；若保障不了則拒絕該業(yè)務(wù)。其業(yè)務(wù)選擇及排序的過程如圖1所示。

初步進(jìn)行篩選后，若空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接受該業(yè)務(wù)，則對業(yè)務(wù)的人為設(shè)定優(yōu)先級進(jìn)行判斷，如果業(yè)務(wù)的優(yōu)先級最高且唯一，則服務(wù)該業(yè)務(wù)，否則將對人為設(shè)定同等級優(yōu)先級的業(yè)務(wù)進(jìn)行基于TOPSIS（Technique for Order Preference by Similari?ty to an Ideal Solution）改進(jìn)算法的匹配判決。該算法主要考慮新業(yè)務(wù)需要的QoS保障區(qū)間范圍和空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自身資源使用情況，對人為設(shè)定同等級優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)行二次排序，以此得出最后的優(yōu)先級序列，并輸出優(yōu)先級最高的業(yè)務(wù)，服務(wù)該業(yè)務(wù)。

2.2基于TOPSIS改進(jìn)算法的多屬性判決

對于空間信息網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)而言，其業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量要求大多為一個區(qū)間范圍，并且空間信息網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)要求具有一定的動態(tài)性，只要空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以將對業(yè)務(wù)的服務(wù)要求保證在區(qū)間范圍內(nèi)，空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點便可對該業(yè)務(wù)進(jìn)行服務(wù)，故區(qū)間數(shù)多屬性決策方法適合空間信息網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)服務(wù)要求決策。又考慮到空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的剩余資源與業(yè)務(wù)要求的匹配問題，傳統(tǒng)TOPSIS算法中利用正負(fù)理想點進(jìn)行決策的思想［10］經(jīng)過改進(jìn)之后可以很好的應(yīng)用于新業(yè)務(wù)與空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點服務(wù)的匹配判決。

我們把空間信息網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的匹配抽象為一個多屬性決策問題，并將業(yè)務(wù)的QoS指標(biāo)用多屬性決策中的屬性來表示，設(shè)這個多屬性決策問題的業(yè)務(wù)集為，屬性集為，業(yè)務(wù)在屬性U下的屬性值為從而構(gòu)成決策矩陣A。其算法如下：

1）規(guī)范化決策矩陣

在向量規(guī)范化的基礎(chǔ)上，根據(jù)區(qū)間數(shù)運算的法則，采用公式（1）～（4）將決策矩陣A轉(zhuǎn)化為規(guī)范化矩陣R［11］。

屬性值為效益型：

屬性值為成本型：

3）確定正負(fù)理想點：

基于傳統(tǒng)TOPSIS對于正負(fù)理想點的概念的詮釋［10］，結(jié)合業(yè)務(wù)匹配的需要，此處本文將正理想點定義為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的規(guī)范化屬性值如式（5）：

其中r0j是對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點第j個屬性進(jìn)行規(guī)范化后的結(jié)果。

（2） 負(fù)理想點 v－＝ （v－1，v－2，v－3，…，v－n）T

負(fù)理想點即虛擬的最差方案，是離正理想點距離最遠(yuǎn)的方案，選取時需根據(jù)效益型或成本型的不同來進(jìn)行考慮。

對于效益型來說，屬越大越好。故即使對于距離正理想點相同的方案其所代表的實際距離應(yīng)該是不同的。換句話說，此時小于正理想點的方案要比大于理想點的方案距離更遠(yuǎn)，即需要對小于方案的距離乘以一個大于1的修正系數(shù)α，以體現(xiàn)屬性具有效益型的特點。在這里不妨取α＝1．5。

同理，對于成本型來說，將大于正理想點的距離乘以一個修正系數(shù)，采用公式（6）～（7）對距離進(jìn)行修正。

屬性值為效益型：

屬性值為成本型：

對于同一屬性，不同業(yè)務(wù)的距離cij分別對其上邊界和下邊界取最大值maxcij，最大值所對應(yīng)的業(yè)務(wù)為k。則可得負(fù)理想點如式（8）所示：

4）確定每個業(yè)務(wù)與正負(fù)理想點的距離

根據(jù)距離的定義式可得業(yè)務(wù)xi與正負(fù)理想點之間的距離分別為式（9）、（10）：

其中i＝1，2，…，m。根據(jù)最佳方案即選取既靠近正理想點又遠(yuǎn)離負(fù)理想點的思路，可通過式（11）所示多目標(biāo)優(yōu)化模型確定屬性權(quán)重

進(jìn)一步，該雙目標(biāo)優(yōu)化模型可以轉(zhuǎn)化成式（12）所示的單目標(biāo)優(yōu)化形式［11］：

將得到的每個屬性的權(quán)重帶入式（9）和式（10），分別計算每一個業(yè)務(wù)與正負(fù)理想點的距離，并根據(jù)式（13）得到相對接近度。

6）排列方案的優(yōu)先次序

將s?i按照由大到小的順序排列，排在前面的業(yè)務(wù)優(yōu)先服務(wù)，為空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接受哪一項具體業(yè)務(wù)提供依據(jù)。

基于以上排序，可對空間信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的同等級業(yè)務(wù)進(jìn)行二次分類，通過多屬性決策算法設(shè)置不同服務(wù)的優(yōu)先級，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時，保證先傳輸高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，放棄低優(yōu)先級的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，如果沒有擁塞，則正常傳輸。

3 仿真與結(jié)果分析

在上文設(shè)計的基礎(chǔ)上，以5項業(yè)務(wù)同時到達(dá)一個空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為例，說明該算法的應(yīng)用效果。

假設(shè)一個空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點收到5項業(yè)務(wù)請求，各項業(yè)務(wù)人為設(shè)定的優(yōu)先級相同，它們所需要保障的具體要求如表1所示。

表1 各項業(yè)務(wù)具體參數(shù)要求Table 1 Specific parameters of the services require?ments

與請求業(yè)務(wù)所給出的具體參數(shù)要求相對應(yīng)，該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信速率、存儲容量、延遲時間以及誤碼率如表2所示。

表2 該空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的具體參數(shù)Table 2 Specific parameters of the space information network node

首先，根據(jù)表1和表2中的具體參數(shù)進(jìn)行空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點資源情況和業(yè)務(wù)要求的匹配判決。從空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的角度來看，需要判斷節(jié)點自身是否具有保障新業(yè)務(wù)所要求的能力，以此來進(jìn)行初步篩選。經(jīng)過篩選后，可知5項業(yè)務(wù)所需要求均能在此節(jié)點上得到滿足，即該節(jié)點可以服務(wù)這5項業(yè)務(wù)。

接下來對于可以服務(wù)的業(yè)務(wù)再進(jìn)行服務(wù)優(yōu)先級的判決。在該空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上進(jìn)行基于TOPSIS改進(jìn)算法的多屬性判決。其中需要考慮通信速率、存儲容量、延遲時間和誤碼率四種屬性。前兩者為效益型屬性，而后兩者延遲時間和誤碼率為成本型屬性。為了解決該決策判決問題，可按照前述的計算步驟進(jìn)行。

首先根據(jù)式（1）～（4），計算出其規(guī)范化決策矩陣。根據(jù)對正負(fù)理想點的修正定義，可直接得到正理想點的值，即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的規(guī)范化屬性值。并進(jìn)一步根據(jù)式（6）和式（7）得到負(fù)理想點。再利用MATLAB求解二次規(guī)劃問題，得到對于該空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的屬性權(quán)重如表3所示：

表3 該空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的屬性權(quán)重Table 3 Attributes weight of the space information net?work node

各項業(yè)務(wù)距正、負(fù)理想點的距離如表4所示：

表4 業(yè)務(wù)距正、負(fù)理想點的距離Table 4 Distance between services and the positive ideal point and negative ideal point

最后，根據(jù)式（13）求解相對接近度，給出空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點業(yè)務(wù)排序的結(jié)果，如圖2所示。

將各項業(yè)務(wù)的相對接近度按照由大到小的順序排列，排在前面的業(yè)務(wù)優(yōu)先服務(wù)，該空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的服務(wù)順序為：業(yè)務(wù)3，業(yè)務(wù)4，業(yè)務(wù)1，業(yè)務(wù)2，業(yè)務(wù)5。

為進(jìn)一步說明本算法效果，方便對空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與業(yè)務(wù)要求匹配進(jìn)行評判，如果空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與目前多個業(yè)務(wù)的某一項要求（如通信速率、存儲容量、延遲時間、誤碼率）最佳匹配，則將最佳匹配業(yè)務(wù)的某項要求設(shè)為1，其他次優(yōu)匹配項則向該最優(yōu)匹配項進(jìn)行折算，以此進(jìn)行歸一化衡量。圖3呈現(xiàn)了按時間到達(dá)順序和按本算法順序?qū)ν燃墭I(yè)務(wù)進(jìn)行服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能情況的對比。

由上圖可見，使用本算法對多個業(yè)務(wù)進(jìn)行排序使空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在通信速率、延遲時間和誤碼率三個方面的業(yè)務(wù)需求滿足情況都優(yōu)于按業(yè)務(wù)時間到達(dá)順序的算法，只有在存儲容量方面的業(yè)務(wù)需求滿足情況較按時間到達(dá)順序的算法有些差距。但總體來看，本算法比按業(yè)務(wù)時間到達(dá)順序算法對業(yè)務(wù)需求的滿足情況更優(yōu)。綜上可知，按照到達(dá)時間對業(yè)務(wù)進(jìn)行排序會導(dǎo)致節(jié)點資源不能被最大程度的利用，也不能有效控制傳輸時延和誤碼率，而空間信息網(wǎng)多業(yè)務(wù)傳輸優(yōu)先級算法可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求情況與節(jié)點自身可提供服務(wù)情況對同等級業(yè)務(wù)進(jìn)行排序，得出優(yōu)先級序列，使空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與業(yè)務(wù)需求達(dá)到動態(tài)匹配，保障不同業(yè)務(wù)QoS服務(wù)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的空間信息網(wǎng)絡(luò)保障不同業(yè)務(wù)QoS服務(wù)的總體框架和基于TOPSIS改進(jìn)算法的多屬性判決實現(xiàn)步驟，在保證通用性和靈活性的基礎(chǔ)上，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求情況與節(jié)點可提供服務(wù)情況，使空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可提供的服務(wù)與業(yè)務(wù)需求達(dá)到動態(tài)匹配優(yōu)化，實現(xiàn)了不同業(yè)務(wù)QoS服務(wù)可以得到基本保障的目的。

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（責(zé)任編輯：龍晉偉）

Multi Services Transmission Priority Algorithm for Space Information Network

SUN Bo，LI Ruide，SUN Wenjing

（Research Institute of Communication Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

It is difficult to unify the requirements on the communication rate，the storage capacity，the transmission delay and the bit error rate for the different services in space information network. Consequently，an improved TOPSIS algorithm based on analytic hierarchy process was proposed so as to guarantee the quality of service（QoS）requirements by determining the priorities of various services.The algorithm proposed could calculate and arrange the priorities of different services with adequate consideration of the node’s capability to participate in the service transmission.Thus，the space information network node could dynamically match the service requirements and achieve the goal of satisfying diverse QoS requirements.

space information network；quality of service（QoS）；TOPSIS

TN915.02；N 945.25

：A

：1674?5825（2017）02?0279?06

2016?07?21；

2017?03?02

載人航天預(yù)先研究項目（060501）

孫博，女，碩士研究生，研究方向為通信與信息工程。E?mail：sunbo19930629＠126.com