王世超，吳 斌，汪 勃

(1.北京衛(wèi)星導航中心，北京 100094; 2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094)

PSO-TOPSIS的天基信息網(wǎng)絡接入選擇算法

王世超1，吳 斌2，汪 勃2

(1.北京衛(wèi)星導航中心，北京 100094; 2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094)

針對未來天基信息網(wǎng)絡用戶接入選擇過程中接入節(jié)點候選集大、決策變量多和傳統(tǒng)接入算法不夠高效的問題，提出了粒子群(Particle Swarm Optimization,PSO)與優(yōu)劣解距離法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS)相結合的接入選擇算法。建立了天基信息網(wǎng)絡接入選擇問題模型，引入優(yōu)劣解距離法，在綜合考慮多種決策變量的基礎上對候選接入節(jié)點進行優(yōu)劣排序并做出接入選擇；設計了粒子群優(yōu)化算法，利用反饋的網(wǎng)絡性能參數(shù)驅動粒子群算法對權重向量做出優(yōu)化，避免了人為確定系數(shù)時的主觀性，進一步改善了網(wǎng)絡性能。仿真結果表明，TOPSIS接入選擇方法將接入阻塞率和路由時延分別降低了82%和3%，用戶滿意度和網(wǎng)絡負載均衡提高了27%和12%，而PSO-TOPSIS方法使網(wǎng)絡性能得到了進一步提高。

天基信息網(wǎng)絡；接入選擇；優(yōu)劣解距離法；粒子群算法；網(wǎng)絡優(yōu)化

0 引言

隨著空間技術的不斷發(fā)展，航天器數(shù)量正在快速增加，預計未來10年，僅微小衛(wèi)星的數(shù)量就要新增2 500顆以上[1]。數(shù)以千計的航天器對測控與數(shù)據(jù)傳輸提出巨大挑戰(zhàn)，地面測控網(wǎng)和中繼星衛(wèi)星系統(tǒng)(Tracking and Data Relaying Satellite System,TDRSS)的現(xiàn)有測控能力將不再滿足未來的龐大需求。近年來，利用星間鏈路構建天基信息網(wǎng)絡成為熱門議題，文獻[2-5]中提出的天地一體化網(wǎng)絡架構為全球實時測控通信提供了新的解決思路。在這一網(wǎng)絡場景中，網(wǎng)絡規(guī)模大，用戶數(shù)量多，用戶如何選擇接入節(jié)點成為關乎網(wǎng)絡運行效率的重要問題。

針對衛(wèi)星接入選擇問題，學者提出了一系列算法。文獻[6-9]討論了TDRSS中的離線集中式接入調度算法，該算法在調度開始前由控制中心計算生成調度表，調度周期內衛(wèi)星嚴格執(zhí)行調度表中分配的天線資源，因此是一種離線的、集中式的和計劃驅動模式的接入方法，該方法的接入時間成本高，不具備自動化的能力，不適用于未來天基信息網(wǎng)絡的接入選擇場景。文獻[10-11]討論了低軌衛(wèi)星和同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的接入選擇算法，其中文獻[10]介紹了距離優(yōu)先算法，根據(jù)信號強度做出接入選擇；文獻[11]討論了覆蓋時間優(yōu)先算法和仰角加權的覆蓋時間優(yōu)先算法，前者通過選擇覆蓋時間最長的接入節(jié)點來降低切換頻率，后者則綜合考慮覆蓋時間和仰角等影響因素。這些算法簡單有效，但只針對衛(wèi)星對地面形成拼接覆蓋的接入場景。未來天基網(wǎng)絡中骨干網(wǎng)對低軌用戶形成高度多重覆蓋，每個用戶的候選接入節(jié)點多，增加了接入選擇問題復雜度，這與地面異構網(wǎng)絡選擇問題具有相似性，文獻[12-15]提出的異構網(wǎng)絡接入選擇算法對于天基信息網(wǎng)絡接入選擇算法設計具有重要借鑒意義。由于傳統(tǒng)接入方法考慮的判決因素簡單，制約了網(wǎng)絡的高效運行，本文對未來天基信息網(wǎng)絡中的用戶接入選擇算法進行研究，考慮影響網(wǎng)絡效率的多種接入判決因素，引入TOPSIS方法，并提出PSO與TOPSIS相結合的接入選擇算法，提高了接入效率，改善了網(wǎng)絡性能。

1 衛(wèi)星接入選擇場景描述

天基信息網(wǎng)(Space Information Network,SIN)是指通過星地、星間鏈路連接在一起的不同類別、不同性能、不同軌道的飛行器及相應的地面設施和應用系統(tǒng)，按空間信息資源利用效率最大化原則組成的“天地空一體化”綜合信息網(wǎng)[3]。為便于接入選擇問題的研究，本文將天基信息網(wǎng)絡架構簡化為骨干網(wǎng)和用戶兩部分，如圖1所示(圖中只給出了部分典型的星間鏈路)。其中，骨干網(wǎng)是指SIN中負責完成信息的交換轉發(fā)且通信速率高、用戶容量大、可靠性高、鏈路相對固定的核心網(wǎng)絡，一般由通過微波/激光鏈路連接起來的中高軌衛(wèi)星組成[11]，例如天鏈路數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、北斗導航星座中的中軌衛(wèi)星(Medium Earth Orbit,MEO)等。用戶是指被骨干網(wǎng)絡覆蓋、具有數(shù)據(jù)傳輸需求的各類軌道與非軌道飛行器，例如低軌衛(wèi)星、空間站、高超聲速飛行器、航空氣球和無人機等，傳輸?shù)膬热菘梢詾閭刹靾D像、觀測數(shù)據(jù)、網(wǎng)頁信息和話音等載荷數(shù)據(jù)，也可以是各類衛(wèi)星的測控數(shù)據(jù)。當用戶有數(shù)據(jù)傳輸需求時，需要選擇骨干網(wǎng)節(jié)點并發(fā)起接入請求。

圖1 天基信息網(wǎng)絡架構示意

為滿足用戶的服務質量要求，同時保證整個網(wǎng)絡運行效率，用戶在接入選擇時需要綜合考慮信號強度、帶寬、時延、時延抖動和丟包率等網(wǎng)絡參數(shù)，基于這些決策變量，通過運行接入選擇算法來選擇接入節(jié)點，從而實現(xiàn)對網(wǎng)絡性能的優(yōu)化。因此，天基網(wǎng)絡接入選擇問題為多屬性決策問題(Multiple Attribute Decision Making,MADM)。網(wǎng)絡性能優(yōu)化目標包括降低接入阻塞率、減少平均通信時延、提高用戶滿意度和平衡網(wǎng)絡負載等，這些目標通過決策變量相互制約，并且可能相互矛盾，從而導致加權目標函數(shù)的結構十分復雜，難于求解。而目前發(fā)展較為成熟的MADM方法可以很好地解決天基信息網(wǎng)絡接入選擇問題，接入過程如圖2所示。

圖2 天基信息網(wǎng)絡多屬性決策接入過程示意

2 TOPSIS接入選擇算法

優(yōu)劣解距離法是解決MADM問題的重要方法之一，文獻[16-18]給出了TOPSIS算法的基本原理，其主要思想為：決策結果應該距離理想最優(yōu)方案最近，距離理想最劣方案最遠，如圖3所示。其中橫縱坐標為代表方案性能優(yōu)劣的參數(shù)，Vi為候選方案i的對應點，V+為理想最優(yōu)方案的對應點，V-為理想最劣方案的對應點。本文在天基信息網(wǎng)絡接入選擇過程中引入TOPSIS算法，將接入節(jié)點選擇問題轉化為典型的多屬性決策問題。算法設計中，將多種網(wǎng)絡參數(shù)作為決策變量，發(fā)起接入請求的用戶作為決策者，可用接入節(jié)點作為候選方案。

圖3 TOPSIS算法示意

2.1 TOPSIS算法流程

TOPSIS接入選擇算法流程如下：

① 建立決策矩陣。假設影響網(wǎng)絡接入選擇的參數(shù)個數(shù)為n(即每個候選接入節(jié)點具有n個屬性)，用戶可見的接入節(jié)點數(shù)量為m，且第i個接入節(jié)點的第j個屬性值為aij，則可建立決策矩陣A為：

A=(aij)m×n,i=1,…,m,j=1,…,n。

為便于不同單位變量之間的分析對比，需將決策矩陣標準化：

② 建立分配權重的決策矩陣。設W為權重系數(shù)向量，

式中，ωi為第i個屬性的權重系數(shù)，W的確定見第4.2節(jié)。將網(wǎng)絡的每個屬性值乘以相應的權重系數(shù)，可得分配權重的決策矩陣為：

V=A′W。

⑤ 選擇接入節(jié)點。接入節(jié)點的選擇原則是距離理想最佳點最近，距離理想最劣點最遠，因此選擇標準可設計為：S=min(Cj)，其中，S為被選擇的接入節(jié)點，

2.2 權重向量的確定

在選擇接入節(jié)點過程中，為體現(xiàn)不同決策變量的重要程度，TOPSIS算法在步驟②中對網(wǎng)絡參數(shù)賦予不同權重。本文利用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)，根據(jù)對一定客觀現(xiàn)實的主觀判，對兩兩參數(shù)進行對比，實現(xiàn)多個不同參數(shù)重要程度的確定。具體步驟如下：

① 建立權重系數(shù)判決矩陣B=(bij)m×n，其中，bij代表參數(shù)i與參數(shù)j的相對重要程度，bji=1/bij，i,j=1,…,n，bij的值可根據(jù)參數(shù)i與參數(shù)j的相對重要程度確定為1～9之間的某一整數(shù)或其倒數(shù)，數(shù)值越大，說明參數(shù)i比參數(shù)j越重要。

③ 計算接入節(jié)點第i個屬性的權重系數(shù)：

由于權重矩陣的建立完全依賴于人的主觀判斷，可能會出現(xiàn)“A比B重要，B比C重要，而C比A重要”這樣的矛盾，為了避免各屬性重要程度不協(xié)調的情況，需要對矩陣的一致性進行檢驗。本文利用一致性比率CR作為檢驗標準：

式中，λmax為權重矩陣B的最大特征值；n為需要考查的接入點屬性個數(shù)。若CR<0.1，則認為權重矩陣是協(xié)調的。

3 粒子群與TOPSIS相結合的接入選擇算法

與傳統(tǒng)接入選擇方法相比，TOPSIS算法充分考慮多種因素，實現(xiàn)了對決策過程的優(yōu)化，提升了網(wǎng)絡性能。但TOPSIS算法中參數(shù)權重的確定依賴人的主觀判斷，容易造成權重分配不精確甚至不合理，導致網(wǎng)絡性能達不到最優(yōu)狀態(tài)。為此，本文提出了粒子群與多屬性決策相結合的接入選擇算法(POS-TOPSIS)，其基本思想為：在算法中增加反饋機制實現(xiàn)對權值系數(shù)的調節(jié)，利用采集的網(wǎng)絡性能參數(shù)與理想性能參數(shù)之間的差值，來驅動粒子群優(yōu)化算法對系數(shù)進行全局尋優(yōu)。

由于決策變量與網(wǎng)絡性能參數(shù)之間的影響規(guī)律復雜，難以建立描述其相互關系的公式，因此在反饋控制過程中無法得到準確的誤差修正方程。粒子群優(yōu)化算法讓粒子根據(jù)當前周圍粒子的運動來在空間中搜索最優(yōu)解，回避了誤差修正方程的建立，可以很好地解決權值系數(shù)尋優(yōu)問題。粒子群算法將問題解空間的解表示成搜索空間的一個粒子，在天基信息網(wǎng)絡接入選擇問題中，權重系數(shù)向量Wi表示微粒i的當前位置，優(yōu)化目標為網(wǎng)絡性能參數(shù)與理想最優(yōu)網(wǎng)絡性能參數(shù)的歐式距離最小，優(yōu)化問題模型為：

圖4 POS-TOPSIS算法流程

在實際應用中，為盡量避免算法運行過程對天基信息網(wǎng)絡的影響，可在網(wǎng)絡運行之前利用天基信息網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)來運行反饋修正的過程，得到較好的權重系數(shù)后，再將系數(shù)上注到實際網(wǎng)絡系統(tǒng)中用戶的接入選擇模塊。

4 仿真及結果分析

4.1 仿真場景設置

本文的仿真場景中，骨干網(wǎng)以北斗導航星座為原型，采用Walker(24/3/1)星座模型，軌道高度24 000 km，軌道傾角55°，采用網(wǎng)格型星間鏈路拓撲結構[19]；用戶為在軌道高度500～2 000 km和全球范圍內均勻分布的低軌衛(wèi)星。設所有用戶發(fā)起接入請求的數(shù)量符合參數(shù)為λ的泊松分布(仿真中λ可變)，每次接入后進行數(shù)據(jù)傳輸所需要的時間服從μ=0.05的泊松分布，即全網(wǎng)中平均每秒到達λ個接入請求，每個接入平均持續(xù)1/μ=200 s的時間。

仿真中，考察的決策變量共3個：用戶所得帶寬b、用戶與接入節(jié)點的距離d和路由時延td；考察的網(wǎng)絡性能參數(shù)共4個：接入阻塞率B、網(wǎng)絡平均時延Td、用戶滿意度S和網(wǎng)絡負載均衡L。假設用戶關注所分配的帶寬，當帶寬較小時，服務質量較差，因此滿意度較低；當帶寬接近用戶所需帶寬時，滿意度則會快速提升；當帶寬大幅超過用戶所需帶寬時，滿意度趨于飽和。基于上述規(guī)律，利用Sigmoid函數(shù)[20]來定義用戶滿意度為：

式中，bn為用戶所需帶寬；參數(shù)α用以表征滿意度對所得帶寬的敏感程度，本文取α=0.01。

網(wǎng)絡負載均衡利用骨干網(wǎng)中所有節(jié)點上負載的方差來衡量，定義負載均衡程度為:

式中，X為所有骨干節(jié)點上的負載，即服務的用戶數(shù)量;β用以表征L對方差的敏感程度，文中β=1。

4.2 仿真結果分析

利用PSO-TOPSIS接入選擇算法仿真天基信息網(wǎng)絡中用戶的接入選擇過程。首先求解權重系數(shù)的優(yōu)化結果，算法最終收斂于f=3.074，即與理想性能指標距離為3.074，對應的最優(yōu)權重向量為W=[0.364,0.251,0.385]。

為分析算法性能，本文以最小距離接入算法作為對比。接入阻塞率、平均通信時延、平均用戶滿意度和網(wǎng)絡負載均衡隨任務達到率的變化曲線如圖5所示?？梢钥闯觯c最小距離接入選擇算法相比，多目標決策的接入算法使得網(wǎng)絡性能在4個性能指標上均有顯著提升，考慮任務到達率為3個/s的情況，算法將接入阻塞率和路由時延分別降低了82%和3%，將用戶滿意度和網(wǎng)絡負載均衡提高了27%和12%。通過對比PSO-TOPSIS與TOPSIS算法可以發(fā)現(xiàn)，粒子群算法的應用在不增加平均接入阻塞率的情況下，使得另外3個方面的網(wǎng)絡性能均有所提升。

圖5 不同接入選擇算法的網(wǎng)絡性能對比

5 結束語

針對未來天基信息網(wǎng)中用戶接入選擇復雜、傳統(tǒng)接入選擇算法不夠高效的問題，提出了粒子群與TOPSIS相結合的接入選擇算法。算法利用經(jīng)典多屬性決策方法TOPSIS方法對決策變量進行綜合考量，并根據(jù)與理想最優(yōu)/劣點的距離做出接入選擇。與傳統(tǒng)接入選擇算法相比，該算法將接入阻塞率和路由時延分別降低了82%和3%，同時將用戶滿意度和網(wǎng)絡負載均衡提高了27%和12%。在TOPSIS方法的基礎上，提出了PSO-TOPSIS接入選擇算法，利用粒子群對權重向量進行反饋，避免了TOPSIS方法中權重系數(shù)人為判斷的主觀性，進一步改善了網(wǎng)絡性能表現(xiàn)。因此，PSO-TOPSIS是一種高效的接入選擇算法，有助于提高網(wǎng)絡整體性能，對未來天基信息網(wǎng)絡的工程建設具有借鑒意義。

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AccessSelectionAlgorithmBasedonPSO-TOPSISinSpaceInformationNetwork

WANG Shi-chao1,WU Bin2,WANG Bo2

(1.BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094，China; 2.BeijingInstituteofTrackingandTelecommunicationTechnology,Beijing100094,China)

There are a large number of candidate nodes and decision variables for users when they are going to access to the space information network,which leads to inefficiency of traditional access algorithm.A new access algorithm combining PSO and TOPSIS is proposed in this paper to improve access efficiency.First,mathematic model of access selection problem in space information network is established.And the TOPSIS is introduced in this model to ranging all the candidate access nodes more reasonably considering varieties of decision variables.Secondly,the PSO algorithm is designed.The PSO is driven by network performance parameters and gives a feedback modification of the weigh vector,which can avoid subjectivity when the weigh vector is determined manually.Simulation results show that the TOPSIS can decrease the access blocking rate and routing delay by 82% and 3%,and increase the users’satisfaction and network load index by 27% and 12%,while the PSO-TOPSIS access algorithm can improve the access performance further.

space information network;access selection;TOPSIS;PSO;network optimization

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.10.01

王世超，吳斌，汪勃.PSO-TOPSIS的天基信息網(wǎng)絡接入選擇算法[J].無線電工程,2017,47(10):1-5,11.[WANG Shichao,WU Bin,WANG Bo.Access Selection Algorithm Based on PSO-TOPSIS in Space Information Network[J].Radio Engineering,2017,47(10):1-5,11.]

TN927.23

A

1003-3106(2017)10-0001-05

2016-12-16

中國博士后科學基金資助項目(2013M532136)。

王世超男，(1990—)，碩士，助理工程師。主要研究方向：天基信息網(wǎng)絡。吳斌男，(1963—)，博士，研究員。主要研究方向：航天測控總體。