王龍河 ，周一青 , ，曹歡 ，劉子凡 ，陳巖 , ，陳道進(jìn) ，石晶林 ,

（1. 中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100190；2. 處理器芯片全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；3. 移動(dòng)計(jì)算與新型終端北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100049）

一、前言

近年來(lái)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，星地網(wǎng)絡(luò)逐步融合，網(wǎng)絡(luò)資源規(guī)模呈爆發(fā)式增長(zhǎng)[1]。在空間段，衛(wèi)星應(yīng)用已從單一衛(wèi)星服務(wù)模式逐漸發(fā)展為多星組網(wǎng)、衛(wèi)星集群的多星協(xié)同服務(wù)模式[2]；在星地網(wǎng)絡(luò)方面，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)由“各自一張網(wǎng)”逐漸融合為“空天地”一體化網(wǎng)絡(luò)[3,4]；在業(yè)務(wù)方面，衛(wèi)星由原來(lái)的專用服務(wù)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蛏鐣?huì)公眾的開(kāi)放性通信服務(wù)[5]。可以預(yù)判，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將集通信、遙感、導(dǎo)航、計(jì)算服務(wù)于一體[6~8]，面向諸多行業(yè)提供即時(shí)可用的衛(wèi)星信息服務(wù)[9]。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源管控技術(shù)是保障網(wǎng)絡(luò)資源高效利用的關(guān)鍵技術(shù)，協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中的多維資源，形成差異化的多維服務(wù)能力，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能以提高用戶服務(wù)滿意度，進(jìn)而保障衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)自身的穩(wěn)定運(yùn)行以及對(duì)外的可靠服務(wù)，實(shí)現(xiàn)高效、綠色、集約網(wǎng)絡(luò)。然而，當(dāng)前衛(wèi)星業(yè)務(wù)相互獨(dú)立，衛(wèi)星參數(shù)、資源、能力各異；網(wǎng)絡(luò)資源孤立，相應(yīng)調(diào)度仍依賴規(guī)則、經(jīng)驗(yàn)、人工干預(yù)等方式。現(xiàn)有衛(wèi)星通信資源管控技術(shù)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(kāi)，導(dǎo)致針對(duì)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的高動(dòng)態(tài)、大規(guī)模、資源多維異構(gòu)特性的高效管控技術(shù)較為薄弱，不適應(yīng)未來(lái)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的信息服務(wù)需求[10]。

研究衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源管控技術(shù)，提高資源運(yùn)用效率、增強(qiáng)信息服務(wù)能力，是空間信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展亟需。本文立足我國(guó)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重大背景，面向衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的資源高效運(yùn)用需求，以星地網(wǎng)絡(luò)融合、“通導(dǎo)感算”協(xié)同應(yīng)用為驅(qū)動(dòng)要素，研判衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的新環(huán)境、新特點(diǎn)并提出相應(yīng)資源管控的新模式，設(shè)計(jì)智能化資源管控架構(gòu)并闡述關(guān)鍵技術(shù)，以期為我國(guó)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源管控的創(chuàng)新發(fā)展提供先導(dǎo)性、基礎(chǔ)性參考。

二、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展與資源管控

（一）衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)概述

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是“衛(wèi)星通信承載的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)”，核心在于基于衛(wèi)星通信系統(tǒng)構(gòu)建互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)[11]；發(fā)射大量衛(wèi)星，組成覆蓋全球的大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，為社會(huì)公眾提供全域、全天候的寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。與地面網(wǎng)絡(luò)相比，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)覆蓋區(qū)域大、通信距離遠(yuǎn)、服務(wù)機(jī)動(dòng)靈活，不易受地面災(zāi)害影響，在海上通信、空中通信、超視距傳輸、搶險(xiǎn)救災(zāi)等應(yīng)用上具有特殊優(yōu)勢(shì)。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)被視為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋、萬(wàn)物互聯(lián)的必由之路[12]，實(shí)現(xiàn)“空天地”一體化網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分[13]。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)主要分為空間段、地面段、用戶端三部分（見(jiàn)圖1）。① 空間段由通信、導(dǎo)航、遙感等衛(wèi)星構(gòu)成。通信衛(wèi)星主要負(fù)責(zé)用戶鏈路、星間鏈路、饋電鏈路之間的信號(hào)傳輸，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通信數(shù)據(jù)的處理及傳遞；導(dǎo)航衛(wèi)星提供定位、授時(shí)服務(wù)；遙感衛(wèi)星提供環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源探測(cè)等服務(wù)?！巴▽?dǎo)遙”一體化網(wǎng)絡(luò)指將導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星接入衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“通導(dǎo)遙”融合網(wǎng)絡(luò)?；谛l(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，導(dǎo)航資源、遙感資源可實(shí)現(xiàn)資源共享與融合，形成一體化服務(wù)的能力?？紤]到導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星的資源運(yùn)用與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源管控存在直接關(guān)系，本研究將導(dǎo)航資源、遙感資源納入衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源管控范圍。② 地面段主要包括地面站、運(yùn)維管控站，主要功能有地面網(wǎng)絡(luò)接入、衛(wèi)星數(shù)據(jù)落地處理、衛(wèi)星資源綜合管控、衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)分析及維護(hù)等。③ 用戶段主要指通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行通信的各類用戶終端，包括固定終端、車載終端、機(jī)載終端、船載終端、便攜 / 手持終端等。

圖1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

（二）衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展

國(guó)際上，OneWeb、O3b、SpaceX、Telesat等企業(yè)推出了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃[14]。其中，O3b星座系統(tǒng)是目前唯一成功投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的中軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)；SpaceX公司是擁有衛(wèi)星數(shù)量最多的商業(yè)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商。Starlink是Space X公司建造的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座，目標(biāo)是建設(shè)由約4.2×104顆衛(wèi)星組成的中低軌衛(wèi)星群；單顆衛(wèi)星容量可達(dá)20 Gbps，星間鏈路采用激光通信技術(shù)。截至2023年11月，Starlink星座已有在軌衛(wèi)星5057顆[15]，面向60多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的超過(guò)2×106個(gè)用戶提供由衛(wèi)星接入的互聯(lián)網(wǎng)通信服務(wù)。在民用領(lǐng)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(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，實(shí)測(cè)性能已與地面寬帶網(wǎng)絡(luò)的平均水平持平。

我國(guó)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)起步稍晚，但近年來(lái)發(fā)展迅速，已提出“虹云”“鴻雁”“行云”“銀河”“國(guó)網(wǎng)”等星座計(jì)劃，組網(wǎng)數(shù)量大于30顆的低軌衛(wèi)星項(xiàng)目超過(guò)10個(gè)，規(guī)劃衛(wèi)星發(fā)射總量超過(guò)1.5×104顆。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)被納入“新基建”范圍[16]，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)上升為國(guó)家重大工程[17]并將融入遙感工程、導(dǎo)航工程，成為國(guó)家天地一體化信息系統(tǒng)的重要組成部分[5]。

隨著第五代移動(dòng)通信（5G）的成熟應(yīng)用，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）、第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織開(kāi)始研究新一代衛(wèi)星系統(tǒng)的星地融合標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題[11]。ITU提出了5G和衛(wèi)星通信融合的4種應(yīng)用場(chǎng)景：服務(wù)于偏遠(yuǎn)地區(qū)的中繼通信場(chǎng)景、為地面小區(qū)擴(kuò)容和增強(qiáng)的小區(qū)回傳場(chǎng)景、服務(wù)于移動(dòng)平臺(tái)用戶的動(dòng)中通場(chǎng)景、服務(wù)于內(nèi)容分發(fā)的混合多播場(chǎng)景。3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織提出了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G融合的三大場(chǎng)景：業(yè)務(wù)服務(wù)、泛在服務(wù)、擴(kuò)展服務(wù)[18]。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，3GPP提出了基于星上處理 / 透明轉(zhuǎn)發(fā)、有 / 無(wú)中繼的4種星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案。整體上，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織將衛(wèi)星通信作為未來(lái)通信系統(tǒng)的重要組成部分，針對(duì)非地面網(wǎng)絡(luò)制定了通信標(biāo)準(zhǔn)，提出了衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)融合方案[19]。

（三）衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源管控

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源指信息獲取、處理、存儲(chǔ)、傳輸過(guò)程中必要的設(shè)施和能力，按照設(shè)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(wèi)星組成，后者由分布在各處的信關(guān)站、管控站、地面網(wǎng)絡(luò)資源組成。其中，信關(guān)站是實(shí)現(xiàn)地面資源、天基資源連接的重要“橋梁”。

天基資源主要指衛(wèi)星資源，根據(jù)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分為平臺(tái)資源、有效載荷資源：前者指保障衛(wèi)星正常運(yùn)行的基礎(chǔ)資源，如蓄電池、太陽(yáng)能設(shè)備為系統(tǒng)提供能源，動(dòng)力設(shè)備用于調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)以保持正常在軌運(yùn)行；后者是衛(wèi)星提供服務(wù)的有效資源，根據(jù)衛(wèi)星有效載荷類型的不同將天基衛(wèi)星分為通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星等，分別對(duì)應(yīng)通信資源、導(dǎo)航資源、遙感資源等。

按照資源能否共享，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源分為固定資源、可共享資源。星上能源設(shè)備、溫控設(shè)備、姿態(tài)控制設(shè)備等維持衛(wèi)星在軌運(yùn)行的衛(wèi)星平臺(tái)資源屬于固定資源，無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源共享；有效載荷中的通信、計(jì)算、遙感等資源可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享，屬于可共享資源。可共享資源通過(guò)軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）、虛擬化技術(shù)映射為統(tǒng)一的服務(wù)資源，是智能化資源運(yùn)用技術(shù)的重點(diǎn)研究對(duì)象。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的主要資源及其特征如表1所示。計(jì)算、通信、存儲(chǔ)、遙感、導(dǎo)航資源均存在于空間段衛(wèi)星中，但是受限于衛(wèi)星制造成本以及星載設(shè)備入軌后難以擴(kuò)充等因素，導(dǎo)致資源受限[20]。例如，衛(wèi)星受質(zhì)量、體積、發(fā)射成本的約束，星上載荷及存儲(chǔ)能力有限；衛(wèi)星工作中受宇宙輻射嚴(yán)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(dǎo)致星上芯片處理性能大幅低于地面，制約了星上計(jì)算能力。地面資源集中在計(jì)算、通信、存儲(chǔ)方面，受建造因素的影響較小，可靈活擴(kuò)展升級(jí)，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能、大容量的網(wǎng)絡(luò)資源。

表1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵資源及其特征

現(xiàn)階段，我國(guó)在役通信衛(wèi)星主要是“天通”“中星”“亞太”等系列，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在實(shí)際管控系統(tǒng)中多采用基于規(guī)則與策略的固定或半固定資源管控技術(shù)。這類資源管控技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)，但缺乏靈活性，導(dǎo)致系統(tǒng)資源利用率低下，影響網(wǎng)絡(luò)綜合性能[21]。

在學(xué)術(shù)研究方面，網(wǎng)絡(luò)管控方法主要是分層管理，將大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)組或域，降低管控復(fù)雜度[22]。分層管控概念將網(wǎng)絡(luò)分為高軌層、低軌層，增強(qiáng)了傳統(tǒng)衛(wèi)星的靈活性和擴(kuò)展性[23]；進(jìn)一步發(fā)展的分層管理、域內(nèi)自治的分布式域管控策略，有效降低了地面管控節(jié)點(diǎn)數(shù)目，適用于大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的管理域劃分及動(dòng)態(tài)維護(hù)[24]。高低軌雙層智能接入算法能夠提高衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的接入效率[25]。采用頻率及功率混合優(yōu)化算法，設(shè)計(jì)智能時(shí)隙共享策略，以優(yōu)化多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的功率、提高資源利用效率[26]。

分層管控技術(shù)在一定程度上降低了管控復(fù)雜度，但額外引入跨域問(wèn)題；衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的高動(dòng)態(tài)特性導(dǎo)致頻繁跨域切換，難以實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的全局最優(yōu)規(guī)劃。隨著人工智能（AI）技術(shù)的發(fā)展，將機(jī)器學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等技術(shù)應(yīng)用到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管控成為熱點(diǎn)。例如，基于雙層深度Q網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)中繼衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)任務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)度，提升了任務(wù)分配效率[27]；采用圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械穆酚深A(yù)測(cè)，支持資源連接關(guān)系的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)[28]；基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的衛(wèi)星動(dòng)態(tài)功率分配算法能夠提高系統(tǒng)吞吐量增益[29]。也要注意到，AI技術(shù)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度極高，針對(duì)多維資源的智能管控技術(shù)仍在探索中。

三、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源管控面臨的挑戰(zhàn)

隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，相應(yīng)信息服務(wù)的空間范疇不斷擴(kuò)大，多維綜合信息服務(wù)需求也在逐步提升。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將成為“全域覆蓋、隨遇接入、泛在連接”的核心服務(wù)，其網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和服務(wù)模式均呈現(xiàn)新特性。

（一）衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)新環(huán)境

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的新環(huán)境主要體現(xiàn)在應(yīng)用場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)資源等方面。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景更加豐富多樣（見(jiàn)表2），網(wǎng)絡(luò)需求具有顯著的多樣性、差異性。相比傳統(tǒng)衛(wèi)星通信、地面通信，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)行業(yè)更加廣闊、應(yīng)用場(chǎng)景更加豐富，而這些應(yīng)用場(chǎng)景下的服務(wù)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(diǎn)是安全和可靠，國(guó)土資源監(jiān)測(cè)、科研服務(wù)場(chǎng)景中的傳感資源獲取服務(wù)偏向高速下行傳輸速率，軍事偵查、空間對(duì)抗服務(wù)需求重點(diǎn)關(guān)注低時(shí)延、高速率，物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景關(guān)鍵需求是海量連接。

表2 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)場(chǎng)景

衛(wèi)星覆蓋的技術(shù)場(chǎng)景主要有連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、超大規(guī)模連接、低時(shí)延 / 高可靠。不同技術(shù)場(chǎng)景面臨的性能挑戰(zhàn)各不相同，傳輸速率、傳輸時(shí)延、連接密度、抗干擾、安全加密等指標(biāo)都有可能成為挑戰(zhàn)性指標(biāo)。例如，軍事通信對(duì)抗干擾指標(biāo)有著嚴(yán)格要求，外交通信要求數(shù)據(jù)不能落地且具備加密功能。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模龐大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)復(fù)雜多變，網(wǎng)絡(luò)資源具有異質(zhì)、異構(gòu)特征。隨著全球在軌星座的不斷增加、星座規(guī)模趨向巨型化發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模更大、節(jié)點(diǎn)更多。此外，低軌衛(wèi)星移動(dòng)速度快，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置動(dòng)態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枰獎(jiǎng)討B(tài)更新，也使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)資源動(dòng)態(tài)變化。隨著衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，衛(wèi)星承載的業(yè)務(wù)增多，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的類型和功能呈現(xiàn)多樣化發(fā)展趨勢(shì)；不同類型的衛(wèi)星具有不同的功能，所提供的資源和服務(wù)能力也存在差異性，使得網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)異質(zhì)、異構(gòu)特性。例如，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的部分衛(wèi)星只可透明轉(zhuǎn)發(fā)，部分衛(wèi)星不具有星間鏈路，部分衛(wèi)星功能固化且不具備虛擬化功能；在資源管控過(guò)程中需針對(duì)不同體制衛(wèi)星建立不同模型，帶來(lái)了更大的資源管理難度。

（二）衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)新模式

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將徹底改變傳統(tǒng)天基系統(tǒng)以平臺(tái)為中心的單星服務(wù)模式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)融合、資源虛擬化協(xié)作共享、網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)按需擴(kuò)展、自治、自演進(jìn)的多星協(xié)同柔性服務(wù)模式，提供靈活多樣、快速實(shí)時(shí)的信息服務(wù)。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)除了進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和共享，還支持海量的信息服務(wù)，對(duì)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行綜合管控，為不同用戶的服務(wù)需求提供合適、可靠的資源。傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源在可擴(kuò)展性、控制管理等方面存在不足，難以滿足不同服務(wù)類型和服務(wù)對(duì)象對(duì)資源的需求。面向衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源的強(qiáng)變時(shí)空尺度特性、多樣化業(yè)務(wù)的復(fù)雜不確定性，一旦網(wǎng)絡(luò)環(huán)境發(fā)生變化，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)需要及時(shí)制定應(yīng)對(duì)策略，按需動(dòng)態(tài)匹配有限的可用網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)柔性自治、彈性服務(wù)，為超大容量廣域覆蓋網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供高可靠、高質(zhì)量服務(wù)。

柔性服務(wù)模式依托高動(dòng)態(tài)虛擬化技術(shù)，針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)時(shí)延敏感性服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)海量連接服務(wù)、寬帶接入高速率通信服務(wù)等垂直行業(yè)的差異化服務(wù)需求，在大規(guī)模、一體化融合的衛(wèi)星邏輯網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，抽象出多個(gè)互相隔離、互不影響的端到端虛擬網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)差異化的廣域信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求，動(dòng)態(tài)構(gòu)建適應(yīng)不同業(yè)務(wù)特征、差異化的虛擬網(wǎng)絡(luò)切片，精確匹配各類業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的“按需伸縮、自主演進(jìn)”。

（三）衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)新服務(wù)

隨著大規(guī)模星座的規(guī)劃與建設(shè)，各類衛(wèi)星的數(shù)量大幅增加，在軌衛(wèi)星的類型、配置、軌道位置呈現(xiàn)多樣化發(fā)展態(tài)勢(shì)，導(dǎo)致衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)資源高度異質(zhì)化。星地網(wǎng)絡(luò)融合代表了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)用戶（行業(yè)）的進(jìn)一步融合，業(yè)務(wù)類型更加豐富，用戶業(yè)務(wù)需求更顯多樣化、個(gè)性化、隨機(jī)化。各類業(yè)務(wù)對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行、高質(zhì)量服務(wù)提出了直接挑戰(zhàn)。一方面，以單一業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量（QoS）為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)服務(wù)模式不再適應(yīng)多種用戶（行業(yè)）的保障質(zhì)量需求[4]，亟需針對(duì)行業(yè)特征和獨(dú)特需要來(lái)設(shè)計(jì)新的保障評(píng)估體系。另一方面，當(dāng)前以經(jīng)驗(yàn)、規(guī)則為主的傳統(tǒng)規(guī)劃與調(diào)度方法，難以應(yīng)對(duì)衛(wèi)星組網(wǎng)規(guī)模大幅增長(zhǎng)帶來(lái)的復(fù)雜調(diào)度問(wèn)題，導(dǎo)致資源運(yùn)用效率低下，無(wú)法即時(shí)響應(yīng)用戶需求。

滿足差異化的用戶（行業(yè)）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求，提高通、導(dǎo)、遙、算、存資源的利用效率，是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源高效運(yùn)用技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)，可采取如下方法予以實(shí)現(xiàn)。① 建立新的用戶服務(wù)質(zhì)量評(píng)估手段，基于服務(wù)水平協(xié)議（SLA）構(gòu)建用戶服務(wù)體系，將用戶需求轉(zhuǎn)化為行業(yè)差異化的服務(wù)保障指標(biāo)，智能評(píng)估針對(duì)不同行業(yè)、不同場(chǎng)景、不同需求的服務(wù)能力[1]。② 建立靈活、輕量、可重構(gòu)的天基和地基網(wǎng)絡(luò)底座，基于SDN、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）等技術(shù)設(shè)計(jì)按需服務(wù)的智能資源編排器[30]。在統(tǒng)一表征網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)分層多維資源的基礎(chǔ)上，應(yīng)用高效資源索引、智能化決策等技術(shù)，按照各行業(yè)差異需求靈活開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)功能重定義（如“通導(dǎo)遙”衛(wèi)星通信載荷、計(jì)算載荷、感知載荷）以及節(jié)點(diǎn)服務(wù)切片組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源能力的動(dòng)態(tài)表征描述和高效運(yùn)用，保障用戶（行業(yè)）的差異化服務(wù)需求。

四、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源管控技術(shù)路線

當(dāng)前，地面網(wǎng)絡(luò)資源管控研究已進(jìn)入AI賦能階段[31~33]，而相應(yīng)技術(shù)不能直接應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展相對(duì)緩慢，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)落后于地面。面向衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的新特點(diǎn)、新模式及其資源管控需求，著力提升衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的星地資源利用效率，才能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的高效運(yùn)用。本研究立足我國(guó)衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，論證提出了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源管控技術(shù)發(fā)展路線（見(jiàn)圖2）。相應(yīng)技術(shù)路線主要分為星地網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通、星地異構(gòu)資源融合、智能按需服務(wù)、智慧內(nèi)生4個(gè)階段。

圖2 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源管控技術(shù)路線

（一）星地網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通

當(dāng)前，通信、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星是相互獨(dú)立的服務(wù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)功能及作用各不相同，如“通導(dǎo)遙”衛(wèi)星系統(tǒng)的運(yùn)行和服務(wù)模式自成體系，體制、接口、協(xié)議、服務(wù)流程等差異明顯。然而，隨著用戶需求的提高，未來(lái)“通導(dǎo)遙”衛(wèi)星系統(tǒng)之間資源協(xié)同、綜合保障復(fù)雜任務(wù)是發(fā)展趨勢(shì)。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的目標(biāo)之一即整合不同領(lǐng)域的衛(wèi)星資源，為垂直行業(yè)用戶提供高質(zhì)量服務(wù)。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源管控應(yīng)將不同衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通作為首要的階段性任務(wù)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)“通導(dǎo)遙”等資源和能力的集成運(yùn)用，從而打破異構(gòu)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間“煙囪式”信息服務(wù)框架，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的信息交互與快速流轉(zhuǎn)。以遙感衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為例，多采用緩存方式，與地面站建立連接后再將緩存數(shù)據(jù)傳輸至地面；通過(guò)星間鏈路接入通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳，從而提高即時(shí)信息的獲取能力[34]。

星地網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，需要打破天、地界限，實(shí)現(xiàn)互操作、共資源、同服務(wù)；主要難度在于當(dāng)前各個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有不同的用戶群體、體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、交互流程，難以協(xié)同資源開(kāi)展服務(wù)保障?？蓮目湛诩夹g(shù)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)管控3個(gè)層面進(jìn)行頂層綜合設(shè)計(jì)。在統(tǒng)一空口上，“通導(dǎo)遙”網(wǎng)絡(luò)的星地、星間、地面通信接口采用統(tǒng)一的傳輸體制和標(biāo)準(zhǔn)，從信息傳輸層面著手打通通路；在統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上，“通導(dǎo)遙”網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)框架共享功能；在統(tǒng)一資源管控上，設(shè)計(jì)主從管理架構(gòu)，經(jīng)由主控對(duì)“通導(dǎo)遙”中分控進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)系管控系統(tǒng)的集成化應(yīng)用、對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源的協(xié)同調(diào)度和控制。

（二）星地異構(gòu)資源融合

星地異構(gòu)資源融合將在互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上進(jìn)一步融合多維資源，打破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中資源孤立和閉塞的限制。以天基觀測(cè)感知場(chǎng)景為例，遙感衛(wèi)星將采集的原始數(shù)據(jù)下發(fā)至地面網(wǎng)絡(luò)，地面網(wǎng)絡(luò)對(duì)其分析后根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)一步請(qǐng)求興趣區(qū)域的高精度圖像；該場(chǎng)景下大量的原始數(shù)據(jù)傳輸限制了感知效率。融合遙感衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源與天基計(jì)算資源，將遙感衛(wèi)星的圖像分析任務(wù)卸載到天基計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，在星上直接完成分析以縮短任務(wù)周期、提升天基感知效率。

在實(shí)現(xiàn)“通導(dǎo)遙”星地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上，融合異構(gòu)資源管理關(guān)鍵在于建立資源的統(tǒng)一表征。由于不同網(wǎng)絡(luò)自身資源的異質(zhì)異構(gòu)，互聯(lián)互通層面上的資源統(tǒng)一調(diào)度僅能實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作，而系統(tǒng)之間的資源共享、靈活復(fù)用效率仍不高，導(dǎo)致資源綜合利用率較低。為此，打破異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的資源壁壘，對(duì)資源進(jìn)行統(tǒng)一表征，形成時(shí)變虛擬化資源池模型并對(duì)資源的能力進(jìn)行映射，據(jù)此支撐網(wǎng)絡(luò)資源管控開(kāi)展高效配置。

（三）智能按需服務(wù)

在融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，“通導(dǎo)遙”衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源的運(yùn)用較為復(fù)雜。當(dāng)前基于規(guī)則、人工干預(yù)的管理方法很難高效運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)資源，保障不同用戶需求的能力不強(qiáng)。需要針對(duì)部分重要且復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，根本性提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的服務(wù)效率。例如，3GPP對(duì)核心網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析功能進(jìn)行智能化增強(qiáng)以提升分析效率。中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)的TC1WG1、TC5WG6、TC5WG10均開(kāi)展了智能化技術(shù)的應(yīng)用研究，旨在解決通信服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)及應(yīng)用的部署、運(yùn)行、拓展、安全等問(wèn)題，消除復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)及平臺(tái)的規(guī)劃、優(yōu)化、維護(hù)、節(jié)能，無(wú)線資源的動(dòng)態(tài)按需分配等問(wèn)題。在“通導(dǎo)遙”一體化網(wǎng)絡(luò)中，采用重點(diǎn)功能局部智能化的方法提升網(wǎng)絡(luò)資源運(yùn)用效率是技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

智能按需服務(wù)通過(guò)對(duì)資源進(jìn)行更細(xì)粒度的融合，形成具備確定性服務(wù)能力的若干子網(wǎng)，充分適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的差異性服務(wù)需求。盡管星地異構(gòu)資源融合可實(shí)現(xiàn)多維資源之間的聯(lián)動(dòng)，但是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)呈現(xiàn)高的動(dòng)態(tài)特性，從高動(dòng)態(tài)的多維時(shí)變資源中建立滿足差異性用戶需求的網(wǎng)絡(luò)仍是智能按需服務(wù)的難點(diǎn)。需要研究時(shí)變多維資源檢索方法，以快速高效地獲取資源集合、響應(yīng)服務(wù)需求。

（四）智慧內(nèi)生

局部智能化方法是提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行服務(wù)能力的手段，但在資源運(yùn)用效率上還有較大的提升潛力。這是因?yàn)椋植恐悄芑椒](méi)有跨層、跨域聯(lián)合優(yōu)化能力，無(wú)法綜合全局信息進(jìn)行規(guī)劃以實(shí)現(xiàn)星地網(wǎng)絡(luò)資源運(yùn)用的最優(yōu)。因此，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)架構(gòu)需實(shí)現(xiàn)AI能力的全網(wǎng)滲透，即智慧內(nèi)生。智慧內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)可自動(dòng)感知網(wǎng)絡(luò)變化，自動(dòng)協(xié)調(diào)全局資源實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡、故障恢復(fù)，保證服務(wù)質(zhì)量、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)可靠性。在未來(lái)智能化通信服務(wù)場(chǎng)景中，AI賦能衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，為行業(yè)用戶提供實(shí)時(shí)AI服務(wù)、實(shí)時(shí)計(jì)算類新業(yè)務(wù)，在數(shù)據(jù)隱私、極致性能、海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫嫣峁└鼉?yōu)化的解決方案。

在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中，多網(wǎng)系、分層次、高動(dòng)態(tài)、極復(fù)雜的組網(wǎng)環(huán)境，差異化的用戶業(yè)務(wù)需求，使網(wǎng)絡(luò)資源的最優(yōu)化運(yùn)用十分困難。在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)層面進(jìn)行內(nèi)生智能化設(shè)計(jì)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)性能的自優(yōu)化能力實(shí)現(xiàn)智能連接、智能管理，顯著增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

五、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源管控模式、架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

（一）衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源管控模式

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)需要打破傳統(tǒng)基于經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則的資源運(yùn)用方式，轉(zhuǎn)而采用智能化的資源管控（見(jiàn)圖3），才能滿足多樣性、差異化的服務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)按需分配、按需增強(qiáng)的彈性服務(wù)模式。該管控模式將貫穿本研究所提技術(shù)路線的全階段，相應(yīng)流程為：將星地網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備的資源表征為資源池，作為資源智能高效運(yùn)用的前提；將用戶服務(wù)需求轉(zhuǎn)化為SLA相關(guān)的服務(wù)指標(biāo)，確定所需的服務(wù)能力；基于服務(wù)能力對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行切片編排，調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶服務(wù)需求。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源管控模式中，資源組織層是網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通階段、異構(gòu)資源融合階段的主要內(nèi)容；資源分配與調(diào)度層是智能按需服務(wù)階段的重點(diǎn)內(nèi)容；資源服務(wù)能力層是智慧內(nèi)生階段的核心內(nèi)容。

圖3 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源管控模式

在資源組織層面，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可基于SDN、NFV統(tǒng)一表征地面資源和天基資源[35]，將星地網(wǎng)絡(luò)實(shí)體中的物理設(shè)備資源整合為網(wǎng)絡(luò)資源池，為高效靈活開(kāi)展資源分配及調(diào)度提供基礎(chǔ)技術(shù)支持。針對(duì)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源的時(shí)變特性，建立動(dòng)態(tài)資源與服務(wù)能力的關(guān)系表征，是開(kāi)展資源高效管控的必備前提。

在資源分配與調(diào)度層面，根據(jù)所需服務(wù)能力，采用切片技術(shù)從網(wǎng)絡(luò)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(dú)立的專用服務(wù)保障網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)信息處理類型的不同，可將星地一體化網(wǎng)絡(luò)中的資源劃分為通信、計(jì)算、存儲(chǔ)、導(dǎo)航、遙感等類型，經(jīng)過(guò)切片編排后形成信息獲取、信息傳輸、信息處理等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，滿足差異化的服務(wù)需求。從多種時(shí)變多維資源集合中匹配最優(yōu)資源調(diào)度方案，是資源智能管控的核心。

在資源服務(wù)能力層面，用戶的多維信息需求持續(xù)增長(zhǎng)，用戶網(wǎng)絡(luò)需求呈現(xiàn)出差異化，不同行業(yè)和場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)對(duì)QoS的定義存在不同。例如，物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的服務(wù)質(zhì)量與最大連接數(shù)相關(guān)，遠(yuǎn)程醫(yī)療和自動(dòng)駕駛對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延敏感，高清視頻通話、高清直播應(yīng)用同時(shí)關(guān)注時(shí)延和速率指標(biāo)。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)需面向不同行業(yè)和場(chǎng)景提供多樣化的網(wǎng)絡(luò)能力組合。劃分不同等級(jí)的SLA服務(wù)指標(biāo)，量化業(yè)務(wù)能力需求，從資源池中檢索滿足能力需求的資源集合。從動(dòng)態(tài)變化的資源池中檢索出滿足服務(wù)需求的能力集合，是資源智能管控的基礎(chǔ)。

（二）衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源管控架構(gòu)

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)資源受限、具有高的時(shí)空動(dòng)態(tài)特性，提高資源運(yùn)用效率是瓶頸環(huán)節(jié)。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星地資源管控技術(shù)架構(gòu)（見(jiàn)圖4）是資源管控模式的一種實(shí)現(xiàn)方案：針對(duì)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源異構(gòu)、異質(zhì)的特點(diǎn)，面向分布式資源集群引入能力池概念，涵蓋多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。能力池指由多種資源通過(guò)共享或互聯(lián)形成的服務(wù)能力集合，如通信資源與計(jì)算資源通過(guò)網(wǎng)絡(luò)融合形成統(tǒng)一服務(wù)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(wǎng)絡(luò)中不是實(shí)體形式的存在，將資源編排成實(shí)體網(wǎng)絡(luò)后才能真實(shí)存在。能力池是網(wǎng)絡(luò)具備的多種能力集合，引入能力池可實(shí)現(xiàn)服務(wù)需求與資源池的匹配。

圖4 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星地資源管控技術(shù)架構(gòu)

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星地資源管控技術(shù)架構(gòu)中，網(wǎng)資源管控基本流程為：根據(jù)SLA服務(wù)協(xié)議，將差異化的服務(wù)需求轉(zhuǎn)化為包括時(shí)延、帶寬、速率、容量、可靠性、安全性在內(nèi)的通信服務(wù)指標(biāo)集合；根據(jù)服務(wù)指標(biāo)集合，提取所需的信息獲取、傳輸、處理等服務(wù)能力要素；分析所需服務(wù)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(guī)劃技術(shù)，確定資源調(diào)度方案；根據(jù)調(diào)度方案對(duì)資源進(jìn)行聚合、編排，形成具備服務(wù)能力的網(wǎng)絡(luò)并反饋至用戶。

（三）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管控關(guān)鍵技術(shù)

1. 高時(shí)空動(dòng)態(tài)資源表征技術(shù)

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)天基資源分散在環(huán)繞地球周期運(yùn)行的衛(wèi)星上，整體呈現(xiàn)分布式、時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的特性。針對(duì)衛(wèi)星資源的分布特性，建立統(tǒng)一的資源表征技術(shù)（見(jiàn)圖5），是高效資源管控的基本要求。衛(wèi)星資源在時(shí)間維度上受到運(yùn)營(yíng)規(guī)劃的影響，如某段時(shí)間是特定用戶的專用服務(wù)時(shí)間，整體或部分資源將被鎖定，導(dǎo)致衛(wèi)星可用資源處于隨時(shí)間變化的狀態(tài)。衛(wèi)星環(huán)繞其軌道持續(xù)運(yùn)行，所處空間位置不斷變化，如運(yùn)行至沒(méi)有光照位置時(shí)，衛(wèi)星功耗將受到限制；衛(wèi)星運(yùn)行至受國(guó)際法律或法規(guī)管制區(qū)域時(shí)，衛(wèi)星的部分功能不能啟用，導(dǎo)致相應(yīng)資源不可使用；衛(wèi)星運(yùn)行至地磁或太陽(yáng)輻射嚴(yán)重區(qū)域時(shí)，衛(wèi)星射頻功能受到干擾，導(dǎo)致資源利用效率不足。因此，衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)是有規(guī)律的，其空間位置與時(shí)間具有統(tǒng)一性，可將衛(wèi)星資源時(shí)空動(dòng)態(tài)特性描述為與時(shí)間t相關(guān)的表達(dá)式。

圖5 高時(shí)空動(dòng)態(tài)資源表征技術(shù)

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可通過(guò)星間鏈路或其他網(wǎng)絡(luò)連接，將不同的網(wǎng)絡(luò)資源組合成差異化的服務(wù)能力，可將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的能力描述為P(t)。不同能力的P(t)由不同資源構(gòu)建而得，而資源之間還可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接使不同能力P(t)之間具備互聯(lián)關(guān)系；構(gòu)建不同能力的P(t)時(shí)，可能采用相同的資源，導(dǎo)致能力之間存在沖突或約束。高時(shí)空動(dòng)態(tài)資源表征技術(shù)可將種類繁多、異質(zhì)異構(gòu)、動(dòng)態(tài)變化的資源表征為一系列的動(dòng)態(tài)服務(wù)能力集合，結(jié)合服務(wù)能力之間的互聯(lián) / 約束關(guān)系，從而為資源管控系統(tǒng)提供完備的數(shù)據(jù)集合。

2. 多維資源時(shí)間連續(xù)確定性分析技術(shù)

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的空間衛(wèi)星處于周期性運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、用戶業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)變化、空間衛(wèi)星與地面設(shè)備的通信環(huán)境差異性動(dòng)態(tài)變化，這都導(dǎo)致資源關(guān)聯(lián)具有時(shí)變性。星地鏈路時(shí)延高，資源更新具有滯后性，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)不及時(shí)、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(duì)網(wǎng)絡(luò)多維資源的時(shí)間連續(xù)性進(jìn)行確定性描述。對(duì)于大時(shí)延通信環(huán)境造成的信息滯后問(wèn)題，可設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)算法，根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、鏈路、路由等資源連接關(guān)系的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)結(jié)果更新并映射到動(dòng)態(tài)能力池，從而為資源管理算法設(shè)計(jì)提供精準(zhǔn)支撐[5]。

3. 多維時(shí)變能力池索引技術(shù)

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的能力及其關(guān)聯(lián)資源均呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)特性，能力之間存在互聯(lián) / 約束，資源之間存在關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致能力需求匹配過(guò)程復(fù)雜、匹配結(jié)果離散。針對(duì)性提出了一種基于時(shí)變圖的多維時(shí)變能力池索引技術(shù)。

能力集合P在t時(shí)刻與多種資源集合相關(guān)聯(lián)，能力集合之間也存在關(guān)聯(lián)，這種動(dòng)態(tài)關(guān)系模型的拓?fù)渥兓捎蓵r(shí)變圖G(t)表征。時(shí)變圖G(t)中的頂點(diǎn)和邊均隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，難以直接進(jìn)行搜索，故采用快照方式將其離散化為多個(gè)靜態(tài)的子圖g(t1)，g(t2)，…，g(tn)；對(duì)于子圖，采用廣度或深度有限算法、樹(shù)形分割算法等進(jìn)行快速搜索匹配。將時(shí)變圖離散化為多個(gè)快照，盡快便于開(kāi)展搜索，但也增大了搜索過(guò)程的計(jì)算量?？苫诓⑿兴阉骷夹g(shù)對(duì)相應(yīng)時(shí)變圖進(jìn)行索引（見(jiàn)圖6）：將時(shí)變圖G(t)離散為快照子圖后，子圖之間相互獨(dú)立，搜索過(guò)程互不影響；采用并行處理技術(shù)以顯著提高搜索效率；統(tǒng)一合并各個(gè)快照子圖的搜索結(jié)果，得到最終的索引結(jié)果G(V,E(t))。

圖6 時(shí)變圖并行索引技術(shù)

4. 智能決策規(guī)劃技術(shù)

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模星座、高時(shí)空動(dòng)態(tài)等特性，對(duì)當(dāng)前集中式的運(yùn)維、控制中心綜合資源管控模式構(gòu)成了極大挑戰(zhàn)，亟待發(fā)展基于AI算法的智能決策方法，提高資源規(guī)劃及決策的實(shí)時(shí)性和有效性。在前述能力要素分析、能力時(shí)變圖構(gòu)建的基礎(chǔ)上，提出了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源智能決策規(guī)劃技術(shù)（見(jiàn)圖7），進(jìn)一步細(xì)分為離線訓(xùn)練、在線學(xué)習(xí)兩部分。

圖7 智能決策規(guī)劃技術(shù)框架

離線訓(xùn)練時(shí)，基于構(gòu)建的能力時(shí)變圖數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練規(guī)劃策略。利用圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[37]捕獲能力時(shí)變圖中節(jié)點(diǎn)之間的復(fù)雜關(guān)系，采用注意力機(jī)制[38]學(xué)習(xí)資源狀態(tài)的演變，以此預(yù)測(cè)每個(gè)資源的可用時(shí)間。針對(duì)接收的資源狀態(tài)信息，由強(qiáng)化學(xué)習(xí)智能體決策出一個(gè)調(diào)度動(dòng)作，再根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)計(jì)算一個(gè)獎(jiǎng)勵(lì)分?jǐn)?shù)。通過(guò)最大化獎(jiǎng)勵(lì)分?jǐn)?shù)，使策略網(wǎng)絡(luò)不斷更新自身參數(shù)。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后，得到一個(gè)資源規(guī)劃決策代理，支持在網(wǎng)絡(luò)中規(guī)劃出服務(wù)時(shí)間最長(zhǎng)的資源。

靜態(tài)的訓(xùn)練參數(shù)難以滿足各種網(wǎng)絡(luò)條件，需要在決策過(guò)程中采取更新策略；實(shí)施更新策略時(shí)，可根據(jù)預(yù)先訓(xùn)練的模型制定規(guī)劃策略。當(dāng)使用該模型在進(jìn)行資源規(guī)劃時(shí)，從經(jīng)驗(yàn)緩沖區(qū)中提取經(jīng)驗(yàn)并更新模型參數(shù)；在參數(shù)更新過(guò)程中，使用優(yōu)先經(jīng)驗(yàn)重播方法[39]來(lái)存儲(chǔ)最優(yōu)的經(jīng)驗(yàn)，使模型的決策方案達(dá)到最優(yōu)。

六、結(jié)語(yǔ)

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是提高空間生產(chǎn)力、擴(kuò)大空間影響力、增強(qiáng)空間國(guó)防力、掌握空間主權(quán)、推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ)信息設(shè)施。本文面向我國(guó)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重大背景，針對(duì)資源高效運(yùn)用需求，調(diào)研了國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的新環(huán)境和新模式。針對(duì)我國(guó)衛(wèi)星通信服務(wù)主體眾多、資源運(yùn)用不暢的現(xiàn)實(shí)發(fā)展局面，結(jié)合我國(guó)衛(wèi)星通信現(xiàn)狀與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特性，提出了以智慧內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)為目標(biāo)，層次明確、循序漸進(jìn)、切實(shí)可行的發(fā)展路線。針對(duì)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變、資源異質(zhì)異構(gòu)、服務(wù)需求差異多樣的新環(huán)境和新特征，提出了包括高時(shí)空動(dòng)態(tài)資源表征、多維資源時(shí)間連續(xù)確定性分析、多維時(shí)變能力池索引、智能決策規(guī)劃在內(nèi)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管控模式和技術(shù)架構(gòu)，可為我國(guó)高效開(kāi)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源管控系統(tǒng)建設(shè)提供直接參考。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源復(fù)雜多變，資源管控技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。為進(jìn)一步加快我國(guó)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，從資源管控角度出發(fā)提出以下發(fā)展建議。① 合理加大衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)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(shù)研究，為網(wǎng)絡(luò)資源靈活配置、資源互聯(lián)互通、異構(gòu)資源融合打破技術(shù)“硬障礙”。② 適時(shí)發(fā)布網(wǎng)絡(luò)融合政策，推動(dòng)通信、導(dǎo)航、遙感網(wǎng)絡(luò)融合進(jìn)程，加快星地一體化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源深度融合，掃清各類資源之間的“軟屏障”，為實(shí)施高效網(wǎng)絡(luò)資源管控創(chuàng)造良好條件。③ 鼓勵(lì)研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專業(yè)軟件，如電磁仿真、衛(wèi)星軌道仿真、電波傳播仿真等關(guān)鍵工具，打破國(guó)外專業(yè)軟件壟斷工程應(yīng)用的不利局面，為資源管控系統(tǒng)提供自主可控、高性能、高精度的推演及預(yù)測(cè)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(cái)務(wù)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)