CN107682068B - 一种任务驱动的可重构空间信息网络资源管理架构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间信息技术领域，公开了一种任务驱动的可重构空间信息网络资源管理架构及方法，将多个不共享的地面站的控制管理能力进行集中，在管控中心构建具有全局动态管控能力的网络重构控制器；通过任务管控中心、地面控制链路以及空中控制链路的有效协作，构建可重构的资源管理架构；控制命令则由重构控制器实时产生，并通过光纤链路和星地链路传递至switch。应用层获得各种任务输入，实现任务的产生；控制层，实现全网任务的统一规划，资源的统一调度；资源层利用资源虚拟化技术，形成资源池，同时提供传输通道。本发明为未来基于任务驱动的空间信息网络提供理论支撑和技术保障，对未来空间信息网络的研究和发展起到引领和推动作用。

Description

一种任务驱动的可重构空间信息网络资源管理架构及方法

技术领域

本发明属于空间信息技术领域，尤其涉及一种任务驱动的可重构空间信息网络资源管理架构及方法。

背景技术

空间信息网络是以空间平台(高、中、低轨道卫星、平流层气球以及航天器等)为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统，进而保障远洋航行、应急救援、导航定位、航空运输、航天测控等重大应用需求，从而将人类科学、文化、生产活动拓展至空间、远洋、乃至深空。其发展过程经历了由孤立封闭到互联互通，由早期的以地面测控站为骨干网的卫星地面测控网到天基网的过程，最终走向了开放、互连、互通的空间信息网络。然而,由于空间信息网络节点类型多样、能力差异大、技术体制不一，不同卫星系统的协议体系相对独立(例如对地观测和深空探测协议彼此独立)，同时任务与系统存在紧耦合关系，这导致网络呈现封闭、分裂的态势。随着任务需求的爆发式增长和新型任务种类的不断涌现，现有封闭、隔离式的网络架构的弊病逐渐凸显，因此亟待提出新型的空间网络体系架构，使得网络可以随任务驱动实现自适应地动态重构。虚拟化(virtualization)是一种对资源进行抽象模拟的技术，其将物理资源按照功能归类，然后经过接口封装，实现同类资源的有效聚合，将成为未来空间信息网络架构的发展趋势。很多国家都积极推动该方向的研究，其中美国成立了CABO研究组、FIND研究组、GENI研究组和OpenFlow研究组；欧盟也启动了FP7项目，FP7设立很多子项目重点解决不同问题，如FIRE5和4WARD6。国际标准化组织3GPP的系统架构工作组已经开展符合技术演进的虚拟化架构—无线接入网共享增强(RSE)。但是，上述虚拟化技术都是针对地面无线网络提出和量身定制的，它不能直接移植到空间信息网络中，这主要由于空间信息网络具备其独特属性：首先，空间网络节点高动态变化、网络时空行为复杂，这使得网络的拓扑结构呈现高动态变化，这种高动态既包括卫星节点的可预测变化，也包括航天器等节点的部分随机变化；其次，空间信息网络的任务有着鲜明的特性，例如，对地观测任务的传输需要大容量、高速、高可靠支持，且是单向执行的，而观测任务的执行时间窗口也非常有限，它受到天线倾角、节点位置等因素的影响。因此，如何将网络虚拟化的思想引入到空间信息网络中，重新定义并设计网络架构，已成为未来空间信息网络的重要发展方向。

在2015年IEEE Communication Magazine的3月刊中，Lionel Bertaux等人分析了网络虚拟化和软件定义网络技术在空间信息网络中的应用潜力，并给出了几个特例来说明这些技术如何提升网络的性能。但是，他们没有给出统一的虚拟化体系架构来指导空间信息网络的设计。在2017年IEEE Wireless Communication Magazine的8月刊中，我们提出一种柔性可重构的宽带卫星网络管理架构，主要通过在基带物理网络中嵌入多个独立的虚拟网络，从而使得异构网络融合实现资源共享。但是，在该工作中，我们没有着重分析任务特性，没有给出任务驱动的管理架构的概念，而空间信息网络中不同任务类型有着鲜明的特征。因此，如何利用网络虚拟化、软件定义网络等技术来重新定义和设计空间信息网络资源管理架构，使其能够随空间网络任务结构和特性动态重构，实现网络中的通信、计算、存储等资源融合共享，已成为未来空间信息网络架构设计的关键。

针对空间信息网络资源管理架构设计方法研究，现有技术存在的问题是：目前的空间信息网络架构中常规空间节点功能相对固定，通常工作在特定的模式，不能够重新配置，且节点控制平面与数据平面难剥离，仅能采用简单、准静态的控制方式。此外，网络任务属性具有差异性，不同类型任务特性需要挖掘并分析。因此需要突破不受制于特定任务的弹性网络结构与节点功能，构建网络虚拟化管道与控制机制，从而使其工作方式以及网络运行状态随任务变化而动态重构。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种任务驱动的可重构空间信息网络资源管理架构及方法。

本发明是这样实现的，将多个不共享的地面站的控制管理能力进行集中，在管控中心构建新的具有全局动态管控能力的网络重构控制器。通过任务管控中心、地面控制链路以及空中控制链路的有效协作，例如可以充分利用同步轨道卫星的大覆盖特征，作为控制链路来传递网络的各种配置、网络状态更新信息，充分利用各种物理资源，构建可重构的网络。在该网络中，传统的控制器、管理器、网关、防火墙等功能实体都被抽象到重构控制器中，而传统的卫星、地面站节点变成软件定义的节点，即switch，它们只需要完成简单的转发功能即可，而控制命令则由重构控制器实时产生，并通过光纤链路和星地链路传递至switch。其中，重构控制器与地面站的接口对应北向接口，而地面站与卫星节点间的接口对应南向接口。

所述任务驱动的可重构空间信息网络资源管理架构包括：

应用层，包括天链控制中心、测控中心、控管中心及多个运管中心，获得各种任务输入，实现任务的产生；

控制层，包括一个全局重构控制器，实现全网任务的统一规划，资源的统一调度，将网络中最初的任务请求整形成可能能被当前网络资源执行的任务元，从而构建任务流；通过资源表征模块建模资源池中的资源时变关系以及不同资源之间的耦合关系，进一步构建资源流，在任务流和资源流的基础上，使用任务规划模块中任务与资源匹配算法，首先通过求解资源冲突图中的独立集得到一组无冲突的资源集合，然后由该独立集反推，就可以得到原有资源时变图中一个无冲突的子图，这样就可以把给任务分配资源问题建模成无冲突子图中的多商品流问题，利用图论中最大流算法求得规划结果，进而求得网络中具体资源对应的操作，形成动作流；

带来的技术效果：1)在典型网络任务和参数配置条件下，算法执行时间为几分钟到几十分钟，最长的数据上注时间为几分钟到十几分钟；2)在不改变原有的指令格式，只改变参数的条件下，平均需要45分钟即可完成任务的规划以及指令的上注；3)初步的研究成果表明，与NASA算法相比，平均中继卫星天线空转时间从2分钟降至不足1分钟；4)在NASA典型场景下任务完成率从87.5％提高至100％，所有场景下网络的任务完成率最大可提高43％。

资源层，包括不同轨道的卫星和地面站，提供底层物理资源实体，利用资源虚拟化技术，形成资源池，同时提供传输通道。

进一步，所述重构控制器包括：

任务元生成模块，用于实现任务要素的提取，任务的拆分和聚合及整形，构建任务流；

资源表征模块，用于实现网络多维资源的表征，构建资源流；

任务规划模块，用于实现任务到资源的映射，产生规划方案，形成动作流。

进一步，所述任务元生成模块包括：

任务属性提取功能子模块，用于根据任务需求划分任务属性，判断任务属性，定义任务的关键属性的关键因素；

任务拆分和聚合功能子模块，用于根据任务属性的分析结果将原始任务拆分或聚合成任务元，即任务规划中最小的任务单元；

任务整形功能子模块，用于拒绝掉网络不能完成的任务元，构建任务流。

进一步，所述任务规划模块包括冲突分析子模块和任务与资源匹配子模块。

具体实现步骤如下：

冲突分析子模块，用于从资源层获得网络中现有资源的状态，分析网络中现有资源的冲突情况，并利用资源时变冲突图完成对网络中现有资源的冲突情况的表征；在资源时变冲突图上，根据任务需求利用独立集算法寻找资源时变无冲突图，获得无冲突调度的资源组合；

资源匹配子模块，用于在资源时变无冲突图上利用最大流算法，寻找任务与资源匹配的最佳方式，根据得到的任务与资源的匹配方式，生成相应的动作序列，形成动作流。

本发明的另一目的在于提供一种所述任务驱动的可重构空间信息网络系统的任务驱动的可重构空间信息网络方法，所述任务驱动的可重构空间信息网络方法包括：

天链控制中心、测控中心、控管中心及多个运管中心获得任务输入，产生任务；

将网络中最初的任务请求整形成可能能被当前网络资源执行的任务元，构建任务流；利用资源时变图表征资源时变关系以及不同资源之间的耦合关系，进而构建任务流，在任务流和任务流的基础上，通过任务与资源匹配算法，求得网络中具体资源对应的操作，形成动作流；

利用资源虚拟化技术，形成资源池，同时提供传输通道。

进一步包括：任务要素的提取，任务的拆分和聚合及整形。

进一步包括：

(1)根据任务需求划分任务属性，判断任务属于观测任务、通信任务、导航任务；为不同的任务属性，定义任务的关键属性的关键因素；

(2)根据任务属性的分析结果判断该任务所需的具体网络资源，根据任务所需网络资源，将一个不能被一个卫星独立完成的复杂任务根据其成像仪幅宽和卫星观测角需求拆分为多个可独立进行的元任务，分解到多个卫星上进行协同完成任务；

(3)根据任务所需网络资源，将有相近需求的小任务根据其任务需求如观测目标区域、优先级及可行观测窗口，合并成一个元任务，集中到一颗卫星上进行。

进一步包括：

(1)检查任务元需求的资源；

(2)释放优化算法的约束，应用快速任务规划算法，寻找被网络以很小概率完成的任务元，拒绝这些任务元；

(3)剩余的任务元即当前网络可能能完成的任务元，由任务组构成一个任务整形之后的任务元请求集合，从而构建任务流。

进一步，所述资源表征的实现步骤如下：

(1)利用资源虚拟化将网络中所有节点资源虚拟到一个资源池中；

(2)通过星上传感器感知资源池中资源的关键要素状态；

(3)利用时间扩展图构造资源时变图，表征网络中的资源状态以及不同时间上资源的关系，进而构建资源流。

利用冲突图和图论中的最大流算法构建上述的重构控制器中的任务规划模块，该模块包括冲突分析子模块和任务与资源匹配子模块。

进一步包括：

(1)基于资源表征模块得到的资源时变图构造资源时变冲突图，建模网络中资源调度的冲突关系，基于资源冲突分析的方法，实现冲突分析；

(2)在资源时变冲突图上，根据任务需求利用独立集算法寻找资源时变无冲突图，获得无冲突调度的资源组合；

(3)在资源时变无冲突图上利用最大流算法，寻找任务与资源匹配的最佳方式，得到任务规划方案，实现任务与资源匹配；

(4)将得到的任务规划方案递交给资源层，生成相应的资源动作序列，形成动作流。

本发明的优点及积极效果为：应用层获得任务的输入，实现任务的产生；资源层提供具体物理资源实体；控制层要形成任务与资源匹配的结果，实现任务流与资源流的匹配，进而形成具体的动作流。根据空间信息网络任务特点进行任务要素进行提取，对不同任务需求进行分析，实现多任务的聚类与整形，并形成任务元，构建任务流。对空间信息网络资源特性进行分析，设计资源表征模块，完成资源状态的感知和表征，资源机动与重构，构建资源表征图，形成资源流，最终实现任务流与资源流的有效匹配，形成动作流。

本发明通过在控制层增加全局重构器，实现全网任务的统一规划，通过全局资源重构器，从而实现全网资源的融合管理。为未来基于任务驱动的空间信息网络提供理论支撑和技术保障，对未来空间信息网络的研究和发展起到引领和推动作用。以有效匹配网络的多维资源与任务需求，解决空间任务的时空连续性保障问题。

技术效果：1)在典型网络任务和参数配置条件下，算法执行时间为几分钟到几十分钟，最长的数据上注时间为几分钟到十几分钟；2)在不改变原有的指令格式，只改变参数的条件下，平均需要45分钟即可完成任务的规划以及指令的上注；3)与NASA算法相比，平均中继卫星天线空转时间从2分钟降至不足1分钟；4)在NASA典型场景下任务完成率从87.5％提高至100％，所有场景下网络的任务完成率最大可提高43％。

附图说明

图1是本发明实施例提供的任务驱动的可重构空间信息网络系统结构示意图；

图中：1、应用层；2、控制层；3、资源层。

图2是本发明实施例提供的网络资源管理架构功能示意图。

图3是本发明所提供的对地观测任务拆分聚合示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明通过设计一个全局重构控制器，实现网络资源统一化管理，为高效的资源分配提供了基础。此外，通过利用资源虚拟化技术形成包括不同独立的卫星系统的资源的资源池，实现资源共享，从而提升资源利用率，进而提升网络任务完成效率。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的任务驱动的可重构空间信息网络资源管理架构包括：应用层1、控制层2及资源层3。

应用层1包括天链控制中心、测控中心、控管中心及多个运管中心，通过这些中心获得各种任务输入，实现任务的产生；

控制层2包括一个全局重构控制器，实现全网任务的统一规划，资源的统一调度，将网络中最初的任务请求整形成可能能被当前网络资源执行的任务元，即任务规划中任务的基本单位，构建任务流，进而通过资源表征模块建模资源池中的资源时变关系以及不同资源之间的耦合关系，构建资源流，在任务流和资源流的基础上，通过任务规划模块中任务与资源匹配算法，求得网络中具体资源对应的操作，形成动作流。

资源层3包括不同轨道的卫星和地面站等，提供底层物力资源实体，例如成像仪、网络交换机、路由器、各种卫星，提供网络资源，如节点内部的观测、存储、计算等资源，利用资源虚拟化技术，形成资源池，同时还提供传输通道，如数据通道和控制通道。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图2所示，本发明的重构控制器包括三个模块：任务元生成模块、资源表征模块以及任务规划模块，其中任务元生成模块实现任务要素的提取，任务的拆分和聚合及整形，构建任务流，资源表征模块实现网络多维资源的表征，构建资源流，任务规划模块实现任务到资源的映射，即完成任务流与资源流的匹配，产生规划方案，进而形成动作流。

重构控制器中的任务元生成模块预处理网络中最初的来自不同用户的任务请求，将这些任务请求整形成任务元，从而构建任务元生成模块，该模块包括任务属性提取功能子模块、任务拆分和聚合功能子模块以及任务整形功能子模块；

任务属性提取功能子模块的具体实现步骤如下：

根据任务需求划分任务属性，判断任务属于观测任务、通信任务、导航任务等等；

为不同的任务属性，定义任务的关键属性的关键因素，例如，对地观测任务包括如下关键要素，观测目标位置、可行观测窗口、最小观测间隔、成像仪类型和分辨率以及任务的优先级，而通信任务的关键因素有带宽、误码率、时延。

如图3所示，任务拆分和聚合功能子模块的具体实现步骤如下：

根据任务属性的分析结果判断该任务所需的具体网络资源，例如卫星颗数以及星载的成像仪类型等；

根据任务所需网络资源，将一个不能被一个卫星独立完成的复杂任务根据其成像仪幅宽和卫星观测角需求拆分为多个可独立进行的元任务，分解到多个卫星上进行协同完成任务，例如图3中的任务3，将其拆分为两个元任务；

根据任务所需网络资源，将有相近需求的小任务根据其任务需求如观测目标区域、优先级及可行观测窗口等，合并成一个元任务，集中到一颗卫星上进行，例如图3中的任务1和任务2，将该两个任务合并成一个元任务。

任务整形功能子模块的具体实现步骤如下：

检查任务元需求的资源，例如分辨率和成像仪类型的需求；

如果该需求不能被当前网络资源满足，则直接拒绝执行该任务元，将该任务元从任务元集合中删除，或者告知该任务元对应的任务发起者修改其任务需求；

释放一些优化算法的约束后，应用快速任务规划算法，寻找被网络以很小概率完成的任务元，从而拒绝这些任务元；

剩余的任务元即当前网络可能能完成的任务元，由这些任务组构成一个任务整形之后的任务请求集合，构建任务流。

利用时间扩展图构造上述的重构控制器中的资源表征模块。

具体实现步骤如下：

利用资源虚拟化技术，将网络中所有资源虚拟到一个资源池中，该资源池中的所有资源均可被网络共享使用；

通过星上传感器感知资源池中资源的关键要素状态，例如剩余电池电量、存储器剩余空间等；

利用时间扩展图构造资源时变图，表征网络中的资源状态以及不同时间上资源的关系，构架资源流。

利用冲突图和图论中的最大流算法构建上述的重构控制器中的任务规划模块，该模块包括冲突分析子模块和任务与资源匹配子模块。

具体实现步骤如下：

本发明实施例提供的任务驱动的可重构空间信息网络方法包括：

(1)基于资源表征模块得到的资源时变图构造资源时变冲突图，建模网络中资源调度的冲突关系，例如观测卫星同时只能观测一个任务目标，如果有两个观测目标需要同一颗观测卫星，则这颗卫星观测该两个观测目标的动作构成冲突关系，基于资源冲突分析的方法，构造冲突分析子模块；

(2)在资源时变冲突图上，根据任务需求利用独立集算法寻找资源时变无冲突图，获得无冲突调度的资源组合；

(3)在资源时变无冲突图上利用最大流算法，寻找任务与资源匹配的最佳方式，形成规划方案，构造任务与资源匹配子模块；

(4)将得到规划方案递交给资源层，生成相应的动作序列，如天线的摆动方式，卫星的机动轨迹等，进而形成动作流，即指导网络实体具体在什么时间执行什么动作的序列。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种任务驱动的可重构空间信息网络资源管理架构，其特征在于，所述任务驱动的可重构空间信息网络资源管理架构包括：

应用层，包括天链控制中心、测控中心、控管中心及多个运管中心，获得各种任务输入，实现任务的产生，构建任务流；

控制层，包括一个全局重构控制器，实现全网任务的统一规划，资源的统一调度，将网络中最初的任务请求整形成可能能被当前网络资源执行的任务元；通过资源表征模块建模资源池中的资源时变关系以及不同资源之间的耦合关系，构建资源流，在任务流和资源流的基础上，通过任务规划模块中任务与资源匹配算法，求得网络中具体资源对应的操作，形成动作流；

资源层，包括不同轨道的卫星和地面站，提供底层物力资源实体，利用资源虚拟化形成资源池，同时提供传输通道；

所述重构控制器包括：

任务元生成模块，用于实现任务要素的提取，任务的拆分和聚合及整形，构建任务流；

资源表征模块，用于实现网络多维资源的表征，构建资源流；

任务规划模块，用于实现任务到资源的映射，产生规划方案，形成动作流。

2.如权利要求1所述的任务驱动的可重构空间信息网络资源管理架构，其特征在于，所述任务元生成模块包括：

任务属性提取功能子模块，用于根据任务需求划分任务属性，判断任务属性，定义任务属性的关键因素；

任务拆分和聚合功能子模块，用于根据任务属性的分析结果将原始任务拆分或聚合形成任务元，即任务规划的基本单元；

任务整形功能子模块，用于检查任务元需求的资源，拒绝掉不可能被成功执行的任务元，进而构建任务流。

3.如权利要求1所述的任务驱动的可重构空间信息网络资源管理架构，其特征在于，所述任务规划模块包括：

冲突分析子模块，用于从资源层获得网络中现有资源的状态，分析网络中现有资源的冲突情况，并利用资源时变冲突图完成对网络中现有资源的冲突情况的表征；在资源时变冲突图上，根据任务需求利用独立集算法寻找资源时变无冲突图，获得无冲突调度的资源组合；

资源匹配子模块，用于在资源时变无冲突图上利用最大流算法，寻找任务与资源匹配的最佳方式，根据得到的任务与资源的匹配方式，生成相应的动作序列，形成动作流。

4.一种如权利要求1所述任务驱动的可重构空间信息网络资源管理架构的任务驱动的可重构空间信息网络方法，其特征在于，所述任务驱动的可重构空间信息网络方法包括：

天链控制中心、测控中心、控管中心及多个运管中心获得任务输入，产生任务；

将网络中最初的任务请求整形成可能能被当前网络资源执行的任务元，构建任务流；利用资源时变图表征资源时变关系以及不同资源之间的耦合关系，构建资源流，在任务流与资源流的基础上，通过任务与资源匹配算法，求得网络中具体资源对应的操作，形成动作流；

利用资源虚拟化技术，形成资源池，同时提供传输通道。

5.如权利要求4所述的任务驱动的可重构空间信息网络方法，其特征在于，进一步包括：任务要素的提取，任务的拆分和聚合及整形。

6.如权利要求5所述的任务驱动的可重构空间信息网络方法，其特征在于，进一步包括：

（1）根据任务需求划分任务属性，判断任务属于观测任务、通信任务、导航任务；为不同的任务属性，定义该任务属性的关键因素；

（2）根据任务属性的分析结果判断该任务所需的具体网络资源，根据任务所需网络资源，将一个不能被一个卫星独立完成的复杂任务根据其成像仪幅宽和卫星观测角需求拆分为多个可独立进行的元任务，分解到多个卫星上进行协同完成任务；

（3）根据任务所需网络资源，将有相近需求的小任务根据其任务需求如观测目标区域、优先级及可行观测窗口，合并成一个元任务，集中到一颗卫星上进行。

7.如权利要求5所述的任务驱动的可重构空间信息网络方法，其特征在于，进一步包括：

（1）检查任务元需求的资源；

（2）释放优化算法的约束，应用快速任务规划算法，寻找被网络以很小概率完成的任务元，拒绝这些任务元；

（3）剩余的任务元即当前网络可能能完成的任务元，由任务组构成一个任务整形之后的任务元请求集合，构建任务流。

8.如权利要求4所述的任务驱动的可重构空间信息网络方法，其特征在于，所述资源表征的实现步骤如下：

（1）利用资源虚拟化对空间信息网络节点资源进行虚拟化，将网络中所有节点资源虚拟到一个资源池中；

（2）通过星上传感器感知资源池中资源的关键要素状态；

（3）利用时间扩展图构造资源时变图，表征网络中的资源状态以及不同时间上资源的关系，构建资源流。

9.如权利要求4所述的任务驱动的可重构空间信息网络方法，其特征在于，进一步包括：

（1）基于资源表征模块得到的资源时变图构造资源时变冲突图，建模网络中资源调度的冲突关系，基于资源冲突分析的方法，实现冲突分析；

（2）在资源时变冲突图上，根据任务需求利用独立集算法寻找资源时变无冲突图，获得无冲突调度的资源组合；

（3）在资源时变无冲突图上利用最大流算法，寻找任务与资源匹配的最佳方式，形成规划方案，实现任务与资源匹配；

（4）将得到的规划方案递交到资源层，生成相应的资源动作序列，形成动作流。

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