CN114172814B - 一种意图驱动卫星网络资源管理三协模型构建方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星网络通信技术领域，公开了一种意图驱动卫星网络资源管理三协模型构建方法及应用，所述意图驱动卫星网络资源管理三协模型构建方法包括：将用户需求拆分为子意图，构建意图‑资源‑服务的资源管理模型；根据约束条件为意图下发资源状态信息，调整资源结构，求解目标最优化问题；将意图执行结果反馈至管控中心和用户，校验意图完成情况。本发明可以对卫星网络系统意图请求、资源能力、服务性能进行统一化建模，便于对卫星网络系统的资源进行高效管控。同时本发明中研究意图请求与网络资源匹配模型，有利于提升卫星任务规划效率，提高卫星资源利用率。

Description

一种意图驱动卫星网络资源管理三协模型构建方法及应用

技术领域

本发明属于卫星网络通信技术领域，尤其涉及一种意图驱动卫星网络资源管理三协模型构建方法及应用。

背景技术

目前，随着航空航天产业和互联网技术的逐步发展，卫星网络有效弥补了地面网络在覆盖范围、应急保障等方面的不足，在通信服务、导航定位、军事侦察、气象监测等多个领域发挥着举足轻重的作用。然而，卫星网络的发展面临卫星种类复杂、卫星资源受限、资源管理僵化等挑战。由于用户需求和业务类型层出不穷，卫星网络需要在资源受限的情况下满足化服务，因此亟需统筹卫星网络可用资源，协同规划多个并发业务，实现卫星网络中资源随需调度，业务高效规划。

卫星网络具备信息传输、处理、分发等多种功能，同时卫星网络资源多种多样，包含计算资源、存储资源、传输资源、感测资源和导航资源等。通过监测卫星网络资源存在及使用情况，为完成用户意图需求依据不同的优化目标制定差异化策略，并完成相应的资源分配，能够有效的利用网络资源，为用户提供良好的服务，保障用户意图需求的实现。在此过程中，构建良好的资源管理模型可以极大的促进卫星网络资源分配的优化和决策。

针对卫星网络资源管理模型的研究，现有的方法主要面临采用分类管理方式导致系统间统一规划能力较弱，跨系统资源联合任务响应时间长；网络配置时间长，实时收集网络状态和动态管理策略困难，无法支持灵活实时管理；分散式的管理架构和预定的链路分配策略等阻碍了灵活的流量调度，难以应对用户需求变化。上述问题使得意图-资源-服务的全流程管理困难，资源有效利用率低下。其中，意图是一种描述系统状态的声明方式，它从需求的角度抽象出网络的操作对象和功能，可以通过策略映射技术转换为网络策略下放至底层网络执行。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术中采用分类管理方式导致系统间统一规划能力较弱，跨系统资源联合任务响应时间长；网络配置时间长，实时收集网络状态和动态管理策略困难，无法支持灵活实时管理；分散式的管理架构和预定的链路分配策略等阻碍了灵活的流量调度，难以应对用户需求变化；上述问题使得意图-资源-服务的全流程管理困难，资源有效利用率低下。

解决以上问题及缺陷的难度为：卫星网络在管理灵活性和系统协同能力等方面与地面网络发展相比较为滞后。目前没有有机统一的架构实现多样化资源的协同管理。

解决以上问题及缺陷的意义为：提升卫星网络分类管理方式下的资源协同能力，降低意图响应与网络配置时间，支持动态管理网络生成时变策略，支持灵活的流量调度，实时感知用户需求变化。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种意图驱动卫星网络资源管理三协模型构建方法及应用。

本发明是这样实现的，一种意图驱动的卫星网络资源管理三协模型构建方法，所述意图驱动的卫星网络资源管理三协模型构建方法，包括：

步骤一，将用户需求拆分为子意图，构建意图-资源-服务的资源管理模型；

步骤二，根据约束条件为意图下发资源状态信息，调整资源结构，求解目标最优化问题；

步骤三，将意图执行结果反馈至管控中心和用户，校验意图完成情况。

进一步，所述步骤一中，构建意图-资源-服务的资源管理模型，具体过程为：

协调意图规划模块，负责接收来自应用层的意图请求，并对收到的意图请求进行初步分析，完成意图要素的提取并将需要多次执行意图请求划分成具体的子意图；

协同管理机制模块，接收获得的意图要素，将意图要素映射成对卫星网络现有资源的需求，包含通信资源、计算资源、存储资源、感测资源等，并且通过构建虚拟资源实现资源的逻辑表示，整合后形成虚拟资源池的多资源集合，进而支持上层采取集中控制协调的方式进行资源调配，从而支持多系统协同的任务规划；各个子意图分配至不同的卫星，通过把局部资源合理地组合来更好地实现该意图；

协作资源分配模块，通过选择适当的中继卫星，并且对意图代价P_rec进行数学表示，描述选定中继卫星无法满足该意图所需资源时，重新选择中继卫星节点或进行资源重构的代价，协助目的卫星完成意图。

进一步，所述协调意图规划模块协调意图规划过程中意图请求i为实现某一特定目标而采取的一系列网络动作序列，数学表示为五元组形式i＝[ID_i,R_i,T_i,S_i,C_i]；

ID_i表示意图标识，R_i表示意图i需求的资源，T_i表示意图i持续执行的时间，S_i表示执行意图i的卫星节点，C_i表示意图i是否能够拆分为子意图；对于需求资源过大的意图进行拆分，将意图i拆分为子意图集合I，I＝{i₁,i₂,…}。

进一步，所述协同管理机制模块中意图要素对卫星网络现有资源的需求进行数学表示，包含卫星集合R，卫星资源性能A_Rn，卫星资源约束条件C_Rn，具体参数为：

R＝{R₁,R₂,...,R_n}表示卫星集合；

A_Rn＝{a_Rn1,a_Rn2,…}表示卫星n的资源性能集合，其中a_Rn为资源的可用量；

C_Rn＝{c_Rn1,c_Rn2,…}表示卫星n的约束条件集合，包含时间约束、资源约束、优先级约束等。

进一步，所述时间约束为：意图有一定的持续时间，并且该持续时间可能是变化的。

进一步，所述资源约束为执行意图所需资源应不大于当前网络可用资源。

进一步，所述优先级约束为对使用同一资源的意图进行优先级排序，保障特殊任务的完成度。

进一步，所述协作资源分配模块资源分配具体为：

意图即为用户向网络提供的需求，资源即为网络中的节点资源和链路资源等；

服务即为意图和资源的匹配过程，也就是有序的资源序列对意图服务的，达成意图目标的过程；

构建整体目标函数，使意图代价最小化，意图完成的收益最大化，且意图完成时间最小化。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述意图驱动的卫星网络资源管理三协模型构建方法的意图驱动的卫星网络资源管理系统，所述意图驱动的卫星网络资源管理系统，包括：

用户输入模块，用于获取用户意图请求，并将用户请求发送至管控中心，同时可以接收意图执行的反馈结果；

管控中心，用于将输入意图进行转译，通过分析用户需求，根据限制条件将意图转译为资源分配策略；

资源池，用于构建虚拟资源的逻辑表示，形成方便调度的多资源集合；

卫星网络系统，用于执行资源分配策略并将执行结果反馈至管控中心。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述意图驱动的卫星网络资源管理三协模型构建方法构建的意图驱动的卫星网络资源管理三协模型，所述意图驱动的卫星网络资源管理三协模型应用于跨域通信请求业务、对地观测请求业务等场景；

以跨域通信请求为例，此处意图是指用户发起超高清视频内容的通信请求；协调意图规划模块将通信请求分解为客户终端设备、通信网、云数据中心三个资源域的子意图；协同管理机制模块将子意图映射为对各域资源的需求，由各域控制器负责制定域内策略；

协调资源匹配结合网络状况，通过意图-资源-服务模型动态选定合适的中继节点，生成全局最优的策略指导不同资源域互相配合，为跨域通信请求提供高可用与弹性的网络服务支持。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明首次针对卫星网络场景引入意图概念与理论，解决卫星网络资源协同管理问题。本发明提出了一种通用的意图驱动的卫星网络资源管理三协模型及构建方法，可以对卫星网络系统意图请求、资源能力、服务性能进行统一化建模，便于对卫星网络系统的资源进行高效管控。同时本发明中研究意图请求与网络资源匹配模型，有利于提升卫星任务规划效率，提高卫星资源利用率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的意图驱动卫星网络资源管理三协模型的构建方法流程图。

图2是本发明实施例提供的意图驱动卫星网络资源管理三协模型图。

图3是本发明实施例提供的意图驱动卫星网络资源管理三协模型的意图-资源-服务模型图。

图4是本发明实施例提供的意图驱动卫星网络资源管理三协模型的应用示例图。

图5是本发明实施例提供的意图驱动卫星网络资源管理系统图；

图5中：1、用户输入模块；2、管控中心；3、资源池；4、卫星网络系统。

图6是本发明实施例提供的网络意图转译器图。

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。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种意图驱动卫星网络资源管理三协模型构建方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明提供的意图驱动卫星网络资源管理三协模型构建方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的意图驱动卫星网络资源管理三协模型构建方法仅仅是一个具体实施例而已。

如图1所示，本发明实施例提供的意图驱动卫星网络资源管理三协模型构建方法包括以下步骤：

S101：将用户需求拆分为子意图，构建意图-资源-服务的资源管理模型；

S102：根据约束条件为意图下发资源状态信息，调整资源结构，求解目标最优化问题；

S103：将意图执行结果反馈至管控中心和用户，校验意图完成情况。

如图2所示，本发明实施例提供的S101中，构建意图-资源-服务的资源管理模型，具体过程为：

协调(Coordination)意图规划模块，负责接收来自应用层的意图请求，并对收到的意图请求进行初步分析，完成意图要素的提取并将需要多次执行意图请求划分成具体的子意图。

定义意图请求i为实现某一特定目标而采取的一系列网络动作序列，数学表示为五元组形式i＝[ID_i,R_i,T_i,S_i,C_i]。ID_i表示意图标识，R_i表示意图i需求的资源，T_i表示意图i持续执行的时间，S_i表示执行意图的卫星节点，C_i表示意图i是否能够拆分为子意图。对于需求资源过大的意图进行拆分，将意图i拆分为子意图集合I，I＝{i₁,i₂,…}。

协同(Coordination)管理机制模块，接收获得的意图要素，将意图要素映射成对卫星网络现有资源的需求，包含通信资源、计算资源、存储资源、感测资源等，并且通过构建虚拟资源实现资源的逻辑表示，进一步整合后形成虚拟资源池的多资源集合，进而支持上层采取集中控制协调的方式进行资源调配，从而支持多系统协同的任务规划。各个子意图分配至不同的卫星，通过把局部资源合理地组合来更好地实现该意图。

意图要素对卫星网络现有资源的需求进行数学表示，包含卫星集合R，卫星资源性能A_Rn，卫星资源约束条件C_Rn，具体参数为：

R＝{R₁,R₂,...,R_n}表示卫星集合；

A_Rn＝{a_Rn1,a_Rn2,…}表示卫星n的资源性能集合，其中a_Rn为资源的可用量；

C_Rn＝{c_Rn1,c_Rn2,…}表示卫星n的约束条件集合，包含时间约束、资源约束、优先级约束等。

时间约束是指意图有一定的持续时间，并且该持续时间可能是变化的；资源约束是指执行意图所需资源应不大于当前网络可用资源；优先级约束是指对使用同一资源的意图进行优先级排序，保障特殊任务的完成度。

协作(Cooperation)资源分配模块，通过选择适当的中继卫星，并且对意图代价P_rec进行数学表示，描述选定中继卫星无法满足该意图所需资源时，重新选择中继卫星节点或进行资源重构的代价，协助目的卫星完成意图。

如图3所示，协作(Cooperation)资源分配模块构建意图-资源-服务模型求解资源分配具体为：

意图即为用户向网络提供的需求；资源即为网络中的节点资源和链路资源等；服务即为意图和资源的匹配过程，也就是有序的资源序列对意图服务的，达成意图目标的过程；

构建整体目标函数，使意图代价最小化，意图完成的收益最大化，且意图完成时间最小化。

如图4所示，意图驱动的卫星网络资源管理三协模型可以广泛应用于跨域通信请求业务、对地观测请求业务等场景，以跨域通信请求为例，此处意图是指用户发起超高清视频内容的通信请求。

协调意图规划模块将通信请求分解为客户终端设备、通信网、云数据中心三个资源域的子意图；协同管理机制模块将子意图映射为对各域资源的需求，由各域控制器负责制定域内策略；协调资源匹配结合网络状况，通过意图-资源-服务模型动态选定合适的中继节点，生成全局最优的策略指导不同资源域互相配合，为跨域通信请求提供高可用与弹性的网络服务支持。

如图5所示，本发明提供的意图驱动卫星网络资源管理系统包括：

用户输入模块1，用于获取用户意图请求，并将用户请求发送至管控中心，同时可以接收意图执行的反馈结果；

管控中心2，用于将输入意图进行转译，通过分析用户需求，根据限制条件将意图转译为资源分配策略；

资源池3，用于构建虚拟资源的逻辑表示，形成方便调度的多资源集合；

卫星网络系统4，用于执行资源分配策略并将执行结果反馈至管控中心。

下面结合实验对本发明的技术效果作详细的描述。

意图驱动卫星网络可广泛应用于多卫星自动配置、自动运维等方面。

协调意图规划模块不仅能够准确快速识别网络管理员基于专业术语的意图，也可以对自然语言描述的意图自动补充外部有效信息。例如，来自业务应用层的意图为“两小时内观测澳大利亚”。经过协调意图规划模块，得到网络意图如表1所示，协调意图规划模块自动将物理观测范围，以及根据观测经验最常使用的观测精度、空间分辨率、辐射分辨率、影像成图比等信息完善。上述信息可通过反馈至用户进行确认或修正。

表1网络意图五元组

设计网络意图转译器如图6所示，通过用户友好的界面将意图表征的五元组结果反馈至网络管理员或普通用户进行确认，若五元组识别有误，可在用户端进行修正。该反馈机制能够有效提升意图识别的准确率。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种意图驱动的卫星网络资源管理三协模型构建方法，其特征在于，所述意图驱动的卫星网络资源管理三协模型构建方法包括：

步骤一，将用户需求拆分为子意图，构建意图-资源-服务的资源管理模型；

步骤二，根据约束条件为意图下发资源状态信息，调整资源结构，求解目标最优化问题；

步骤三，将意图执行结果反馈至管控中心和用户，校验意图完成情况；

所述步骤一中，构建意图-资源-服务的资源管理模型，具体过程为：

协调意图规划模块，负责接收来自应用层的意图请求，并对收到的意图请求进行初步分析，完成意图要素的提取并将需要多次执行意图请求划分成具体的子意图；

协同管理机制模块，接收获得的意图要素，将意图要素映射成对卫星网络现有资源的需求，包含通信资源、计算资源、存储资源、感测资源，并且通过构建虚拟资源实现资源的逻辑表示，整合后形成虚拟资源池的多资源集合，进而支持上层采取集中控制协调的方式进行资源调配，从而支持多系统协同的任务规划；各个子意图分配至不同的卫星，通过把局部资源合理地组合来更好地实现该意图；

协作资源分配模块，通过选择适当的中继卫星，并且对意图代价P_rec进行数学表示，描述选定中继卫星无法满足该意图所需资源时，重新选择中继卫星节点或进行资源重构的代价，协助目的卫星完成意图；

所述协作资源分配模块资源分配具体为：

意图即为用户向网络提供的需求，资源即为网络中的节点资源和链路资源；

服务即为意图和资源的匹配过程，也就是有序的资源序列对意图服务的，达成意图目标的过程；

构建整体目标函数，使意图代价最小化，意图完成的收益最大化，且意图完成时间最小化。

2.如权利要求1所述意图驱动的卫星网络资源管理三协模型构建方法，其特征在于，所述协调意图规划模块协调意图规划过程中意图请求i为实现某一特定目标而采取的一系列网络动作序列，数学表示为五元组形式i＝[ID_i,R_i,T_i,S_i,C_i]；

ID_i表示意图标识，R_i表示意图i需求的资源，T_i表示意图i持续执行的时间，S_i表示执行意图i的卫星节点，C_i表示意图i是否能够拆分为子意图；对于需求资源过大的意图进行拆分，将意图i拆分为子意图集合I，I＝{i₁,i₂,…}。

3.如权利要求1所述意图驱动的卫星网络资源管理三协模型构建方法，其特征在于，所述协同管理机制模块中意图要素对卫星网络现有资源的需求进行数学表示，包含卫星集合R，卫星资源性能A_Rn，卫星资源约束条件C_Rn，具体参数为：

R＝{R₁,R₂,...,R_n}表示卫星集合；

A_Rn＝{a_Rn1,a_Rn2,…}表示卫星n的资源性能集合，其中a_Rn为资源的可用量；

C_Rn＝{c_Rn1,c_Rn2,…}表示卫星n的约束条件集合，包含时间约束、资源约束、优先级约束。

4.如权利要求3所述意图驱动的卫星网络资源管理三协模型构建方法，其特征在于，所述时间约束为：意图有一定的持续时间，并且该持续时间可能是变化的。

5.如权利要求3所述意图驱动的卫星网络资源管理三协模型构建方法，其特征在于，所述资源约束为执行意图所需资源应不大于当前网络可用资源。

6.如权利要求3所述意图驱动的卫星网络资源管理三协模型构建方法，其特征在于，所述优先级约束为对使用同一资源的意图进行优先级排序，保障特殊任务的完成度。

7.一种实施如权利要求1～6任意一项所述意图驱动的卫星网络资源管理三协模型构建方法的意图驱动的卫星网络资源管理系统，其特征在于，所述意图驱动的卫星网络资源管理系统，包括：

用户输入模块，用于获取用户意图请求，并将用户请求发送至管控中心，同时可以接收意图执行的反馈结果；

管控中心，用于将输入意图进行转译，通过分析用户需求，根据限制条件将意图转译为资源分配策略；

资源池，用于构建虚拟资源的逻辑表示，形成方便调度的多资源集合；

卫星网络系统，用于执行资源分配策略并将执行结果反馈至管控中心。

8.一种利用如权利要求1～6任意一项所述意图驱动的卫星网络资源管理三协模型构建方法构建的意图驱动的卫星网络资源管理三协模型，其特征在于，所述意图驱动的卫星网络资源管理三协模型应用于跨域通信请求业务、对地观测请求业务场景；

在跨域通信请求中，此处意图是指用户发起超高清视频内容的通信请求；协调意图规划模块将通信请求分解为客户终端设备、通信网、云数据中心三个资源域的子意图；协同管理机制模块将子意图映射为对各域资源的需求，由各域控制器负责制定域内策略；

协调资源匹配结合网络状况，通过意图-资源-服务模型动态选定合适的中继节点，生成全局最优的策略指导不同资源域互相配合，为跨域通信请求提供高可用与弹性的网络服务支持。

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