緊急狀況下衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸任務(wù)在軌實時規(guī)劃技術(shù)

汪路元 禹霽陽 程博文 劉偉偉 牛躍華

摘 要： 針對在緊急狀況下衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)任務(wù)傳輸?shù)男枨螅岢鲆环N衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸在軌實時規(guī)劃技術(shù)。通過對組網(wǎng)衛(wèi)星當(dāng)前鏈路通路參數(shù)的實時計算，規(guī)劃當(dāng)前緊急信息能夠最快傳輸?shù)穆窂健Ｊ紫?，對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模型建立，將星間鏈路的連接看作時變連接矩陣的拓?fù)淠Ｐ停蝗缓?，通過各節(jié)點的參數(shù)規(guī)劃最小信息傳輸延遲下的數(shù)據(jù)通路；最后，緊急信息任務(wù)根據(jù)當(dāng)前節(jié)點規(guī)劃結(jié)果選擇下一個節(jié)點的最佳傳輸路徑，從而使得傳輸延遲最短。采用在軌各節(jié)點實時動態(tài)規(guī)劃的方式，消除地面對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)交互的延遲及誤判，減少對正常通信業(yè)務(wù)的影響?；谠O(shè)計模型進(jìn)行了硬件電路的實現(xiàn)及實驗，傳輸平均延遲均在秒級，能夠?qū)崟r完成緊急信息傳輸?shù)淖灾魅蝿?wù)規(guī)劃。

關(guān)鍵詞： 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)； 在軌實時規(guī)劃； 時變連接矩陣； FPGA； 傳輸延遲； 緊急信息任務(wù)

中圖分類號： TN958?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）16?0123?04

Abstract： In allusion to the transmission requirement of the satellite network task in emergency circumstances， an on?orbit real?time planning technology for satellite network transmission is proposed. The fastest transmission path of the current urgent information is planned by means of the real?time calculation of the current link channel parameters of networking satellites. The satellite network model is built， and the inter?satellite link connection is regarded as the topological model of the time?varying connection matrix. The data path with the minimum information transmission delay is planned according to the parameters of each node. The best transmission path to next node is selected according to the planning result of the current node for emergency information tasks， so as to make the transmission delay shortest. The on?orbit real?time dynamic planning method for each node is adopted to eliminate satellite network status interaction delays and misjudgments from the ground， so as to reduce the influence on normal communication services. The implementation and experiment of the hardware circuit were carried out based on the designed model. The results show that the average transmission delay of the hardware circuit is in the second?level， and the hardware circuit can complete the autonomous task planning of urgent information transmission in real time.

Keywords： satellite network； on?orbit real?time planning； time?varying connection matrix； FPGA； transmission delay； emergency information task

0 引 言

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠有效地完成災(zāi)害預(yù)報、地面態(tài)勢評估及地理測繪，具備廣泛的覆蓋范圍和應(yīng)用前景，在民用大數(shù)據(jù)社會需求下發(fā)揮著重要作用[1]。但目前衛(wèi)星的任務(wù)完成，主要依靠地面設(shè)計，再通過指令上注的形式，這種方式交互效率低、對測控時間要求也較為嚴(yán)格，因此在使用過程中不免會產(chǎn)生非最優(yōu)解的狀況。特別是在多載荷、任務(wù)量巨大的情況下，新任務(wù)的增加及舊任務(wù)的刪除也會導(dǎo)致整個任務(wù)執(zhí)行的中斷或延遲[2?3]。因此，需要根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自身特點設(shè)計在軌實時任務(wù)規(guī)劃模塊，以保證在軌任務(wù)的有序完成，從而保證衛(wèi)星的好用、易用。

任務(wù)規(guī)劃技術(shù)在衛(wèi)星執(zhí)行任務(wù)過程中，采用搜索的方式來完成一系列觀測任務(wù)的最優(yōu)化指令生成。當(dāng)距離地面站較遠(yuǎn)導(dǎo)致無法直接通信的衛(wèi)星之間不可能直接傳輸?shù)臄?shù)據(jù)[4]，需要考慮各個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸可通信時刻、時間間隔、節(jié)點緩存以及傳輸速率，從而完成最佳路徑的規(guī)劃。傳統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃方法把整個天基網(wǎng)絡(luò)看作是一個旅行商（TSP）優(yōu)化問題，每條邊界代表了節(jié)點間的通路參數(shù)狀態(tài)，通過對最佳路徑搜索來得到最佳路徑[1]。文獻(xiàn)[2]通過把突發(fā)任務(wù)包含在計劃任務(wù)的中斷時隙中，設(shè)計了優(yōu)化的規(guī)劃方法，以此來保證系統(tǒng)的容錯性?；谶@一工作，文獻(xiàn)[3]進(jìn)一步采用演化學(xué)習(xí)來保證任務(wù)執(zhí)行時間的延遲最小。文獻(xiàn)[5]通過考慮任務(wù)之間的接口約束，給出一種任務(wù)規(guī)劃方法。文獻(xiàn)[6]采用傳統(tǒng)的啟發(fā)式搜索方式，設(shè)計多任務(wù)規(guī)劃機(jī)制、任務(wù)中斷機(jī)制和失效機(jī)制來提高執(zhí)行效率。文獻(xiàn)[7]在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上進(jìn)行算法改進(jìn)，并給出規(guī)劃的仿真分析。

無論如何，傳統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃設(shè)計主要以表格查詢方法作為最佳執(zhí)行方式的基礎(chǔ)。但在實際使用過程中，特別是緊急情況下，衛(wèi)星遭受重創(chuàng)時部分通信功能面臨失效或部分失效狀態(tài)，則傳統(tǒng)的表格查詢方法不再適用[8?9]。此外當(dāng)前導(dǎo)航系統(tǒng)在傳輸緊急信息時，一般采用最高優(yōu)先級的方式，但各個節(jié)點仍然按照中繼表格查詢，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延遲仍然可能高達(dá)分鐘級[10]。在這種情況下，顯然需要一種能夠自主在軌判決當(dāng)前星座狀況，且能夠?qū)崟r生成緊急信息傳輸路徑的功能。以往的設(shè)計主要集中在緩存、功耗的優(yōu)化[2?7]，本設(shè)計側(cè)重于在緊急情況下組網(wǎng)星座最佳路徑的搜索。

針對在緊急狀況下衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)任務(wù)傳輸?shù)男枨?，本文提出一種緊急狀況下衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸在軌實時規(guī)劃技術(shù)。通過對組網(wǎng)衛(wèi)星當(dāng)前鏈路通路參數(shù)的實時計算，規(guī)劃當(dāng)前緊急信息能夠最快傳輸?shù)穆窂?，從而實現(xiàn)緊急信息傳輸任務(wù)的實時完成。首先，對組網(wǎng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模型建立，將衛(wèi)星間鏈路的連接看作時變連接矩陣的拓?fù)淠Ｐ?；然后，通過各節(jié)點的參數(shù)規(guī)劃最小信息傳輸延遲下的數(shù)據(jù)通路；最后，緊急信息任務(wù)根據(jù)當(dāng)前節(jié)點規(guī)劃結(jié)果選擇下一個節(jié)點的最佳傳輸路徑，從而使得傳輸延遲最短。由于采用了在軌各節(jié)點實時動態(tài)規(guī)劃的方式，消除了地面對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)交互的延遲及誤判，同時能夠靈活地采用各節(jié)點之間的空余信道，最大限度地減少對正常通信業(yè)務(wù)的影響。相比于以傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分鐘級的數(shù)據(jù)傳輸延遲，本設(shè)計緊急信息的傳輸平均延遲均在秒級，有效地降低了轉(zhuǎn)發(fā)時間?；谠O(shè)計模型進(jìn)行了硬件電路的實現(xiàn)及實驗，整個設(shè)計在FPGA芯片中運(yùn)行，能夠有效地完成緊急信息傳輸?shù)淖灾魅蝿?wù)規(guī)劃。

式中，[Δ]為最小間隔時間。

2 基于FPGA的任務(wù)規(guī)劃實時計算實現(xiàn)架構(gòu)

在硬件實現(xiàn)過程中，綜合考慮體積、功耗、實時性的要求，采用Xilinx公司FPGA芯片Spartan?6 LX45實現(xiàn)整個緊急信息傳輸任務(wù)規(guī)劃計算功能。FPGA內(nèi)部任務(wù)規(guī)劃處理設(shè)計包括內(nèi)總線、狀態(tài)表、寄存器表、路徑表、內(nèi)部塊緩存、處理單元組及狀態(tài)控制模塊。整個實現(xiàn)架構(gòu)如圖1所示。

在緊急狀況下的信息傳輸任務(wù)規(guī)劃計算實現(xiàn)流程包括：搜索開始時，首先設(shè)定[T（X，Y，last）]為無窮大；然后，針對時變連接矩陣進(jìn)行二維搜索計算，考慮FPGA內(nèi)部計算單元的并行性，將可能發(fā)生的跳數(shù)下的傳輸時間、傳輸緩存占用計算進(jìn)行并行計算；對于計算得到的各個跳數(shù)的傳輸時間和緩存占用進(jìn)行整合，得到最終數(shù)據(jù)傳輸時間和緩存占用；最后，判斷數(shù)據(jù)傳輸時間和緩存占用是否滿足約束條件，如果滿足則將得到的[T（X，Y）]更新為[T（X，Y，last）]。最終得到的[T（X，Y）]即為最佳傳輸時間，依據(jù)該時間傳輸?shù)穆窂娇梢缘玫阶罴褌鬏斅窂絒ROptimum]，即為需要得到的結(jié)果。

3 實驗結(jié)果與比較分析

試驗過程中各個參數(shù)如下：星間鏈路通斷狀態(tài)[E（i，j）（t）=0或1]，在傳輸過程中通路時間占總時間的0.01，用來模擬緊急情況下的不穩(wěn)定通路鏈接；傳輸速度[V（i，j）（t）]，范圍為0～1 Mbit/s，用來模擬緊急情況下的不穩(wěn)定信道；需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為[L（i，j）（t）]，為5 kbit/s，用來模擬緊急狀況下的緊急信息；各個節(jié)點最大緩存量為[Bk（t）]，[k∈[0，M-1]]，范圍為0～1 MB，用來模擬緊急情況下絕對可用的緩存量；最大跳數(shù)為5。

圖2給出了五節(jié)點下某時刻數(shù)據(jù)傳輸最佳路徑選擇結(jié)果。當(dāng)節(jié)點0產(chǎn)生遙測信息需要傳輸至節(jié)點4時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前只有節(jié)點3可以鏈接成功，啟動數(shù)據(jù)傳輸[R（0，0）→R（0，3）]，節(jié)點3發(fā)現(xiàn)只有節(jié)點2可以傳輸，啟動數(shù)據(jù)傳輸[R（0，3）→R（3，2）]，節(jié)點2接收到數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)無節(jié)點可傳輸，該時刻數(shù)據(jù)在節(jié)點2保存[R（3，2）→R（2，2）]，下一時刻發(fā)現(xiàn)節(jié)點4可以鏈接，于是啟動[R（2，2）→R（2，4）]，結(jié)束。

試驗結(jié)果與文獻(xiàn)[7]進(jìn)行了比較，比較了平均延遲的測試結(jié)果。平均延遲定義為遞交成功的所有數(shù)據(jù)包從源端到目的端的時間之和與總的數(shù)據(jù)包個數(shù)之比。圖3給出了與Spray和Wait Routing算法的平均延遲比較，在2 000 s后SWR的平均延遲可以達(dá)到35 s以上，本設(shè)計的平均延遲小于5 s。因此試驗結(jié)果表明，此設(shè)計本身能夠有效地提高系統(tǒng)在緊急狀況下的傳輸效率。

表1給出FPGA實現(xiàn)的資源占用，可以看到整個緊急狀況下衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)任務(wù)傳輸規(guī)劃占用邏輯資源不超過58%，塊存儲資源不超過80%。

4 結(jié) 語

針對在緊急狀況下衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)任務(wù)傳輸?shù)男枨?，本文提出一種緊急狀況下衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸在軌實時規(guī)劃技術(shù)。通過對組網(wǎng)衛(wèi)星當(dāng)前鏈路通路參數(shù)的實時計算，規(guī)劃當(dāng)前緊急信息能夠最快傳輸?shù)穆窂?，從而實現(xiàn)緊急信息傳輸任務(wù)的實時完成。首先，對組網(wǎng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模型建立，將星間鏈路的連接看作時變連接矩陣的拓?fù)淠Ｐ?；然后，通過各節(jié)點的參數(shù)規(guī)劃最小信息傳輸延遲下的數(shù)據(jù)通路；最后，緊急信息任務(wù)根據(jù)當(dāng)前節(jié)點規(guī)劃結(jié)果選擇下一個節(jié)點的最佳傳輸路徑，從而使得傳輸延遲最短。由于采用了在軌各節(jié)點實時動態(tài)規(guī)劃的方式，消除了地面對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)交互的延遲及誤判，同時能夠靈活地采用各節(jié)點之間的空余信道，最大限度地減少對正常通信業(yè)務(wù)的影響。相比于以傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分鐘級的數(shù)據(jù)傳輸延遲，本設(shè)計緊急信息的傳輸平均延遲均在秒級，有效地降低了轉(zhuǎn)發(fā)時間?；谠O(shè)計模型進(jìn)行了硬件電路的實現(xiàn)及實驗，整個設(shè)計在FPGA芯片中運(yùn)行，能夠有效地完成緊急信息傳輸?shù)淖灾魅蝿?wù)規(guī)劃。

參考文獻(xiàn)

[1] LIN B， LI H， LONG Y. A buffer?limited maximum throughput routing algorithm for satellite network [C]// Proceedings of 22nd International Conference on Telecommunications. Sydney： IEEE， 2015： 378?383.

[2] FRAIRE J A， FERREYRA P A. Assessing DTN architecture reliability for distributed satellite constellations： preliminary results from a case study [C]// Proceedings of IEEE Biennial Congress of Argentina. Bariloche： IEEE， 2014： 564?569.

[3] FRAIRE J， FINOCHIETTO J M. Routing?aware fair contact plan design for predictable delay tolerant networks [J]. Ad hoc networks， 2015， 25： 303?313.

[4] CAINI C， CRUICKSHANK H， FARRELL S， et al. Delay? and disruption?tolerant networking （DTN）： an alternative solution for future satellite networking applications [J]. Proceedings of the IEEE， 2011， 99（11）： 1980?1997.

[5] ?ELIK G， BORST S， WHITING P， et al. Variable frame based max?weight algorithms for networks with switchover delay [C]// Proceedings of IEEE International Symposium on Information Theory. Saint Petersburg： IEEE， 2011： 2537?2541.

[6] WANG Z， WANG H， ZOU G. Analysis of routing algorithm for space delay/disruption tolerant network [J]. Spacecraft engineering， 2013， 22（3）： 62?66.

[7] WANG S， DENG F， CHENG Z， et al. Analysis of routing algorithm for space delay/disruption tolerant network [J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University， 2015， 40（10）： 1312?1316.

[8] YU H Z， BIAN H. Transport model of uniform random hypergraph for low earth orbit networks [J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China， 2014， 43（4）： 607?611.

[9] DAS P， DE T. ECOP： energy conserving postboxes in postbox delay tolerant networks [J]. Procedia computer science， 2015， 57： 952?959.

[10] DENG Y， WANG L， ZAIDI S A R， et al. Artificial?noise aided secure transmission in large scale spectrum sharing networks [J]. IEEE transactions on communications， 2016， 64（5）： 2116?2129.