本發(fā)明屬于空間信息技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種空間信息網(wǎng)絡(luò)資源互換方法，可用于空間信息網(wǎng)絡(luò)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，實現(xiàn)用一種相對充裕的資源對某種短缺資源進行補給。

背景技術(shù)：

空間信息網(wǎng)絡(luò)是以高速移動的空間平臺，如同步衛(wèi)星或中、低軌道衛(wèi)星、平流層氣球和有人或無人駕駛飛機等為載體，支持對地觀測、應(yīng)急通信和航天測控等典型應(yīng)用。然而,與傳統(tǒng)地面通信網(wǎng)絡(luò)中用戶移動而網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施固定相比，衛(wèi)星等空間平臺具有高速移動特性，空間信息網(wǎng)絡(luò)中資源具有移動性。這一特性一方面增加了空間信息網(wǎng)絡(luò)中任務(wù)規(guī)劃與資源調(diào)度的復(fù)雜度，另一方面，也為網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量qos保障帶來了極大的挑戰(zhàn)。此外，空間信息網(wǎng)絡(luò)中的資源種類繁多，例如，通信、計算、存儲、觀測等,且數(shù)量有限，網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)雜任務(wù)也往往需要多類資源協(xié)同完成。如何利用資源移動性協(xié)同多類資源完成復(fù)雜的空間任務(wù)是空間信息網(wǎng)絡(luò)中亟待解決的問題。

雖然資源移動性為空間信息網(wǎng)絡(luò)的資源管理帶來了挑戰(zhàn)，但也為網(wǎng)絡(luò)性能的提升提供了機遇。資源移動性使得網(wǎng)絡(luò)中的資源能夠互換，從而使網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸資源可被其它相對充裕的資源補償，即增加了網(wǎng)絡(luò)中不同資源相互協(xié)同的自由度，進而提升了任務(wù)被完成的機會。例如，存儲資源的移動性使衛(wèi)星節(jié)點的存儲器可以攜帶任務(wù)數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)的一個位置移動到另一個位置，這意味著在一定程度上可以使用移動的存儲資源代替通信鏈路，從而實現(xiàn)了存儲資源對通信資源的補給。因此，如何利用空間信息網(wǎng)絡(luò)資源移動性實現(xiàn)多維資源互換，對提升網(wǎng)絡(luò)性能而言，是至關(guān)重要的。

針對空間信息網(wǎng)絡(luò)資源移動性利用的方法研究，目前比較前沿的方法有以下兩種：

第一種是基于“虛擬節(jié)點”和“虛擬拓撲”的資源移動性屏蔽方法，該方法將空間信息網(wǎng)絡(luò)建模成一個靜態(tài)的格形網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上直接應(yīng)用靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的資源管理方法，例如路由、資源調(diào)度方法，從而大大降低了由資源移動性帶來的復(fù)雜度；

第二種則是資源移動性的簡單利用，其與試圖屏蔽移動性的資源管理方法的主要區(qū)別在于，在分配資源時不局限于單個靜態(tài)的快照，而是針對一段時間資源的動態(tài)移動過程做出分配，且在分配過程中考慮到了存儲資源與通信資源的互換，從而實現(xiàn)了對資源移動性的利用。

但是，上述兩種方法僅考慮了通信資源與存儲資源，因此只能針對空間信息網(wǎng)絡(luò)中較為簡單的通信任務(wù)，而在面對需要觀測、通信、計算、存儲等多種資源協(xié)同完成的復(fù)雜任務(wù)以及高移動性的場景時，則無法直接用于現(xiàn)有的空間信息網(wǎng)絡(luò)任務(wù)規(guī)劃。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有方法的不足，提出一種基于資源移動性的空間信息網(wǎng)絡(luò)資源互換方法，以有效協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中的多維資源，進而完成更多的任務(wù)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下：

(1)初始化空間信息網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，觀測衛(wèi)星集合os＝{os1,os2,...,osi,...,osp}，中繼衛(wèi)星集合rs＝{rs1,rs2,...,rsj,...,rsq}，地面站集合gs＝{gs1,gs2,...,gsm,...,gsr}，待觀測目標(biāo)集合ob＝{ob1,ob2,...,obn,...,obs}，其中osi表示第i個觀測衛(wèi)星，i∈[1,p]，rsj表示第j個中繼衛(wèi)星，j∈[1,q]，gsm表示第m個地面站，m∈[1,r]，obn表示第n個待觀測目標(biāo)，n∈[1,s]，p、q、r、s分別為網(wǎng)絡(luò)中觀測衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星、地面站及待觀測目標(biāo)的個數(shù)；

(2)將規(guī)劃周期t劃分為m個等長時隙，每個時隙的長度為：

τ＝t/m,t∈(0,+∞),m∈[1,+∞)；

(3)將步驟(1)中初始化的各種集合導(dǎo)入到satellitetoolkit商用軟件中，根據(jù)該軟件中的星歷表判斷在每個時隙τ內(nèi)，其觀測衛(wèi)星與待觀測目標(biāo)可視關(guān)系、觀測衛(wèi)星與中繼衛(wèi)星的可視關(guān)系及觀測衛(wèi)星與地面站之間的可視關(guān)系，并對這些可視關(guān)系進行記錄；

(4)根據(jù)步驟(3)記錄的可視關(guān)系構(gòu)建資源關(guān)系演進圖；

(5)基于步驟(4)構(gòu)建的資源關(guān)系演進圖定義基于位移矢量的多維資源組合服務(wù)能力度量為其中，為鏈路弧的容量，lrc為該資源組合對應(yīng)的流包含的邊的集合，為起點與終點之間的位移矢量；

(6)定義網(wǎng)絡(luò)中到達的任務(wù)流為m(tsm,tem,dvm,llm,sm,dm)，其中tsm是任務(wù)m最早開始被執(zhí)行的時間，tem是任務(wù)m最晚被成功執(zhí)行的時間，dvm是任務(wù)m的數(shù)據(jù)量需求，llm是任務(wù)m的源端和目的端的位移矢量，sm是任務(wù)m對應(yīng)的源節(jié)點即觀測點，dm是任務(wù)m對應(yīng)的目的節(jié)點即地面站，定義任務(wù)m的服務(wù)能力需求dcm為dcm＝dvm·llm；

(7)地面控制中心收集當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源使用狀態(tài)，根據(jù)收集到的網(wǎng)絡(luò)資源使用狀態(tài)定義資源關(guān)系演進圖上的邊對應(yīng)的資源狀態(tài)參量為：其中，為邊剩余的可承載數(shù)據(jù)量大小；

(8)根據(jù)任務(wù)m需求及每種單一資源的資源狀態(tài)參量構(gòu)建基于權(quán)重資源的等效資源組合尋找圖g；

(9)在基于權(quán)重資源的等效資源組合尋找圖g上利用圖論中的最短路徑算法，尋找虛擬節(jié)點vs到vd的最短路徑p，并記錄下該路徑p所對應(yīng)的資源組合rc以及其服務(wù)能力bm·llm，計算任務(wù)m的服務(wù)能力需求：dcm＝dvm·llm，將bm·llm與dcm進行比較：

若bm·llm＜dcm，則執(zhí)行步驟(10)，反之，執(zhí)行步驟(11)；

(10)在基于權(quán)重資源的等效資源組合尋找圖上刪除資源組合rc中數(shù)據(jù)承載量為bm的邊，形成一個新的基于權(quán)重資源的等效資源組合尋找圖g′，更新圖中參量，返回步驟(9)；

(11)將所有記錄的資源組合合并，任務(wù)m的最佳資源組合尋找過程結(jié)束。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：

1)本發(fā)明考慮實際的空間信息網(wǎng)絡(luò)任務(wù)規(guī)劃場景，根據(jù)具體的任務(wù)需求進行網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度，通過利用資源移動性實現(xiàn)資源互換，合理高效的協(xié)同多維網(wǎng)絡(luò)資源，進而提升了網(wǎng)絡(luò)任務(wù)完成率。

2)本發(fā)明考慮了計算資源對網(wǎng)絡(luò)任務(wù)執(zhí)行過程的影響，利用資源關(guān)系演進圖中的觀測、存儲、傳輸和計算弧來刻畫空間信息網(wǎng)絡(luò)中的觀測、存儲、傳輸和資源計算過程，得到基于位移矢量的資源能力度量標(biāo)準，從而能夠準確高效地得出可以完成任務(wù)的合理資源組合。

3)本發(fā)明考慮了任務(wù)的數(shù)據(jù)量和時延需求，在資源關(guān)系演進圖的基礎(chǔ)上引入了虛擬節(jié)點概念，進而構(gòu)造基于權(quán)重資源的等效資源組合尋找圖，將滿足任務(wù)時延需求的所有可能資源組合進行標(biāo)記，降低了尋找最佳資源組合過程的復(fù)雜性。

4)本發(fā)明在基于權(quán)重資源的等效資源組合尋找圖的基礎(chǔ)上，提出基于“等效路徑選擇”的移動資源互換方法，將最佳資源組合尋找問題轉(zhuǎn)化為資源關(guān)系演進圖中最優(yōu)路徑求解問題，將抽象問題變得更具體，更易求解。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的實現(xiàn)整體流程圖；

圖2是本發(fā)明中的資源關(guān)系演進圖示意圖；

圖3是本發(fā)明中基于權(quán)重資源的等效資源組合尋找圖示意圖；

圖4是本發(fā)明中尋找等效資源組合的子流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明進行詳細說明，實例僅用于說明本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。

參照圖1，本發(fā)明的實現(xiàn)步驟如下：

步驟1，初始化空間信息網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

(1a)初始化網(wǎng)絡(luò)場景：

初始化觀測衛(wèi)星集合os＝{os1,os2,...,osi,...,osp}，其中osi表示第i個觀測衛(wèi)星，i∈[1,p]，p為網(wǎng)絡(luò)中觀測衛(wèi)星的個數(shù)；

初始化中繼衛(wèi)星集合rs＝{rs1,rs2,...,rsj,...,rsq}，其中rsj表示第j個中繼衛(wèi)星，j∈[1,q]，q為網(wǎng)絡(luò)中中繼衛(wèi)星的個數(shù)；

初始化地面站集合gs＝{gs1,gs2,...,gsm,...,gsr}，其中g(shù)sm表示第m個地面站，m∈[1,r]，n∈[1,s]，r為網(wǎng)絡(luò)中地面站的個數(shù)；

初始化待觀測目標(biāo)集合ob＝{ob1,ob2,...,obn,...,obs}，其中obn表示第n個待觀測目標(biāo)，s為網(wǎng)絡(luò)中待觀測目標(biāo)的個數(shù)；

(1b)初始化網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的地理位置信息；

(1c)給定網(wǎng)絡(luò)資源分配的規(guī)劃周期，將t劃分為m個等長時隙，每個時隙的長度為τ＝t/m,t∈(0,+∞),m∈[1,+∞)。

步驟2，記錄網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的可視關(guān)系。

(2a)將步驟1中初始化的各種參數(shù)導(dǎo)入到satellitetoolkit商用軟件中，根據(jù)該軟件中的星歷表判斷每個時隙τ內(nèi)觀測衛(wèi)星與待觀測目標(biāo)可視關(guān)系，觀測衛(wèi)星與中繼衛(wèi)星的可視關(guān)系，及觀測衛(wèi)星與地面站之間的可視關(guān)系；

(2b)判斷節(jié)點間是否存在可視關(guān)系，如果存在，則將該節(jié)點間的可視關(guān)系參量記為1，反之，則記為0。

步驟3，根據(jù)步驟2記錄的可視關(guān)系構(gòu)建資源關(guān)系演進圖。

參照圖2，本步驟的具體實現(xiàn)如下：

(3a)查看節(jié)點間的可視關(guān)系參量，如果參量值為1，則在資源關(guān)系演進圖相應(yīng)位置添加可視??；

(3b)在觀測衛(wèi)星頂點、中繼衛(wèi)星頂點和地面站頂點的相鄰時隙之間添加存儲弧，用以表征在該時隙內(nèi)衛(wèi)星節(jié)點的存儲能力，為等效資源組合尋找圖中權(quán)重的計算提供參量依據(jù)；

(3c)引入計算虛擬節(jié)點vc，在觀測衛(wèi)星頂點與計算虛擬頂點之間添加計算弧，用于收集被壓縮掉的數(shù)據(jù)量，至此完成對資源關(guān)系演進圖的構(gòu)建。

步驟4，基于步驟3構(gòu)建的資源關(guān)系演進圖，定義基于位移矢量的多維資源組合服務(wù)能力度量。

(4a)定義資源關(guān)系演進圖上兩個點和的空間位移矢量為：其中表示第k個時隙的第i個節(jié)點，表示第m個時隙的第j個節(jié)點，表示第i個節(jié)點vi在第k個時隙的經(jīng)度和緯度，表示第j個節(jié)點vj在第m個時隙的經(jīng)度和緯度；

(4b)在資源關(guān)系演進圖上，定義鏈路弧的容量為節(jié)點vi和節(jié)點vj所對應(yīng)鏈路在k時隙內(nèi)能夠傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量，定義存儲弧的容量為第k個時隙和第k+1個時隙間節(jié)點vi存儲器的大小；

(4c)定義資源關(guān)系演進圖上的任意一條邊上的服務(wù)能力，即單一資源的服務(wù)能力度量為：其中表示鏈路弧的容量；

(4d)定義的單一資源服務(wù)能力進行組合，并對流包含的鏈路弧的容量進行比較，得到資源關(guān)系演進圖上的資源組合服務(wù)能力為：

其中，lrc為該資源組合對應(yīng)的流包含的邊的集合，該流的起點和終點分別為和為起點與終點之間的位移矢量。

步驟5，根據(jù)任務(wù)m的屬性，定義其服務(wù)能力需求dcm。

定義到達的任務(wù)流為m(tsm,tem,dvm,llm,sm,dm)，其中tsm是任務(wù)m最早開始被執(zhí)行的時間，tem是任務(wù)m最晚被成功執(zhí)行的時間，dvm是任務(wù)m的數(shù)據(jù)量需求，llm是任務(wù)m的源端和目的端的位移矢量，sm是任務(wù)m對應(yīng)的源節(jié)點即觀測點，dm是任務(wù)m對應(yīng)的目的節(jié)點即地面站，將任務(wù)m的服務(wù)能力需求記為dcm，其中dcm＝dvm·llm。

步驟6，地面控制中心收集當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源使用狀態(tài)，定義資源狀態(tài)參量

(6a)星上傳感器感知其當(dāng)前資源使用狀態(tài)，并將其回傳到地面控制中心，地面控制中心收集這些資源使用狀態(tài)，獲取資源的剩余量，例如，資源關(guān)系演進圖上的邊對應(yīng)的剩余資源即剩余的可承載數(shù)據(jù)量大小記為

(6b)根據(jù)收集到的網(wǎng)絡(luò)資源使用狀態(tài)，定義資源關(guān)系演進圖上的邊對應(yīng)的資源狀態(tài)參量為：其中，為邊剩余的可承載數(shù)據(jù)量大小。

步驟7，在資源關(guān)系演進圖的上引入兩個虛擬節(jié)點vs和vd，并根據(jù)任務(wù)m需求及每種單一資源的資源狀態(tài)參量構(gòu)建基于權(quán)重資源的等效資源組合尋找圖g。

參照圖3，本步驟的具體實現(xiàn)如下：

(7a)將資源關(guān)系演進圖中的弧的權(quán)重設(shè)置為其對應(yīng)資源的資源狀態(tài)參量的值構(gòu)成一個初始的基于權(quán)重資源的等效資源組合尋找圖gp；

(7b)在gp圖的基礎(chǔ)上引入兩個虛擬節(jié)點vs和vd，并添加vs到等效源節(jié)點的弧和vd到等效目的節(jié)點的弧，將這些新添加的弧的集合記為lv，其中等效源節(jié)點是滿足任務(wù)m時延需求的時隙到時隙所對應(yīng)的所有源節(jié)點sm，等效目的節(jié)點是滿足任務(wù)m時延需求的時隙到時隙所對應(yīng)的所有目的節(jié)點dm；

(7c)將gp圖上屬于集合lv的弧的權(quán)重設(shè)置為0，構(gòu)建的新圖則記為基于權(quán)重資源的等效資源組合尋找圖g。

步驟8，在基于權(quán)重資源的等效資源組合尋找圖g上尋找滿足任務(wù)m的服務(wù)能力需求的最佳資源組合。

參照圖4，本步驟的具體實現(xiàn)如下：

(8a)在基于權(quán)重資源的等效資源組合尋找圖g上利用圖論中的最短路徑算法，尋找虛擬節(jié)點vs到vd的最短路徑p；

(8b)記錄下該最短路徑p所對應(yīng)的資源組合rc以及其服務(wù)能力bm·llm，其中bm為最短路徑p所包含的邊中剩余承載數(shù)據(jù)量最小的邊，即

(8c)判斷最短路徑p所對應(yīng)的資源組合rc的服務(wù)能力bm·llm與任務(wù)m的服務(wù)能力需求dcm的大小關(guān)系，其中dcm＝dvm·llm，若bm·llm≥dcm，則執(zhí)行步驟9，反之，若bm·llm＜dcm，執(zhí)行步驟10。

步驟9，在基于權(quán)重資源的等效資源組合尋找圖g上刪除資源組合rc中數(shù)據(jù)承載量為bm的邊，形成一個新的基于權(quán)重資源的等效資源組合尋找圖g′，更新相關(guān)參量。

(9a)令g＝g′，更新g中最短路徑p包含的任意一條邊l對應(yīng)的資源所剩余的數(shù)據(jù)承載量為bl＝bl-bm，其中

(9b)根據(jù)當(dāng)前資源剩余量bl，利用步驟(6b)中的資源狀態(tài)參量計算方法重新計算當(dāng)前g中最短路徑p包含的任意一條邊l對應(yīng)的資源的權(quán)重，更新g中對應(yīng)邊的權(quán)重；

(9c)更新任務(wù)m的服務(wù)能力需求dcm，使得dcm＝dcm-bm·llm，返回步驟8；

步驟10，將所有記錄的資源組合合并，形成可以完成任務(wù)m的資源組合，整個尋找最佳資源組合的過程結(jié)束。

以上描述僅是本發(fā)明的一個具體實例，顯然對于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，在了解了本發(fā)明內(nèi)容和原理后，都可能在不背離本發(fā)明原理、結(jié)構(gòu)的情況下，進行形式和細節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。