基于资源平衡的分布式星群网络连接接入策略*

冯建新，李秦锋，刘治国，张自敬

（1.大连大学信息工程学院，辽宁　大连　116622；2.通信网络与信息处理重点实验室，辽宁　大连　116622）



基于资源平衡的分布式星群网络连接接入策略*

冯建新1，2，李秦锋1，2，刘治国1，2，张自敬1，2

（1.大连大学信息工程学院，辽宁大连116622；2.通信网络与信息处理重点实验室，辽宁大连116622）

摘要：针对现有卫星网络接入策略未能充分考虑卫星资源以及合理确定卫星资源权重问题，提出了一种基于资源平衡的星群网络连接接入策略。该策略充分考虑卫星的多种资源建立卫星资源评价模型，利用移动代理技术，采用层次分析法和熵值法计算各卫星资源的主观和客观权重，并通过Kullback散度权重优化方法对主客观权重进行平衡处理，判决过程兼顾了卫星的综合性能水平和用户偏好，提高了接入的准确性和合理性。仿真结果表明，采用该接入策略，有效改善了新呼叫阻塞率和强制中断率。

关键词：星群网络，连接接入策略，资源平衡，层次分析法，熵值法

0　引言

随着卫星通信技术的发展以及应用需求的不断增加，分布式星群网络相比单颗大卫星具有重量轻、成本低、研制周期短、机动性好、功能强、安全性好等优点，因此，世界各国相继展开了对分布式星群网络的研究［1-4］。

分布式星群网络连接接入策略是接入方案的重要环节，即如何利用卫星运动规律选择一颗合理的卫星注册。卫星网络连接接入策略对整个卫星网络性能有着极大的影响，如网络的可靠性、网络运行成本、吞吐量［5-6］等。因此，建立一个快速、稳定的连接接入策略有着重要的意义。

在文献［7-8］中提出了最小距离方案（又叫最大仰角方案）。原始呼叫产生时，若多星覆盖当前呼叫，系统将根据信号平均功率强度，首先在距离最近的卫星上寻找空闲信道，有信道则建立连接；无空闲信道则寻找余下覆盖卫星中距离较近者。文献［8-9］中提出最长覆盖时间方案。在呼叫建立时选取可见卫星中对当前呼叫覆盖时间最长的一颗卫星优先接入，当该卫星无空闲信道时，再在余下覆盖卫星中寻找覆盖时间较长者优先接入。文献［10］提出负载均衡的方案。从通信网具有均匀业务分布角度出发，在呼叫建立时选取可见卫星中具有最多空闲信道的卫星接入，从而保证每个卫星具有相同的阻塞率和中断率。

为了克服上述单因素连接接入策略的片面性，陆续提出了多因素下的连接接入策略［11-15］。文献［11］提出信息传输速率和帧差错率限定下信道质量预测接入方案，以期降低雨衰对接入性能的影响。文献［12-13］从既满足长覆盖时间优先的优点，又避免较低仰角带来信道恶化的角度出发，提出了通过对覆盖时间、卫星仰角这两个变量平均加权来实现卫星接入方案。文献［14］从既满足长覆盖时间优先的优点，又减少变轨燃料消耗的角度出发，提出了快速实现卫星接入方案。文献［15］提出了通过对覆盖时间、卫星仰角和空闲信道三个变量主观加权实现卫星接入方案。可见已有多因素连接接入策略选择资源因素不全面，且在求解综合资源权重时只是采用主观或简单的平均方法求解，带来随意性偏差，导致卫星资源利用不均衡，影响星群网络接入质量。

基于以上分析，针对分布式星群网络资源利用不均衡的问题，提出一种基于资源平衡的网络连接接入策略，以期能够进行多资源因素下克服随意性偏差的连接接入。

1卫星资源评价模型建立

为了使星群适应卫星应用类型的多样化，必须对星群网络不同类型的资源进行统一描述。本文将接入距离、卫星负载、剩余带宽、剩余能量、误码率和安全性资源进行统一描述，通过式（1）建立资源评价模型R。

式中wi表示各资源评价因素的权重，且满足∑wi=1。yij为第j颗卫星第i种资源属性的归一化值，n代表星群中卫星总数。Rj即第j颗卫星的可用资源。

为了提高选择最优卫星的合理性与准确性，对卫星资源的权重调整是关键。

2卫星资源权重的求解

2.1卫星资源评价参数规范化

由于星群网络卫星资源无统一标准，为了消除纲量效应和尽量维持各性能参数的变化信息，需要对各评价参数进行规范化处理。卫星资源参数用矩阵进行表示，如式（2）所示。

其中，矩阵X的元素xij代表第j（j=1，...，n）颗卫星的第i（i=1，...，6）种资源参数值。

卫星资源参数分为成本型和效益型，成本型指标值越小越好，效益型指标值越大越好。xi_min=min （xi1，…，xin），xi_max=max（xi1，…，xin）。在考虑6种卫星资源属性中，成本型指标为接入距离和误码率，效益型指标为卫星负载、剩余带宽、卫星剩余能源和安全性，分别采用式（3）和式（4）进行规范化处理。

由此可得归一化后的资源参数矩阵Y如式（5）所示。

2.2主客观求解权重方法的确定

常用的主观赋权法有专家调查法（Delphi法）、层次分析法（AHP法）等，主观赋权方法中权重确定是由专家根据自己的经验和对实际的判断主观给出，因此，排序的最终结果可能存在很大的主观随意性，同时也受到评估专家的知识或经验缺乏的影响。

客观赋权法有熵权法（EM法）和主成分分析法（PCA法）等，客观赋权方法没有考虑主观决策者的主观意向，确定的权重可能与人们的主观愿望或实际情况不一致。容易导致最不重要的指标可能具有较大的权重，而最重要的指标却不一定具有较大的权重。

为了体现评估专家对指标的偏好，又能够兼顾客观信息，使评价的结果更加科学合理，本文采用AHP法求解资源主观权重，EM法求解资源客观权重，进而利用Kullback散度进行权重平衡优化。

2.2.1 AHP法求解资源主观权重

AHP法是通过主观判断确定判决属性权值的有效方法之一，体现了用户的主观喜好和业务要求。AHP法确定主观权重可以分为以下3个步骤。

（1）建立目标卫星选择的层次结构

目标卫星选择的层次结构如图1所示，包括目标层、准则层和方案层。为了达到选择最优接入卫星的目标，现暂定考虑接入距离、卫星负载、剩余带宽、剩余能量、误码率和安全性6种因素作为准则层的考核因素。

图1　目标卫星选择的层次结构

（2）建立判断矩阵

由专家根据自己的经验和对实际的判断主观给出6种属性重要程度。采用五级标度赋值法［16］对属性相互之间进行两两比较，比较标准如表1所示。比较结果构成判断矩阵C=（cij）6×6，判断矩阵如式（6）所示，其中cij表示第i种属性yi相对第j种属性yj的五级标度赋值。

表1　五级标度赋值法方案

本文采用矩阵一致性指标CI与对应的平均随机一致性指标之比进行判断矩阵一致性校验。当CI/RI＜0.1时，认为矩阵满足一致性要求；否则需要对矩阵重新做调整，即重新设置各种属性的重要程度。CI=（λmax-6）/5，式中λmax为矩阵的最大特征根。

（3）主观权重的确定

在确定矩阵满足一致性要求后，采用方根法计算判断矩阵，求得评价参数的权重，如式（7）所示。

按式（8）进行归一化处理后，通过AHP法求得的卫星资源权重向量为α=［α1，…，α6］T。

2.2.2 EM法求解资源客观权重

EM法是一种用来获取客观权重的常用方法，该方法是根据各判决属性传递给决策者的信息量大小来确定各属性的权重。若各相同判决属性之间的差异性越大，信息熵越小，该属性提供的信息量也就越大；反之，该属性提供的信息量越小。EM法求解过程如下。

首先，利用式（9）计算卫星各资源属性的信息熵。

其中，i表示第i种卫星资源参数，j表示第j颗卫星；yij为式（5）中卫星资源属性归一化值；K为常数，为简化计算，取K=1。

然后通过式（10）求解客观权重，最后得客观权重向量为β=［β1，…，β6］T。

2.2.3基于Kullback散度的权重优化

假设各卫星资源属性的综合权重为式（11）所示。

AHP法得到的属性权重反映了用户的主观偏好，EM法求得的属性权重反映了决策的客观真实性。为了兼顾二者，达到主、客观的统一，应使判决属性的主观、客观权重结果偏差越小越好。为此本文以最小化Kullback散度方式建立式（12）所示的优化决策模型。

通过极值理论，构造拉格朗日函数并求导如式（13）。

最后求得组合权重为式（14）。

由式（14）和式（1）联合可得，可选卫星的资源可利用率Rj。对可选卫星资源可利用率进行排序，R*=max{Rj| j=1，…，n}，R*对应的第j颗卫星即为最佳接入目标。

2.3代理实现机制

假设n颗卫星两两可见，采用代理方法进行参数的收集及计算，以剩余能量作为代理移动的判断标准，代理是具有移动性和自主性的移动代理。移动代理的移动支持在异质主机上持续移动。移动代理自主性指移动代理能在没有人或其他代理直接干涉和指导的情况下持续运行，并能控制其内部状态和动作。

首先让代理移动到卫星剩余能量最高的卫星上，由于卫星剩余能量的动态变化，代理可以在不同卫星间进行迁移。为了避免频繁迁移，设定阈值ΔE，当且仅当某卫星的剩余能量与当前代理所在卫星剩余能量之差大于阈值ΔE时触发迁移事件。当接入请求到达时，代理处理请求并计算各卫星资源权重。当请求过多时，则将多余请求交给备用代理进行处理，备用代理位于卫星剩余能量次高的卫星上，保证代理和备用代理位于不同卫星，以提高整个网络的可靠性。

图2　移动代理功能模块

移动代理由通信接口模块、移动代理平台模块和移动代理模块组成，其功能模块如图2所示。移动代理通过通信接口模块访问移动星群网络的物理信道。移动代理平台模块用于安全地传输移动代理。移动代理模块产生一个或多个移动代理，移动代理在移动代理平台模块的支持下决定是继续在本地进行参数收集及计算，还是触发迁移事件实现自身向其他卫星的迁移。

3仿真分析

3.1仿真参数设置

本文与传统的最短距离接入策略［7-8］、最长覆盖时间接入策略［8-9］、负载均衡策略［10］对比，进行了新呼叫阻塞率和强制中断率性能的比较。仿真场景具体参数设置如下：星群内有8颗卫星，分布在两个轨道平面，每个轨道平面4颗卫星，轨道倾角为60°，轨道高度H1=1 390 km，轨道高度H2= 880 km，每颗卫星240个信道，阈值为卫星初始能量的15 ％，分布式星群网络连接示意图如图1所示。

图3　网络连接示意图

新呼叫到达服从独立的泊松分布，同时通信持续时间均服从均值Tm=180 s的负指数分布，在3种不同接入策略下对此系统的新接入呼叫进行仿真，仿真过程记录了系统在进入稳定状态后所有呼叫的服务情况，总的仿真时间为24 h（开始时间：1 Jul 2014 12:00:00.000；结束时间：2 Jul 2014 12:00:00.000）。定义新呼叫阻塞率为被阻塞的新呼叫数与总的新呼叫数之比，强制中断率为强制中断呼叫数与接入的总呼叫数之比。

假设卫星负载服从泊松分布，进而剩余带宽服从泊松分布（假设带宽初始值为常数B0）。卫星能量初始值设置为E0，其能量衰减模型如图4所示。卫星能量降到备用能量E后开始充电，每次放电后卫星的损耗为h，假设卫星充电瞬时完成。

图4　卫星能量衰减模型

8个可供选择的可接入卫星为{S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8}，E0为800 W，E为100 W，h为5 W，B0为100 Mbps。支持语音业务和文本业务。语音业务误码率需求为1×10-4，安全性需求为7/10（安全性需求为1时，表示绝对安全）。文本业务误码率需求为1×10-7，安全性需求为9/10。

3.2仿真结果分析

假设接入星群的新呼叫数量从5个/s～50个/s，对语音业务和文本业务分别进行新呼叫阻塞率、强制中断率的性能仿真。

（1）语音业务

图5　语音业务4种接入策略的呼叫阻塞率仿真图

图6　语音业务4种接入策略的强制中断率仿真图

（2）文本业务

图7　文本业务4种接入策略的呼叫阻塞率仿真图

图8　文本业务4种接入策略的强制中断率仿真图

图5和图7给出了不同业务类型下4种接入策略下初始接入或切换时可选卫星负载已满导致的接入阻塞率与呼叫数量之间的关系。可以看出，当呼叫数小于10次/s时，星群网络负载较轻，到达的每个呼叫基本上都能成功接入到星群网络中，因而4种接入策略的接入阻塞率都很低。当呼叫次数大于13次/s时，负载均衡策略才有呼叫阻塞，呼叫次数大于16次/s时，本文接入策略才有呼叫阻塞，这是备份代理带来的好处。总体来说，相比其他3种接入策略，本文接入策略的呼叫阻塞率有所降低。由于语音业务相比文本业务对实时性要求高，因此，语音业务的呼叫阻塞率要略高于文本业务的呼叫阻塞率。从图6和图8中可以看出，对于语音业务和文本业务强制中断仿真曲线与它们的呼叫阻塞仿真曲线规律一致。

通过仿真过程数据可得由于移动代理技术的采用，本策略处理请求时延略有增加。

4　结论

随着卫星网络应用需求的不断增加，对网络开始提出诸如安全性，资源有效性、QoS保证等多种要求。为了适应需求，本文提出了基于资源平衡的分布式星群网络连接接入策略，考虑多种资源属性，兼顾主、客观资源权重及其优化以保证资源的平衡利用，进一步利用移动代理技术加强资源平衡。并通过仿真说明了该策略的合理性和有效性。

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Connection Access Strategy Based on Resource Balance in Distributed Constellation Network

FENG Jian-xin1，2，LI Qin-feng1，2，LIU Zhi-guo1，2，ZHANG Zi-jing1，2
（1.School of Information Engineering，Dalian University，Dalian 116622，China；2.Key Laboratory of Communication Networks and Information Processing，Dalian 116622，China）

Abstract：The existing access strategies in satellites network can not take full account of the satellites resource and the resource weights，so a connection access strategy based on resource balance for satellites constellation network is proposed in this paper.Multiple satellite resources are considered and a resources evaluation model is made in the strategy.Analytic hierarchy process and entropy method are respectively used to determine the objective and subjective weights of satellite resources.Meanwhile，Kullback divergence is used to balance the weights for the comprehensive performance and the user preferences.With mobile agent technology，the strategy improves the accuracy and practicability of the access control.Simulation results showe that the new call blocking rate and the forced discontinuity rate were reduced obviously.

Key words：constellation network，connection access strategy，resource balance，analytic hierarchy process，Entropy method

作者简介：冯建新（1975－），女，辽宁本溪人，博士，副教授。研究方向：空天信息网络、网络优化。

*基金项目：中央高校基本科研业务基金（22005152）；国家自然科学基金（91338140）；国家“863”基金资助项目（2011AAXXXX）

收稿日期：2015-03-11修回日期：2015-05-17

文章编号：1002-0640（2016）03-0026-05

中图分类号：TN393

文献标识码：A