空间信息网多业务传输优先级算法研究

孙 博，李睿德，孙文静

（北京理工大学通信技术研究所，北京100081）

空间信息网多业务传输优先级算法研究

孙 博，李睿德，孙文静

（北京理工大学通信技术研究所，北京100081）

空间信息网中不同业务对通信速率、存储容量、传输时延及误码率要求差异较大而难以统一，针对如何对不同业务进行优先级确定从而保证QoS需求的问题，提出了一种基于层次分析法的改进TOPSIS算法。在充分考虑空间节点参与业务传输能力的情况下，对不同业务的优先级进行计算并排队，使空间信息网络节点与业务需求达到动态匹配，实现满足不同业务的QoS需求的目标。

空间信息网；服务质量；TOPSIS算法

1 引言

空间信息网是以空间平台（如同步卫星或中、低轨道卫星，平流层气球和有人或无人驾驶飞机等）为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统［1］。空间信息网具有全球覆盖的能力，能够保证高速率传输和较宽的带宽，并支持灵活的、大规模的网络结构［2］。在空间信息网中，有多种类型不同的节点，用于实现不同的功能：宽带大容量通信卫星构成了空间信息网的骨干节点，导航卫星为整个网络提供时空基准，遥感卫星用于信息获取，例如战场环境监测，战场态势感知等。卫星网络通过星际链路与空间各类节点和网络紧密联系，通过星地链路与地面、海事、近空网络有机结合，进行信息的获取、处理和传输［3］。空间网络除了具有地面网络的通信业务外，还有自己的特殊业务，如导航、遥感业务等。其中，通信业务是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，以实现两个或多个地球站之间的通信［4］。导航指采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术。遥感是指利用空间网络进行信息采集，再传递给地面站进行处理，为用户提供资源勘查，环境监测等信息服务。

对多种业务的支持使得空间信息网为接入用户提供QoS（Quality of Service）保证成为了一个极具挑战性的问题。QoS是指网络提供给应用实现正常功能所需的性能保证，它是一个系统的非功能化特征，体现了用户对通信系统提供的服务的满意程度［5］。QoS具体可以量化为传输延迟、抖动、丢包率、带宽、吞吐量、业务可用性等指标［6］。空间信息网络应该能够提供高质量的接入服务和QoS保证，并且其QoS保证必须与卫星网路的特性即拓扑持续动态变化、节点星上载荷能力有限、星际链路传输时延长、时延抖动大相适应［7］，在路由的过程中，每个节点计算各种QoS信息，并根据计算所得来决定是否接纳新的业务请求。现有的路由算法大多采用单个约束条件寻求最优，但在空间信息网中，QoS需求的性能约束条件往往不是单一的［8］，即应该在多约束条件下寻求最优解。并且，在现有的QoS服务中，没有考虑到当星上资源有限但有多项同等优先级业务需要处理时，如何对多业务的优先级进行计算并排序的问题。

针对上述问题，本文提出一种空间信息网多业务传输优先级算法，在多业务情况下，充分考虑空间节点参与业务传输能力，对不同业务的优先级进行计算并排队以满足不同业务的QoS需求。

2 空间信息网业务优先级排序系统设计

不同的业务对空间信息网所提出的服务要求不尽相同，为了对不同业务进行具有区分的QoS服务，需要对这些多种类型多样要求的业务进行优先级排序。本文主要考察空间通信节点的通信速率、存储容量、传输时延以及误码率，以这四种指标作为QoS需求的典型代表。当空间通信节点接收到新的业务请求时，会对业务的不同要求进行动态计算并排序，为区分QoS服务提供前提条件。

2.1空间网络节点业务筛选过程

空间中的卫星以及星地通信链路都是高成本的网络资源［9］，业务服务能力有限，需要充分利用有限的网络资源，根据网络业务需求情况与节点自身资源使用情况，包括多种业务QoS保障的区间范围以及空间节点的资源使用情况对业务进行筛选。借鉴决策理论中的多属性决策，可以使空间网络节点快速智能地判断是否对新的业务请求具有服务能力，以使空间信息网络节点的规模与业务需求达到动态匹配优化，实现使不同业务的QoS服务可以得到基本保障的目的。

本文将结合空间信息网络，利用层次分析法（the Analytic Hierarchy Process，AHP）给出空间信息网络节点业务筛选过程。在下文论述的新业务与正在服务的业务，如不做特别声明，则视为业务人为设定为同一优先级。空间信息网络节点在任意时刻收到新的业务请求后，便对新的业务请求进行匹配判决，即根据新业务需要的QoS保障区间范围分析和空间网络节点自身资源使用情况分析，判断空间信息网络节点是否具有保障新业务QoS的能力，以上可看作初步筛选的过程。具体是将业务需要QoS保障所占用的空间节点资源与空间信息网络节点剩余资源进行一对一地比较，只要空间信息网络节点剩余资源符合新业务QoS保障所需资源，则对新业务进行接收并提供服务；若保障不了则拒绝该业务。其业务选择及排序的过程如图1所示。

初步进行筛选后，若空间信息网络节点接受该业务，则对业务的人为设定优先级进行判断，如果业务的优先级最高且唯一，则服务该业务，否则将对人为设定同等级优先级的业务进行基于TOPSIS（Technique for Order Preference by Similari⁃ty to an Ideal Solution）改进算法的匹配判决。该算法主要考虑新业务需要的QoS保障区间范围和空间网络节点自身资源使用情况，对人为设定同等级优先级的任务进行二次排序，以此得出最后的优先级序列，并输出优先级最高的业务，服务该业务。

2.2基于TOPSIS改进算法的多属性判决

对于空间信息网络业务而言，其业务服务质量要求大多为一个区间范围，并且空间信息网络的业务要求具有一定的动态性，只要空间网络节点可以将对业务的服务要求保证在区间范围内，空间网络节点便可对该业务进行服务，故区间数多属性决策方法适合空间信息网络业务服务要求决策。又考虑到空间信息网络节点的剩余资源与业务要求的匹配问题，传统TOPSIS算法中利用正负理想点进行决策的思想［10］经过改进之后可以很好的应用于新业务与空间网络节点服务的匹配判决。

我们把空间信息网络业务与网络节点的匹配抽象为一个多属性决策问题，并将业务的QoS指标用多属性决策中的属性来表示，设这个多属性决策问题的业务集为，属性集为，业务在属性U下的属性值为从而构成决策矩阵A。其算法如下：

1）规范化决策矩阵

在向量规范化的基础上，根据区间数运算的法则，采用公式（1）～（4）将决策矩阵A转化为规范化矩阵R［11］。

属性值为效益型：

属性值为成本型：

3）确定正负理想点：

基于传统TOPSIS对于正负理想点的概念的诠释［10］，结合业务匹配的需要，此处本文将正理想点定义为网络节点的规范化属性值如式（5）：

其中r0j是对网络节点第j个属性进行规范化后的结果。

（2） 负理想点 v－＝ （v－1，v－2，v－3，…，v－n）T

负理想点即虚拟的最差方案，是离正理想点距离最远的方案，选取时需根据效益型或成本型的不同来进行考虑。

对于效益型来说，属越大越好。故即使对于距离正理想点相同的方案其所代表的实际距离应该是不同的。换句话说，此时小于正理想点的方案要比大于理想点的方案距离更远，即需要对小于方案的距离乘以一个大于1的修正系数α，以体现属性具有效益型的特点。在这里不妨取α＝1．5。

同理，对于成本型来说，将大于正理想点的距离乘以一个修正系数，采用公式（6）～（7）对距离进行修正。

属性值为效益型：

属性值为成本型：

对于同一属性，不同业务的距离cij分别对其上边界和下边界取最大值maxcij，最大值所对应的业务为k。则可得负理想点如式（8）所示：

4）确定每个业务与正负理想点的距离

根据距离的定义式可得业务xi与正负理想点之间的距离分别为式（9）、（10）：

其中i＝1，2，…，m。根据最佳方案即选取既靠近正理想点又远离负理想点的思路，可通过式（11）所示多目标优化模型确定属性权重

进一步，该双目标优化模型可以转化成式（12）所示的单目标优化形式［11］：

将得到的每个属性的权重带入式（9）和式（10），分别计算每一个业务与正负理想点的距离，并根据式（13）得到相对接近度。

6）排列方案的优先次序

将s∗i按照由大到小的顺序排列，排在前面的业务优先服务，为空间信息网络节点接受哪一项具体业务提供依据。

基于以上排序，可对空间信息网络服务的同等级业务进行二次分类，通过多属性决策算法设置不同服务的优先级，在网络发生拥塞时，保证先传输高优先级的业务数据，放弃低优先级的业务数据，如果没有拥塞，则正常传输。

3 仿真与结果分析

在上文设计的基础上，以5项业务同时到达一个空间信息网络节点为例，说明该算法的应用效果。

假设一个空间信息网络节点收到5项业务请求，各项业务人为设定的优先级相同，它们所需要保障的具体要求如表1所示。

表1 各项业务具体参数要求Table 1 Specific parameters of the services require⁃ments

与请求业务所给出的具体参数要求相对应，该网络节点的通信速率、存储容量、延迟时间以及误码率如表2所示。

表2 该空间信息网络节点的具体参数Table 2 Specific parameters of the space information network node

首先，根据表1和表2中的具体参数进行空间信息网络节点资源情况和业务要求的匹配判决。从空间信息网络节点的角度来看，需要判断节点自身是否具有保障新业务所要求的能力，以此来进行初步筛选。经过筛选后，可知5项业务所需要求均能在此节点上得到满足，即该节点可以服务这5项业务。

接下来对于可以服务的业务再进行服务优先级的判决。在该空间信息网络节点上进行基于TOPSIS改进算法的多属性判决。其中需要考虑通信速率、存储容量、延迟时间和误码率四种属性。前两者为效益型属性，而后两者延迟时间和误码率为成本型属性。为了解决该决策判决问题，可按照前述的计算步骤进行。

首先根据式（1）～（4），计算出其规范化决策矩阵。根据对正负理想点的修正定义，可直接得到正理想点的值，即网络节点的规范化属性值。并进一步根据式（6）和式（7）得到负理想点。再利用MATLAB求解二次规划问题，得到对于该空间信息网络节点的属性权重如表3所示：

表3 该空间信息网络节点的属性权重Table 3 Attributes weight of the space information net⁃work node

各项业务距正、负理想点的距离如表4所示：

表4 业务距正、负理想点的距离Table 4 Distance between services and the positive ideal point and negative ideal point

最后，根据式（13）求解相对接近度，给出空间信息网络节点业务排序的结果，如图2所示。

将各项业务的相对接近度按照由大到小的顺序排列，排在前面的业务优先服务，该空间信息网络节点的服务顺序为：业务3，业务4，业务1，业务2，业务5。

为进一步说明本算法效果，方便对空间信息网络节点与业务要求匹配进行评判，如果空间信息网络节点与目前多个业务的某一项要求（如通信速率、存储容量、延迟时间、误码率）最佳匹配，则将最佳匹配业务的某项要求设为1，其他次优匹配项则向该最优匹配项进行折算，以此进行归一化衡量。图3呈现了按时间到达顺序和按本算法顺序对同等级业务进行服务的网络服务性能情况的对比。

由上图可见，使用本算法对多个业务进行排序使空间信息网络节点在通信速率、延迟时间和误码率三个方面的业务需求满足情况都优于按业务时间到达顺序的算法，只有在存储容量方面的业务需求满足情况较按时间到达顺序的算法有些差距。但总体来看，本算法比按业务时间到达顺序算法对业务需求的满足情况更优。综上可知，按照到达时间对业务进行排序会导致节点资源不能被最大程度的利用，也不能有效控制传输时延和误码率，而空间信息网多业务传输优先级算法可根据网络业务需求情况与节点自身可提供服务情况对同等级业务进行排序，得出优先级序列，使空间信息网络节点与业务需求达到动态匹配，保障不同业务QoS服务。

4 结论

本文设计的空间信息网络保障不同业务QoS服务的总体框架和基于TOPSIS改进算法的多属性判决实现步骤，在保证通用性和灵活性的基础上，可根据网络业务需求情况与节点可提供服务情况，使空间信息网络节点可提供的服务与业务需求达到动态匹配优化，实现了不同业务QoS服务可以得到基本保障的目的。

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（责任编辑：龙晋伟）

Multi Services Transmission Priority Algorithm for Space Information Network

SUN Bo，LI Ruide，SUN Wenjing

（Research Institute of Communication Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

It is difficult to unify the requirements on the communication rate，the storage capacity，the transmission delay and the bit error rate for the different services in space information network. Consequently，an improved TOPSIS algorithm based on analytic hierarchy process was proposed so as to guarantee the quality of service（QoS）requirements by determining the priorities of various services.The algorithm proposed could calculate and arrange the priorities of different services with adequate consideration of the node’s capability to participate in the service transmission.Thus，the space information network node could dynamically match the service requirements and achieve the goal of satisfying diverse QoS requirements.

space information network；quality of service（QoS）；TOPSIS

TN915.02；N 945.25

：A

：1674⁃5825（2017）02⁃0279⁃06

2016⁃07⁃21；

2017⁃03⁃02

载人航天预先研究项目（060501）

孙博，女，硕士研究生，研究方向为通信与信息工程。E⁃mail：sunbo19930629＠126.com