面向任务的空间信息网络体系结构可重组设计

1. 航天工程大学 复杂电子系统仿真实验室，北京 101416 2. 西安电子科技大学 计算机学院，西安 710071 3. 61618部队，北京 100094 4. 武警工程大学 信息工程学院，西安 710000

作为网络理论与空间信息科学交叉发展前沿的空间信息网络已经成为当前的热点研究领域，世界主要航天国家都在积极探索和展开相关方面的研究[1-2]。空间信息网络作为一个复杂巨型网络系统，与其他网络系统相比，具有一些典型特征，如复杂性、异质异构性、动态性、多层性、高维多元性等[3]，这为研究空间信息网络的相关理论和技术带来了巨大的挑战。设想，在未来战场中，如果确定了某次战役的局域范围，则将相应覆盖范围内的空间信息网络的组成装备实体进行快速重组，从而提供所需的信息支援服务，当战役结束后便可进行解构，使其恢复到自然运行状态。基于上述方法，一方面可以缩短整个流程的延时，确保高效地进行信息支援，另一方面可以降低成本，提高网络的利用效率。探究其实质会发现，通常定义的空间信息网络是一个整体，而通过重组后的空间信息网络是其一个子网，是为了实现特定功能，提供特定服务，而在局域范围内实现的结构和功能重现的一种状态。

在互联网领域，关于重组和重构的相关技术有着较多的应用[4]。针对航天器和机器人领域，为了满足不同环境的多重任务需求，学者们又提出可重组模块化的概念，特别是可重构模块化机器人的发展，为可重组模块化航天器的发展起到了促进的作用[5]。而在空间信息网络体系结构设计中还没有公开发表的文献对其进行报道，只是在空间信息网络重大专项研究中对可重组的空间信息网络体系结构研究提出了需求[2]。针对空间信息网络顶层设计和体系结构研究的问题，国内外已经形成了一些研究成果，如美国NASA面向未来的空间网络体系结构[6-7]，欧盟的天基互联网计划ISICOM[8]。中国学者将3D-Mesh[9]网络、分层自治域[10]思想、软件定义网络[11]概念及分布式星群[12]观点等内容引入到空间信息网络的体系结构研究中来，也取得了一些成果，为研究空间信息网络的体系结构提供了新的思路。

NASA面向未来的空间信息网络系统由骨干网、接入网、航天器内网和邻近网络组成，能够很好地满足美国对未来空间通信的需要。基于NASA框架，无需为新出现的任务构建一套新的通信基础设施，能够有效避免重复建设[13]。分层自治域的空间信息网络组网和建模将空间信息网络根据节点属性、链路能力、任务特点、分布区域等划分为一系列的自治域，通过这种划分将整体上最高动态变化的空间信息网络划分为一个个局部动态性变化的子网络，从而提高对空间信息网络的管控效率。基于分布式星群的空间信息网络体系结构是针对骨干节点频率轨位匮乏、卫星平台承载能力弱等问题，通过多星共轨，星间高速互联、分布式自主协同的方式实现构建稳定可靠的空间信息网络。软件定义网络(Software Defined Network，SDN)是一种新型网络创新架构，SDN技术能够有效降低设备负载，协助更好地控制基础设施，降低整体运营成本，成为最具前途的网络技术之一，在空间信息网络领域只是进行了初级探索。

笔者在前期研究中，借鉴以往在军事信息系统上的体系结构描述和建模方法的思想来研究空间信息网络，通过综合应用基于活动[14]的灵活性、跨产品关联性，面向服务[15]的多维共享、灵活可重组等优点，在DODAF2.0的多视图框架支撑实现的基础上，提出了一种改进的空间信息网络体系设计的建模方法——数据即中心(Data as a Center，DaaC)，该方法能够确保所有的基本数据以支持各种各样的分析任务的同时，还确保了体系结构描述中各视图间的协调一致，从不同视角来进行体系结构模型的建立。同时，这种基于DaaC的思想能够充分利用数据资源，也满足当前大数据环境下数据量庞大、数据价值密度低等需求，符合当前及今后的发展趋势[16]。

因空间信息网络是一个较新的概念，上述方法只是对空间信息网络顶层设计和体系结构研究的初步探索，关于可重组的空间信息网络体系结构的研究，目前尚无公开发表的资料对其进行报道和论述。因此，以可重组与重构技术在互联网领域的成功应用为启发，在前期DaaC体系结构建模方法的基础上，本文探索性的提出了一种以任务为牵引的可重组的空间信息网络体系结构模型，以期为新形势下现代化战争中的为满足多重任务的空间信息网络体系结构设计的研究提供一些新的思路和方法。

1 可重组设计

1.1 基本概念

前面给出了空间信息网络的广义概念，为了便于进行后期验证，将空间信息网络的规模控制在有效、适当的范围是后续研究的前提和基础，因此，在空间信息网络广义概念的基础上，结合新时代信息化作战需求，给出了其狭义概念。

定义1 空间信息网络是以卫星系统(同步卫星或中、低轨道卫星，主要负责处理载荷)为主干网络，连接其他信息系统(临近空间的气球或飞机等)或终端(地面站，主要负责控制)，提供一体化侦查、导航、通信等服务，实现通信广播、侦查监视、情报探测、导航定位、导弹预警和气象、水文、地形等战场态势感知的综合信息网络系统。

定义2 空间信息网络重组是指根据具体的任务需求、满足的功能需求和提供的服务需求，对组成空间信息网络的实体进行重新组合的过程。通过重组后，相应的网络称为可重组空间信息网络(Reorganization SINs)，简称为可重组网络(R-SINs)。通常意义论述的空间信息网络是一个集成的、一体化的、实现信息支援的国家基础设施，而面向任务的可重组空间信息网络，其本质是以特定任务需求为牵引而构建的子空间信息网络。

定义3 可重组目标(Reorganization Goal，RG)是指用于指导空间信息网络根据服务需要，通过重组而实现和进入的新状态的蓝本，是指可重组网络具有何种功能，已经重组好的网络各个功能实体如何提供相应的服务，功能实体应服务到何种程度等。

定义4 可重组方案(Reorganization Scheme，RS)是指根据可重组目标，结合所包含的装备实体的具体情形，为了实现特定任务、提供特定服务，针对实体间如何连接，如何相互配合工作而做的具体计划，是用于指导可重组网络的具体组网的指南。

1.2 可重组设计原则

空间信息网络的可重组性是指空间信息网络为完成某一任务而实现的体系结构从一种形式转换为另一种形式的情形，转换前后的两种体系结构不仅在组成成分上不同，实现的功能也不同。同时，转换前后不是简单的排列组合，而是注重其整体能力的体现。结合可重组的特征和空间信息网络在未来战场环境中的发展趋势，在建立空间信息网络可重组体系结构模型时，一方面要保证灵活、可扩展和适用性的优点，另一方面还有遵循以下原则，才能更好地实现其建立体系结构模型。

原则1 松耦合原则。可重组空间信息网络中重组的网络是依据特定功能服务而进行的重组，是依据特定用户业务需求而提供相应的网络服务，所以，其服务和需求是一一对应的，因此这种网络是一种松耦合的模式。

原则2 兼容性原则。可重组的空间信息网络其组成部分包含多种异质异构实体，横跨不同层级，因此，要进行实时的信息支援，必须能实现实时的数据信息共享。因此，实现良好的兼容和融合是保证其实现整体功能的前提和基础。

原则3 隔离性原则。可重组空间信息网络由于其服务对象的不同需要构建的不同的网络，为保证已构建网络能够高效地提供服务，需要将已构建网络与其他各个网络隔离，避免受到其他网络的干扰和影响，即从实现上做到解耦。

原则4 可解构原则。可重组空间信息网络提供某一特定服务是在特定的时间段和特定的局域范围内实现的，待某一服务结束后，已构建网络也就没有了存在的价值。因此，为了避免资源浪费，需要对其进行解构，解构后，又恢复到自然状态，时刻为下一次的可重组做准备。

1.3 可重组设计实现机制

基于第1.1节空间信息网络的概念和第1.2节的设计原则，结合DaaC思路，提出一种可重组网络体系结构模型。可重组模型主要包括两部分核心，即管理层和资源层。管理层是可重组网络的管理中心，资源层是可重组网络资源中心，二者相辅相成，共同完成和实现空间信息网络可重组的任务。

定义5 管理层—可重组网络管理中心(R-SINs Management Center，RMC)，主要负责管理整个可重组网络的构建和构建方式。根据任务需求和上级命令，确定满足服务任务的可重组网络的规模和组成结构，同时，在整个构建过程中负责所相关的指令的发送，包括向数据中心和实体资源池发出构建网络的激励，等待对方响应等。

定义6 资源层—可重组网络资源中心(R-SINs Resource Center，RRC)，包含实体资源池(Entity Resource Pool，ERP)和数据中心(Data Center，DC)两部分，主要用来提供可重组网络所需要的实体资源和数据资源，实体资源池包含空间信息网络所有组成部分的全部内容，在构建可重组网络时，只需要从这个资源池中选择所需的实体资源发挥功能即可。数据中心既包含体系结构设计所需要的实体数据，也包含体系结构构建过程中所产生的新数据。

图1所示为面向任务的可重组网络示意，图中除包含管理中心、实体资源池和数据中心3部分内容外，将数据中心的数据格式进行单独的展示说明。在整个可重组网络的构建过程中，起决定性作用的就是RMC和RRC，这里以图示的方式展示其运行机制，如图2所示。

图1 面向服务的可重组网框架Fig.1 Service-oriented R-SINsframework

图2 可重组网络各模块运行机制Fig.2 Operation mechanism ofR-SINs modules

1)RMC运行机制：可重组网络管理中心作为进行管理和控制的核心，充当大脑的作用，其中也是接受任务/指令的接口。在接受到命令/指令后，根据需求和所要提供的服务制定可重组目标，同时向RRC发送指令，分析可以满足目标需求的数据信息，待RRC完成分析数据后，便可向RRC发送第二条指令，同时接收RRC的回复信息。依据可重组目标，结合已确定的实体资源，制定可重组方案，同时，发送建立连接的指令，在收到可重组网络建立完成的反馈指令的同时，需要对网络提供的功能和指令/任务进行对比分析，从而进一步优化和调整可重组方案，如有需要改进的地方，则重复图2中第⑧～⑩步即可。

2) RRC运行机制：可重组网络资源中心主要提供数据资源和装备实体资源，发挥资源库的作用，一方面具有接受RMC指令的接口，另一方面具有输出可重组网络的接口。将所有描述实体资源的数据汇集在一起，进行有序组织后便形成了数据中心，数据中心对所有实体资源进行编号和详细的数据描述，包含所有实体资源的属性信息和数据。数据中心存储数据的格式在图2中已经具体展示，其本质是一个结构化数据库，包含了所有装备实体资源的数据信息和相应配套的其他数据信息。数据中心是管理中心和实体资源池之间建立连接的中心环节，发挥着桥梁和纽带的作用。

可重组网络主要是在管理层和资源层的协作下，实现面向服务的重组，根据可重组目的，结合可重组方案，通过分析数据中心的数据资源，从实体资源池调度一些相关资源实体最终生成一个能实现特定功能、提供所需服务的空间信息网络。因此，用五元组来定义可重组模型。

定义7 可重组网络体系结构模型(R-SINs Architecture Model，RAM)定义为

MRA=〈RG,RS,RD,RE,RN〉(1)

式中:可重组目标(RG)表示在任务需求的牵引下，对可重组网络构建为何种样式、提供何种服务的一种形式化描述。可重组方案(RS)描述了如何进行构造和重组的整个过程，方案中还包括对可重组网络的优化和调整的过程。可重组功能资源集合包含可重组实体资源(RE)和可重组数据资源(RD)两部分，表示为实现可重组目标，分析符合条件的数据资源，并确定满足需求的实体资源的过程。可重组网络(RN)表示根据既定目标和方案所输出的可重组空间信息网络的雏形，是R-SINs的前身。

1.4 可重组设计实现算法

在前文论述的基础上，为了将理论转化为具体实现，设计了可重组设计实现算法，从而指导后面的验证分析。可重组设计是在已有空间信息网络的基础上针对具体任务进行的结构重组和功能重现，其算法伪代码如下：

algorithm：R-design algorithm

Input： RD,RE,Instructions

Output： R-SINs

1 for input a new Instructions

2 analysis Instructions to determine RG;

3 analysis RG to map RD;

4 analysis RD to match RE;

5 analysis RG and RE to make RS;

6 accordance with RS to connect RE;

7 output RN;

8 end for

9 while the RN not match the R-SINs

10 repeat step 5 and 6;

11 end while

根据伪代码，进一步分析了其算法实现流程，如下所示：

1)针对接收到的上级指令(Instructions)，分析其具体内容，从而确定所需提供信息支援服务的位置(Position)、方位(Orientation)、周期(Period)等指标，进而进行整理和梳理重组需求，进一步制定和拟制重组目标RG；

2)结合所制定的重组目标RG的特征，根据其包含的指标，在数据中心映射能满足需求的可重组数据资源RD，然后，通过选择的数据RD匹配资源池中的可重组实体资源RE；

3)结合重组目标RG和所确定实体资源的特征，制定能满足该项任务的重组连接方案RS，在方案RS的指导下，对所筛选的实体资源RE建立连接，确保能够进行正常的数据信息传输；

4)当前3部分工作都完成后，便可以输出第一版的重组网络RN，通过测试重组网络RN的功能和性能，进而判断存在的不足，反馈重组效果，为下一步优化提供依据；

5)根据反馈效果进行重组网络的优化，判断输出网络是否满足要求，如果不满足，则调整重组方案RS，重复上述步骤，实现重组网络的进一步优化，待满足要求后，则算法结束。

需要指出的是，由于本文是面向任务的体系结构描述和分析，所以在实际操作中，每一次的建立都表示的是一个瞬间状态，不可能一次性就达到所要实现的可重组目标，即根据每一次的重组反馈重复上述所示的各个环节，最终才能实现满足要求的可重组空间信息网络。

2 案例分析

本节基于卫星工具包STK(Satellite Tool Kit)实现了可重组设计的仿真验证，通过进行作战想定，设计一个场景，按照算法流程进行具体实现。

作战想定如下：假设a方欲通过某型弹道导弹对b方军事重地进行袭击，b方实施陆基反导作战活动，而在整个过程中，需要可重组空间信息网络来完成信息支援的任务，上级机关将该指令下发到RMC。按照可重组网络体系结构开发流程，可以得知本次反导作战活动中，空间信息网络全周期提供信息支援(RG)，根据a方导弹可能出现的方向、位置等情形，可以确定空间信息网络将参与战前侦测、早期预警、引导搜索及跟踪等任务。为此，通过分析和筛选满足要求的RD，确定了以下RE将参与本次任务，具体包括侦查卫星A、测绘卫星B、预警卫星C、中继卫星J、雷达跟踪机D、雷达预警机F、空基情报处理中心、地面指控中心，其基本参数信息如表1所示。

表1 基本参数信息

结合重组连接方案RS，进一步给出连接方案的概念演示如图3所示。

图3 支持反导任务的可重组网络概念演示Fig.3 Demonstration of R-SINs for anti-missile

基于STK平台分别实现的2D和3D的可重组空间信息网络演示模型R-SINs，如图4所示。

图4 可重组网络多维演示模型Fig.4 Multi-dimensional demo model of R-SINs

图4(a)从二维平面上展示某一瞬态组成可重组网络的实体运行轨迹和覆盖范围。图4(b)中，星A、星B、星C、星J分别用不同颜色的亮点显示，图示中稍小的绿色亮点代表地面指控中心Lc，机D、机F和空基情报处理中心Nc因受图示截图界面范围有限的限制，因而在图示中未能清晰展示。同时，结合表1和图3中的数据信息传输关系，建立了实体间的连接关系，图示中由绿色实心直线表示。

为了验证本文提出的可重组模型的正确性，我们从复杂性和性能两个角度对该模型进行验证。想定了5个作战方法，其中，组成空间信息网络的实体和链路呈递增趋势，从而分析空间信息网络节点数量和OODA耗时的效率关系，进而定量反应其进行信息支援的效率，分别如表2和图5所示。

如图5所示，分析了在5个既定方案中可重组网络节点数量和连边数量对OODA耗时的影响。从图中可知，随着节点和连边数量的增加，对应的OODA耗时呈现增长趋势，且可重组网络组成结构复杂度不同，节点和连边对其耗时的影响程度也不同。因此，与本文出发点相对应，研究面向任务的空间信息网络体系结构可重组设计对于节约网络资源，节省损耗具有重要的现实意义。

表2 可重组网络效率分析数据列表

3 结束语

空间信息网络体系结构的可重组设计是空间信息网络基础理论和关键技术研究的重要组成部分，虽然现阶段已有关于其体系结构的研究，但是可重组设计应是未来空天一体化信息网络体系结构描述和设计的主流形式，针对在该领域研究的空白，本文给出了一个空间信息网络体系结构可重组设计的一个框架，并开展了相关工作。

1)通过定义基本概念，界定了研究范围，结合可重组的特点，制定了设计原则，并重点分析了可重组设计的实现机制。

2)在可重组网络模型的基础上，设计了实现体系结构可重组设计的算法，并详细论述了算法流程，进而指导可重构设计的具体实现。

3)通过一个典型案例——反导作战活动，对文中的理论方法进行了仿真验证和定性分析，从而也验证了可重构设计方法的有效性和可行性。

然而，文中还存在一些不足有待在下一步研究中加以改善，包括设计原则的完善，实现流程和算法的优化。同时，在模型可行性和有效性验证方面，缺乏定量的分析，这也是课题组下一步需要研究的主要内容。