[发明专利]一种任务驱动的可重构空间信息网络资源管理架构及方法

说明书

本发明属于空间信息技术领域，公开了一种任务驱动的可重构空间信息网络资源管理架构及方法，将多个不共享的地面站的控制管理能力进行集中，在管控中心构建具有全局动态管控能力的网络重构控制器；通过任务管控中心、地面控制链路以及空中控制链路的有效协作，构建可重构的资源管理架构；控制命令则由重构控制器实时产生，并通过光纤链路和星地链路传递至switch。应用层获得各种任务输入，实现任务的产生；控制层，实现全网任务的统一规划，资源的统一调度；资源层利用资源虚拟化技术，形成资源池，同时提供传输通道。本发明为未来基于任务驱动的空间信息网络提供理论支撑和技术保障，对未来空间信息网络的研究和发展起到引领和推动作用。

技术领域

本发明属于空间信息技术领域，尤其涉及一种任务驱动的可重构空间信息网络资源管理架构及方法。

背景技术

空间信息网络是以空间平台(高、中、低轨道卫星、平流层气球以及航天器等)为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统，进而保障远洋航行、应急救援、导航定位、航空运输、航天测控等重大应用需求，从而将人类科学、文化、生产活动拓展至空间、远洋、乃至深空。其发展过程经历了由孤立封闭到互联互通，由早期的以地面测控站为骨干网的卫星地面测控网到天基网的过程，最终走向了开放、互连、互通的空间信息网络。然而,由于空间信息网络节点类型多样、能力差异大、技术体制不一，不同卫星系统的协议体系相对独立(例如对地观测和深空探测协议彼此独立)，同时任务与系统存在紧耦合关系，这导致网络呈现封闭、分裂的态势。随着任务需求的爆发式增长和新型任务种类的不断涌现，现有封闭、隔离式的网络架构的弊病逐渐凸显，因此亟待提出新型的空间网络体系架构，使得网络可以随任务驱动实现自适应地动态重构。虚拟化(virtualization)是一种对资源进行抽象模拟的技术，其将物理资源按照功能归类，然后经过接口封装，实现同类资源的有效聚合，将成为未来空间信息网络架构的发展趋势。很多国家都积极推动该方向的研究，其中美国成立了CABO研究组、FIND研究组、GENI研究组和OpenFlow研究组；欧盟也启动了FP7项目，FP7设立很多子项目重点解决不同问题，如FIRE5和4WARD6。国际标准化组织3GPP的系统架构工作组已经开展符合技术演进的虚拟化架构—无线接入网共享增强(RSE)。但是，上述虚拟化技术都是针对地面无线网络提出和量身定制的，它不能直接移植到空间信息网络中，这主要由于空间信息网络具备其独特属性：首先，空间网络节点高动态变化、网络时空行为复杂，这使得网络的拓扑结构呈现高动态变化，这种高动态既包括卫星节点的可预测变化，也包括航天器等节点的部分随机变化；其次，空间信息网络的任务有着鲜明的特性，例如，对地观测任务的传输需要大容量、高速、高可靠支持，且是单向执行的，而观测任务的执行时间窗口也非常有限，它受到天线倾角、节点位置等因素的影响。因此，如何将网络虚拟化的思想引入到空间信息网络中，重新定义并设计网络架构，已成为未来空间信息网络的重要发展方向。

在2015年IEEE Communication Magazine的3月刊中，Lionel Bertaux等人分析了网络虚拟化和软件定义网络技术在空间信息网络中的应用潜力，并给出了几个特例来说明这些技术如何提升网络的性能。但是，他们没有给出统一的虚拟化体系架构来指导空间信息网络的设计。在2017年IEEE Wireless Communication Magazine的8月刊中，我们提出一种柔性可重构的宽带卫星网络管理架构，主要通过在基带物理网络中嵌入多个独立的虚拟网络，从而使得异构网络融合实现资源共享。但是，在该工作中，我们没有着重分析任务特性，没有给出任务驱动的管理架构的概念，而空间信息网络中不同任务类型有着鲜明的特征。因此，如何利用网络虚拟化、软件定义网络等技术来重新定义和设计空间信息网络资源管理架构，使其能够随空间网络任务结构和特性动态重构，实现网络中的通信、计算、存储等资源融合共享，已成为未来空间信息网络架构设计的关键。