一种面向天基算力网络的分散式多用户算力路由策略制定方法技术

本发明专利技术公开了一种面向天基算力网络的分散式多用户算力路由策略制定方法，该方法为：首先构建由卫星及功能模块组成的卫星要素网络；然后将用户业务建模为DAG模型，通过将DAG映射到天基算力网络中的对应功能上实现计算策略的确定；接着将不同用户在不同的接入卫星发起业务时的卫星算力资源分配问题建模为分散式势博弈过程，能够在用户损耗最小的情况下，实现多用户算力路由策略的制定；最后通过分散式自学习迭代算法，求解纳什均衡点的映射策略，将此时的策略作为最终天基算力网络中最优算力路由策略。本发明专利技术能够将卫星算力串联起来，实现卫星算力资源的调度，解决了多用户多任务接入卫星算力网络的算力资源抢占冲突问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种面向天基算力网络的分散式多用户算力路由策略制定方法


[0001]本专利技术涉及通信技术的分散式计算
，特别是一种面向天基算力网络的分散式多用户算力路由策略制定方法。

技术介绍

[0002]随着信息技术的不断发展，人们对物联网服务的需求范围不断扩展；从传统的城市场景，逐步扩展至乡村场景，又逐步扩展至传统通信模式无法覆盖的区域。这就意味着，即使身处海洋、沙漠、戈壁、外太空等场景，用户也希望能够得到实时、无缝、高效的物联网服务。为了满足用户不断增长的业务需求，卫星通信作为一种能够提供高效覆盖的通信技术，近年来得到了极大的关注，被视为6G通信技术的核心之一。但是，传统的卫星通信场景中，卫星仅用于数据透明转发，因此用户的物联网业务需要经历：上传卫星——转发地面云中心——结果回传卫星——卫星将结果发回用户等多个步骤，极大的增加了用户业务的服务时延，难以满足用户的业务需求。
[0003]为了解决这一问题，人们提出了“太空计算机”这一概念，试图利用卫星直接为用户提供计算服务，能够极大的降低业务处理时延。但是，由于卫星通常仅具备有限的计算能力和存储能力，易受到太空环境影响而发生错误，且单颗卫星的计算和存储能力偏弱；因此，人们进一步提出了天基算力网络的概念，试图将卫星星座中的多颗卫星联合起来，实现协同计算。其中算力路由技术是算力网络的核心，能够将卫星算力串联起来，实现卫星算力资源的调度。但是由于业务发起卫星不唯一，且卫星数量大，覆盖范围广，难以找到一个控制中心制定算力路由策略，在天基算力网络中实现算力路由面临巨大挑战。传统的路由策略以及卫星协同计算策略都无法适应无中心多用户的卫星场景。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种能够将卫星算力串联起来，实现卫星算力资源的调度的面向天基算力网络的分散式多用户算力路由策略制定方法。
[0005]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种面向天基算力网络的分散式多用户算力路由策略制定方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1、构建由卫星及功能模块组成的卫星要素网络；
[0007]步骤2、将用户业务建模为DAG模型，通过将DAG映射到天基算力网络中的对应功能上实现计算策略的确定；
[0008]步骤3、将不同用户在不同的接入卫星发起业务时的卫星算力资源分配问题建模为分散式势博弈过程，能够在用户损耗最小的情况下，实现多用户算力路由策略的制定；
[0009]步骤4、通过分散式自学习迭代算法，求解纳什均衡点的映射策略，将此时的策略作为最终天基算力网络中最优算力路由策略。
[0010]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)为了精确到卫星上做具有的具体功
能，提出将功能模块抽象化的卫星要素网络，以达到卫星算力资源的抽象化表示，为后续研究用户业务映射提供铺垫；(2)本专利技术采用博弈论的方法，实现多个博弈参与者之间的分散式资源分配，解决了多用户多任务接入卫星算力网络的算力资源抢占冲突问题；(3)为了实现博弈模型的分散式求解，采用了分散式无中心算法能够有效的适应卫星网络的无中心特点，实现算力路由策略制定。
附图说明
[0011]图1是本专利技术面向天基算力网络的分散式多用户算力路由策略制定方法的流程图。
[0012]图2为本专利技术中天基卫星算力网络的架构示意图。
[0013]图3为本专利技术中卫星要素网络的拓扑示意图。
[0014]图4为本专利技术实施例中采用的任务模型的结构示意图。
[0015]图5为本专利技术实施例中三个时隙内低轨卫星网络时间扩展图的模型示意图。
具体实施方式
[0016]下面结合附图和具体实施例，对本专利技术进一步的详细说明。
[0017]结合图1，本专利技术一种面向天基算力网络的分散式多用户算力路由策略制定方法，包括以下步骤：
[0018]步骤1、构建由卫星及功能模块组成的卫星要素网络；
[0019]步骤2、将用户业务建模为DAG模型，通过将DAG映射到天基算力网络中的对应功能上实现计算策略的确定；
[0020]步骤3、将不同用户在不同的接入卫星发起业务时的卫星算力资源分配问题建模为分散式势博弈过程，能够在用户损耗最小的情况下，实现多用户算力路由策略的制定；
[0021]步骤4、通过分散式自学习迭代算法，求解纳什均衡点的映射策略，将此时的策略作为最终天基算力网络中最优算力路由策略。
[0022]作为一种具体示例，步骤1所述构建由卫星及功能模块组成的卫星要素网络，具体如下：
[0023]步骤1.1、通过分析卫星间的连通关系，确定低轨卫星网络拓扑；
[0024]步骤1.2、通过分析卫星上的功能模块分布，确定卫星要素网络拓扑。
[0025]作为一种具体示例，步骤1.1所述通过分析卫星间的连通关系，确定低轨卫星网络拓扑，结合图2，具体如下：
[0026]根据每颗卫星的随时间变化的坐标，计算卫星间距离，并根据星间链路的自由传播损耗，计算得到两卫星间信道的信噪比。通过香农公式得到任意两颗卫星间的信道容量，从而判断星间链路通断：
[0027]以地心为原点建立三维坐标系，任何卫星的坐标都可以用开普勒六大参数P
i
＝{a
i
,e
i
,δ
i
,Ω
i
,ω
i
,f
i
(t)}来确定，其中a
i
为半长轴，e
i
为偏心率，δ
i
为倾角，Ω
i
为升交点赤经，ω
i
为近近地点幅角，f
i
(t)为真近地点角；对于天基算力网络中卫星节点V＝{v1,v2,...,v
m
,...,v
M
}的位置都可以通过三维坐标获得；
[0028]根据自由空间损耗以及香农公式，(v
i
,v
j
)之间的星间链路容量可以表示为：
[0029]C
ij
(t)＝Blog2(1+EN(t))
[0030]其中B为星间链路带宽，EN(t)是随时间变化的信噪比，其值与卫星间的距离有关。设卫星间通信的最低容量为C0，当C
ij
≥C0时，(v
i
,v
j
)之间的星间链路处于连通状态，且链路容量为C0，否则链路处于断开状态。
[0031]因为卫星网络拓扑往往在较短的时间内会发生变化，因此我采用固定时间点t的卫星拓扑来代表一段时间内网络拓扑，我们采用01邻接矩阵L来表示，则矩阵中元素L可以表示为：
[0032][0033][0034]其中C0分别为星间链路连通的容量门限。
[0035]作为一种具体示例，步骤1.2所述通过分析卫星上的功能模块分布，确定卫星要素网络拓扑，结合图3，具体如下：
[0036]要素时空扩展图的节点分为卫星和功能模块，将功能模块抽象为直接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向天基算力网络的分散式多用户算力路由策略制定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、构建由卫星及功能模块组成的卫星要素网络；步骤2、将用户业务建模为DAG模型，通过将DAG映射到天基算力网络中的对应功能上实现计算策略的确定；步骤3、将不同用户在不同的接入卫星发起业务时的卫星算力资源分配问题建模为分散式势博弈过程，能够在用户损耗最小的情况下，实现多用户算力路由策略的制定；步骤4、通过分散式自学习迭代算法，求解纳什均衡点的映射策略，将此时的策略作为最终天基算力网络中最优算力路由策略。2.根据权利要求1所述的面向天基算力网络的分散式多用户算力路由策略制定方法，其特征在于，步骤1所述的构建由卫星及功能模块组成的卫星要素网络，具体如下：步骤1.1、通过分析卫星间的连通关系，确定低轨卫星网络拓扑；步骤1.2、通过分析卫星上的功能模块分布，确定卫星要素网络拓扑。3.根据权利要求2所述的面向天基算力网络的分散式多用户算力路由策略制定方法，其特征在于，步骤1.1所述的通过分析卫星间的连通关系，确定低轨卫星网络拓扑，具体如下：根据每颗卫星的随时间变化的坐标，计算卫星间距离，并根据星间链路的自由传播损耗，计算得到两卫星间信道的信噪比；通过香农公式得到任意两颗卫星间的信道容量，从而判断星间链路通断：以地心为原点建立三维坐标系，任何卫星的坐标都能够用开普勒六大参数P
i
＝{a
i
,e
i
,δ
i
,Ω
i
,ω
i
,f
i
(t)}来确定，其中a
i
为半长轴，e
i
为偏心率，δ
i
为倾角，Ω
i
为升交点赤经，ω
i
为近近地点幅角，f
i
(t)为真近地点角；对于天基算力网络中卫星节点V＝{v1,v2,
…
,v
m
,
…
,v
M
}的位置都能够通过三维坐标获得；根据自由空间损耗以及香农公式，(v
i
,v
j
)之间的星间链路容量表示为：C
ij
(t)＝Blog2(1+EN(t))其中B为星间链路带宽，EN(t)是随时间变化的信噪比，EN(t)的值与卫星间的距离有关；设卫星间通信的最低容量为C0，当C
ij
≥C0时，(v
i
,v
j
)之间的星间链路处于连通状态，且链路容量为C0，否则链路处于断开状态；因为卫星网络拓扑往往在较短的时间内会发生变化，因此采用固定时间点t的卫星拓扑来代表一段时间内网络拓扑，采用01邻接矩阵L来表示，则矩阵中元素L表示为：扑来代表一段时间内网络拓扑，采用01邻接矩阵L来表示，则矩阵中元素L表示为：其中C0分别为星间链路连通的容量门限。4.根据权利要求2所述的面向天基算力网络的分散式多用户算力路由策略制定方法，其特征在于，步骤1.2所述的通过分析卫星上的功能模块分布，确定卫星要素网络拓扑，具
体如下：要素时空扩展图的节点分为卫星和功能模块，将功能模块抽象为直接连接到卫星的节点，由于卫星节点配备的功能模块不随时间改变，因此在讨论要素时无需考虑时隙变化；设卫星网络提供N种功能模块，所有第1≤x≤N,种的功能模块类型表示成数组其中代表卫星v
j
装备的第x类型的功能模块，表示第x类型的功能模块所占卫星v
j
算力资源的比例，因此，卫星网络中的所有功能模块节点均用F＝{f1,f2,
…
,f
N
}表示；基于上述功能模块定义，构建要素卫星网络邻接矩阵其中其中为传输单位任务量的时延，其中为传输单位任务量的时延，其中为计算单位任务量的时延,为功能x在节点v
i
计算资源中占的比值，c
i
为节点v
i
的计算能力；其中0代表从功能到卫星不需要时延。5.根据权利要求1所述的面向天基算力网络的分散式多用户算力路由策略制定方法，其特征在于，步骤2所述的将用户业务建模为DAG模型，通过将DAG映射到天基算力网络中的对应功能上实现计算策略的确定，具体如下：将用户业务建模为DAG模型，通过将DAG映射到天基算力网络中的对应功能上实现计算策略的确定，形成一条将算力资源串联起来的路径，即为一条算力路由；将用户的业务建模为一个DAG模型Φ＝(Ψ,Y)，其中来表示DAG中的节点表示每个子任务，Y是DAG的边代表了不同子任务之间的逻辑关系；根据天计算力网络中路径的只要一个源卫星和一个目的卫星，所以采用的DAG模型均为一个源节点和一个目的节点令Φ＝(Ψ,Y)的任务量为D，的子任务量为D
j
；令表示的父节点，因此需要计算的任务量通过下式表示：
...

【专利技术属性】
技术研发人员：任保全，李洪钧，巩向武，钟旭东，董楠楠，吕嘉正，何吉，胡天柱，
申请(专利权)人：军事科学院系统工程研究院系统总体研究所，
类型：发明
国别省市：