從2019年開始，隨著我國衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量呈指數(shù)級增長，西安電子科技大學(xué)智能寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)科研團(tuán)隊在國家自然科學(xué)基金企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項目“面向跨域系統(tǒng)的遞階動態(tài)資源調(diào)度理論和方法”（以下簡稱企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項目）的支持下，歷經(jīng)從時變圖、壓縮圖到超圖的理論探索，最終實現(xiàn)了對萬顆衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源的全局表征和智能調(diào)控。

不久前，該項目以優(yōu)異成績通過驗收。

“必須對標(biāo)國家最前沿的發(fā)展需求，不僅要實現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，更要精準(zhǔn)解析其區(qū)別于地面網(wǎng)絡(luò)的空間資源特性，明確能力邊界，實現(xiàn)資源最大化利用?！逼髽I(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項目負(fù)責(zé)人、西安電子科技大學(xué)教授盛敏表示。

作為典型的跨域系統(tǒng)，企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項目取得的科研成果是支撐未來大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的核心技術(shù)，也是全球科技競爭的核心領(lǐng)域。

“我們的技術(shù)精髓，在于通過特定軌道特征就能精準(zhǔn)識別衛(wèi)星資源屬性、出現(xiàn)時機(jī)和運(yùn)行狀態(tài)。”盛敏向記者解釋道。團(tuán)隊還研發(fā)了獨特的仿真驗證系統(tǒng)，可提前診斷衛(wèi)星問題并生成解決方案。

盛敏（右三）與學(xué)生進(jìn)行技術(shù)交流

01

戰(zhàn)略布局 順利立項

盛敏團(tuán)隊自2010年便開啟空間網(wǎng)絡(luò)信息研究，是國內(nèi)乃至國際的先行者。

回顧十余年發(fā)展，團(tuán)隊始終聚焦空間信息網(wǎng)絡(luò)，特別是在多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，從網(wǎng)絡(luò)容量測算到異構(gòu)資源管理，逐步深化至多域協(xié)同層面。

“看到發(fā)布的企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項目指南時，感覺這與我們的研究方向高度契合。”2019年，團(tuán)隊成功申請立項，專注攻克跨域系統(tǒng)資源調(diào)度難題，旨在實現(xiàn)不同功能星座的資源優(yōu)化與區(qū)域協(xié)同。

在企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項目初期，盛敏和團(tuán)隊做了清晰的規(guī)劃，重點解決三個科學(xué)問題：一是空間信息網(wǎng)絡(luò)容量大小，能承載多少信息量、能力邊界在哪里；二是資源有效管理問題，如何將這些資源高效調(diào)度起來，逼近邊界；三是不同資源、不同類型的異構(gòu)衛(wèi)星系統(tǒng)之間的資源管控問題，即跨域資源調(diào)度算法研發(fā)。

盛敏進(jìn)一步舉例：如果一個人具備1分鐘背10個單詞的能力，但由于記憶方式不科學(xué)，導(dǎo)致1分鐘只能背2個，而在不斷強(qiáng)化記憶下，他覺得能記住4個就很好了。但是，如果他知道了自己的能力邊界及影響記憶效率的關(guān)鍵因素，就可以用科學(xué)的方法不斷優(yōu)化自己的學(xué)習(xí)方式，從而逼近10個?！?strong>我們的技術(shù)就是要讓系統(tǒng)資源利用率不斷逼近理論極限。”盛敏解釋道。

面對成像衛(wèi)星資源閑置與傳輸資源短缺并存的現(xiàn)象，團(tuán)隊開創(chuàng)的跨域管理技術(shù)可實現(xiàn)不同物理域資源的智能協(xié)調(diào)，最大化發(fā)揮衛(wèi)星的整體價值。

02

攻堅克難 突破技術(shù)壁壘

然而，企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項目在進(jìn)行過程中面臨種種困難?！?strong>整個技術(shù)攻關(guān)過程就像是黑暗中的探索，無先例可循，全靠持續(xù)學(xué)習(xí)、深度思考和頑強(qiáng)拼搏。”盛敏如此形容研發(fā)歷程。

對此，西安電子科技大學(xué)教授周笛深有感觸?！霸诹㈨椀臅r候，我們覺得技術(shù)方案寫得很清晰，按照理論邏輯是完全能夠?qū)崿F(xiàn)的?！敝艿呀榻B，團(tuán)隊當(dāng)時使用了時間擴(kuò)展圖去刻畫網(wǎng)絡(luò)資源，用表征的方式將衛(wèi)星的資源狀態(tài)清楚羅列。“申請完企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項目就發(fā)現(xiàn)，按照60顆衛(wèi)星的解決思路，已經(jīng)不能滿足前沿技術(shù)發(fā)展了?！敝艿烟寡?，在將理論成果落實到大規(guī)模部署場景時，隨著衛(wèi)星互聯(lián)數(shù)量的增長，遇到了存儲效率瓶頸。

嘗試、失敗，再嘗試、再失敗……

大半年時間過去了，在嘗試了多種方法無果的情況下，周笛偶然在一篇跨學(xué)科的文章中找到思路。

按照衛(wèi)星軌道周期性變化運(yùn)動，如果有100顆衛(wèi)星，星間鏈路連接關(guān)系矩陣的空間是100×100，那么就需要存儲這么大的矩陣來表征星間鏈路狀態(tài)信息。如果網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模再增大，比如有上萬顆星，那么所需要的存儲空間勢必會呈指數(shù)級增長，而衛(wèi)星的存儲資源有限，主要是用來存儲有效數(shù)據(jù)的。周笛利用壓縮感知的理論突破技術(shù)瓶頸，發(fā)現(xiàn)在2000顆衛(wèi)星的規(guī)模下，存儲空間占用相較于傳統(tǒng)的時變圖的方法壓縮千倍以上。

“簡單點說，就是利用衛(wèi)星間的連接關(guān)系矩陣在頻域上的稀疏性以及在空間上的旋轉(zhuǎn)封閉性，設(shè)計出高效的跨域資源稀疏表征模型及算法，實現(xiàn)了低空間復(fù)雜度對大規(guī)模星座的資源精準(zhǔn)表征。”周笛介紹。

團(tuán)隊設(shè)計出了創(chuàng)新框架，其核心是讓這些異構(gòu)的星座通過地面中轉(zhuǎn)以及星間鏈路互聯(lián)互通，用最小的鏈路“成本”，實現(xiàn)星座的高效互聯(lián)。

仿真平臺研發(fā)同樣波折重重?！拔覀冮_始想用一臺計算機(jī)做模擬，但后來發(fā)現(xiàn)根本達(dá)不到1萬顆衛(wèi)星實時模擬的要求，即便是簡化了也不行，最多只能到2000顆?！蔽靼搽娮涌萍即髮W(xué)副教授白衛(wèi)崗表示，盡管他們很快想到了多機(jī)級聯(lián)，但隨后發(fā)現(xiàn)雖然解決了規(guī)模性問題，仿真時長又成了大問題。

他舉例說，改寫代碼里一句話，代價就是重新做一次仿真，但一次仿真就需要3至5天。“這不僅僅是科研問題，對未來整個衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)測試、運(yùn)維也是極大的挑戰(zhàn)。仿真時間效率會導(dǎo)致整個系統(tǒng)看著是好的，但實際并不好用。”

查找文獻(xiàn)、向同行請教、找商業(yè)公司……在做了大量調(diào)研后，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)沒有人能解決這個問題?！跋露Q心，靠自己做！”盛敏說。

基于仿真效率問題的深入分析，團(tuán)隊從兩個關(guān)鍵方向另辟蹊徑：首先，團(tuán)隊通過虛擬分組轉(zhuǎn)移機(jī)制，每個傳輸分組分配一個標(biāo)簽，無論是衛(wèi)星節(jié)點內(nèi)的數(shù)據(jù)傳遞還是衛(wèi)星間的分組交互，都可以在標(biāo)簽傳遞的同時模擬數(shù)據(jù)傳輸過程，讓仿真硬件處理能力集中于仿真過程，而不是數(shù)據(jù)搬移過程。其次，團(tuán)隊利用層次化仿真資源循環(huán)技術(shù)，高效支持時鐘級別的仿真資源并發(fā)操作，有效解決大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)仿真中業(yè)務(wù)突發(fā)強(qiáng)、并發(fā)事件多導(dǎo)致的處理速度問題。解決了關(guān)鍵核心問題后，團(tuán)隊很快設(shè)計出“面向跨域系統(tǒng)的大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真測試系統(tǒng)”。

原來一臺機(jī)器只能做100多顆衛(wèi)星的模擬，現(xiàn)在模擬能力提升兩三千倍?！爸挥邪逊抡嫦到y(tǒng)的資源利用率提升，才能保證規(guī)模化實施?！卑仔l(wèi)崗說。

盛敏團(tuán)隊合影

03

手機(jī)連接衛(wèi)星 即將照進(jìn)現(xiàn)實

如何知道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議在空中好不好用？“大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真測試系統(tǒng)”可以完成這項任務(wù)。

“只要把協(xié)議放在仿真系統(tǒng)中，就能測出吞吐量、時延、故障、恢復(fù)時間等?！卑仔l(wèi)崗介紹，通過該系統(tǒng)做驗證，可以運(yùn)用到衛(wèi)星的前期設(shè)計中，也可以在發(fā)射前進(jìn)行，再也不用等到迭代的時候去修正。

以往，這種驗證大多使用國外的軟件，但在仿真測試的過程中，需要更替語言系統(tǒng)。“國產(chǎn)化后，仿真測試系統(tǒng)的語言跟實物語言體系一致，用起來更方便?！蹦壳埃@套系統(tǒng)已在衛(wèi)星開發(fā)機(jī)構(gòu)中得到驗證。

“仿真效率的提高可以節(jié)省幾個月的時間，不需要花費(fèi)更多時間成本再去迭代?！?/strong>白衛(wèi)崗補(bǔ)充道，這套系統(tǒng)同時支持?jǐn)?shù)字孿生應(yīng)用，通過地面復(fù)現(xiàn)在軌衛(wèi)星狀態(tài)，實現(xiàn)故障提前預(yù)警。其核心在于通過算法預(yù)判系統(tǒng)未來狀態(tài)，與服務(wù)邊界比對后持續(xù)優(yōu)化。

“科研攻堅時期雖困難重重，但團(tuán)隊展現(xiàn)出強(qiáng)大戰(zhàn)斗力，成果超出預(yù)期?！笔⒚舯硎荆壳皥F(tuán)隊已形成從基礎(chǔ)研究到平臺實施的全鏈條創(chuàng)新能力。

盡管該項目主要面向衛(wèi)星建設(shè)和發(fā)展，但普通用戶仍然可以期待。

隨著空間網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，未來手機(jī)直接接入衛(wèi)星資源終端。“我們的系統(tǒng)能精確測算手機(jī)指令傳輸時長和服務(wù)響應(yīng)時間。”白衛(wèi)崗表示，盡管現(xiàn)在說起來有點前沿，但相信很快就能變?yōu)楝F(xiàn)實。

周笛補(bǔ)充說，果農(nóng)可以通過遙感衛(wèi)星資源看到衛(wèi)星拍攝的大片果園圖片，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)管；救災(zāi)人員在地面基站受影響后協(xié)調(diào)遙感衛(wèi)星拍攝災(zāi)后情況，協(xié)同通信衛(wèi)星提供實時災(zāi)害數(shù)據(jù)回傳，背后都離不開團(tuán)隊的技術(shù)支撐。

為了進(jìn)一步提升大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的仿真驗證及評估效率，團(tuán)隊目前已經(jīng)開展第二代仿真系統(tǒng)的研發(fā)工作。團(tuán)隊期望在保障仿真系統(tǒng)實時性的同時，進(jìn)一步降低仿真系統(tǒng)對算力的需求，用較少的算力實現(xiàn)管理萬顆以上的跨域衛(wèi)星資源。

《中國科學(xué)報》：企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項目歷經(jīng)多年科研攻關(guān)，團(tuán)隊最大收獲是什么？

盛敏：不要把時間花在太多的猶豫上。既然決定做這件事情，就靜下心去做。困難總是有的，但是我們總有辦法去克服困難。

沒有困難的事情不需要我們?nèi)プ?，我們做的事情一定都是很有挑?zhàn)性的，這樣才需要不斷地去突破。不光是這個項目，所有的項目都應(yīng)該是這樣。

《中國科學(xué)報》：面對沒有先例、沒有指導(dǎo)的前沿技術(shù)探索，你們攻堅克難取得了成功。面對青年科研人員，你有什么建議？

盛敏：如果你思考過，那么你就去行動，并繼續(xù)思考。

每一件事情能夠做成功是由很多要素決定的，要去學(xué)習(xí)別人的優(yōu)點，將這些優(yōu)點汲取到自己身上，再去消化，就會不斷進(jìn)步。

同時，年輕人要看得長遠(yuǎn)，專注每天進(jìn)步的0.01，累積起來可能就是很大的一個數(shù)。

來源 / 中國科學(xué)報

編輯 / 王冠玉

責(zé)編 / 王 格

出品 / 黨委宣傳部（融媒體中心）