陜西
從2019年開始，隨著我國衛星發射數量呈指數級增長，西安電子科技大學智能寬帶無線通信網絡科研團隊在國家自然科學基金企業創新發展聯合基金項目“面向跨域系統的遞階動態資源調度理論和方法”（以下簡稱企業創新發展聯合基金項目）的支持下，歷經從時變圖、壓縮圖到超圖的理論探索，最終實現了對萬顆衛星網絡資源的全局表征和智能調控。
不久前，該項目以優異成績通過驗收。
“必須對標國家最前沿的發展需求，不僅要實現衛星網絡互聯，更要精準解析其區別于地面網絡的空間資源特性，明確能力邊界，實現資源最大化利用。”企業創新發展聯合基金項目負責人、西安電子科技大學教授盛敏表示。
作為典型的跨域系統，企業創新發展聯合基金項目取得的科研成果是支撐未來大規模衛星網絡基礎設施的核心技術，也是全球科技競爭的核心領域。
“我們的技術精髓，在于通過特定軌道特征就能精準識別衛星資源屬性、出現時機和運行狀態。”盛敏向記者解釋道。團隊還研發了獨特的仿真驗證系統，可提前診斷衛星問題并生成解決方案。
盛敏（右三）與學生進行技術交流
01
戰略布局 順利立項
盛敏團隊自2010年便開啟空間網絡信息研究，是國內乃至國際的先行者。
回顧十余年發展，團隊始終聚焦空間信息網絡，特別是在多層衛星網絡領域，從網絡容量測算到異構資源管理，逐步深化至多域協同層面。
“看到發布的企業創新發展聯合基金項目指南時，感覺這與我們的研究方向高度契合。”2019年，團隊成功申請立項，專注攻克跨域系統資源調度難題，旨在實現不同功能星座的資源優化與區域協同。
在企業創新發展聯合基金項目初期，盛敏和團隊做了清晰的規劃，重點解決三個科學問題：一是空間信息網絡容量大小，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度起來，逼近邊界；三是不同資源、不同類型的異構衛星系統之間的資源管控問題，即跨域資源調度算法研發。
盛敏進一步舉例：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，導致1分鐘只能背2個，而在不斷強化記憶下，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鍵因素，就可以用科學的方法不斷優化自己的學習方式，從而逼近10個。“我們的技術就是要讓系統資源利用率不斷逼近理論極限。”盛敏解釋道。
面對成像衛星資源閑置與傳輸資源短缺并存的現象，團隊開創的跨域管理技術可實現不同物理域資源的智能協調，最大化發揮衛星的整體價值。
02
攻堅克難 突破技術壁壘
然而，企業創新發展聯合基金項目在進行過程中面臨種種困難。“整個技術攻關過程就像是黑暗中的探索，無先例可循，全靠持續學習、深度思考和頑強拼搏。”盛敏如此形容研發歷程。
對此，西安電子科技大學教授周笛深有感觸。“在立項的時候，我們覺得技術方案寫得很清晰，按照理論邏輯是完全能夠實現的。”周笛介紹，團隊當時使用了時間擴展圖去刻畫網絡資源，用表征的方式將衛星的資源狀態清楚羅列。“申請完企業創新發展聯合基金項目就發現，按照60顆衛星的解決思路，已經不能滿足前沿技術發展了。”周笛坦言，在將理論成果落實到大規模部署場景時，隨著衛星互聯數量的增長，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科的文章中找到思路。
按照衛星軌道周期性變化運動，如果有100顆衛星，星間鏈路連接關系矩陣的空間是100×100，那么就需要存儲這么大的矩陣來表征星間鏈路狀態信息。如果網絡的規模再增大，比如有上萬顆星，那么所需要的存儲空間勢必會呈指數級增長，而衛星的存儲資源有限，主要是用來存儲有效數據的。周笛利用壓縮感知的理論突破技術瓶頸，發現在2000顆衛星的規模下，存儲空間占用相較于傳統的時變圖的方法壓縮千倍以上。
“簡單點說，就是利用衛星間的連接關系矩陣在頻域上的稀疏性以及在空間上的旋轉封閉性，設計出高效的跨域資源稀疏表征模型及算法，實現了低空間復雜度對大規模星座的資源精準表征。”周笛介紹。
團隊設計出了創新框架，其核心是讓這些異構的星座通過地面中轉以及星間鏈路互聯互通，用最小的鏈路“成本”，實現星座的高效互聯。
仿真平臺研發同樣波折重重。“我們開始想用一臺計算機做模擬，但后來發現根本達不到1萬顆衛星實時模擬的要求，即便是簡化了也不行，最多只能到2000顆。”西安電子科技大學副教授白衛崗表示，盡管他們很快想到了多機級聯，但隨后發現雖然解決了規模性問題，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，對未來整個衛星互聯網測試、運維也是極大的挑戰。仿真時間效率會導致整個系統看著是好的，但實際并不好用。”
查找文獻、向同行請教、找商業公司……在做了大量調研后，團隊發現，目前國內沒有人能解決這個問題。“下定決心，靠自己做！”盛敏說。
基于仿真效率問題的深入分析，團隊從兩個關鍵方向另辟蹊徑：首先，團隊通過虛擬分組轉移機制，每個傳輸分組分配一個標簽，無論是衛星節點內的數據傳遞還是衛星間的分組交互，都可以在標簽傳遞的同時模擬數據傳輸過程，讓仿真硬件處理能力集中于仿真過程，而不是數據搬移過程。其次，團隊利用層次化仿真資源循環技術，高效支持時鐘級別的仿真資源并發操作，有效解決大規模網絡仿真中業務突發強、并發事件多導致的處理速度問題。解決了關鍵核心問題后，團隊很快設計出“面向跨域系統的大規模衛星網絡仿真測試系統”。
原來一臺機器只能做100多顆衛星的模擬，現在模擬能力提升兩三千倍。“只有把仿真系統的資源利用率提升，才能保證規模化實施。”白衛崗說。
盛敏團隊合影
03
手機連接衛星 即將照進現實
如何知道衛星網絡的路由協議在空中好不好用？“大規模衛星網絡仿真測試系統”可以完成這項任務。
“只要把協議放在仿真系統中，就能測出吞吐量、時延、故障、恢復時間等。”白衛崗介紹，通過該系統做驗證，可以運用到衛星的前期設計中，也可以在發射前進行，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。“國產化后，仿真測試系統的語言跟實物語言體系一致，用起來更方便。”目前，這套系統已在衛星開發機構中得到驗證。
“仿真效率的提高可以節省幾個月的時間，不需要花費更多時間成本再去迭代。”白衛崗補充道，這套系統同時支持數字孿生應用，通過地面復現在軌衛星狀態，實現故障提前預警。其核心在于通過算法預判系統未來狀態，與服務邊界比對后持續優化。
“科研攻堅時期雖困難重重，但團隊展現出強大戰斗力，成果超出預期。”盛敏表示，目前團隊已形成從基礎研究到平臺實施的全鏈條創新能力。
盡管該項目主要面向衛星建設和發展，但普通用戶仍然可以期待。
隨著空間網絡發展，未來手機直接接入衛星資源終端。“我們的系統能精確測算手機指令傳輸時長和服務響應時間。”白衛崗表示，盡管現在說起來有點前沿，但相信很快就能變為現實。
周笛補充說，果農可以通過遙感衛星資源看到衛星拍攝的大片果園圖片，實現遠程監管；救災人員在地面基站受影響后協調遙感衛星拍攝災后情況，協同通信衛星提供實時災害數據回傳，背后都離不開團隊的技術支撐。
為了進一步提升大規模衛星網絡的仿真驗證及評估效率，團隊目前已經開展第二代仿真系統的研發工作。團隊期望在保障仿真系統實時性的同時，進一步降低仿真系統對算力的需求，用較少的算力實現管理萬顆以上的跨域衛星資源。
《中國科學報》：企業創新發展聯合基金項目歷經多年科研攻關，團隊最大收獲是什么？
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去做，我們做的事情一定都是很有挑戰性的，這樣才需要不斷地去突破。不光是這個項目，所有的項目都應該是這樣。
《中國科學報》：面對沒有先例、沒有指導的前沿技術探索，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，并繼續思考。
每一件事情能夠做成功是由很多要素決定的，要去學習別人的優點，將這些優點汲取到自己身上，再去消化，就會不斷進步。
同時，年輕人要看得長遠，專注每天進步的0.01，累積起來可能就是很大的一個數。
來源 / 中國科學報
編輯 / 王冠玉
責編 / 王 格
出品 / 黨委宣傳部（融媒體中心）
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