CN102594433B - 一种卫星网络多对一通信冲突的动态优先级调度方法 - Google Patents
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Abstract
一种卫星网络多对一通信冲突的动态优先级调度方法属于卫星通信网络领域。该方法包括：计算当前卫星的通信任务的时间窗口，判断通信任务的时间窗口是否大于通信任务的最小执行时间，如果是，则计算通信任务的优先级，目标卫星判断当前卫星的通信任务的优先级是否是最高的，如果是，则与当前卫星通信。本发明具有以下优势：考虑了通信任务的随机性，适用于具有固定和随机通信任务的中继卫星通信系统；任务的优先级动态改变，可以充分利用任务空闲时间，从而提高了卫星的通信时间；算法简单，所需资源较少，适用于通信资源有限的卫星通信。
Description
技术领域
本发明所属技术领域为卫星通信网络，具体地说，涉及一种卫星网络多对一通信冲突的动态优先级调度方法。
背景技术
随着卫星技术的不断发展，卫星通信网络在通信领域中占据着越来越重要的位置。而单颗卫星的通信资源有限，在卫星通信网络中存在的通信冲突越来越多，其中主要是中继卫星多对一冲突。目前，解决此类冲突的方法主要是对卫星网络中的中继卫星任务进行合理调度。
目前，根据国内外文献资料，解决此类冲突调度方法主要有：用于解决美国空军卫星控制网的低、中高轨卫星调度的混合整数规划、插入算法和替换算法等确定性调度算法，该类算法适用于数传任务较少、约束比较简单的情况；优先级分割算法，王远振等(《空军工程大学学报》，2003)提出的将扩展Petri网与启发式调度规则相结合来实现多星地面设备优化调度的方法等启发式调度算法，该类算法对问题进行了较大简化，但在解决实际问题中有一定差距，很难实际应用；阎志伟等(《宇航学报》，2003)在预警卫星传感器调度方面研究了并行禁忌遗传算法，李云峰等(《系统工程理论与实践》，2008)提出的基于该遗传算法的卫星数传混合调度算法等智能调度算法，该类算法比较复杂，对卫星实时任务的调度响应不够灵敏。因此需要研发一种能够进行实际应用，且算法效率高的卫星冲突调度方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是，克服现有技术的不足，提供一种能够对卫星任务优先级进行动态改变，算法简单、效率高的优先级动态调度的方法，以解决卫星网络中的中继卫星多对一冲突。
这了实现上述目的，本发明提供了一种卫星网络多对一通信冲突的动态优先级调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.判断当前卫星是否可以和目标卫星通信，如果可以通信则执行步骤2，否则结束；
步骤2.判断当前卫星是否有通信任务需要执行，如有则执行步骤3，否则执行步骤1；
步骤3.计算通信任务的时间窗口Δt，Δt＝rtejq-τ，其中，τ为当前时间，rtejq为通信任务的绝对截止期；
步骤4.判断通信任务的时间窗口Δt是否大于通信任务的最小执行时间metjq，如果是执行步骤6，否则执行步骤5；
步骤5.放弃通信任务，返回步骤1；
步骤6.判断目标卫星是否向当前卫星发出允许通信的指令，如果是执行步骤7，否则执行步骤8；
步骤7.执行并完成通信任务，返回步骤1；
步骤8.求出通信任务的优先级DP(t)，
其中，p为调节任务执行强度对任务执行紧迫性影响大小的参数，p为大于或等于1的整数；vjq为通信任务的价值；metjq为通信任务的最少执行时间；
步骤9.当前卫星向目标卫星发送通信请求并等待目标卫星的回复，所述通信请求的内容包括通信任务的优先级DP(t)，然后，当前卫星等待目标卫星的回复，等待时长应大于或等于2秒；目标卫星收到当前卫星的通信请求后，判断当前卫星所要执行的通信任务的优先级DP(t)是不是最高的，如果是则与当前卫星通信，向当前卫星发送允许通信的回复，否则向当前卫星发送不允许通信的回复；
步骤10.判断当前卫星是否收到目标卫星允许通信的回复，如果是执行步骤7，否则执行步骤3。
本发明具有如下有益效果：本发明可广泛应用于我国通信卫星系统，同时亦可以应用于卫星通信网络，具有较高的实用价值，与现有技术相比，具有以下优势：考虑了通信任务的随机性，适用于具有固定和随机通信任务的中继卫星通信系统；任务的优先级动态改变，可以充分利用任务空闲时间，从而提高了卫星的通信时间；算法简单，所需资源较少，适用于通信资源有限的卫星通信。
附图说明
图1是卫星通信任务时间模型示意图；
图2是本发明实施例的步骤流程图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解及实现本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，本发明的保护范围并不局限于具体实施例所述的范围。
以下将结合图1对本发明实施例的设计方案说明如下：
1、卫星网络中的中继卫星多对一冲突模型：
本发明针对中继卫星通信任务具有实时性和时间灵活度的特点，主要考虑通信任务的截止期和空闲时间两个方面的特征参数，提出了一种动态优先级的调度算法，其基本思想是，对任务的优先级进行动态改变，尽可能使任务能够在任务截止期前完成执行，从而完成更多的通信任务。
当通信卫星之间可视时，一颗卫星把所获取的信息数据通过星间链路传递到另一颗卫星的过程，称为卫星间数据传输，一次卫星间数传可以看作一次通信任务。由于中继卫星任务调度问题是伴随着军事斗争发展而产生的一类非常复杂的新问题，在现阶段的研究工作不可能考虑全部的细节和实际约束，需要做一些基本假设和简化，假设条件如下：
1、任何任务的执行时间都必须在高轨卫星与航天器间的可见时间窗口内；
2、不考虑卫星的故障和任务的切换时间；
3、每个任务的执行时间必须满足任务的时限性要求，且持续时间必须满足任务的最小持续时间；
4、高轨卫星提供的最大链路数量不变；
5、在通信任务的执行期间，只有特定任务的优先级的大小，才可以中断未完成的通信任务。
2、卫星通信任务模型：
taskjq(lj；rtsjq；rtejq；metjqvjq；}，其中：
lj：第j个低轨卫星；
taskjq：lj第q个窗口中的通信任务；
metjq：如图1所示，是任务taskjq的最少执行时间，即为任务taskjq分配的执行时间不小于metjq，才表示该任务被成功调度，metjq的值由用户提出；
rtsjq、rtejq：任务taskjq的需求执行时间区间，rtsjq为上限，即任务可以开始执行的时间(但不一定是任务必须开始执行的时间)；rtejq为下限，即任务必须在此时限之前完成，否则任务调度失败；rtsjq、rtejq的值由用户提出；
vjq：任务taskjq的价值，由用户可根据任务内容提出，其值为大于或等于1的整数。
3、通信任务动态优先级的确定
定义1：任务的执行强度
完成任务所需的执行时间与任务可用空余时间的比称为任务的执行强度
当τ≥rtsjq时，可执行任务时间窗口Δt＝rtejq-τ，
(公式1)。
由此可见，任务的执行强度
将会直观地反映了任务为保证截止期而需要及时执行的紧急程度。
定义2：执行紧迫性
为了保证截止期，任务需尽快执行的紧迫程度称为任务执行的紧迫性，任务执行的紧迫性用δ表示，
p(p≥1)为调节任务执行强度影响任务执行紧迫性δ的数值大小的参数。根据公式1可知任务执行强度
的取值区间为(0，1]，因此任务执行紧迫性δ的取值区间为(0，p]。特别地，当p＝1时，表示任务执行的紧迫性δ为常数1。
当τ＞rtsjq，p≥1时，任务执行的紧迫性δ随等待时间的增加而增高。
其中p的取值选择主要考虑两个方面的因素
1)根据通信任务价值大小，用户自己设定p＝n·vjq n＝1，2，3，…；
2)卫星的资源使用情况、执行任务的频度，p为大于或等于1的整数。
任务taskjq的优先级
任务taskjq的优先级用作当前卫星发送通信请求，目标卫星收到当前卫星的请求后，根据优先级的大小，分配通信权限，与优先级高的任务所在卫星优先进行通信。
本发明实施例的步骤流程图如图2所示，包括以下步骤：
步骤1.判断当前卫星是否可以和目标卫星通信，如果可以通信则执行步骤2，否则结束；
步骤2.判断当前卫星是否有通信任务需要执行，如有则执行步骤3，否则执行步骤1；
步骤3.计算通信任务的时间窗口Δt，Δt＝rtejq-τ，其中，τ为当前时间，rtejq为通信任务的绝对截止期；
步骤4.判断通信任务的时间窗口Δt是否大于通信任务的最小执行时间metjq，如果是执行步骤6，否则执行步骤5；
步骤5.放弃通信任务，返回步骤1；
步骤6.判断目标卫星是否向当前卫星发出允许通信的指令，如果是执行步骤7，否则执行步骤8；
步骤7.执行并完成通信任务，返回步骤1；
步骤8.求出通信任务的优先级DP(t)，
其中，p为调节任务执行强度对任务执行紧迫性影响大小的参数，p为大于或等于1的整数；vjq为通信任务的价值；metjq为通信任务的最少执行时间；
步骤9.当前卫星向目标卫星发送通信请求并等待目标卫星的回复，所述通信请求的内容包括通信任务的优先级DP(t)，然后，当前卫星等待目标卫星的回复，等待时长应大于或等于2秒；目标卫星收到当前卫星的通信请求后，判断当前卫星所要执行的通信任务的优先级DP(t)是不是最高的，如果是则与当前卫星通信，向当前卫星发送允许通信的回复，否则向当前卫星发送不允许通信的回复；
步骤10.判断当前卫星是否收到目标卫星允许通信的回复，如果是执行步骤7，否则执行步骤3。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的更改和变化之内，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种卫星网络多对一通信冲突的动态优先级调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：判断当前卫星是否可以和目标卫星通信，如果可以通信则执行步骤2，否则结束；
步骤2：判断当前卫星是否有通信任务需要执行，如有则执行步骤3，否则执行步骤1；
步骤3：计算通信任务的时间窗口Δt，Δt＝rtejq-τ，其中，τ为当前时间，rtejq为通信任务的绝对截止期；
步骤4：判断通信任务的时间窗口Δt是否大于通信任务的最小执行时间metjq，如果是执行步骤6，否则执行步骤5；
步骤5：放弃通信任务，返回步骤1；
步骤6：判断目标卫星是否向当前卫星发出允许通信的指令，如果是执行步骤7，否则执行步骤8；
步骤7：执行并完成通信任务，返回步骤1；
步骤8：求出通信任务的优先级DP(t)，
其中，p为调节任务执行强度对任务执行紧迫性影响大小的参数，p为大于或等于1的整数；vjq为通信任务的价值；metjq为通信任务的最少执行时间；
步骤9：当前卫星向目标卫星发送通信请求并等待目标卫星的回复，所述通信请求的内容包括通信任务的优先级DP(t)，然后，当前卫星等待目标卫星的回复，等待时长应大于或等于2秒；目标卫星收到当前卫星的通信请求后，判断当前卫星所要执行的通信任务的优先级DP(t)是不是最高的，如果是则与当前卫星通信，向当前卫星发送允许通信的回复，否则向当前卫星发送不允许通信的回复；
步骤10：判断当前卫星是否收到目标卫星允许通信的回复，如果是执行步骤7，否则执行步骤3。
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