CN106685512B - 基于分布式星群的数据传输方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于分布式星群的数据传输方法和装置，涉及卫星通信的技术领域，该方法包括：确定分布式卫星群中的多个待分组卫星中任意两个待分组卫星之间的路径阻抗，以及获取每个待分组卫星的通信阻抗；基于确定出的路径阻抗和通信阻抗对多个待分组卫星执行分簇操作，得到至少一个卫星簇；确定每个卫星簇中的汇聚卫星，其中，汇聚卫星用于将卫星簇中至少一个目标卫星的待传输数据传输至地面站，其中，目标卫星为卫星簇中除汇聚卫星之外的卫星；基于汇聚卫星构建目标卫星与汇聚卫星之间的目标传输路径，以使目标卫星通过目标传输路径向汇聚卫星传输待传输数据，缓解了现有技术中分布式卫星的传输性能较低的技术问题。

Description

基于分布式星群的数据传输方法和装置

技术领域

本发明涉及卫星通信的技术领域，尤其是涉及一种基于分布式星群的数据传输方法和装置。

背景技术

分布式星群适用于突发业务，通过卫星之间的协作，可以更加准确的感知信息，完成信息传输和资源整合，因而具有值得期待的战略意义，其中，分布式星群中汇聚节点(也称为汇聚卫星)的选择和传输路径的优化是其众多关键技术之一。

如图1所的即为一个分布式星群系统，该分布式星群系统由感知卫星，汇聚卫星和地面站构成。根据通信的双方对象，可以分为感知卫星到汇聚卫星，汇聚卫星到感知卫星，控制中心到汇聚卫星，汇聚卫星到控制中心4类。

现有的分布式卫星的汇聚卫星选择和传输优化技术大多基于协议，大体上可以分为两个大类：第一类是针对分布式卫星网络传输优化提出的新的拥塞控制机制，第二类是针对链路高误码率特性下错误控制机制。

第一类中典型的做法是针对现有的协议，比如Peach协议，Vegas协议，Reno协议，通过修改协议细节，诸如时间戳，重传机制，丢包检测，重传定时器设置等等，以实现分布式卫星的拥塞控制。

第二类中分布式卫星的错误控制机制包括错误检测机制和错误恢复机制。错误检测机制主要用于区分拥塞丢包和链路丢包，以此采用针对性方案。错误恢复机制主要是为了快速检测并重传丢失的数据包，以此提高传输的性能。

以上方案局限在协议内部，忽略了卫星的拓扑特点，而卫星的拓扑极大程度上影响着信息传输的性能。有效地结合卫星的拓扑特点，设计相应的算法和系统能够进一步提升卫星信息传输的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于分布式星群的数据传输方法和装置，以缓解现有技术中分布式卫星的传输性能较低的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种基于分布式星群的数据传输方法，包括：确定分布式卫星群中的多个待分组卫星中任意两个待分组卫星之间的路径阻抗，以及获取每个所述待分组卫星的通信阻抗；基于确定出的所述路径阻抗和所述通信阻抗对多个所述待分组卫星执行分簇操作，得到至少一个卫星簇；确定每个所述卫星簇中的汇聚卫星，其中，所述汇聚卫星用于将所述卫星簇中至少一个目标卫星的待传输数据传输至地面站，其中，所述目标卫星为所述卫星簇中除所述汇聚卫星之外的卫星；基于所述汇聚卫星构建所述目标卫星与所述汇聚卫星之间的目标传输路径，以使所述目标卫星通过所述目标传输路径向所述汇聚卫星传输待传输数据。

进一步地，确定多个待分组卫星中每个所述待分组卫星的通信阻抗包括：基于公式

确定所述待分组卫星的上传速率，其中，

表示所述上传速率，τ表示所述待分组卫星的信道估计时间，

表示所述待分组卫星的无线能量传输时间，γ_i表示所述待分组卫星的信干比；基于公式

确定每个所述待分组卫星的通信阻抗，其中，k为所述待分组卫星的度，β₁表示第一加权因子，β₂表示第二加权因子，υ₁表示第一非线性加权因子，ψ₁表示第二非线性加权因子，i＝1,2,...,N，i为表示所述多个待分组卫星中的第i个待分组卫星，N为所述多个待分组卫星的数量。

进一步地，基于确定出的所述路径阻抗和所述通信阻抗对多个所述待分组卫星执行分簇操作，得到至少一个卫星簇包括：根据所述路径阻抗确定所述分布式卫星群的相似度矩阵d_M；基于每个所述待分组卫星的所述通信阻抗确定任意两个所述待分组卫星之间的广义距离，得到广义距离矩阵D_ij；根据公式L_M＝d_M-D_ij确定拉普拉斯矩阵，其中，L_M表示所述拉普拉斯矩阵；对所述拉普拉斯矩阵L_M进行归一化处理，得到处理之后的所述拉普拉斯矩阵

将处理之后的所述拉普拉斯矩阵中的目标特征向量组成特征空间，其中，所述目标特征向量为所述拉普拉斯矩阵中的全部特征向量按照由小到大进行排列之后，位于排序序列中的前N个特征向量；使用均值聚类算法对所述目标特征向量进行处理，并根据处理之后的结果确定所述至少一个卫星簇。

进一步地，在每个所述卫星簇中确定汇聚卫星包括：根据第一公式确定

目标卫星s和目标卫星t同时作为所述汇聚卫星的概率，其中，p(s)表示所述目标卫星s作为所述汇聚卫星的概率，p(t)表示所述目标卫星t作为所述汇聚卫星的概率，p(s,t)表示所述目标卫星s和所述目标卫星t同时作为所述汇聚卫星的概率，所述目标卫星s为所述至少一个目标卫星中的任意一个卫星，所述目标卫星t为所述至少一个目标卫星中除所述目标卫星s之外的任意一个卫星；根据第二公式

计算通过目标卫星h作为中间节点进行数据传输的概率，其中，g_st表示所述目标卫星s和所述目标卫星t之间的传输切换次数，

表示所述目标卫星s和所述目标卫星t之间的传输切换中经过目标卫星h的次数，所述目标卫星h为所述至少一个目标卫星中除所述目标卫星s和所述目标卫星t之外的任意一个卫星；根据第三公式

计算在所述目标卫星s为所述汇聚卫星的情况下，通过所述目标卫星h作为中间节点进行数据传输的概率；根据所述第二公式和所述第三公式构建网络传输容量模型，其中，所述网络传输容量模型用于确定每个所述卫星簇的汇聚卫星；对所述网络传输容量模型进行最优求解，并根据求解结果确定每个所述卫星簇的所述汇聚卫星。

进一步地，根据所述第二公式和所述第三公式构建网络传输容量模型包括：根据公式

构建所述目标卫星s的网络传输容量模型，其中，R_c为所述目标卫星s网络传输容量，C表示预设常数。

进一步地，对所述网络传输容量模型进行最优求解包括：基于所述网络传输容量模型的约束条件，对所述网络传输容量进行最大化求解，并根据所述最大化求解结果确定所述汇聚卫星，其中，所述约束条件为：0≤p(s)≤1，并且

进一步地，根据公式

确定所述卫星簇中的汇聚卫星在进行数据传输时的传输代价函数，其中，C(x)表示所述传输代价函数，x_f表示中间节点f的通信流量，u表示所述目标卫星，v表示所述汇聚卫星，R_uv表示所述目标卫星和所述汇聚卫星之间的边权重，n为所述中间节点f的个数，所述目标卫星通过所述中间节点f向所述汇聚卫星传输数据；对所述传输代价函数进行最小化计算，并根据计算结果确定所述目标卫星和所述汇聚卫星之间的最优传输路径。

根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种基于分布式星群的数据传输装置，包括：第一确定单元，用于确定分布式卫星群中多个待分组卫星中任意两个待分组卫星之间的路径阻抗，以及获取每个所述待分组卫星的通信阻抗；分簇单元，用于基于确定出的所述路径阻抗和所述通信阻抗对多个所述待分组卫星执行分簇操作，得到至少一个卫星簇；第二确定单元，用于确定每个所述卫星簇中的汇聚卫星，其中，所述汇聚卫星用于将所述卫星簇中至少一个目标卫星的待传输数据传输至地面站，其中，所述目标卫星为所述卫星簇中除所述汇聚卫星之外的卫星；构建单元，用于基于所述汇聚卫星构建所述目标卫星与所述汇聚卫星之间的目标传输路径，以使所述目标卫星通过所述目标传输路径向所述汇聚卫星传输待传输数据。

进一步地，所述第一确定单元用于：基于公式

确定所述待分组卫星的上传速率，其中，

表示所述上传速率，τ表示所述待分组卫星的信道估计时间，

表示所述待分组卫星的无线能量传输时间，γ_i表示所述待分组卫星的信干比；基于公式

确定每个所述待分组卫星的通信阻抗，其中，k为所述待分组卫星的度，β₁表示第一加权因子，β₂表示第二加权因子，υ₁表示第一非线性加权因子，ψ₁表示第二非线性加权因子，i＝1,2,...,N，i为表示所述多个待分组卫星中的第i个待分组卫星，N为所述多个待分组卫星的数量。

进一步地，所述分簇单元用于：根据所述路径阻抗确定所述分布式卫星群的相似度矩阵d_M；基于每个所述待分组卫星的所述通信阻抗确定任意两个所述待分组卫星之间的广义距离，得到广义距离矩阵D_ij；根据公式L_M＝d_M-D_ij确定拉普拉斯矩阵，其中，L_M表示所述拉普拉斯矩阵；对所述拉普拉斯矩阵L_M进行归一化处理，得到处理之后的所述拉普拉斯矩阵

将处理之后的所述拉普拉斯矩阵中的目标特征向量组成特征空间，其中，所述目标特征向量为所述拉普拉斯矩阵中的全部特征向量按照由小到大进行排列之后，位于排序序列中的前N个特征向量；使用均值聚类算法对所述目标特征向量进行处理，并根据处理之后的结果确定所述至少一个卫星簇。

在本发明实施例中，首先确定分布式卫星群中多个待分组卫星中每个待分组卫星的通信阻抗，然后，根据确定出的通信阻抗对多个待分组卫星执行分簇操作，得到至少一个卫星簇，接下来，确定每个卫星簇中汇聚卫星，并基于汇聚卫星构建目标卫星与汇聚卫星之间的目标传输路径。在本发明实施例中，提出一种基于通信阻抗的，有效地结合卫星的拓扑属性，探究适用于分布式卫星群的汇聚节点选择和传输优化方法，达到了优化分布式卫星群的目的，进而缓解了现有技术中分布式卫星群的传输性能较低的技术问题，从而实现了提高分布式卫星群的传输性能的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中的一种分布式卫星群的拓扑结构示意图；

图2是根据本发明实施例的一种基于分布式星群的数据传输方法的流程图；

图3是根据本发明实施例的一种基于分布式星群的数据传输装置的示意图；

图4是根据本发明实施例的一种可选地基于分布式星群的数据传输装置的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

根据本发明实施例，提供了一种基于分布式星群的数据传输方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图2是根据本发明实施例的一种基于分布式星群的数据传输方法的流程图，如图2所示，该方法包括如下步骤：

步骤S202，确定分布式卫星群中多个待分组卫星中任意两个待分组卫星之间的路径阻抗，以及获取每个待分组卫星的通信阻抗；

步骤S204，基于确定出的路径阻抗和通信阻抗对多个待分组卫星执行分簇操作，得到至少一个卫星簇；

步骤S206，确定每个卫星簇中的汇聚卫星，其中，汇聚卫星用于将卫星簇中至少一个目标卫星的待传输数据传输至地面站，其中，目标卫星为卫星簇中除汇聚卫星之外的卫星；

步骤S208，基于汇聚卫星构建目标卫星与汇聚卫星之间的目标传输路径，以使目标卫星通过目标传输路径向汇聚卫星传输待传输数据。

在本发明实施例中，首先确定分布式卫星群中多个待分组卫星中每个待分组卫星的通信阻抗，然后，根据确定出的通信阻抗对多个待分组卫星执行分簇操作，得到至少一个卫星簇，接下来，确定每个卫星簇中汇聚卫星，并基于汇聚卫星构建目标卫星与汇聚卫星之间的目标传输路径。在本发明实施例中，提出一种基于通信阻抗的，有效地结合卫星的拓扑属性，探究适用于分布式卫星群的汇聚节点选择和传输优化方法，达到了优化分布式卫星群的目的，进而缓解了现有技术中分布式卫星群的传输性能较低的技术问题，从而实现了提高分布式卫星群的传输性能的技术效果。

在本发明实施例中，在确定汇聚卫星之前，首先要结合卫星的拓扑特点构建无向加权图，也就是说，首先要确定分布式星群中任意两个待分组卫星之间的边权重，进而根据边权重构建无向加权图。然后，计算分布式星群中每个待分组卫星的通信阻抗，进而，采用谱聚类算法对通信阻抗和边权重进行处理，进而，得到对分布式星群进行分簇之后的结果。

需要说明的是，在本发明实施例中，任意两个待分组卫星之间的边权重通过任意两个待分组卫星之间的路径阻抗定义得出。

可选地，确定分布式卫星群中多个待分组卫星中任意两个待分组卫星之间的路径阻抗可以描述如下：

首先将分布式卫星群构建成一个图，即G＝(V,E,R)，其中，G表示分布式卫星群的拓扑图结构；V表示待分组卫星，在图中为点集合；E表示待分组卫星之间的通信链路，其中，主要根据距离是否小于通信距离决定链路是否存在，E在图中表示为边集合，R表示边权重。

接下来，就需要确定任意两个待分组卫星之间的边权重，在确定边权重时，主要考虑了以下参数：每个待分组卫星的介数B，待分组卫星的度k，路径损失L_x，以及两个待分组卫星之间传输切换次数n_ij和真实距离值d_ij。

具体地，先确定路径损失L_x，在本发明实施例中，路径损失L_x主要包括两个部分，第一部分是自由空间下的路径损失L_freespace，第二部分是由于障碍物遮挡导致的附加损失L_obs。其中，路径损失，自由空间下的路径损失L_freespace和由于障碍物遮挡导致的附加损失L_obs之间的关系可以表述为公式：L_x＝L_freespace+L_obs。

其中，自由空间下的路径损失L_freespace可以表述为公式：

其中，λ为波长，d为距离，k为控制因子。由于障碍物遮挡导致的附加损失L_obs可以表述为公式：L_obs[dB]＝βn+χd_m，其中，n为遮挡次数，d_m为距离，β和χ是场景常数。

最后，可以根据下述公式确定任意两个待分组卫星之间的路径阻抗：

其中，式中α₁，α₂，α₃和α₄为加权因子，υ₂，ψ₂和ξ为非线性控制因子，SNR为信噪比。

需要说明的是，R_ij表示任意两个待分组卫星之间的路径阻抗，其中，i和j分别表示任意两个不相同的待分组卫星。也就是说，通过上述计算路径阻抗的方法能够计算得到任意两个待分组卫星之间的路径阻抗。例如，分布式卫星群中包括10个待分组卫星，那么将计算出100个路径阻抗，也就是说，这100个路径阻抗能够组成一个10×10的矩阵，那么该矩阵即为相似度矩阵d_M。

在本发明实施例的一个可选实施方式中，确定多个待分组卫星中每个待分组卫星的通信阻抗包括如下步骤：

步骤S2021，基于公式

确定待分组卫星的上传速率，其中，

表示上传速率，τ表示待分组卫星的信道估计时间，

表示待分组卫星的无线能量传输时间，γ_i表示待分组卫星的信干比；

在本发明实施例中，首先定义每个待分组卫星的上传速率，即

用公式可以表述为：

其中，τ表示待分组卫星的信道估计时间，

表示待分组卫星的无线能量传输时间，γ_i表示待分组卫星的信干比。

步骤S2022，基于公式

确定每个所述待分组卫星的通信阻抗，其中，k为所述待分组卫星的度，β₁表示第一加权因子，β₂表示第二加权因子，υ₁表示第一非线性加权因子，ψ₁表示第二非线性加权因子，i＝1,2,...,N，i为表示所述多个待分组卫星中的第i个待分组卫星，N为所述多个待分组卫星的数量。

在本发明实施例中，在确定待分组卫星的上传速率之后，可以结合介数B定义通信阻抗，具体公式为：

其中，k为节点的度，β₁和β₂表示不相同的加权因子，υ₁和ψ₁表示不相同的非线性加权因子。

在确定每个待分组卫星的通信阻抗之后，就可以根据通信阻抗定义广义距离D_ij，具体公式为：D_ij＝∈(R_i+R_j)+(1-∈)d_ij，其中，d_ij为真实距离值d_ij，e为线性加权因子，R_i表示待分组卫星i的通信阻抗，R_j表示待分组卫星j的通信阻抗。D_ij表示待分组卫星i和待分组卫星j之间的广义距离。其中，待分组卫星i和待分组卫星j为分布式卫星群中不相同的卫星。

基于确定出的路径阻抗和通信阻抗对多个待分组卫星执行分簇操作，得到至少一个卫星簇包括如下步骤：

步骤S2041，根据路径阻抗确定分布式卫星群的相似度矩阵d_M；

步骤S2042，基于每个待分组卫星的通信阻抗确定任意两个待分组卫星之间的广义距离，得到广义距离矩阵D_ij；

步骤S2043，根据公式L_M＝d_M-D_ij确定拉普拉斯矩阵，其中，L_M表示拉普拉斯矩阵；

步骤S2044，对拉普拉斯矩阵L_M进行归一化处理，处理之后得到拉普拉斯矩阵

步骤S2045，将处理之后的拉普拉斯矩阵中的目标特征向量组成特征空间，其中，目标特征向量为拉普拉斯矩阵中的全部特征向量按照由小到大进行排列之后，位于排序序列中的前N个特征向量；

步骤S2046，使用均值聚类算法对目标特征向量进行处理，并根据处理之后的结果确定至少一个卫星簇。

通过上述描述可知，在本发明实施例中，在确定任意两个待分组卫星的路径阻抗之后，就可以根据路径阻抗确定相似度矩阵d_M，以及在确定通信阻抗之后，就可以确定广义距离矩阵D_ij。接下来，就可以使用谱聚类算法对广义距离矩阵D_ij和相似度矩阵d_M进行处理，以完成对分布式卫星群进行分簇的操作，得到至少一个卫星簇。

具体地，在本发明实施例中，根据公式L_M＝d_M-D_ij确定拉普拉斯矩阵L_M，然后，对拉普拉斯矩阵进行归一化处理得到拉普拉斯矩阵

接下来，将拉普拉斯矩阵

中最小的N个特征向量(即，上述目标特征向量)组成特征空间。最后，使用均值聚类算法对N个特征向量进行处理，并根据处理之后的结果确定至少一个卫星簇，完成对分布式卫星群的分簇操作。

在对分布式卫星群进行分簇操作之后，就可以确定每个卫星簇中的汇聚卫星，具体地，确定每个卫星簇中的汇聚卫星的方法相同，在本发明实施例中，仅以一个卫星簇为例进行说明。

在本发明实施例的一个可选实施方式中，在每个卫星簇中确定汇聚卫星包括如下步骤：

步骤S2061，根据第一公式确定

目标卫星s和目标卫星t同时作为汇聚卫星的概率，其中，p(s)表示目标卫星s作为汇聚卫星的概率，p(t)表示目标卫星t作为汇聚卫星的概率，p(s,t)表示目标卫星s和目标卫星t同时作为汇聚卫星的概率，目标卫星s为至少一个目标卫星中的任意一个卫星，目标卫星t为至少一个目标卫星中除目标卫星s之外的任意一个卫星；

在本发明实施例中，目标卫星s和目标卫星t均为相同卫星簇中的卫星，N为该卫星簇中目标卫星的数量。首先，确定目标卫星s作为汇聚卫星的概率p(s)，以及目标卫星t作为汇聚卫星的概率p(t)。然后，计算目标卫星s和目标卫星t同时作为汇聚卫星的概率p(s,t)。

步骤S2062，根据第二公式

计算通过目标卫星h作为中间节点进行数据传输的概率，其中，g_st表示目标卫星s和目标卫星t之间的传输切换次数，

表示所述目标卫星s和所述目标卫星t之间的传输切换中经过目标卫星h的次数，所述目标卫星h为所述至少一个目标卫星中除所述目标卫星s和所述目标卫星t之外的任意一个卫星；

在上述步骤S2061中，计算得到目标卫星s和目标卫星t同时作为汇聚卫星的概率p(s,t)之后，就可以根据公式

计算通过目标卫星j进行数据传输的概率。其中，目标卫星h表示用于为目标卫星s或者目标卫星t进行数据传输的中间节点。

步骤S2063，根据第三公式

计算在目标卫星s为汇聚卫星的情况下，通过目标卫星h作为中间节点进行数据传输的概率；

接下来，可以根据第三公式计算在目标卫星s为汇聚卫星的情况下，使用目标卫星h作为中间节点进行数据传输的概率。

步骤S2064，根据第二公式和第三公式构建网络传输容量模型，其中，网络传输容量模型用于确定每个卫星簇的汇聚卫星；

其中，根据第二公式和第三公式构建网络传输容量模型包括：根据公式

构建目标卫星s的网络传输容量模型，其中，R_c为目标卫星s网络传输容量，C表示预设常数；

最后，就可以根据上述第二公式和第三公式构建网络传输容量模型，其中，R_c为目标卫星s的网络传输容量。

步骤S2065，对网络传输容量模型进行最优求解，并根据求解结果确定每个卫星簇的汇聚卫星；

其中，对网络传输容量模型进行最优求解包括：

基于网络传输容量模型的约束条件，对网络传输容量进行最大化求解，并根据最大化求解结果确定汇聚卫星，其中，约束条件为：0≤p(s)≤1，并且

在确定上述网络传输容量模型之后，就可以对网络传输容量模型进行求解，以确定当前卫星簇中每个目标卫星作为汇聚卫星的概率，进而，就根据计算出的概率确定汇聚卫星，例如，将概率最大的目标卫星作为汇聚卫星。

在本发明实施例的另一个可选实施方式中，基于汇聚卫星构建目标卫星与汇聚卫星之间的目标传输路径包括如下步骤：

步骤S2081，根据公式

确定卫星簇中的汇聚卫星在进行数据传输时的传输代价函数，其中，C(x)表示传输代价函数，x_f表示中间节点f的通信流量，u表示目标卫星，v表示汇聚卫星，R_uv表示目标卫星和汇聚卫星之间的边权重，n为中间节点f的个数，目标卫星通过中间节点f向汇聚卫星传输数据；

步骤S2082，对传输代价函数进行最小化计算，并根据计算结果确定目标卫星和汇聚卫星之间的最优传输路径。

在本发明是实施例中，在确定汇聚卫星之后，当前卫星簇中的其他卫星就可以向汇聚卫星传输数据，以使汇聚卫星将传输数据传输至地面站。那么，由于卫星簇的网络拓扑结构，当前目标卫星与汇聚卫星之间的传输路径较多，因此，路径传输数据的性能也有好有坏。因此，在本发明实施例中，可以为当前目标卫星选择一个性能最佳的路径来进行数据的传输，以降低传输代价。

在确定性能最佳的传输路径之前，首先定义一个总的传输代价函数C(x)，当前卫星簇中的目标卫星集合S＝{s₁,s₂,...,s_n}，当前卫星簇中的目标卫星的通信流量集合X＝{x₁,x₂,...,x_n}。

此时，总的传输代价函数C(x)可以计算为：

接下来，对总的传输代价函数进行求解，具体地，可以通过下述公式对总的传输代价函数进行求解：

最后根据求解结果确定最佳传输路径。

综上，本发明实施例提供的基于分布式星群的数据传输方法，目的是针对分布式星群信息采集任务，设计基于通信阻抗的，适用于分布式星群的汇聚节点选择和传输优化方法和相应的系统。该方法能够有效地结合卫星的拓扑特点，快速的选择汇聚节点，提升信息传输的性能。

本发明实施例还提供了一种基于分布式星群的数据传输装置，该基于分布式星群的数据传输装置主要用于执行本发明实施例上述内容所提供的基于分布式星群的数据传输方法，以下对本发明实施例提供的基于分布式星群的数据传输装置做具体介绍。

图3是根据本发明实施例的一种基于分布式星群的数据传输装置的示意图，如图3所示，该基于分布式星群的数据传输装置主要包括第一确定单元31，分簇单元32，第二确定单元33和构建单元34，其中：

第一确定单元，用于确定分布式卫星群中的多个待分组卫星中任意两个待分组卫星之间的路径阻抗，以及获取每个待分组卫星的通信阻抗；

分簇单元，用于基于确定出的路径阻抗和通信阻抗对多个待分组卫星执行分簇操作，得到至少一个卫星簇；

第二确定单元，用于确定每个卫星簇中的汇聚卫星，其中，汇聚卫星用于将卫星簇中至少一个目标卫星的待传输数据传输至地面站，其中，目标卫星为卫星簇中除汇聚卫星之外的卫星；

构建单元，用于基于汇聚卫星构建目标卫星与汇聚卫星之间的目标传输路径，以使目标卫星通过目标传输路径向汇聚卫星传输待传输数据。

可选地，第一确定单元用于：基于公式

确定待分组卫星的上传速率，其中，

表示上传速率，τ表示待分组卫星的信道估计时间，

表示待分组卫星的无线能量传输时间，γ_i表示待分组卫星的信干比；基于公式R_i＝β₁(k_iB_i)^υ+β₂R^ψ确定每个待分组卫星的通信阻抗，其中，k为待分组卫星的度，β₁表示第一加权因子，β₂表示第二加权因子，υ表示第一非线性加权因子，ψ表示第二非线性加权因子，i＝1,2,...,N，i为表示多个待分组卫星中的第i个待分组卫星，N为多个待分组卫星的数量。

可选地，分簇单元用于：根据路径阻抗确定分布式卫星群的相似度矩阵d_M；基于每个待分组卫星的通信阻抗确定任意两个待分组卫星之间的广义距离，得到广义距离矩阵D_ij；根据公式L_M＝d_M-D_ij确定拉普拉斯矩阵，其中，L_M表示拉普拉斯矩阵；对拉普拉斯矩阵L_M进行归一化处理，得到处理之后的拉普拉斯矩阵

将处理之后的拉普拉斯矩阵中的目标特征向量组成特征空间，其中，目标特征向量为拉普拉斯矩阵中的全部特征向量按照由小到大进行排列之后，位于排序序列中的前N个特征向量；使用均值聚类算法对目标特征向量进行处理，并根据处理之后的结果确定至少一个卫星簇。

可选地，第二确定单元用于：根据第一公式确定

目标卫星s和目标卫星t同时作为汇聚卫星的概率，其中，p(s)表示目标卫星s作为汇聚卫星的概率，p(t)表示目标卫星t作为汇聚卫星的概率，p(s,t)表示目标卫星s和目标卫星t同时作为汇聚卫星的概率，目标卫星s为至少一个目标卫星中的任意一个卫星，目标卫星t为至少一个目标卫星中除目标卫星s之外的任意一个卫星；根据第二公式

计算通过目标卫星h作为中间节点进行数据传输的概率，其中，g_st表示目标卫星s和目标卫星t之间的传输切换次数，

表示所述目标卫星s和所述目标卫星t之间的传输切换中经过目标卫星h的次数，所述目标卫星h为所述至少一个目标卫星中除所述目标卫星s和所述目标卫星t之外的任意一个卫星；根据第三公式

计算在目标卫星s为汇聚卫星的情况下，通过目标卫星h作为中间节点进行数据传输的概率；根据第二公式和第三公式构建网络传输容量模型，其中，网络传输容量模型用于确定每个卫星簇的汇聚卫星；对网络传输容量模型进行最优求解，并根据求解结果确定每个卫星簇的汇聚卫星。

可选地，第二确定单元还用于：根据公式

构建目标卫星s的网络传输容量模型，其中，R_c为目标卫星s网络传输容量，C表示预设常数。

可选地，第二确定单元还用于：基于网络传输容量模型的约束条件，对网络传输容量进行最大化求解，并根据最大化求解结果确定汇聚卫星，其中，约束条件为：0≤p(s)≤1，并且

可选地，构建单元用于：根据公式

确定卫星簇中的汇聚卫星在进行数据传输时的传输代价函数，其中，C(x)表示传输代价函数，x_f表示中间节点f的通信流量，u表示目标卫星，v表示汇聚卫星，R_uv表示目标卫星和汇聚卫星之间的边权重，n为中间节点f的个数，目标卫星通过中间节点f向汇聚卫星传输数据；对传输代价函数进行最小化计算，并根据计算结果确定目标卫星和汇聚卫星之间的最优传输路径。

图4是根据本发明实施例的一种可选地基于分布式星群的数据传输装置的示意图，如图所示，该装置包括：图构建模块41，谱聚类模块42，汇聚卫星选择模块43和传输优化模块44，其中：

图构建模块用于结合分布式卫星群的拓扑特点，构建无向加权图。

谱聚类模块用于给分布式卫星群进行分簇操作。具体分簇方法为上述实施例中步骤S2041至步骤S2046中所描述的方案，此处不再赘述。

汇聚卫星选择模块用于为每个卫星簇确定汇聚卫星(也即，汇聚节点)。

传输优化模块用于对目标卫星和汇聚卫星之间的传输路径进行优化。具体优化方法为上述实施例中步骤S1081和步骤S1082所描述的方案，此处不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基于分布式星群的数据传输方法，其特征在于，包括：

确定分布式卫星群中的多个待分组卫星中任意两个待分组卫星之间的路径阻抗，以及获取每个所述待分组卫星的通信阻抗；

基于确定出的所述路径阻抗和所述通信阻抗对多个所述待分组卫星执行分簇操作，得到至少一个卫星簇；

确定每个卫星簇中的汇聚卫星，其中，所述汇聚卫星用于将所述卫星簇中至少一个目标卫星的待传输数据传输至地面站，其中，所述目标卫星为所述卫星簇中除所述汇聚卫星之外的卫星；

基于所述汇聚卫星构建所述目标卫星与所述汇聚卫星之间的目标传输路径，以使所述目标卫星通过所述目标传输路径向所述汇聚卫星传输待传输数据；

其中，确定多个待分组卫星中每个所述待分组卫星的通信阻抗包括：

基于公式

确定所述待分组卫星的上传速率，其中，

表示所述上传速率，τ表示所述待分组卫星的信道估计时间，

表示所述待分组卫星的无线能量传输时间，γ_i表示所述待分组卫星的信干比；

基于公式

确定每个所述待分组卫星的通信阻抗，其中，k为所述待分组卫星的度，β₁表示第一加权因子，β₂表示第二加权因子，υ₁表示第一非线性加权因子，ψ₁表示第二非线性加权因子，i＝1，2，...，N，i为表示所述多个待分组卫星中的第i个待分组卫星，N为所述多个待分组卫星的数量，B_i表示第i个待分组卫星的介数，R_i表示第i个待分组卫星的通信阻抗；

根据下述公式确定任意两个待分组卫星之间的路径阻抗：

其中，式中α₁、α₂、α₃和α₄为加权因子，υ₂、ψ₂和ξ为非线性控制因子，ENR为信噪比；i和j分别表示任意两个不相同的待分组卫星；L_x表示路径损失，n_ij表示两个待分组卫星之间传输切换次数，d_ij表示两个待分组卫星之间的真实距离值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于确定出的所述路径阻抗和所述通信阻抗对多个所述待分组卫星执行分簇操作，得到至少一个卫星簇包括：

根据所述路径阻抗确定所述分布式卫星群的相似度矩阵d_M；

基于每个所述待分组卫星的所述通信阻抗确定任意两个所述待分组卫星之间的广义距离，得到广义距离矩阵D_ij；

根据公式L_M＝d_M-D_ij确定拉普拉斯矩阵，其中，L_M表示所述拉普拉斯矩阵；

对所述拉普拉斯矩阵L_M进行归一化处理，得到处理之后的所述拉普拉斯矩阵

将处理之后的所述拉普拉斯矩阵中的目标特征向量组成特征空间，其中，所述目标特征向量为所述拉普拉斯矩阵中的全部特征向量按照由小到大进行排列之后，位于排序序列中的前N个特征向量；

使用均值聚类算法对所述目标特征向量进行处理，并根据处理之后的结果确定所述至少一个卫星簇。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在每个所述卫星簇中确定汇聚卫星包括：

根据第一公式确定

目标卫星s和目标卫星t同时作为所述汇聚卫星的概率，其中，p(s)表示所述目标卫星s作为所述汇聚卫星的概率，p(t)表示所述目标卫星t作为所述汇聚卫星的概率，p(s，t)表示所述目标卫星s和所述目标卫星t同时作为所述汇聚卫星的概率，所述目标卫星s为所述至少一个目标卫星中的任意一个卫星，所述目标卫星t为所述至少一个目标卫星中除所述目标卫星s之外的任意一个卫星；

根据第二公式

计算通过目标卫星h作为中间节点进行数据传输的概率，其中，g_st表示所述目标卫星s和所述目标卫星t之间的传输切换次数，

表示所述目标卫星s和所述目标卫星t之间的传输切换中经过所述目标卫星h的次数，所述目标卫星h为所述至少一个目标卫星中除所述目标卫星s和所述目标卫星t之外的任意一个卫星；

根据第三公式

计算在所述目标卫星s为所述汇聚卫星的情况下，通过所述目标卫星h作为中间节点进行数据传输的概率；

根据所述第二公式和所述第三公式构建网络传输容量模型，其中，所述网络传输容量模型用于确定每个所述卫星簇的汇聚卫星；

对所述网络传输容量模型进行最优求解，并根据求解结果确定每个所述卫星簇的所述汇聚卫星。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述第二公式和所述第三公式构建网络传输容量模型包括：

根据公式

构建所述目标卫星s的网络传输容量模型，其中，R_c为所述目标卫星s网络传输容量，C表示预设常数。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述网络传输容量模型进行最优求解包括：

基于所述网络传输容量模型的约束条件，对所述网络传输容量进行最大化求解，并根据所述最大化求解结果确定所述汇聚卫星，其中，所述约束条件为：0≤p(s)≤1，并且

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述汇聚卫星构建所述目标卫星与所述汇聚卫星之间的目标传输路径包括：

根据公式

确定所述卫星簇中的汇聚卫星在进行数据传输时的传输代价函数，其中，C(x)表示所述传输代价函数，x_f表示中间节点f的通信流量，u表示所述目标卫星，v表示所述汇聚卫星，R_uv表示所述目标卫星和所述汇聚卫星之间的边权重，n为所述中间节点f的个数，所述目标卫星通过所述中间节点f向所述汇聚卫星传输数据；

对所述传输代价函数进行最小化计算，并根据计算结果确定所述目标卫星和所述汇聚卫星之间的最优传输路径。

7.一种基于分布式星群的数据传输装置，其特征在于，包括：

第一确定单元，用于确定分布式卫星群中的多个待分组卫星中任意两个待分组卫星之间的路径阻抗，以及获取每个所述待分组卫星的通信阻抗；

分簇单元，用于基于确定出的所述路径阻抗和所述通信阻抗对多个所述待分组卫星执行分簇操作，得到至少一个卫星簇；

第二确定单元，用于确定每个所述卫星簇中的汇聚卫星，其中，所述汇聚卫星用于将所述卫星簇中至少一个目标卫星的待传输数据传输至地面站，其中，所述目标卫星为所述卫星簇中除所述汇聚卫星之外的卫星；

构建单元，用于基于所述汇聚卫星构建所述目标卫星与所述汇聚卫星之间的目标传输路径，以使所述目标卫星通过所述目标传输路径向所述汇聚卫星传输待传输数据；

其中，所述第一确定单元还用于：

基于公式

确定所述待分组卫星的上传速率，其中，

表示所述上传速率，τ表示所述待分组卫星的信道估计时间，

表示所述待分组卫星的无线能量传输时间，γ表示所述待分组卫星的信干比；

基于公式

确定每个所述待分组卫星的通信阻抗，其中，k为所述待分组卫星的度，β₁表示第一加权因子，β₂表示第二加权因子，υ₁表示第一非线性加权因子，ψ₁表示第二非线性加权因子，i＝1，2，...，N，i为表示所述多个待分组卫星中的第i个待分组卫星，N为所述多个待分组卫星的数量，B_i表示第i个待分组卫星的介数，R_i表示第i个待分组卫星的通信阻抗；

根据下述公式确定任意两个待分组卫星之间的路径阻抗：

其中，式中α₁、α₂、α₃和α₄为加权因子，υ₂、ψ₂和ξ为非线性控制因子，ENR为信噪比；i和j分别表示任意两个不相同的待分组卫星；L_x表示路径损失，n_ij表示两个待分组卫星之间传输切换次数，d_ij表示两个待分组卫星之间的真实距离值。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述分簇单元用于：

根据所述路径阻抗确定所述分布式卫星群的相似度矩阵d_M；

基于每个所述待分组卫星的所述通信阻抗确定任意两个所述待分组卫星之间的广义距离，得到广义距离矩阵D_ij；

根据公式L_M＝d_M-D_ij确定拉普拉斯矩阵，其中，L_M表示所述拉普拉斯矩阵；

对所述拉普拉斯矩阵L_M进行归一化处理，得到处理之后的所述拉普拉斯矩阵

将处理之后的所述拉普拉斯矩阵中的目标特征向量组成特征空间，其中，所述目标特征向量为所述拉普拉斯矩阵中的全部特征向量按照由小到大进行排列之后，位于排序序列中的前N个特征向量；

使用均值聚类算法对所述目标特征向量进行处理，并根据处理之后的结果确定所述至少一个卫星簇。

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