CN106850040B - 空间信息网络中带宽资源的配置方法和装置 - Google Patents

空间信息网络中带宽资源的配置方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种空间信息网络中带宽资源的配置方法和装置，涉及卫星通信的技术领域，该方法包括：确定接入中继卫星的至少一个信源卫星；在至少一个信源卫星中检测空闲传输带宽，其中，空闲传输带宽为预先为目标信源卫星传输数据的带宽资源，目标信源卫星为至少一个信源卫星中与中继卫星之间的通信信道为空闲信道的信源卫星；在检测到空闲传输带宽的情况下，对当前时刻接入中继卫星的至少一个信源卫星进行更新，并为更新之后的至少一个信源卫星重新分配带宽资源；通过重新分配之后带宽资源向地面服务站传输目标数据，解决了现有技术中无法对中继卫星的传输带宽资源进行动态分配的技术问题。

Description

空间信息网络中带宽资源的配置方法和装置
技术领域
本发明涉及卫星通信的技术领域，尤其是涉及一种空间信息网络中带宽资源的配置方法和装置。
背景技术
目前对地观测卫星的部署，特别是环境、资源卫星，主要是部署低轨卫星，其轨道高度在三百到两千公里范围。部署在这一高度范围的主要优点就是能够获得较高分辨率的地球表面或大气数据。但是，该部署方法也存在很多弊端。一个方面，由于我国地面站部署范围有限，因此，不能全球布站，卫星获取数据后不能及时回传至地面；另一个方面，由于地面站接收范围有限，而低轨卫星飞行速度高、重返周期长，以300到400公里轨道高度的卫星为例，过境时间一般在十几分钟范围，重返周期达数天。这些因素必然导致低轨卫星无法与地面站建立连续稳定的回传连接。针对这一问题，现有技术中的一个有效的解决手段是引入数据中继星协作传输。目前，数据中继卫星主要部署在地球同步轨道，例如，美国的追踪与数据中继通信卫星TDRS。同步轨三万多公里的轨道高度，能够极大程度扩大与低轨卫星的连接范围，而且能够和地面站建立连续稳定的全天候连接。
目前针对协作通信和资源配置已有很多研究，然而，大多数研究讨论对等网络场景，并且传输链路相对稳定，而在空间网络中，中继卫星特别是同步轨中继卫星传输能力强大，星间、星地链路特性存在差异，而且，空间网络属于机会通信网络，链路通断频繁，因此需要针对空间网络中节点和传输链路特性，重新设计应用于空间网络的协作协议和网络资源配置策略。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间信息网络中带宽资源的配置方法和装置，以缓解现有技术中无法对中继卫星的传输带宽进行动态分配的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种空间信息网络中带宽资源的配置方法，包括：确定接入中继卫星的至少一个信源卫星；在所述至少一个信源卫星中检测空闲传输带宽，其中，所述空闲传输带宽为预先分配的为目标信源卫星传输数据的带宽资源，所述目标信源卫星为所述至少一个信源卫星中与所述中继卫星之间的通信信道为空闲信道的信源卫星；在检测到所述空闲传输带宽的情况下，对当前时刻接入所述中继卫星的至少一个信源卫星进行更新，并为更新之后的所述至少一个信源卫星重新分配带宽资源；通过重新分配之后带宽资源向地面服务站传输目标数据，其中，所述目标数据为更新之后的每个所述信源卫星的待传输数据队列中位于队列最前端的数据，其中，所述待传输数据队列用于存储从所述信源卫星获取到的待传输数据。
进一步地，在所述至少一个信源卫星中检测空闲传输带宽包括：检测当前信源卫星和所述中继卫星之间的连接状态，并根据所述连接状态确定所述当前信源卫星是否为所述目标信源卫星，其中，如果确定出是所述目标信源卫星，则确定预先为所述目标信源卫星分配的带宽资源为所述空闲传输带宽，所述当前信源卫星为所述至少一个信源卫星中任一个信源卫星；或者，检测所述当前信源卫星的数据传输队列中是否包含待传输数据，其中，如果检测出所述当前信源卫星的数据传输队列中不包含待传输数据，则确定预先为所述当前信源卫星分配的带宽资源为所述空闲传输带宽。
进一步地，检测当前信源卫星和所述中继卫星之间的连接状态，并根据所述连接状态确定所述当前信源卫星是否为所述目标信源卫星包括：通过第一信道模型确定是否已建立所述当前信源卫星与所述中继卫星之间的通信链路，以及通过所述第一信道模型确定是否已建立所述当前信源卫星与所述地面服务站之间的通信链路，其中，所述第一信道模型为预先通过ON/OFF模型建立的信道模型；如果确定出所述中继卫星与所述当前信源卫星之间的通信链路已建立，并且确定出所述当前信源卫星与所述地面服务站之间的通信链路未建立，则通过第二信道模型确定所述当前信源卫星与所述中继卫星是否能够正常通信，其中，所述第二信道模型为预先通过莱斯信道建立的信道模型；如果确定出所述当前信源卫星与所述中继卫星不能正常通信，则确定所述当前信源卫星为所述目标信源卫星；如果确定出所述当前信源卫星与所述中继卫星能够正常通信，则确定所述当前信源卫星不是所述目标信源卫星。
进一步地，在通过第一信道模型确定是否已建立所述当前信源卫星与所述中继卫星之间的通信链路，以及通过所述第一信道模型确定是否已建立所述当前信源卫星与所述地面服务站之间的通信链路之后，所述方法还包括：如果确定出所述中继卫星与所述当前信源卫星之间的通信链路未建立，并且确定出所述当前信源卫星与所述地面服务站之间的通信链路已建立，则通过所述第二信道模型确定所述当前信源卫星与所述地面服务站是否能够正常通信；如果确定出所述当前信源卫星与所述地面服务站能够正常通信，则确定所述当前信源卫星是所述目标信源卫星。
进一步地，在通过重新分配之后带宽资源向地面服务站传输目标数据之后，所述方法还包括：判断所述地面服务站是否成功接收到所述目标数据；如果判断出成功接收到所述目标数据，则删除所述目标数据；如果判断出未成功接收到所述目标数据，则将所述目标数据保存在所述待传输数据队列的队尾。
进一步地，为更新之后的所述至少一个信源卫星重新分配带宽资源包括：确定更新之后的所述至少一个信源卫星的数量；按照所述数量对所述中继卫星的全部带宽资源进行平均分配，并将平均分配之后得到的子带宽资源用于为更新之后的每个所述信源卫星进行数据传输；或者，确定更新之后的所述至少一个信源卫星的数量，以及更新之后每个所述信源卫星的待传输数据队列中的数据总量；根据所述数量和所述数据总量为更新之后的每个所述信源卫星分配相同或者不相同的带宽资源。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种空间信息网络中带宽资源的配置装置，包括：确定单元，用于确定接入中继卫星的至少一个信源卫星；检测单元，用于在所述至少一个信源卫星中检测空闲传输带宽，其中，所述空闲传输带宽为预先分配的为目标信源卫星传输数据的带宽资源，所述目标信源卫星为所述至少一个信源卫星中与所述中继卫星之间的通信信道为空闲信道的信源卫星；分配单元，用于在检测到所述空闲传输带宽的情况下，对当前时刻接入所述中继卫星的至少一个信源卫星进行更新，并为更新之后的所述至少一个信源卫星重新分配带宽资源；发送单元，用于通过重新分配之后带宽资源向地面服务站传输目标数据，其中，所述目标数据为更新之后的每个所述信源卫星的待传输数据队列中位于队列最前端的数据，其中，所述待传输数据队列用于存储从所述信源卫星获取到的待传输数据。
进一步地，所述检测单元包括：第一检测子模块，用于检测当前信源卫星和所述中继卫星之间的连接状态，并根据所述连接状态确定所述当前信源卫星是否为所述目标信源卫星，其中，如果确定出是所述目标信源卫星，则确定预先为所述目标信源卫星分配的带宽资源为所述空闲传输带宽，所述当前信源卫星为所述至少一个信源卫星中任一个信源卫星；或者，第二检测子模块，用于检测所述当前信源卫星的数据传输队列中是否包含待传输数据，其中，如果检测出所述当前信源卫星的数据传输队列中不包含待传输数据，则确定预先为所述当前信源卫星分配的带宽资源为所述空闲传输带宽。
进一步地，所述第一检测子模块用于：通过第一信道模型确定是否已建立所述当前信源卫星与所述中继卫星之间的通信链路，以及通过所述第一信道模型确定是否已建立所述当前信源卫星与所述地面服务站之间的通信链路，其中，所述第一信道模型为预先通过ON/OFF模型建立的信道模型；在确定出所述中继卫星与所述当前信源卫星之间的通信链路已建立，并且确定出所述当前信源卫星与所述地面服务站之间的通信链路未建立的情况下，通过第二信道模型确定所述当前信源卫星与所述中继卫星是否能够正常通信，其中，所述第二信道模型为预先通过莱斯信道建立的信道模型；在确定出所述当前信源卫星与所述中继卫星不能正常通信的情况下，确定所述当前信源卫星为所述目标信源卫星；在确定出所述当前信源卫星与所述中继卫星能够正常通信的情况下，确定所述当前信源卫星不是所述目标信源卫星。
进一步地，所述第一检测子模块用于：在通过第一信道模型确定是否已建立所述当前信源卫星与所述中继卫星之间的通信链路，以及通过所述第一信道模型确定是否已建立所述当前信源卫星与所述地面服务站之间的通信链路之后，在确定出所述中继卫星与所述当前信源卫星之间的通信链路未建立，并且确定出所述当前信源卫星与所述地面服务站之间的通信链路已建立的情况下，通过所述第二信道模型确定所述当前信源卫星与所述地面服务站是否能够正常通信；在确定出所述当前信源卫星与所述地面服务站能够正常通信的情况下，确定所述当前信源卫星是所述目标信源卫星。
在本发明实施例中，首先确定接入中继卫星的至少一个信源卫星，然后，在至少一个信源卫星中检测空闲传输带宽，在检测到空闲传输带宽的情况下，对当前时刻接入中继卫星的至少一个信源卫星进行更新，并为更新之后的至少一个信源卫星重新分配带宽资源，以通过重新分配之后带宽资源向地面服务站传输目标数据。在本发明实施例中，相对于现有技术中固定传输带宽的分配方式下，本发明实施例达到了对传输带宽的动态分配的目的，缓解了现有技术中无法对中继卫星的传输带宽进行动态分配的技术问题，从而实现了合理分配中继卫星的传输带宽的技术效果。
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是根据本发明实施例的一种空间信息网络中带宽资源的配置方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的一种可选地ON/OFF模型的示意图；
图3是根据本发明实施例的一种低轨中继卫星系统最大吞吐量随信噪比阈值与地面站接收仰角的变化的示意图；
图4是根据本发明实施例的一种平均最大吞吐量随轨道高度变化的示意图；
图5是根据本发明实施例的一种空间信息网络中带宽资源的配置装置的示意图；
图6是根据本发明实施例的一种可选地空间信息网络中带宽资源的配置装置的示意图；
图7是根据本发明实施例的一种可选地空间信息网络中带宽资源的配置装置的示意图。
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。
实施例1
根据本发明实施例，提供了一种空间信息网络中带宽资源的配置方法的实施例，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1是根据本发明实施例的一种空间信息网络中带宽资源的配置方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S102，确定接入中继卫星的至少一个信源卫星；
在本发明实施例中，中继卫星具有认知能力，能够感知当前时刻，接入中继卫星的信源卫星的数量，以及信源卫星的接入状态，以及信源卫星是否具有数据传输任务。
步骤S104，在至少一个信源卫星中检测空闲传输带宽，其中，空闲传输带宽为预先分配的为目标信源卫星传输数据的带宽资源，目标信源卫星为至少一个信源卫星中与中继卫星之间的通信信道为空闲信道的信源卫星；
当低轨道信源卫星能够建立与地面服务站的连接时，即使此时低轨道信源卫星能够与同步轨中继卫星建立连接，也仅向地面服务站直接传输数据，不向中继卫星传输。也就是说，只有当地面服务站对信源卫星不可见，且该信源卫星能够与同步轨中继卫星链路可见时，该信源卫星使用中继卫星传输数据。
因此，在本发明实施例中，中继卫星会实时在已接入的至少一个信源卫星中检测目标信源卫星，其中，目标信源卫星与中继卫星之间的通信信道到空闲信道。也就是说，当前时刻，目标信源卫星与地面服务站之间的链路可见，并与中继卫星之间的链路不可见，或者，当前时刻目标信源卫星无数据需要传输，此时，确定目标信源卫星与中继卫星之间的通信信道为空闲信道。
在确定空闲信道之后，就可以确定中继卫星预先为该目标信源卫星分配带宽资源为空闲传输带宽。
步骤S106，在检测到空闲传输带宽的情况下，对当前时刻接入中继卫星的至少一个信源卫星进行更新，并为更新之后的至少一个信源卫星重新分配带宽资源；
在本发明实施例中，当中继卫星在感知到有信源卫星与地面服务站的连接状态由不可见变为可见时，即该信源卫星不再使用中继卫星资源，则将原本分配到它的传输资源分配给其他满足无法与地面服务站建立连接的信源卫星。此外，当中继卫星发现某刻接入信源卫星的传输队列为零时，也将原本分配到它的传输资源分配给其他对地面站不可见的卫星。
也就是说，中继卫星在感知到目标信源卫星的情况下，将预先为目标信源卫星分配的传输资源(例如，上述目标传输带宽)确定为空闲传输带宽。进而，对当前时刻接入中继卫星的至少一个信源卫星进行更新，并为更新之后的至少一个信源卫星重新分配带宽资源。
具体地，在本发明实施例中，当中继卫星感知到空闲传输带宽时，中继卫星可以根据矩阵Ω＝{ω1,...,ωi,…,ωN}对带宽资源进行重新分配，其中，ωi表示分配给第i颗低轨信源卫星的带宽，N为可接入同步轨中继卫星的信源卫星的数量。
步骤S108，通过重新分配之后带宽资源向地面服务站传输目标数据，其中，目标数据为更新之后的每个信源卫星的待传输数据队列中位于队列最前端的数据，其中，待传输数据队列用于存储从信源卫星获取到的待传输数据。
在本发明实施例中，中继卫星在感知到空闲传输带宽之后，就可以通过空闲传输带宽将更新之后的每个信源卫星的待传输数据队列中位于队列最前端的数据向地面服务站传输。
需要说明的是，上述步骤S102至步骤S108的执行主体可以为中继卫星，但不限于此。
在本发明实施例中，首先确定接入中继卫星的至少一个信源卫星，然后，在至少一个信源卫星中检测空闲传输带宽，在检测到空闲传输带宽的情况下，对当前时刻接入中继卫星的至少一个信源卫星进行更新，并为更新之后的至少一个信源卫星重新分配带宽资源，以通过重新分配之后带宽资源向地面服务站传输目标数据。在本发明实施例中，相对于现有技术中固定传输带宽的分配方式下，本发明实施例达到了对传输带宽的动态分配的目的，缓解了现有技术中无法对中继卫星的传输带宽进行动态分配的技术问题，从而实现了合理分配中继卫星的传输带宽的技术效果。
在本发明实施例的一个可选实施方式中，为更新之后的所述至少一个信源卫星重新分配带宽资源包括如下两种方式：
方式一
确定更新之后的至少一个信源卫星的数量；按照数量对中继卫星的全部带宽资源进行平均分配，并将平均分配之后得到的子带宽资源用于为更新之后的每个信源卫星进行数据传输。
在本发明实施例中，在检测到空闲传输带宽之后，可以确定更新之后至少一个信源卫星的数量。例如，初始时刻，至少一个信源卫星的数量为5个，那么在某一时刻在5个信源卫星中检测到一个目标信源卫星，也就是说，此时，有4个信源卫星接入该中继卫星。但是检测到下一时刻有2个新的信源卫星要接入该中继卫星，也就是说，此时，有6个信源卫星接入到该中继卫星。此时，该中继卫星可以将全部的带宽资源进行重新分配，例如，将全部的带宽资源平均分配给6个信源卫星。
需要说明的是，除此之外，如果在某一时刻检测到初始的5个信源卫星中有一个信源卫星A与中继卫星之间的信道空闲，并检测到下一时刻将有一个新的信源卫星B接入该中继卫星，此时，可以将预先为给信源卫星A进行传输服务的带宽资源直接分配给信源卫星B，而对其它信源卫星的带宽资源不进行调整。
方式二
确定更新之后的至少一个信源卫星的数量，以及更新之后每个信源卫星的待传输数据队列中的数据总量；根据数量和数据总量为更新之后的每个信源卫星分配相同或者不相同的带宽资源。
在本发明实施例中，如果检测到空闲传输带宽，那么可以确定更新之后的至少一个信源卫星的数量，例如，确定出更新之后至少一个信源卫星的数量为6个，那么此时，还可以确定该6个信源卫星的待传输队列中的数据总量，进而，可以根据数据总量智能地为其分配带宽资源。例如，可以为数据总量较多的信源卫星分配较大的带宽，可以为数据总量较少的信源卫星分配较小的带宽，以实现带宽资源的合理分配。
在至少一个信源卫星中检测目标信源卫星的方式有很多种，在本发明实施例的一个可选实施方式中，在至少一个信源卫星中检测目标信源卫星时，可以采用以下两种方式进行检测：
方式一
检测当前信源卫星和中继卫星之间的连接状态，并根据连接状态确定当前信源卫星是否为目标信源卫星，其中，如果确定出是目标信源卫星，则确定预先为目标信源卫星分配的带宽资源为空闲传输带宽，当前信源卫星为至少一个信源卫星中任一个信源卫星；或者
当低轨道信源卫星能够建立与地面服务站的连接时，即使信源卫星能够与同步轨中继卫星建立连接，也仅向地面服务站直接传输数据，不向中继卫星传输。这就是说，只有当地面服务站对信源卫星不可见，并且该信源卫星能够与低轨中继卫星链路可见时，该信源使用中继卫星进行通信。
因此，在本发明实施例中，在检测目标中继卫星时，可以实时检测当前信源卫星与中继卫星之间链路的连接状态，以及，检测当前信源卫星与地面服务站之间链路的连接状态。进而，根据上述连接状态确定当前信源卫星是否为目标信源卫星。如果确定出是目标信源卫星，则确定预先为目标信源卫星分配的带宽资源为空闲传输带宽。
方式二
检测当前信源卫星的数据传输队列中是否包含待传输数据，其中，如果检测出当前信源卫星的数据传输队列中不包含待传输数据，则确定预先为当前信源卫星分配的带宽资源为空闲传输带宽。
另一种确定目标信源卫星的方式，是检测当前信源卫星的数据传输队列中是否包含待传输数据。即，检测传输带宽原本分配的信源卫星的数据队列中是否包含待传输数据，其中，如果该数据传输队列中不包含待传输数据，那么确定预先为当前信源卫星分配的带宽资源为空闲传输带宽。
进一步地，在上述方式一中，检测当前信源卫星和中继卫星之间的连接状态，并根据连接状态确定当前信源卫星是否为目标信源卫星包括如下步骤：
步骤S11，通过第一信道模型确定是否已建立当前信源卫星与中继卫星之间的通信链路，以及通过第一信道模型确定是否已建立当前信源卫星与地面服务站之间的通信链路，其中，第一信道模型为预先通过ON/OFF模型建立的信道模型；
步骤S12，如果确定出中继卫星与当前信源卫星之间的通信链路已建立，并且确定出当前信源卫星与地面服务站之间的通信链路未建立，则通过第二信道模型确定当前信源卫星与中继卫星是否能够正常通信，其中，第二信道模型为预先通过莱斯信道建立的信道模型；
步骤S13，如果确定出当前信源卫星与中继卫星不能正常通信，则确定当前信源卫星为目标信源卫星；
步骤S14，如果确定出当前信源卫星与中继卫星能够正常通信，则确定当前信源卫星不是目标信源卫星。
具体地，在本发明实施例中，可以选取物理传输信道(即，上述第二信道模型)及基于可见性的ON/OFF模型(即，上述第一信道模型)对星间及星地链路连接情况进行刻画。
物理传输信道：由于空间信号传输遮挡物少，以视距传输为主，因此在信道模型上选择使用莱斯信道进行建模。具体地，通过信噪比来判断星间和星地之间的物理传输信道是否建立，其中，当信噪比大于阈值时，则判断星间和星地之间的物理传输信道已建立，也即是说，当信噪比大于阈值时，表明地面服务站或者中继卫星能后成功接收信源卫星发送的数据，反之则不能。
假设，在t时隙卫星j接收到来自卫星i的信号，那么莱斯信道的数学模型可以表示为：其中，xi表示卫星i的发射信号，G为发射功率，dij为卫星i和卫星j之间的距离，γ为路径衰落因子，nij为卫星i和卫星j之间的加性高斯噪声，jij＝X1+jX2为信道衰落系数，建模为循环对称复高斯随机变量，则|hij|分布为：
假设当信噪比大于阈值β时，能够成功接收，则成功接收到信号的概率为：
ON/OFF模型：由于卫星运动和地球遮挡，空间网络中无法建立连续的星间和星地链路，因此，通过对卫星运行轨道分析，设计了信道通断模型(即，ON/OFF模型)。该信道通断模型主要通过轨道参数计算信源卫星的通信覆盖范围来确定链路的通断，其中，可以分别用1和0表示链路的通断状态。
针对低轨卫星与中继卫星、地面站的连接通断，当Ljk＝1时，表示卫星j与k可以连接，当Ljk＝0时，表示不满足连接条件，即可以整理为公式：如图2所示的即为一种ON/OFF模型的示意图。
根据图(a)，可以确定卫星i在一个运行周期内能够与中继卫星连接的概率，该概率用p1(i)表示，其中，其中，Ri表示卫星i的轨道半径，RE表示地球半径，Rr表示中继卫星的轨道半径。也就是说，卫星i在一个运行周期内能够与中继卫星连接的比率为0.5(1+cosα1)。
根据图(b)，可以确定卫星i在一个运行周期内与地面站连接的概率，该概率用p2(i)表示，其中该概率可以表示为下述公式：
其中，α2为地面站雷达捕获仰角，ρi＝Ri/RE。也就是说，卫星i在一个运行周期内能够与地面站(也即，地面服务站)连接的比率为可以描述为公式：其中，α2为地面站雷达捕获仰角，ρ＝R/RE。
在确定p1(i)和p2(i)之后，就可以根据p1(i)和p2(i)确定卫星i能够与中继卫星建立连接时，该卫星i还能够与地面站建立连接的概率p3(i)，其中，该概率p3(i)可以表述为：
具体地，基于上述第一信道模型和第二信道模型，确定目标信源卫星的过程描述如下：
首先，通过第一信道模型确定是否已建立当前信源卫星与中继卫星之间的通信链路，以及确定是否已建立当前信源卫星与地面服务站之间的通信链路，也就是说，通过第一信道模型，确定当前信源卫星与中继卫星之间的链路是否可见，并通过第一信道模型，确定当前信源卫星与地面服务站之间的链路是否可见。其中，如果确定出当前信源卫星与中继卫星之间的通信链路可见，并确定出当前信源卫星与地面服务站之间的通信链路不可见，进一步地，根据第二信道模型确定当前信源卫星与中继卫星是否能够正常通信。具体地，通过上述描述可知，可以根据当前时刻当前信源卫星与中继卫星之间的物理传输信道的信噪比来确定当前信源卫星与中继卫星是否能够正常通信。
如果确定出当前信源卫星与中继卫星能够正常通信，则当前信源卫星不是目标信源卫星；如果通过信噪比确定出当前信源卫星与中继卫星之间不能正常通信，那么确定当前信源卫星即为目标信源卫星。
进一步地，在通过第一信道模型确定是否已建立当前信源卫星与中继卫星之间的通信链路，以及通过第一信道模型确定是否已建立当前信源卫星与地面服务站之间的通信链路之后，如果确定出中继卫星与当前信源卫星之间的通信链路未建立，并且确定出当前信源卫星与地面服务站之间的通信链路已建立，则通过第二信道模型确定当前信源卫星与地面服务站是否能够正常通信；如果确定出当前信源卫星与地面服务站能够正常通信，则确定当前信源卫星是目标信源卫星。
通过上述描述可知，当有多颗低轨道信源卫星(即，上述至少一个信源卫星)同时接入低轨中继卫星时，中继卫星的传输带宽资源依据Ω＝{ω1,...,ωi,…,ωN}资源分配矩阵进行分配，其中，ωi表示当前传输带宽分配给低轨卫星i的概率，N为可接入同步轨中继卫星的地轨卫星数量。那么当中继卫星感知到目标信源卫星时，即感知到至少一个信源卫星中有一个或者多个卫星与中继卫星之间的通信链路不可见，或者，感知到某个信源卫星无数据传输时，预先分配给该信源卫星的传输带宽将处于空间状态，然后，将空闲出的传输带宽再分配给其他接入的信源卫星。
因此，在本发明实施例中，设置中继卫星具有动态分配传输带宽资源的能力，当有信源卫星不再接入时，中继卫星改变原分配向量，动态改变分配策略，利用空闲出的传输带宽转发队列最前端的接收数据。
在本发明实施例的一个可选实施方式中，在通过重新分配之后带宽资源向地面服务站传输目标数据之后，该方法还包括如下步骤：
步骤S21，判断地面服务站是否成功接收到目标数据；
步骤S22，如果判断出成功接收到目标数据，则删除目标数据；
步骤S23，如果判断出未成功接收到目标数据，则将目标数据保存在待传输数据队列的队尾。
具体地，在本发明实施例中，中继卫星在通过空闲传输带宽向地面服务站传输目标数据之后，判断地面服务站是否成功接收到该目标数据。具体地，当地面服务站成功接收到目标数据时，将发送ACK确认信号到中继卫星，并由中继卫星转发到相应信源卫星。也就是说，中继卫星可以通过判断是否接收到确认信号来判断地面服务站是否接收到该目标数据。
当地面服务站成功接收到目标数据时，中继卫星和信源卫星都将其队首已发送成功的数据包删除，如果地面服务站没有成功接收，而中继卫星成功接收到数据包，中继卫星和相应的信源卫星将该包分别保存在各自的队列尾和队列首。
本发明实施例提供的空间信息网络中带宽资源的配置方法，考虑同步轨中继卫星是专门部署的数据中继卫星，具有非常强的存储转发能力。假设同步轨中继卫星可以在一个时隙内同时接收来自低轨卫星的数据，并将数据转发到地面站，这两个过程使分别使用星间和星地链路，为不同的信道类型，因此这两个传输过程可以在同一时隙进行。
本发明实施例提供的空间信息网络中带宽资源的配置方法，为了保证每颗接入的低轨信源卫星都能充分利用信道及链路条件进行传输，同时充分利用同步轨道中继卫星的传输资源，当低轨信源卫星能够与地面站建立连接时，即使可以与同步轨中继卫星连接，也不使用星间链路，而采用其专用的星地链路传输数据，从而使空余出来的中继卫星传输资源(例如，传输带宽)可以用于其他有传输需求、且无法向地面站直接传输的低轨信源卫星。
本发明实施例提供的空间信息网络中带宽资源的配置方法，为了保证中继资源充分利用，采用认知技术，使中继卫星具有感知信道空闲状态的能力，感知接入卫星的传输数据情况及接入状态，及时发现网络中的空闲资源，并利用空闲的传输带宽为其他有传输需求的卫星提供协作传输服务。
在本发明实施例中，进一步通过仿真，来验证本发明实施例提供的空间网络中时隙的配置方法的性能，具体如下：
设置同步轨中继卫星轨道高度为42164km，两颗接入低轨信源卫星分为部署在高度为645km和785km的轨道。设星间链路和星地链路的衰落因子分别为γ1＝2.1和γ2＝2.8，传输功率为G＝10watt，星间与星地链路的高斯白噪声平均功率N0分别为10-11和10-12，视距与其它路径的功率比K分别为7.78dB和6.99dB，令Ω＝1+K。
首先，分析应用本发明提出的协作传输协议，不同的信噪比阈值β和地面站雷达最大接收仰角α2对传输性能的影响。β在0到50之间变化，α2设置为30°、60°和80°。星间与星地链路的通断情况由ON/OFF模型和信道物理模型决定，使用协作资源分配协议对低轨中继卫星的带宽资源进行分配，两颗卫星的平均最大吞吐量图3所示。由图3可以看出，系统平均最大吞吐量随β增大而减小，随α2增大而增大。
接下来，仿真分析卫星轨道高度对系统平均吞吐量的影响。将两个低轨接入信源卫星的轨道高度在300km到10000km之间变化，设置信噪比阈值为β＝10，其它参数与之前仿真设置相同，仿真结果图4所示。可以发现，系统最大吞吐量出现在轨道高度为2200km附近。
综上，利用本发明提供的方法在对于多接入协作通信卫星网络中进行通信，具有以下优点：
1、在本发明实施例中，中继卫星能够感知空闲信道状态，并利用空闲传输资源为有传输任务的接入卫星进行中继，解决了传统固定时隙分配方式下空余传输时隙资源浪费的情况；
2、在本发明实施例中，采用莱斯信道对星间链路及星地链路的物理信道进行建模，能够有效刻画传输链路中遮挡物少、视距传输为主的情况；
3、在本发明实施例中，采用基于可见性、雷达捕获角的ON/OFF模型对星间及星地链路进行建模，能够有效刻画传输链路的通断情况；
4、在本发明实施例中，采用时隙划分的方式，由于卫星运行轨道周期具有可预测性，因此时隙划分方式便于协议实现和实施。
本发明实施例还提供了一种空间信息网络中带宽资源的配置装置，该空间信息网络中带宽资源的配置装置主要用于执行本发明实施例上述内容所提供的空间信息网络中带宽资源的配置方法，以下对本发明实施例提供的空间信息网络中带宽资源的配置装置做具体介绍。
实施例2
图5是根据本发明实施例的一种空间信息网络中带宽资源的配置装置的示意图，如图5所示，该空间信息网络中带宽资源的配置装置主要包括确定单元51，检测单元52，分配单元53和发送单元54，其中：
确定单元，用于确定接入中继卫星的至少一个信源卫星；
检测单元，用于在至少一个信源卫星中检测目标信源卫星，其中，目标信源卫星与中继卫星之间的通信信道为空闲信道；
分配单元，用于在检测到目标信源卫星的情况下，将中继卫星的多个传输带宽中的目标传输带宽确定为空闲传输带宽，其中，目标传输带宽为用于传输目标信源卫星的待传输数据的带宽资源；
发送单元，用于通过空闲传输带宽向地面服务站传输目标数据，其中，目标数据为待传输数据队列中位于队列最前端的数据，其中，待传输数据队列用于存储从信源卫星获取到的待传输数据。
需要说明的是，上述确定单元51，检测单元52，分配单元53和发送单元54的执行主体可以为中继卫星，但不限于此。
在本发明实施例中，首先确定接入中继卫星的至少一个信源卫星，然后，在至少一个信源卫星中检测空闲传输带宽，在检测到空闲传输带宽的情况下，对当前时刻接入中继卫星的至少一个信源卫星进行更新，并为更新之后的至少一个信源卫星重新分配带宽资源，以通过重新分配之后带宽资源向地面服务站传输目标数据。在本发明实施例中，相对于现有技术中固定传输带宽的分配方式下，本发明实施例达到了对传输带宽的动态分配的目的，缓解了现有技术中无法对中继卫星的传输带宽进行动态分配的技术问题，从而实现了合理分配中继卫星的传输带宽的技术效果。
图6是根据本发明实施例的一种可选地空间信息网络中带宽资源的配置装置的示意图，如图6所示，检测单元51包括：第一检测子模块61和第二检测子模块62，其中，第一检测子模块61，用于检测当前信源卫星和中继卫星之间的连接状态，并根据连接状态确定当前信源卫星是否为目标信源卫星，其中，如果确定出是目标信源卫星，则确定预先为目标信源卫星分配的带宽资源为空闲传输带宽，当前信源卫星为至少一个信源卫星中任一个信源卫星；或者，第二检测子模块62，用于检测当前信源卫星的数据传输队列中是否包含待传输数据，其中，如果检测出当前信源卫星的数据传输队列中不包含待传输数据，则确定预先为当前信源卫星分配的带宽资源为空闲传输带宽。
可选地，第一检测子模块用于：通过第一信道模型确定是否已建立当前信源卫星与中继卫星之间的通信链路，以及通过第一信道模型确定是否已建立当前信源卫星与地面服务站之间的通信链路，其中，第一信道模型为预先通过ON/OFF模型建立的信道模型；在确定出中继卫星与当前信源卫星之间的通信链路已建立，并且确定出当前信源卫星与地面服务站之间的通信链路未建立的情况下，通过第二信道模型确定当前信源卫星与中继卫星是否能够正常通信，其中，第二信道模型为预先通过莱斯信道建立的信道模型；在确定出当前信源卫星与中继卫星不能正常通信的情况下，确定当前信源卫星为目标信源卫星；在确定出当前信源卫星与中继卫星能够正常通信的情况下，确定当前信源卫星不是目标信源卫星。
可选地，第一检测子模块用于：在通过第一信道模型确定是否已建立当前信源卫星与中继卫星之间的通信链路，以及通过第一信道模型确定是否已建立当前信源卫星与地面服务站之间的通信链路之后，在确定出中继卫星与当前信源卫星之间的通信链路未建立，并且确定出当前信源卫星与地面服务站之间的通信链路已建立的情况下，通过第二信道模型确定当前信源卫星与地面服务站是否能够正常通信；在确定出当前信源卫星与地面服务站能够正常通信的情况下，确定当前信源卫星是目标信源卫星。
图7是根据本发明实施例的一种可选地空间信息网络中带宽资源的配置装置的示意图，如图7所示，该装置还包括：判断单元71，第一删除单元72，保存单元73，其中，
判断单元71，用于判断地面服务站是否成功接收到目标数据；
第一删除单元72，用于在判断出成功接收到目标数据的情况下，删除目标数据；
保存单元73，用于在判断出未成功接收到目标数据的情况下，将目标数据保存在待传输数据队列的队尾。
可选地，分配单元用于：确定更新之后的至少一个信源卫星的数量；按照数量对中继卫星的全部带宽资源进行平均分配，并将平均分配之后得到的子带宽资源用于为更新之后的每个信源卫星进行数据传输；或者，确定更新之后的至少一个信源卫星的数量，以及更新之后每个信源卫星的待传输数据队列中的数据总量；根据数量和数据总量为更新之后的每个信源卫星分配相同或者不相同的带宽资源。
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 (10)

1.一种空间信息网络中带宽资源的配置方法，其特征在于，包括：
确定接入中继卫星的至少一个信源卫星；
在所述至少一个信源卫星中检测空闲传输带宽，其中，所述空闲传输带宽为预先分配的为目标信源卫星传输数据的带宽资源，所述目标信源卫星为所述至少一个信源卫星中与所述中继卫星之间的通信信道为空闲信道的信源卫星；
在检测到所述空闲传输带宽的情况下，所述中继卫星对当前时刻接入所述中继卫星的除所述目标信源卫星之外的至少一个信源卫星进行更新，并为更新之后的除所述目标信源卫星之外的所述至少一个信源卫星重新分配带宽资源；
通过重新分配之后带宽资源向地面服务站传输目标数据，其中，所述目标数据为更新之后的每个所述信源卫星的待传输数据队列中位于队列最前端的数据，其中，所述待传输数据队列用于存储从所述信源卫星获取到的待传输数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述至少一个信源卫星中检测空闲传输带宽包括：
检测当前信源卫星和所述中继卫星之间的连接状态，并根据所述连接状态确定所述当前信源卫星是否为所述目标信源卫星，其中，如果确定出是所述目标信源卫星，则确定预先为所述目标信源卫星分配的带宽资源为所述空闲传输带宽，所述当前信源卫星为所述至少一个信源卫星中任一个信源卫星；或者
检测所述当前信源卫星的数据传输队列中是否包含待传输数据，其中，如果检测出所述当前信源卫星的数据传输队列中不包含待传输数据，则确定预先为所述当前信源卫星分配的带宽资源为所述空闲传输带宽。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，检测当前信源卫星和所述中继卫星之间的连接状态，并根据所述连接状态确定所述当前信源卫星是否为所述目标信源卫星包括：
通过第一信道模型确定是否已建立所述当前信源卫星与所述中继卫星之间的通信链路，以及通过所述第一信道模型确定是否已建立所述当前信源卫星与所述地面服务站之间的通信链路，其中，所述第一信道模型为预先通过ON/OFF模型建立的信道模型；
如果确定出所述中继卫星与所述当前信源卫星之间的通信链路已建立，并且确定出所述当前信源卫星与所述地面服务站之间的通信链路未建立，则通过第二信道模型确定所述当前信源卫星与所述中继卫星是否能够正常通信，其中，所述第二信道模型为预先通过莱斯信道建立的信道模型；
如果确定出所述当前信源卫星与所述中继卫星不能正常通信，则确定所述当前信源卫星为所述目标信源卫星；
如果确定出所述当前信源卫星与所述中继卫星能够正常通信，则确定所述当前信源卫星不是所述目标信源卫星。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在通过第一信道模型确定是否已建立所述当前信源卫星与所述中继卫星之间的通信链路，以及通过所述第一信道模型确定是否已建立所述当前信源卫星与所述地面服务站之间的通信链路之后，所述方法还包括：
如果确定出所述中继卫星与所述当前信源卫星之间的通信链路未建立，并且确定出所述当前信源卫星与所述地面服务站之间的通信链路已建立，则通过所述第二信道模型确定所述当前信源卫星与所述地面服务站是否能够正常通信；
如果确定出所述当前信源卫星与所述地面服务站能够正常通信，则确定所述当前信源卫星是所述目标信源卫星。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在通过重新分配之后带宽资源向地面服务站传输目标数据之后，所述方法还包括：
所述中继卫星判断所述地面服务站是否成功接收到所述目标数据；
如果判断出成功接收到所述目标数据，则所述中继卫星和所述信源卫星均删除所述目标数据；
如果判断出未成功接收到所述目标数据，则所述中继卫星将所述目标数据保存在所述中继卫星的传输数据队列的队尾，同时，所述信源卫星将所述目标数据保存在所述信源卫星的传输数据队列的队首。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为更新之后的所述至少一个信源卫星重新分配带宽资源包括：
确定更新之后的所述至少一个信源卫星的数量；按照所述数量对所述中继卫星的全部带宽资源进行平均分配，并将平均分配之后得到的子带宽资源用于为更新之后的每个所述信源卫星进行数据传输；或者
确定更新之后的所述至少一个信源卫星的数量，以及更新之后每个所述信源卫星的待传输数据队列中的数据总量；根据所述数量和所述数据总量为更新之后的每个所述信源卫星分配相同或者不相同的带宽资源。
7.一种空间信息网络中带宽资源的配置装置，其特征在于，包括：
确定单元，用于确定接入中继卫星的至少一个信源卫星；
检测单元，用于在所述至少一个信源卫星中检测空闲传输带宽，其中，所述空闲传输带宽为预先分配的为目标信源卫星传输数据的带宽资源，所述目标信源卫星为所述至少一个信源卫星中与所述中继卫星之间的通信信道为空闲信道的信源卫星；
分配单元，用于在检测到所述空闲传输带宽的情况下，通过所述中继卫星对当前时刻接入所述中继卫星的除所述目标信源卫星之外的至少一个信源卫星进行更新，并为更新之后的除所述目标信源卫星之外的所述至少一个信源卫星重新分配带宽资源；
发送单元，用于通过重新分配之后带宽资源向地面服务站传输目标数据，其中，所述目标数据为更新之后的每个所述信源卫星的待传输数据队列中位于队列最前端的数据，其中，所述待传输数据队列用于存储从所述信源卫星获取到的待传输数据。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述检测单元包括：
第一检测子模块，用于检测当前信源卫星和所述中继卫星之间的连接状态，并根据所述连接状态确定所述当前信源卫星是否为所述目标信源卫星，其中，如果确定出是所述目标信源卫星，则确定预先为所述目标信源卫星分配的带宽资源为所述空闲传输带宽，所述当前信源卫星为所述至少一个信源卫星中任一个信源卫星；或者
第二检测子模块，用于检测所述当前信源卫星的数据传输队列中是否包含待传输数据，其中，如果检测出所述当前信源卫星的数据传输队列中不包含待传输数据，则确定预先为所述当前信源卫星分配的带宽资源为所述空闲传输带宽。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一检测子模块用于：
通过第一信道模型确定是否已建立所述当前信源卫星与所述中继卫星之间的通信链路，以及通过所述第一信道模型确定是否已建立所述当前信源卫星与所述地面服务站之间的通信链路，其中，所述第一信道模型为预先通过ON/OFF模型建立的信道模型；
在确定出所述中继卫星与所述当前信源卫星之间的通信链路已建立，并且确定出所述当前信源卫星与所述地面服务站之间的通信链路未建立的情况下，通过第二信道模型确定所述当前信源卫星与所述中继卫星是否能够正常通信，其中，所述第二信道模型为预先通过莱斯信道建立的信道模型；
在确定出所述当前信源卫星与所述中继卫星不能正常通信的情况下，确定所述当前信源卫星为所述目标信源卫星；
在确定出所述当前信源卫星与所述中继卫星能够正常通信的情况下，确定所述当前信源卫星不是所述目标信源卫星。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一检测子模块用于：
在通过第一信道模型确定是否已建立所述当前信源卫星与所述中继卫星之间的通信链路，以及通过所述第一信道模型确定是否已建立所述当前信源卫星与所述地面服务站之间的通信链路之后，在确定出所述中继卫星与所述当前信源卫星之间的通信链路未建立，并且确定出所述当前信源卫星与所述地面服务站之间的通信链路已建立的情况下，通过所述第二信道模型确定所述当前信源卫星与所述地面服务站是否能够正常通信；
在确定出所述当前信源卫星与所述地面服务站能够正常通信的情况下，确定所述当前信源卫星是所述目标信源卫星。
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