CN108880653B - 中继卫星系统资源管理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种中继卫星系统资源管理方法及系统，涉及空间信息网络技术领域，方法包括：每隔一个任务规划周期，向多个用户端发布任务规划周期内的星间链路天线波束的可用时间资源信息；接收多个用户端所发送的业务需求申请信息；根据可用时间资源信息中的时间资源类型，对业务需求申请信息进行业务分集，得到多个业务需求集合；根据可用时间资源信息、业务需求集合及第一预设业务调度策略，对多个用户端的业务需求申请进行业务调度。本发明基于一种博弈论中的重复博弈框架，通过中继卫星系统多用户间的合作机制，有效抑制用户在业务需求申请过程中的自私行为，降低系统中资源冲突强度，并结合高效启发式业务调度策略，显著提升系统的服务效能。
Description
技术领域
本发明涉及空间信息网络技术领域，尤其是涉及一种中继卫星系统资源管理方法及系统。
背景技术
中继卫星系统(tracking and data relay satellite system,TDRSS)利用地球静止或高轨道的中继卫星对中低轨道航天器和非航天器平台等目标用户进行跟踪测控和数据中继，属于天基信息系统。中继卫星系统相比于地基系统可极大地拓展对用户目标的测控覆盖率，并提高任务时效性。
近年来随着空间活动的增多，目标用户对中继任务需求快速增长，如何高效管理极其有限的中继卫星天线波束资源意义重大。在实际应用中，中继卫星系统研制过程已对星间链路天线波束的频谱和功率分配制定了详细的应用规范，根据该应用规范对中继卫星系统应用过程中的星间链路天线波束时间资源(下面简称波束时间资源)进行分配。要实现高效的波束时间资源分配需重点解决两方面问题：第一，在中继卫星系统内部的业务调度过程中，优化业务调度模型和求解算法，以提高业务调度完成率；第二，在用户向中继卫星系统提出业务需求申请过程中，由于不同用户对有限资源存在激烈的竞争关系，他们的利己行为会显著影响整个中继卫星系统的服务效能，设计有效的合作机制促使用户放弃自私行为并维持合作。
现有的中继卫星系统天线波束资源分配技术主要关注如上第一方面，通常假设：所有用户采取合作方式向中继卫星系统提出业务需求(即用户均能客观、准确地掌握其中继业务需求，并如实向中继卫星系统报告这些需求)，系统收集这些需求后结合可用星间链路天线的波束时间资源进行调度计算，最后输出优化的业务调度结果。这些技术未考虑用户出于充分保障其单方收益的目的，可能采取自私行为获取天线资源的情况。因此，如果现实情况中某用户向中继卫星系统夸大其需求，这些基于假设所有用户合作而设计的资源分配方法可能会增加该自私用户的收益，这不仅会损害其他用户的正当收益，而且会给整个系统的资源冲突消解工作带来巨大压力。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种中继卫星系统资源管理方法及系统，基于一种博弈论中的重复博弈框架，通过中继卫星系统多用户间的合作机制，可以有效抑制用户在业务需求申请过程中的自私行为，降低中继卫星系统中资源冲突强度，并结合高效启发式业务调度策略，显著提升了整个系统的服务效能。
第一方面，本发明实施例提供了一种中继卫星系统资源管理方法，该方法应用于中继卫星系统业务调度中心，方法包括：
每隔一个任务规划周期，向多个用户端发布任务规划周期内的星间链路天线波束的可用时间资源信息；任务规划周期包括：多个时间窗口；
接收多个用户端根据可用时间资源信息，所发送的业务需求申请信息；业务需求申请信息包括：时间窗口的数量；
根据可用时间资源信息中的时间资源类型，对业务需求申请信息进行业务分集，得到多个业务需求集合；业务需求集合包括：仅可由中继卫星多址天线提供执行的业务需求集合、仅可由中继卫星单址天线提供执行的业务需求集合、可同时由中继卫星多址天线和单址天线提供执行的业务需求集合；
根据可用时间资源信息、业务需求集合及第一预设业务调度策略，对多个用户端的业务需求申请进行业务调度。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，第一预设业务调度策略包括：
第一层次：按照先多址天线再单址天线的顺序构建天线初始指向路径；
第二层次：在每一个业务需求集合中，优先对具有较少可用天线选项的业务需求进行业务调度；
第三层次：如果两个业务需求申请信息不能由第一层次和第二层次的策略确定调度执行次序，则根据第二预设业务调度策略，确定两个业务需求申请信息的调度执行次序。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，第二预设业务调度策略包括：
对于单址天线，计算待插入业务插入天线指向路径中的多个可行插入位置的时间相关代价参量；
将数值最小的时间相关代价参量作为待插入业务的最佳插入位置；
计算多个业务插入最佳插入位置时所获得的增益；
将数值最大的增益所对应的业务插入最佳插入位置。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，第二预设业务调度策略还包括：
对于多址天线，计算待插入业务插入天线指向路径中的多个可行插入位置的时间相关代价参量；
将数值最小的时间相关代价参量作为待插入业务的最佳插入位置；
计算多个未调度业务与待插入业务的平均冲突强度；
根据平均冲突强度，计算多个业务插入最佳插入位置时的代价；
将数值最小的代价所对应的业务插入最佳插入位置。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，对于单址天线，计算待插入业务插入天线指向路径中的多个可行插入位置的时间相关代价参量，具体包括：
计算待插入业务插入天线指向路径中的相邻业务所增加的天线准备时间；相邻业务包括：第一业务、第二业务；
计算第二业务更新后开始时刻的延迟时间；
根据天线准备时间和延迟时间，得到待插入业务插入相邻业务所造成的时间相关代价参量。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，对于多址天线，计算待插入业务插入天线指向路径中的多个可行插入位置的时间相关代价参量，具体包括：
计算待插入业务在任务规划周期内的紧迫程度；
计算待插入业务插入天线指向路径中的相邻业务中时，第二业务更新后开始时刻的延迟时间；相邻业务包括：第一业务、第二业务；
根据紧迫程度和延迟时间，得到待插入业务插入相邻业务所造成的时间相关代价参量。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，在根据天线波束时间资源信息、业务需求申请信息及预设业务调度策略，进行业务调度之后，还包括：
判断在当前任务规划周期中，是否存在用户偏离合作的竞争行为；
如果是，则向多个用户端发送第一提示信息，并在后续任务规划周期中，通过预设有限惩罚和宽恕策略对多个用户端进行业务调度；第一提示信息包括：存在用户偏离合作的信息，及建议其他用户在后续任务规划周期中按照预设有限处罚和宽恕策略进行业务需求申请的信息；
如果否，则向多个用户端发送第二提示信息；第二提示信息包括：无用户偏离合作的信息，及建议多个用户继续保持合作的信息。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，判断在当前任务规划周期中，是否存在用户偏离合作的竞争行为，具体包括：
计算当前任务规划周期的用户总收益，及之前预设个数的任务规划周期的平均用户总收益；
判断当前任务规划周期的用户总收益，与之前预设个数的任务规划周期的平均用户总收益的比值，是否超过预设阈值；
如果是，则判定存在用户偏离合作的竞争行为；
如果否，则判定不存在用户偏离合作的竞争行为。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，有限惩罚和宽恕策略包括：
当判断在当前任务规划周期中存在用户偏离合作的竞争行为时，从下一个任务规划周期开始的R个任务规划周期内，接收多个用户端所发送的包含最大数量的时间窗口的业务需求申请信息；
其中，表示用户i由于在第h个周期偏离合作获取的高瞬态收益值；表示所有用户保持合作，用户i获取的平均收益；表示所有用户都向业务调度中心发送最大数量的时间窗口需求时，用户i获取的平均收益；
从第R+1个任务规划周期开始，根据第一预设业务调度策略，进行业务调度。
第二方面，本发明实施例提供一种中继卫星系统资源管理系统，包括：中继卫星系统业务调度中心及多个用户端；
中继卫星系统业务调度中心与多个用户端通信连接；
中继卫星系统业务调度中心用于执行如第一方面所述的方法。
本发明实施例带来了以下有益效果：
在本发明实施例提供的中继卫星系统资源管理方法，该方法应用于中继卫星系统业务调度中心，该方法包括：每隔一个任务规划周期，向多个用户端发布任务规划周期内的星间链路天线波束的可用时间资源信息；任务规划周期包括：多个时间窗口；接收多个用户端根据可用时间资源信息，所发送的业务需求申请信息；业务需求申请信息包括：时间窗口的数量；根据可用时间资源信息中的时间资源类型，对业务需求申请信息进行业务分集，得到多个业务需求集合；业务需求集合包括：仅可由中继卫星多址天线提供执行的业务需求集合、仅可由中继卫星单址天线提供执行的业务需求集合、可同时由中继卫星多址天线和单址天线提供执行的业务需求集合；根据可用时间资源信息、业务需求集合及第一预设业务调度策略，对多个用户端的业务需求申请进行业务调度。本发明实施例基于一种博弈论中的重复博弈框架，通过中继卫星系统多用户间的合作机制，可以有效抑制用户在业务需求申请过程中的自私行为，降低中继卫星系统中资源冲突强度，并结合高效启发式业务调度策略，显著提升了整个系统的服务效能。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
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为本发明实施例一提供的一种中继卫星系统资源管理方法的流程图；
图2为本发明实施例一提供的一种基于重复博弈的中继卫星系统资源管理场景图；
图3为本发明实施例一提供的一种第一预设业务调度策略示意图图；
图4为本发明实施例一提供的另一种中继卫星系统资源管理方法的流程图；
图5为本发明实施例一提供的另一种中继卫星系统资源管理方法的流程图；
图6为本发明实施例一提供的另一种中继卫星系统资源管理方法的流程图；
图7为本发明实施例一提供的另一种中继卫星系统资源管理方法的流程图；
图8为本发明实施例一提供的另一种中继卫星系统资源管理方法的流程图；
图9为本发明实施例一提供的另一种中继卫星系统资源管理方法的流程图；
图10为本发明实施例二提供的一种中继卫星系统资源管理系统的结构示意图；
图11为本发明实施例二提供的一种用户合作与不合作情况下的收益比较示意图；
图12为本发明实施例二提供的一种用户合作与不合作情况下的单用户时间窗口平均冲突量示意图；
图13为本发明实施例二提供的一种有限惩罚和宽恕策略的效果示意图；
图14为本发明实施例二提供的一种有限惩罚和宽恕策略所需最短惩罚周期数与折算因子对应关系示意图；
图15为本发明实施例二提供的一种用户合作情况下系统收益增益随用户数变化关系示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
现有的中继卫星系统天线波束资源分配技术中，无法避免用户的不合作竞争行为，导致损害其他用户的正当收益的同时，给整个系统的资源冲突消解工作带来巨大压力。基于此，本发明实施例提供一种中继卫星系统资源管理方法及系统，基于一种博弈论中的重复博弈框架，通过中继卫星系统多用户间的合作机制，可以有效抑制用户在业务需求申请过程中的自私行为，降低中继卫星系统中资源冲突强度，并结合高效启发式业务调度策略，显著提升了整个系统的服务效能。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种中继卫星系统资源管理方法进行详细介绍。
实施例一：
本发明实施例提供了一种中继卫星系统资源管理方法，该方法应用于中继卫星系统业务调度中心(以下简称调度中心)，中继卫星系统执行中继业务是严格按照时间周期性进行的，这是本发明实施例中重复博弈架构的基础。参见图1所示，该方法包括以下步骤：
S11：每隔一个任务规划周期，向多个用户端发布任务规划周期内的星间链路天线波束的可用时间资源信息。
其中，每个任务规划周期包括：多个时间窗口。在本实施例中，每隔一个任务规划周期，调度中心除去中继卫星系统自身维护所必需的波束资源外，向各用户端发布系统所有可用的天线波束资源，用户集合为U＝{1,2,...,|U|}。如图2所示，可用时间资源信息具体包括：2颗性能相同的中继卫星，每颗中继卫星配置2面单址天线(每个单址天线有1个前返向波束)和1面多址相控阵天线(1个前向波束)，单址天线可提供S和Ka两个频段中继服务，相控阵天线提供S频段多址业务，两颗中继卫星共有6个波束参与资源分配。
通常，中继卫星系统的一个任务规划周期为86400秒，参与竞争天线波束资源的理性且具有自私属性的用户端数量为(|U|(|U|∈[2,10]))，每个用户端可以向中继卫星系统业务调度中心提交的最大时间窗口需求数均为300，这些时间窗口的时间在900秒至1500秒之间平均分布。
S12：接收多个用户端根据可用时间资源信息，所发送的业务需求申请信息。
业务需求申请信息包括：时间窗口的数量。具体的，每个用户端根据自身需求以及发布的中继卫星系统天线波束资源，以天线波束时间窗口的形式向业务中心提交中继业务申请，定义所有用户提交的业务需求申请集合为n＝{n1,n2,...,n|U|}，用户总数为|U|。
S13：根据可用时间资源信息中的时间资源类型，对业务需求申请信息进行业务分集，得到多个业务需求集合。
其中，业务需求集合包括：仅可由中继卫星多址天线提供执行的业务需求集合、仅可由中继卫星单址天线提供执行的业务需求集合、可同时由中继卫星多址天线和单址天线提供执行的业务需求集合。
具体的，中继卫星含有多种类型星间链路天线，其带宽、频点、工作特性等方面存在差异，适用于不同业务，如对低轨航天器的测控业务由于数据传输速率低，时效性要求高，适宜由灵活的多址天线提供服务；而遥感数据回传业务传输速率高，回传持续时间长，更适合由单址天线提供服务。所以，调度中心将多个用户端提交的业务需求申请信息根据可用资源类型可以分为三类：
1)仅可由中继卫星多址天线提供执行的业务；
2)仅可由中继卫星单址天线提供执行的业务；
3)可同时由中继卫星多址天线和单址天线执行的业务。
S14：根据可用时间资源信息、业务需求集合及第一预设业务调度策略，对多个用户端的业务需求申请进行业务调度。
具体的，第一预设业务调度策略包括以下内容，参见图3所示：
第一层次：按照先多址天线再单址天线的顺序构建天线初始指向路径。
在中继卫星系统实际应用过程中，存在两种类型天线都可以调度执行的业务。由于多址天线和单址天线工作特性差异，多址天线执行业务的代价通常明显小于单址天线，故按照先多址天线再单址天线的顺序构建天线初始指向路径。
第二层次：在每一个业务需求集合中，优先对具有较少可用天线选项的业务需求进行业务调度。
在同类型天线可执行的业务集合中，具有较少可用天线选项的业务相对具有较多备选天线的业务被调度执行的概率较低，故前者业务需求应优先予以考虑。
第三层次：如果两个业务需求申请信息不能由第一层次和第二层次的策略确定调度执行次序，则根据第二预设业务调度策略，确定两个业务需求申请信息的调度执行次序。
如果两个业务需求不能由第一层次和第二层次确定调度执行次序，就需要设计更精细的策略加以区分，具体如下述第二预设业务调度策略。
第二预设业务调度策略包括以下步骤，首先通过大量数值仿真实验，分别针对单址天线和多址天线设计两组参数集合{ξ1,1,ξ1,2,ζ1}和{ξ2,1,ξ2,2,ζ2}。参见图4所示：
S21：对于单址天线，计算待插入业务插入天线指向路径中的多个可行插入位置的时间相关代价参量。
具体的，参见图5所示：
S211：计算待插入业务插入天线指向路径中的相邻业务所增加的天线准备时间；相邻业务包括：第一业务、第二业务。
具体的，令业务u待插入天线指向路径中的相邻业务i和j之间。对于单址天线，插入业务u增加的天线业务准备时间为：
其中，和需要采用迭代方法计算确定。
S212：计算第二业务更新后开始时刻的延迟时间。
具体的，是插入u之后，业务j更新后业务开始时刻，该时刻可能和插入业务u之前的不同，那么业务j开始时刻的延迟是：
S213：根据天线准备时间和延迟时间，得到待插入业务插入相邻业务所造成的时间相关代价参量。
具体的，将业务u插入相邻业务i和j之间造成的时间相关代价参量为：
其中，ξ1,1和ξ1,2调控两类代价的权重，也是需要优化的参量。
S22：将数值最小的时间相关代价参量作为待插入业务的最佳插入位置。
计算业务u在所有可行插入位置的其中，最小的对应的插入位置表示为(i*,j*)。在确定每个待插入业务的最佳插入位置后，选择哪个业务插入就是下一步要解决的问题，如步骤S23。
S23：计算多个业务插入最佳插入位置时所获得的增益。
将业务u安排在它的最佳插入位置(i*,j*)与星间天线直接从零位转向并执行该业务相比，获得的增益是：
其中，ζ1是权重参量，也属于待优化参量，是天线k从结点0指向结点u的业务准备时长。
S24：将数值最大的增益所对应的业务插入最佳插入位置。
进一步，具有最大增益的业务u*将被插入其最佳插入位置(i*,j*)。
由于多址天线采用数字波束合成，其服务方式与单址天线存在差异，要针对多址天线特性设计不同的插入准则。第二预设业务调度策略还包括以下步骤，参见图6所示：
S31：对于多址天线，计算待插入业务插入天线指向路径中的多个可行插入位置的时间相关代价参量。
具体的，参见图7所示，包括以下步骤：
S311：计算待插入业务在任务规划周期内的紧迫程度。
针对多址天线的情况，第一个要考虑的要素就是业务u在其时间窗口内的紧迫程度：
其中，Mu是业务u对应的可视窗口集合，是业务u第m个可视窗口的后沿，和分别表示业务实际开始时刻和业务时长，含有较小的业务优先级较高，应优先被调度处理。
S312：计算待插入业务插入天线指向路径中的相邻业务中时，第二业务更新后开始时刻的延迟时间；相邻业务包括：第一业务、第二业务。
类似于单址天线情况中的公式(2)，业务j开始时刻的延迟是：
S313：根据紧迫程度和延迟时间，得到待插入业务插入相邻业务所造成的时间相关代价参量。
进一步，引入时间相关代价参量用以评估将业务u插入相邻业务i和j之间引入的代价，计算方法如下：
其中，ξ2,1和ξ2,2也是控制两类代价的权重参量。根据(7)计算业务u插入所有可行位置的代价
S32：将数值最小的时间相关代价参量作为待插入业务的最佳插入位置。
具有最小时间相关代价参量对应的插入位置就是业务u的最佳插入位置(i*,j*)。
S33：计算多个未调度业务与待插入业务的平均冲突强度。
进一步，确定在当前路径中究竟要插入哪个业务，本发明实施例用业务u与所有未调度业务存在的可能冲突强度作为判断标准。冲突强度定义为两个时间窗口的重叠范围，重叠越多，冲突强度越大。业务u和所有其它待插入业务j的冲突程度总和定义为那么，业务u和所有待插入业务集合J的平均冲突强度表示为：
S34：根据平均冲突强度，计算多个业务插入最佳插入位置时的代价。
具体的，将业务u插入其最佳位置(i*,j*)的代价为：
其中，ζ2是权重系数。
S35：将数值最小的代价所对应的业务插入最佳插入位置。
这样，根据(9)确定具有最小代价的业务u*，它的插入位置是(i*,j*)。需要注意的是，优化的参数{ξ1,1,ξ1,2,ζ1}和{ξ2,1,ξ2,2,ζ2}组合对于求解模型能否获得高质量的解至关重要。
在执行步骤S14：根据天线波束时间资源信息、业务需求申请信息及预设业务调度策略，进行业务调度之后，还包括以下过程，参见图8所示：
S41：判断在当前任务规划周期中，是否存在用户偏离合作的竞争行为。
具体的，通过下述过程进行判断，参见图9所示：
S411：计算当前任务规划周期的用户总收益，及之前预设个数的任务规划周期的平均用户总收益。
具体的，业务调度中心计算本轮任务规划周期的用户收益：
Gi＝ζi·ηi
其中，ζi为需求满足率，用以表示用户i分配得到的星间链路天线波束资源与该用户真实资源需求的比值；ηi为调度成功率，用以表示用户i提交的所有业务申请中被成功调度的比率。
业务调度中心计算所有用户在本轮(第h个任务规划周期)任务规划周期的收益总和为之前K轮任务规划周期用户收益总和的平均值为
S412：判断当前任务规划周期的用户总收益，与之前预设个数的任务规划周期的平均用户总收益的比值，是否超过预设阈值。如果是，则执行步骤S413：判定存在用户偏离合作的竞争行为。如果否，则报执行步骤S414：判定不存在用户偏离合作的竞争行为。
具体的，根据下式判断是否有用户偏离合作：
其中，μ为门限。业务调度中心经过计算若(10)满足，则判定有用户偏离合作，遂建议其它用户采取有限惩罚和宽恕策略；反之，则建议所有用户继续保持合作。
在判定存在用户偏离合作的竞争行为时，执行步骤S42：向多个用户端发送第一提示信息，并在后续任务规划周期中，通过预设有限惩罚和宽恕策略对多个用户端进行业务调度。
其中，第一提示信息包括：存在用户偏离合作的信息，及建议其他用户在后续任务规划周期中按照预设有限处罚和宽恕策略进行业务需求申请的信息。
在判定不存在用户偏离合作的竞争行为时，执行步骤S43：向多个用户端发送第二提示信息。
其中，第二提示信息包括：无用户偏离合作的信息，及建议多个用户继续保持合作的信息。
具体的，上述有限惩罚和宽恕策略包括：
当判断在当前任务规划周期中存在用户偏离合作的竞争行为时，从下一个任务规划周期开始的R个任务规划周期内，接收多个用户端所发送的包含最大数量的时间窗口的业务需求申请信息；
其中，表示用户i由于在第h个周期偏离合作获取的高瞬态收益值；表示所有用户保持合作，用户i获取的平均收益；表示所有用户都向业务调度中心发送最大数量的时间窗口需求时，用户i获取的平均收益。
从第R+1个任务规划周期开始，根据第一预设业务调度策略，进行业务调度。
具体的，假设业务调度中心在第h个任务规划周期发现用户i偏离合作，系统在第h+1个周期进入有限惩罚阶段，即所有用户都向业务调度中心发送最大数量的时间窗口需求，这个惩罚阶段持续R个任务规划周期，R满足上述公式。所有用户在第h+1+R个任务规划周期开始恢复合作，即按照提前约定的规则向业务调度中心发送适当的时间窗口需求。
本发明实施例是基于中继卫星系统任务规划固有的时间周期性特点，提出了一种基于重复博弈的资源分配框架和实施方法，通过将用户的业务需求申请行为与系统内部业务调度进行协同处理，并配套高效的启发式业务调度策略与有限惩罚策略，用以解决系统多用户间对有限波束时间资源激烈竞争导致系统效能严重降低的问题。
本发明实施例基于一种博弈论中的重复博弈框架，通过中继卫星系统多用户间的合作机制，可以有效抑制用户在业务需求申请过程中的自私行为，降低中继卫星系统中资源冲突强度，并结合高效启发式业务调度策略，显著提升了整个系统的服务效能。
本发明实施例的目的是面向中继卫星星间链路天线波束资源分配的现实问题，即用户面对有限的波束时间资源采取非合作的竞争行为，提出一种促使用户合作的资源管理重复博弈架构。通过设计波束时间资源分配的重复博弈方法，将用户的业务需求申请行为与系统内部业务调度进行协同处理，并配套提出高效的启发式业务调度策略与有限惩罚策略，本方法实现了比现有中继卫星资源分配单次博弈方法更优的系统性能。
本发明实施例所提供的方法与当前中继卫星系统资源分配采用的单次博弈方法相比，当系统有3个用户竞争天线波束时间资源时，整个系统的收益增大为原方法的1.36倍，业务冲突量下降一半以上，若其中一个用户偏离合作，采用有限惩罚策略仅需要5个任务规划周期即可使所有用户恢复合作状态；并且随着用户数增加，系统收益的增益逐渐增大，当用户数为10个时，收益增益达到3.46倍。本发明方法的改进效果更加明显，有效提升了中继卫星系统效益。
实施例二：
本发明实施例提供一种中继卫星系统资源管理系统，参见图10所示，该系统包括：中继卫星系统业务调度中心51及多个用户端52，中继卫星系统业务调度中心51与多个用户端52通信连接，中继卫星系统业务调度中心51用于执行如实施例一所述的方法。
在一个具体的实施方式中，假设有3用户参与资源竞争，即|U|＝3。
比较如下两种情况：(1)所有用户合作模式，从第1到第30个任务规划周期，3个用户合作遵守提前约定好的规则，即每个用户向中继卫星系统调度中心发送120时间窗口需求；(2)所有用户均不合作(当前现状)，从第1到第30个任务规划周期，三个用户均不合作，即每个用户向中继卫星系统调度中心发送300时间窗口需求(最多能申请的窗口数量)。两种情况下的系统收益及单用户收益如图11，单用户的平均冲突量如图12所示。
从图11和图12可见，通过重复博弈方法促使用户合作得到的系统收益是所有用户不合作收益的1.565倍，并且单个用户收益也明显增大，系统的时间窗口冲突量下降一半以上。
有限惩罚策略效果如图13所示。可见，三个用户从第1至第15个任务规划周期均采取合作，即该段时间，三个用户均根据提前预定向业务调度中心发送120个时间窗口，但到第16个任务规划周期，用户1背离合作以获取高瞬态收益，业务调度中心检测发现存在用户背离行为，其他合作用户实施有限惩罚策略，惩罚持续时长为5个规划周期，用户1在该惩罚时段内的收益明显下降，抵消了背离合作带来的瞬态收益，用户1为了避免损失收益，在第22个任务规划周期恢复合作。
从有限惩罚策略制定的惩罚持续时长可以看出，越大，所需的惩罚时间R约长，如图14所示。
在另一种具体的实施方式中，假设有|U|个用户参与资源竞争，|U|∈[2,10]。
从图15可见，相比于现有中继卫星系统资源分配单次博弈方法，本发明实施例所提供的方法所得到的系统收益的增益，随参与资源竞争的用户数增加而增大。即参与资源竞争的用户数从2个增加到10个，资源分配重复博弈方法的系统收益则从1.36倍增大到3.46倍，显著提升了中继卫星系统应用效能。
本发明实施例所提供的中继卫星系统资源管理系统的具体工作过程参见上述方法实施例，在此不再赘述。
本发明实施例所提供的中继卫星系统资源管理方法的计算机程序产品，包括存储了处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置及电子设备的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
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。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种中继卫星系统资源管理方法，其特征在于，该方法应用于中继卫星系统业务调度中心，所述方法包括：
每隔一个任务规划周期，向多个用户端发布所述任务规划周期内的星间链路天线波束的可用时间资源信息；所述任务规划周期包括：多个时间窗口；
接收多个用户端根据所述可用时间资源信息，所发送的业务需求申请信息；所述业务需求申请信息包括：时间窗口的数量；
根据所述可用时间资源信息中的时间资源类型，对所述业务需求申请信息进行业务分集，得到多个业务需求集合；所述业务需求集合包括：仅可由中继卫星多址天线提供执行的业务需求集合、仅可由中继卫星单址天线提供执行的业务需求集合、可同时由中继卫星多址天线和单址天线提供执行的业务需求集合；
根据所述可用时间资源信息、所述业务需求集合及第一预设业务调度策略，对多个用户端的业务需求申请进行业务调度；
所述第一预设业务调度策略包括：
第一层次：按照先多址天线再单址天线的顺序构建天线初始指向路径；
第二层次：在每一个所述业务需求集合中，优先对具有较少可用天线选项的业务需求进行业务调度；
第三层次：如果两个业务需求申请信息不能由所述第一层次和所述第二层次的策略确定调度执行次序，则根据第二预设业务调度策略，确定所述两个业务需求申请信息的调度执行次序。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二预设业务调度策略包括：
对于单址天线，计算待插入业务插入天线指向路径中的多个可行插入位置的时间相关代价参量；
将数值最小的时间相关代价参量作为所述待插入业务的最佳插入位置；
计算多个业务插入所述最佳插入位置时所获得的增益；
将数值最大的增益所对应的业务插入所述最佳插入位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二预设业务调度策略还包括：
对于多址天线，计算待插入业务插入天线指向路径中的多个可行插入位置的时间相关代价参量；
将数值最小的时间相关代价参量作为所述待插入业务的最佳插入位置；
计算多个未调度业务与所述待插入业务的平均冲突强度；
根据所述平均冲突强度，计算多个业务插入所述最佳插入位置时的代价；
将数值最小的代价所对应的业务插入所述最佳插入位置。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对于单址天线，计算待插入业务插入天线指向路径中的多个可行插入位置的时间相关代价参量，具体包括：
计算待插入业务插入天线指向路径中的相邻业务所增加的天线准备时间；所述相邻业务包括：第一业务、第二业务；
计算第二业务更新后开始时刻的延迟时间；
根据所述天线准备时间和所述延迟时间，得到所述待插入业务插入相邻业务所造成的时间相关代价参量。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对于多址天线，计算待插入业务插入天线指向路径中的多个可行插入位置的时间相关代价参量，具体包括：
计算待插入业务在所述任务规划周期内的紧迫程度；
计算待插入业务插入天线指向路径中的相邻业务中时，第二业务更新后开始时刻的延迟时间；所述相邻业务包括：第一业务、第二业务；
根据所述紧迫程度和所述延迟时间，得到所述待插入业务插入相邻业务所造成的时间相关代价参量。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述根据所述天线波束时间资源信息、所述业务需求申请信息及预设业务调度策略，进行业务调度之后，还包括：
判断在当前任务规划周期中，是否存在用户偏离合作的竞争行为；
如果是，则向所述多个用户端发送第一提示信息，并在后续任务规划周期中，通过预设有限惩罚和宽恕策略对所述多个用户端进行业务调度；所述第一提示信息包括：存在用户偏离合作的信息，及建议其他用户在后续任务规划周期中按照预设有限处罚和宽恕策略进行业务需求申请的信息；
如果否，则向所述多个用户端发送第二提示信息；所述第二提示信息包括：无用户偏离合作的信息，及建议多个用户继续保持合作的信息。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述判断在当前任务规划周期中，是否存在用户偏离合作的竞争行为，具体包括：
计算当前任务规划周期的用户总收益，及之前预设个数的任务规划周期的平均用户总收益；
判断所述当前任务规划周期的用户总收益，与所述之前预设个数的任务规划周期的平均用户总收益的比值，是否超过预设阈值；
如果是，则判定存在用户偏离合作的竞争行为；
如果否，则判定不存在用户偏离合作的竞争行为。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述有限惩罚和宽恕策略包括：
当判断在当前任务规划周期中存在用户偏离合作的竞争行为时，从下一个任务规划周期开始的R个任务规划周期内，接收多个用户端所发送的包含最大数量的时间窗口的业务需求申请信息；
其中，表示用户i由于在第h个周期偏离合作获取的高瞬态收益值；表示所有用户保持合作，用户i获取的平均收益；表示所有用户都向业务调度中心发送最大数量的时间窗口需求时，用户i获取的平均收益；
从第R+1个任务规划周期开始，根据所述第一预设业务调度策略，进行业务调度。
9.一种中继卫星系统资源管理系统，其特征在于，包括：中继卫星系统业务调度中心及多个用户端；
所述中继卫星系统业务调度中心与多个所述用户端通信连接；
所述中继卫星系统业务调度中心用于执行如权利要求1-8任一项所述的方法。
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