CN110881198B - 深空网络中基于竞争决策思想的链路分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深空网络中基于竞争决策思想的链路分配方法，包括：定义深空网络中的节点包括深空中继卫星、地球中继卫星、地面站；将一段时间内的深空网络划分为若干个时间切片；针对某一时间切片，获取当前时间切片内网络中所有节点之间的可视关系，得到加权可视矩阵和初始网络拓扑矩阵；通过计算每颗深空中继卫星节点获取到地面站连通路径的竞争力，采取为每颗深空中继卫星分配路径的方式确定深空网络的链路分配方案；比较所有的链路分配，选择具有最小平均深空中继卫星到地面站距离的链路分配方案，得到优化的深空网络拓扑。本发明从提高网络连通性和降低通信延迟的角度出发，解决了深空网络中卫星可视节点数多于终端数情况下链路分配问题。

Description

深空网络中基于竞争决策思想的链路分配方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种深空网络中基于竞争决策思想的链路分配方法。

背景技术

随着人类深空探索活动的发展，未来日益增多的科学数据需要回传到地球。根据目前点对点的通信方式，某颗星球上的数据需要通过深空中继卫星与地面站之间的星地链路(Ground to Satellite Links,GSL)回传。然而，由于星体自转和卫星运动，GSL常常会由于天体遮挡而中断，导致数据在很长一段时间内无法回传到地面站。由此可见，目前的通信架构无法满足全时域、多节点、全覆盖的通信要求，难以支持未来日益复杂的深空活动所带来的遥测、遥控、导航、语音等通信类业务。因此，有必要构建一个深空网络，使得深空中继卫星能够与地面站持续通信。

在深空网络中，一个亟需解决的问题就是网络拓扑的设计。相比目前所采用的点对点直接通信的方式，一个由多颗深空中继卫星、地球中继卫星和地面站组成的网络，在覆盖性、网络连通性和节点冗余方面性能更加优秀。通过网络中的GSL和星间链路(Inter-Satellite Links,ISL)，数据得以回传地面站。

在卫星网络拓扑的性能指标包括网络连通性，通信时延等。考虑到本发明中的深空网络主要用于为地球与其他星球之间的通信类业务提供远距离中继服务，我们更加关注地面站与深空中继卫星之间的通信。因此，我们不仅需要保证每颗深空中继卫星在任意时间切片下在总存在一条到地面站的通路；同时，数据需要能够尽快回传地面站，因此，平均深空中继卫星到地面站距离应当最小化，以满足遥测、遥控、语音和视频等实时类业务的需求。

由于功率、重量和成本等因素的限制，每颗卫星所允许携带的通信终端数目是有限的(建立一条链路的同时需要占用该链路两端节点上各一个通信终端)，而这些卫星的可视节点(即彼此之间无天体遮挡的节点)数目往往超过其所携带的终端数目。因此，我们设计的链路分配方法，需要满足每颗卫星节点的度数约束。

目前有关链路分配方面的研究往往集中于低轨卫星网络，在该网路中，通信时延以平均所有卫星节点之间的距离来计算，而不是平均某些卫星到地面站的距离。一些链路分配方法主要以优化网络拓扑连通性为目标，或是最大化通信终端利用率，忽略每颗卫星通信终端数目的限制，或是最大化链路的剩余带宽。可见，很多研究并没有综合考虑网络连通性、节点度的约束和平均距离的优化，不适用于深空网络下的拓扑设计。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种深空网络中基于竞争决策思想的链路分配方法，利用竞争决策的思想实现链路的分配，从提高网络连通性和降低通信延迟的角度出发，解决了深空网络中卫星可视节点数多于终端数情况下的链路分配问题，在该方法得到的拓扑具有较小的平均深空中继卫星到地面站距离。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何从提高网络连通性和降低通信延迟的角度出发，解决了深空网络中卫星可视节点数多于终端数情况下的链路分配问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种深空网络中基于竞争决策思想的链路分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、定义深空网络中的节点包括深空中继卫星V_m、地球同步轨道中继卫星V_e、地面站v_station；

步骤2、将一段时间内的深空网络划分为若干个时间切片；

步骤3、在完成时间切片的划分后，针对某一时间切片，获取当前时间切片内网络中所有节点之间的可视关系，得到加权可视矩阵V；

步骤4、根据初始状态下节点之间的连接关系，得到初始网络拓扑矩阵G，且G(i,j)＝V(i,j)；

步骤5、基于竞争决策思想，通过计算每颗深空中继卫星节点获取到地面站连通路径的竞争力，采取为每颗深空中继卫星分配路径的方式确定深空网络的链路分配方案；

步骤6、比较所有的链路分配结果，选择具有最小平均深空中继卫星到地面站距离的链路分配方案，得到优化的深空网络拓扑。

进一步地，所述步骤4中的所述加权可视矩阵V具体为：当节点i和j彼此之间可视时，V(i,j)大小等于i与j之间的距离，反之则V(i,j)＝∞。

进一步地，所述步骤5具体包括以下步骤：

步骤5.1、定义不同的竞争性函数，每颗深空中继卫星节点获取到地面站连通路径的竞争力由竞争力函数量化表示；

步骤5.2、定义不同的决策函数，依次为每颗深空中继卫星到地面站的最短路径所经过的节点之间分配链路；

步骤5.3、进行竞争力函数个数乘以决策函数个数轮循环，每轮循环采取一对竞争力函数和决策函数，根据当前竞争力函数，分别计算每颗深空中继卫星的竞争力，并依据当前的决策函数依次为每颗深空中继卫星到地面站的最短路径所经过的节点之间分配链路。

进一步地，所述步骤5.1中的所述竞争性函数包括：

C₁(v)＝1/dist(v,v_station)，

式中，dist(v,v_station)为深空中继卫星节点v到地面站v_station的最短路径的距离。

进一步地，所述步骤5.1中的所述竞争性函数包括：

C₂(v)＝dist_sec(v,v_station)-dist(v,v_station)，

式中，dist_sec(v,v_station)为深空中继卫星节点v到地面站v_station的次短路径的距离。

进一步地，所述步骤5.1中的所述竞争性函数包括：

C₃(v)＝1/n(v)，

式中，n(v)为深空中继卫星v到地面站v_station的最短路径与其它深空中继卫星到地面站v_station最短路径的公共节点数目。

进一步地，所述步骤5.1中的所述竞争性函数包括：

C₄(v)＝1/h(v,v_station)，

式中，h(v,v_station)为深空中继卫星节点v到地面站v_station最短路径的跳数。

进一步地，所述步骤5.2中所述决策函数包括：

根据初始的加权可视矩阵V计算出每颗深空中继卫星的竞争力，按照从大到小排序依次向每颗深空中继卫星由加权可视矩阵V计算得到的最短路径所经过节点之前分配链路，并得到对应的网络拓扑矩阵G。

进一步地，所述步骤5.2中所述决策函数包括：

为当前竞争力函数值最大的深空中继卫星分配最短路径后，根据更新的加权可视矩阵V重新计算剩余深空中继卫星的竞争力，选择当前最具竞争力的深空中继卫星分配资源，直到没有深空中继卫星剩余。

进一步地，所述步骤5还包括：

在为每颗深空中继卫星分配路径前，都需要找出当前达到度约束的节点v和与v可视但是彼此之间未分配链路的节点u，并从当前的加权可视矩阵V中删除v和u之间的可视关系，令V(u,v)＝∞。

本发明的有益技术效果为：

1、本发明提出的基于竞争决策的思想的链路分配方法，能够满足网络的连通性要求和卫星所携带终端数目的约束，解决了在深空网络中可视节点数目大于通信终端数目情况下的链路分配问题，在该方法得到的拓扑具有较小的平均深空中继卫星到地面站距离，使得该网络拓扑下具有较小的通信时延。

2、本发明不局限于某个特性的网络星座构成，可以适用于任意深空星座构成下的链路分配。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的时间切片示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的相邻时间切片的划分示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的可视关系删除示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

本发明提供了一种深空网络下基于竞争决策思想的链路分配方法，从提高网络连通性和降低通信延迟的角度出发，解决了深空网络中卫星可视节点数多于终端数情况下的链路分配问题，在该方法得到的拓扑具有较小的平均深空中继卫星到地面站距离。

1、网络结构：

1)节点构成：本发明中的深空网络采用由多颗深空中继卫星、地球中继卫星和地面站节点组成的体系结构。

2)链路类型：星间链路，星地链路。

2、符号定义：

v_station：地面站节点

V_m：深空中继卫星节点集合

V_e：地球中继卫星节点集合

m：深空中继卫星数目

n：地球中继卫星数目

N：每颗卫星允许携带的通信终端数目上限

d(v)：卫星节点v的度数，即v所连接的链路的条数，v∈V_m∪V_e

V：加权可视矩阵。当节点i和j彼此之间可视时，V(i,j)大小等于i与j之间的距离；反之，V(i,j)＝∞

G：网络拓扑矩阵。当为节点i和j之间分配了一条链路时，G(i,j)＝V(i,j)；反之，G(i,j)＝∞

a(i,j)：表明节点i和j之间是否连通。当i和j之间存在至少一条通路时，a(i,j)＝1，否则a(i,j)＝0

p₁(i,j)：节点i到j的最短路径

dist(i,j)：表示p₁(i,j)的距离

h(i,j)：从节点i到j最短路径的跳数

p₂(i,j)：节点i到j的次短路径

dist_sec(i,j)：表示p₂(i,j)的距离

n(v)：v∈V_m，表示深空中继卫星v到v_station的最短路径与其它深空中继卫星到v_station最短路径的公共节点数目

3、方法流程

针对目前链路分配方法研究中存在的问题，本发明提供一种深空网络中基于竞争决策思想的链路分配方法。

基于竞争决策思想的深空网络链路分配方法的主要流程如下：

步骤1：时间切片划分：

每个节点将会随着与其可视的节点集合的变化而动态地建立和删除链路。为了便于为一个动态的网络设计拓扑，我们需要将一段时间(仿真周期)内的网络划分为若干个时间切片，如图1所示，并要求：

1)时间切片的划分由可见关系的变化触发，只有当网络中发生可见关系变化时，才划分一个新的时间切片，如图2所示；

2)一个时间切片内所有节点之间的可视关系不发生变化。

步骤2：建立卫星网络模型：定义该深空网络中的节点包括深空中继卫星V_m、地球同步轨道中继卫星V_e、地面站v_station，网络具有以下特点：

1)链路类型包括星地链路和星间链路；

2)分配一条链路则占用该卫星节点上一个通信终端；

3)卫星节点所连接的链路数不超过所携带的通信终端数；

4)节点之间的可视关系和距离都随时间不断变化。

根据以上特点，在完成时间切片的划分后，针对某一时间切片，获取当前时间切片内网络中所有节点之间的可视关系，得到加权可视矩阵V，当节点i和j彼此之间可视时，V(i,j)大小等于i与j之间的距离，反之则V(i,j)＝∞；根据初始状态下节点之间的连接关系，得到初始网络拓扑矩阵G，且G(i,j)＝V(i,j)；

步骤3：设计竞争力函数：卫星携带的通信终端数目有限，若要在保证每颗深空中继卫星与地面站的连通性，且不超出卫星节点的度约束的前提下进行链路分配，采取为每颗深空中继卫星分配路径的方式确定网络的链路分配方案，每颗深空中继卫星节点获取到地面站连通路径的竞争力由竞争力函数量化表示：

本发明中设计如下四个竞争力函数：

1)C₁(v)＝1/dist(v,v_station)

深空中继卫星节点v到v_station的最短路径的距离越小，则越应该优先分配这条最短路径所经过的链路，竞争力越大。

2)C₂(v)＝dist_sec(v,v_station)-dist(v,v_station)

根据Yen算法分别求出次短路径与最短路径的长度，且二者差值越大，说明由于拒绝该最短路径而增加的距离越大，因此可以考虑优先分配该最短路径所经过的链路。

3)C₃(v)＝1/n(v)，

深空中继卫星节点v到v_station最短路径与其他深空中继卫星到v_station最短路径的公共节点数越少，那么在所经过的中间节点发生超出节点度约束的概率则越小，其竞争力可能更大。

4)C₄(v)＝1/h(v,v_station)

深空中继卫星节点v到v_station最短路径的跳数越少，发生超出节点度约束的概率越小，竞争力越大。

步骤4：设计决策函数：

本发明采用如下两种决策函数：

1)根据初始的加权可视矩阵V计算出每个竞争者的竞争力，按照从大到小排序依次向每个竞争者由加权可视矩阵V计算得到的最短路径所经过节点之前分配链路，并得到对应的网络拓扑矩阵G；

2)为当前竞争力函数值最大的竞争者分配最短路径后，根据更新的加权可视矩阵V重新计算剩余竞争者的竞争力，选择当前最具竞争力的竞争者分配资源，直到没有竞争者剩余；

步骤5：可视关系删除操作：如图3所示，假设每个卫星节点的度约束为4，在为每一个竞争者分配路径前，都需要找出当前达到度约束的节点v和与v可视但是彼此之间未分配链路的节点u，并从当前的加权可视矩阵V中删除v和u之间的可视关系，令V(u,v)＝∞；

步骤6：进行竞争力函数个数·决策函数个数轮循环，每轮循环采取一对竞争力函数和决策函数，根据当前竞争力函数，分别计算每颗深空中继卫星的竞争力，并依据当前的决策函数依次为每颗深空中继卫星到地面站的最短路径所经过的节点之间分配链路；

步骤7：根据平均深空中继卫星到地面站距离函数：

从所有竞争力函数和决策函数组合下得到的链路分配结果中，选择具有最小D值的链路分配方案，得到优化的深空网络拓扑G。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种深空网络中基于竞争决策思想的链路分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、定义深空网络中的节点包括深空中继卫星V_m、地球中继卫星V_e、地面站v_station；

步骤2、将一段时间内的深空网络划分为若干个时间切片；

步骤3、在完成时间切片的划分后，针对某一时间切片，获取当前时间切片内网络中所有节点之间的可视关系，得到加权可视矩阵V；

步骤4、根据初始状态下节点之间的连接关系，得到初始网络拓扑矩阵G，且G(i,j)＝V(i,j)，节点i和j；

步骤5、基于竞争决策思想，通过计算每颗深空中继卫星节点获取到地面站连通路径的竞争力，采取为每颗深空中继卫星分配路径的方式确定深空网络的链路分配方案；

步骤6、比较所有的链路分配结果，选择具有最小平均深空中继卫星到地面站距离的链路分配方案，得到优化的深空网络拓扑；

所述步骤5具体包括以下步骤：

步骤5.1、定义不同的竞争性函数，每颗深空中继卫星节点获取到地面站连通路径的竞争力由竞争力函数量化表示；

步骤5.2、定义不同的决策函数，依次为每颗深空中继卫星到地面站的最短路径所经过的节点之间分配链路；

步骤5.3、进行竞争力函数个数乘以决策函数个数轮循环，每轮循环采取一对竞争力函数和决策函数，根据当前竞争力函数，分别计算每颗深空中继卫星的竞争力，并依据当前的决策函数依次为每颗深空中继卫星到地面站的最短路径所经过的节点之间分配链路；

所述步骤5.1中的所述竞争性函数包括：

式中，dist(v,v_station)为深空中继卫星节点v到地面站v_station的最短路径的距离。

2.如权利要求1所述的深空网络中基于竞争决策思想的链路分配方法，其特征在于，所述步骤4中的所述加权可视矩阵V具体为：当节点i和j彼此之间可视时，V(i,j)大小等于i与j之间的距离，反之则V(i,j)＝∞。

3.如权利要求1所述的深空网络中基于竞争决策思想的链路分配方法，其特征在于，所述步骤5.1中的所述竞争性函数包括：

式中，dist_sec(v,v_station)为深空中继卫星节点v到地面站v_station的次短路径的距离。

4.如权利要求1所述的深空网络中基于竞争决策思想的链路分配方法，其特征在于，所述步骤5.1中的所述竞争性函数包括：

式中，n(v)为深空中继卫星v到地面站v_station的最短路径与其它深空中继卫星到地面站v_station最短路径的公共节点数目。

5.如权利要求1所述的深空网络中基于竞争决策思想的链路分配方法，其特征在于，所述步骤5.1中的所述竞争性函数包括：

式中，h(v,v_station)为深空中继卫星节点v到地面站v_station最短路径的跳数。

6.如权利要求1所述的深空网络中基于竞争决策思想的链路分配方法，其特征在于，所述步骤5.2中所述决策函数包括：

根据初始的加权可视矩阵V计算出每颗深空中继卫星的竞争力，按照从大到小排序依次向每颗深空中继卫星由加权可视矩阵V计算得到的最短路径所经过节点之前分配链路，并得到对应的网络拓扑矩阵G。

7.如权利要求1所述的深空网络中基于竞争决策思想的链路分配方法，其特征在于，所述步骤5.2中所述决策函数包括：

为当前竞争力函数值最大的深空中继卫星分配最短路径后，根据更新的加权可视矩阵V重新计算剩余深空中继卫星的竞争力，选择当前最具竞争力的深空中继卫星分配资源，直到没有深空中继卫星剩余。

8.如权利要求1所述的深空网络中基于竞争决策思想的链路分配方法，其特征在于，所述步骤5还包括：

在为每颗深空中继卫星分配路径前，都需要找出当前达到度约束的节点v和与v可视但是彼此之间未分配链路的节点u，并从当前的加权可视矩阵V中删除v和u之间的可视关系，令V(u,v)＝∞。

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