CN111182583B - 面向任务时延约束的低轨卫星数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于任务时延约束的空间信息网络数据传输方法，主要解决现有技术无法根据不同的任务时延约束最优化利用卫星移动存储和星间链路资源的问题。其实现方案是：获取目标空间信息网络的卫星集合，并部署对应的地面站集合；根据卫星运动规律和地面站集合构建地面固定的时变星地连接关系；初始化空间信息网络的网络参数和任务信息；根据任务的产生时刻、任务时延约束和时变星地连接关系，计算每个数据包最优利用网络资源的传输切换时间；空间信息网络根据每个数据包的传输切换时间和网络状态转发数据包。本发明能最大化利用卫星移动存储资源，提升了网络吞吐量，缓解了网络拥塞，可用于传输具有不同时延约束的业务。

Description

面向任务时延约束的低轨卫星数据传输方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，是一种低轨卫星数据传输方法，可用于传输具有不同时延约束的业务，提升卫星网络吞吐量。

背景技术

空间信息网络由在轨运行的多颗卫星及卫星星座组成骨干通信网，具有覆盖面积广，组网灵活，建网快，不受地理环境的限制等突出特点。空间信息网络在国家安全、航空航天、环境监测、交通管理、工农业等领域发挥着日益重要的作用。随着空间无线通信技术的发展，卫星不止可以同地面站建立连接，卫星节点之间也可建立可靠的通信链路。因此卫星网络实现两个地面节点通信需要一条由源地面站到卫星网络，再从卫星网络到目的地面站的通信路径。具体而言，是将数据先通过星地链路从源地面站上传到可通信的卫星，再通过卫星网络的多跳中继到达在目的地面站通信范围内的卫星，最后通过星地链路成功回传至目的地面站。

空间信息网络存在着多种类型的传输任务，其端到端的时延约束有着较大差别。例如语音通话和高清视频业务的端到端时延要小于250ms，这属于时延敏感业务。而像气候数据和南北极科考数据的回传等这类对时延要求宽松的业务类型我们定性为时延容忍业务，此类业务的端到端时延要求往往为分钟或者小时级别。空间信息网络可能需要同时传输这两类业务，因此如果仅利用星间链路传输数据，大量的时延容忍业务传输会极大的占用星间链路无线资源，导致时延敏感业务的时延抖动从而影响用户体验。

传统的空间信息网络路由方法主要研究了如何在源节点和目的节点间找一条最短路径使得数据包传输的端到端时延最小，即最小跳数原则和最小费用原则。该类方法在时间扩展图的基础上，用存储弧连通不同时间切片的星间链路，并优先利用无线星间链路传输数据。但是卫星网络往往需要承载各种不同时延约束的业务。当网络存在大量时延容忍业务的传输需求时，依旧采用最小时延的路由方法将占用大量星间链路，并难以保证时延敏感任务的可靠传输，浪费了卫星存储资源，加剧网络拥塞并恶化了网络性能。

同时也存在一部分利用卫星存储资源提升网络的吞吐量的路由方法，其核心思想为：星间链路受天气和干扰等因素的影响无法提供可靠的传输机会时，卫星负责缓存数据并等待即将到来的传输机会。该方法有效提升了网络吞吐量并节省了星间链路资源，但是该方法存在两点问题。其一在于缺乏对任务时延约束的考虑，即没有考虑被卫星缓存的业务也需要在规定的时间内完成传输的情况，这将导致某些数据的端到端时延过大而失去其时效性；其二在于该方法只是引入卫星移动存储来提升网络吞吐量，并未获得卫星存储资源和星间链路资源最优协作方式，浪费了部分卫星无线链路资源。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提出一种面向任务时延约束的低轨卫星数据传输方法，以优化利用卫星移动存储和星间链路两种资源，提升卫星网络的性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤:

(1)初始化卫星网络每条轨道上卫星的集合为Sa＝{Sa₁,Sa₂,…,Sa_n,…,Sa_M}，其中第i颗卫星记为Sa_i,i∈1,2,…,M，根据同轨道相邻卫星建链的规则，生成空间信息网络中每条轨道上卫星的拓扑关系；

(2)基于(1)生成的卫星网络，计算每条轨道下的地面站位置信息，获得地面站集合GS＝{GS₁,GS₂,…,GS_n,…,GS_M}，其中第i个地面站记为GS_i,i∈1,2,…,M，在地球表面部署该M个地面站并构建地面固定的时变星地连接关系；

(3)初始化空间信息网络的网络参数：星间链路传播时延d_l，星地链路传播时延d_g，星间链路传输速率R_SS，星地链路传输速率R_SG，星地切换周期T_s和单星存储容量m；初始化每对地面站需要传输的数据包信息，即数据包产生时刻CT、数据包大小pm、源地面站GS_i∈GS、目的地面站GS_j∈GS，任务时延约束D和数据包传输跳数n＝(j+M-i)％M；

(4)根据数据包信息，确定该数据包的传输方式：

(4a)初始化数据包传输过程中的卫星携带时长τ_c，即初始携带时长τ_f和整数携带时长kT_s的和，其中k为整数携带跳数；

(4b)计算数据包的利用卫星携带和星间链路混合传输的时延约束的上界T₁和下界T₂；

(4c)将任务时延约束D与(4b)中上界T₁、下界T₂进行比较，得到三种不同的传输方式：

若D≥T₁，则数据包全部利用卫星携带传输，

若T₂≤D＜T₁，则数据包利用卫星携带和星间链路混合传输，即先用卫星携带，后用星间链路，

若0＜D＜T₂，则数据包无法在时延约束内完成传输；

(5)根据数据包的传输方式，计算数据包的传输切换时间T_c：

(5a)对卫星携带和星间链路混合传输情况的计算：

(5a1)计算其最大整数携带跳数k_max，最大的初始携带时长τ_fm和初始携带时长τ_f：

τ_f＝T_s-CT％T_s，

其中，将

化成整数进行取余运算，

将CT和T_s化成整数进行取余运算；

(5a2)将初始携带时长τ_f和最大初始携带时长τ_fm进行比较，计算数据包的整数携带跳数k和传输切换时间T_c；

若τ_f＜τ_fm，k＝k_max，则

若τ_f≥τ_fm，k＝k_max-1，则

(5b)对全部利用卫星携带传输的情况：计算公式为

(6)空间信息网络中每个节点根据自身存储和传输切换时间T_c，确定数据包的下一跳和转发模式：

(6a)源地面站根据初始化的数据包信息和(5)的计算结果为每个数据包添加包头信息，即源地面站GS_i，目的地面站GS_j，下一跳地址A₁和传输切换时间T_c；

(6b)源地面站计算数据包生成时刻CT与本地面站连接卫星Sa_f的编号f，将该卫星地址写入数据包头中的下一跳地址A₁并立即转发；

(6c)收到数据包的卫星根据读取的传输切换时间T_c，确定自身在数据包传输过程中的任务：

若T_c＜0，则收到数据包的卫星用于星间链路传输，执行(6d)；

若T_c≥0，则收到数据包的卫星用于卫星携带，执行(6e)；

(6d)收到数据包的卫星检测当前时刻CT₁是否与数据包的目的地面站GS_j建立连接，得到数据包下一跳A₁和发送模式：

若收到数据包的卫星在当前时刻CT₁与目的地面站GS_j建立连接，则A₁＝GS_j，收到数据包的卫星立即发送数据包到下一跳；

若收到数据包的卫星在当前时刻CT₁与目的地面站GS_j无法建立连接，则A₁＝Sa_(x+M)％M+1，其中x为收到数据包的卫星编号，Sa_x立即发送数据包到下一跳；

(6e)收到数据包的卫星根据自身存储情况计算该数据包的下一跳和转发模式：

如果收到数据包的卫星存储空间未满，则执行(6f)；

如果收到数据包的卫星存储空间已满，则执行(6g)；

(6f)收到数据包的卫星检查T_c时刻与目的地面站GS_j的连接状态，计算数据包的下一跳和传输模式：

若T_c时刻收到数据包的卫星自身与目的地面站建立连接，则A₁＝GS_j，收到数据包的卫星将在T_c时刻发送数据包到下一跳；

若T_c时刻收到数据包的卫星自身与目的地面站无法建立连接，则A₁＝Sa_(x+M)％M+1，其中x为收到数据包的卫星编号，记录传输切换时间的值T_c为发送时间T_r＝T_c，并将传输切换时间改变为T_c＝-1，收到数据包的卫星将在T_r时刻发送到下一跳；

(6g)更改传输切换时间的取值T_c＝-1，则A₁＝Sa_(x+M)％M+1，其中x为收到数据包的卫星编号，Sa_x立即发送数据包到下一跳。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明根据不同的任务时延约束，计算了每种任务的传输切换时间，以获得最优的卫星移动存储和星间链路传输的协作方法，挖掘了卫星的存储资源，减少时延容忍业务对星间链路资源的占用，更好的保障时延敏感任务的Qos需求，从而缓解了网络拥塞，提升了网络负载均衡和服务能力。

2)本发明根据每轨道上卫星的运动特点，形成了可通过简单数值计算获得的时变网络拓扑关系，在保证拓扑结构不失真实可靠性的同时，避免了利用时间扩展图表征动态卫星网络所带来的计算复杂度。

附图说明

图1是本发明的实现总流程示意图；

图2是本发明实施例中的空间信息网络初始时刻拓扑图；

图3是本发明实施例中地面固定的卫星与地面站连接模式示意图；

图4是本发明实施例1中计算任务数据包的路由信息子流程图；

图5是本发明实施例1中网络节点更新数据包头信息并转发的子流程图；

图6是用本发明仿真网络吞吐量随卫星轨道参数变化的示意图；

图7是用本发明仿真网络吞吐量随卫星存储容量变化的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，本发明面向任务时延约束的低轨卫星数据传输方法，给出如下两种实施例：

实施例1,能够完成k_max跳整数携带的面向任务时延约束的低轨卫星数据传输方法

本发明实例从一个单轨的Iridium卫星通信网络场景，说明本发明的实施过程。假设网络中有M＝11个卫星节点{Sa₁,Sa₂,…Sa₁₁}位于同一条轨道倾角为90°，高度为780km的轨道上，且每个卫星的存储容量为40Gb，根据卫星的初始位置，可以得到11个地面站集合{GS₁,GS₂,…GS₁₁}的位置信息，并建立地面固定的星地可见关系。星间链路的传输能力为25Mbps，星地链路的传输能力为50Mbps。空间信息网络将根据初始化的数据包信息，完成该业务的端到端传输。

步骤一，初始化空间信息网络的卫星集合，建立星间拓扑关系。

1a)初始化空间信息网络中的卫星集合Sa＝{Sa₁,Sa₂,…,Sa_i,…,Sa₁₁}，并将这11颗卫星作为网络的中继节点，其中Sa_i为其中的第i颗卫星；

1b)初始化空间信息网络中卫星轨道参数，即设11颗卫星在同一条卫星轨道上均匀分布，轨道倾角为90°，轨道高度为h＝780km，每颗卫星的轨道周期为

其中地球半径为R＝6400km，地球质量Mass＝5.965×10²⁴kg，万有引力常量G＝6.67×10^-11N·m²/kg²；

1c)初始化每轨道上卫星的排列顺序，即对卫星Sa_i的两颗相邻卫星分别进行标记，得到其相邻卫星，即：

将第i颗卫星Sa_i移动方向上的第1颗卫星记为Sa_(i+M)％M+1，得到第1颗卫星Sa₁移动方向上的相邻卫星为第2颗卫星Sa₂；

将第2颗卫星Sa₂移动方向上的相邻卫星为第3颗卫星Sa₃，以此类推，得到11颗卫星移动方向上的相邻卫星；

将第i颗卫星Sa_i移动相反方向上的第一颗卫星记为Sa_{(i+M-2)％M+1}，得到第1颗卫星Sa₁移动相反方向上的相邻卫星为第11颗卫星Sa₁₁，第2颗卫星Sa₂移动相反方向上的相邻卫星为第1颗卫星Sa₁，以此类推，得到11颗卫星移动相反方向上的相邻卫星；

1d)在任意两颗相邻卫星之间建立全双工的星间链路，卫星网络拓扑，结果如图2所示。

步骤二，计算每条轨道下的地面站位置并在地球表面布设地面站，构建地面固定的时变星地连接关系。

2a)初始化11个地面站的集合GS＝{GS₁,GS₂,…,GS_i,…,GS₁₁}，其中GS_i表示第i个地面站；

2b)计算每个地面站的位置信息：

2b1)根据初始时刻11颗卫星在轨道上的位置，获得任意两颗相邻卫星之间的弧的中点的位置；

2b2)将11条弧的中点与地心连接生成11条直线，并将该11条直线与地球表面的交点位置作为11个地面站的位置；

2b3)根据获得的11个地面站的位置信息，在地球表面布设11个地面站；

2c)构建地面固定的时变星地连接关系；

2c1)计算卫星与地面站发生同步切换的星地切换周期T_s＝T_L/M＝548s，其中T_L为卫星的轨道周期；

2c2)在初始时刻第i个地面站GS_i∈GS与第i颗卫星Sa_i∈Sa建立连接，即第1个地面站GS₁与第1颗卫星Sa₁，第2个地面站GS₂与第2颗卫星Sa₂，...，第i个地面站GS_i与第i颗卫星Sa_i…,第11个地面站GS₁₁与第11颗卫星Sa₁₁建立11对全双工星地链路；

2c3)在后续过程中每经过T_s时长发生一次同步切换：

参考图3，本步骤的切换的方式为：

假设切换前第i个地面站GS_i与第i颗卫星Sa_i建立连接，则切换后第i个地面站GS_i与第(i+M-2)％M+1颗卫星Sa_{(i+M-2)％M+1}建立连接，如图3中A)所示，得到在运行时间[0,T_s)内，第1个地面站GS₁与第1颗卫星Sa₁，第2个地面站GS₂与第2颗卫星Sa₂，…，第i个地面站GS_i与第i颗卫星Sa_i…,第11个地面站GS₁₁与第11颗卫星Sa₁₁建立的11对全双工星地链路，如图3中B)所示，运行时间[T_s,2T_s)内第1个地面站GS₁与第11颗卫星Sa₁₁，第2个地面站GS₂与第1颗卫星Sa₁，…，第i个地面站GS_i与第i-1颗卫星Sa_i-1…,第11个地面站GS₁₁与第10颗卫星Sa₁₀建立的11对全双工星地链路；

随着系统运行可得到后续任意时刻的星地连接关系。

步骤三，初始化空间信息网络的网络参数和每对地面站需要传输的数据包信息。

3a)初始化空间信息网络的网络参数：

星间链路传播时延

星地链路传播时延

星间链路传输速率R_SS＝25Mbps，星地链路传输速率R_SG＝50Mbps，星地切换周期T_s＝T_L/M＝6028/11＝548s和单星存储容量m＝40Gb；

3b)初始化每对地面站需要传输的数据包信息：

3b1)将生成的数据包标记为

该标记包含有数据包的基本信息：数据包源地面站编号i，目的地面站编号j，数据包的大小pm，数据包的产生时间CT，数据包的时延约束D。

3b2)对数据包的基本信息进行初始化：数据包产生时刻CT＝1.5T_s＝822s、数据包大小pm＝1kb、源地面站为第1个地面站GS₁、目的地面站为第5个地面站GS₅，任务时延约束D＝2.5T_s＝1370s，计算得到数据包传输跳数n＝(5+11-1)％11＝4；

步骤四，根据数据包信息，确定该数据包的传输方式。

参照图4，本步骤的具体实现如下：

4a)初始化数据包传输过程中的卫星携带时长τ_c，即初始携带时长τ_f和整数携带时长kT_s的和，其中k为整数携带跳数，规定携带时长τ_f＝T_s-CT％T_s＝274s为数据包从源地面站GS₁到达与源地面站GS₁连接的卫星后依然停留在源地面站GS₁通信范围内的时长；

4b)计算数据包的利用卫星携带和星间链路混合传输的时延约束上界T₁和下界T₂；

4b1)设数据包

从第一个地面站GS₁到第五个地面站GS₅，其经过的传输过程包括：

初始携带时长τ_f、k跳整数携带时长kT_s、n-k-1跳的星间链路传输时长和2跳星地链路传输时长，由此得到数据包的端到端时延T_end的计算公式：

4b2)根据端到端时延计算公式，计算得到数据包

只利用4跳卫星携带完成任务的端到端时延的上界T₁：

4b3)根据端到端时延计算公式，计算得到数据包

只利用4跳星间链路传输完成任务的端到端时延的下界T₂：

4c)将任务时延约束D＝1370s与上界T₁、下界T₂进行比较，得到数据包

的传输方式：

若D≥T₁，则该数据包采用卫星携带的传输方式；

若T₂≤D＜T₁，则该数据包采用卫星携带和星间链路混合的传输方式；

若D＜T₂，则该数据包无法完成传输；

本实例中数据包符合T₂≤D＜T₁，即0.0602s≤1370s<2192.00524s的条件，得出数据包

采用卫星携带与星间链路混合的传输方式。

步骤五，根据数据包的传输方式，计算数据包的传输切换时间T_c。

参照图4，本步骤的具体实现如下：

5a)对于数据包

计算其最大的整数携带跳数k_max，最大的初始携带时长τ_fm和初始携带时长τ_f，计算公式如下：

τ_f＝T_s-CT％T_s＝274s；

5b)将初始携带时长τ_f和最大初始携带时长τ_fm进行比较，计算数据包的整数携带跳数k和传输切换时间T_c；

若τ_f＜τ_fm，则k＝k_max，

若τ_f≥τ_fm，则k＝k_max-1，

本实例中该数据包符合τ_f≥τ_fm，得到整数携带跳数k＝k_max-1＝1，即在CT＝822s时刻，数据包

从源面站GS₁经过星地链路被发送至与源面站GS₁连接的卫星，经过该卫星持续τ_f+(k_max-1)T_s＝822s时长的携带，在

时刻，将数据包转发至下一跳，数据包的传输模式由卫星携带更改为星间链路传输。

步骤六，空间信息网络中每个节点根据自身存储情况和数据包的传输切换时间T_c，确定数据包的下一跳和转发模式。

参照图5，本步骤的具体实现如下：

6a)源地面站GS₁根据初始化的数据包信息和传输切换时间为该数据包添加包头信息，即源地面站GS₁，目的地面站GS₅，下一跳地址A₁和传输切换时间T_c＝1644.00262s；

6b)源地面站GS₁计算数据包生成时刻CT＝822s与本地面站连接第f颗卫星Sa_f的编号f：

将获得的第11颗卫星的地址Sa₁₁写入数据包头中的下一跳地址A₁，即A₁＝Sa₁₁并立即转发；

6c)收到数据包的各卫星，读取数据包的传输切换时间T_c，并根据自身存储情况，确定数据包的传输方法：

6c1)第11颗卫星Sa₁₁收到数据包

执行以下操作：

6c1a)根据数据包

的传输切换时间T_c，确定本卫星在数据包传输过程中的任务：

若T_c＜0，则本卫星用于星间链路传输；

若T_c≥0，则本卫星用于卫星携带；

本实例中第11颗卫星Sa₁₁符合T_c＝1644.00262s＞0，则第11颗卫星Sa₁₁用于该数据包的携带；

6c1b)检查该第11颗卫星Sa₁₁存储的数据是否已经达到存储容量上限m：

如果

即本卫星存储空间已满，得出数据包

的下一跳地址A₁＝Sa_(x+M)％M+1＝Sa₁为第1颗卫星，改变T_c的值，即T_c＝-1，第11颗卫星Sa₁₁立即将数据包

发送至第1颗卫星Sa₁；

如果

即收到数据包的卫星存储空间未满，检查T_c＝1644.00262s时刻第11颗卫星Sa₁₁与目的地面站GS₅是否可通信，并得出数据包的下一跳A₁和传输模式：

若T_c时刻本卫星与目的地面站建立连接，则A₁＝GS_j，本卫星将在T_c时刻发送数据包到下一跳；

若T_c时刻本卫星自身与目的地面站无法建立连接，则A₁＝Sa_(x+M)％M+1，其中x为本卫星编号，记录下传输切换时间的值T_r＝T_c，并将传输切换时间改变为T_c＝-1，本卫星Sa_x将在T_r时刻发送到下一跳；

本实例中第11颗卫星Sa₁₁符合

即T_c时刻第11颗卫星与目的地面站GS₅无法建立连接，得出数据包

的下一跳地址A₁＝Sa_(x+M)％M+1＝Sa₁，第11颗卫星Sa₁₁利用T_r记录传输切换时间T_c，即发送时间T_r＝T_c＝1644.00262s，改变T_c的值，即T_c＝-1，第11颗卫星Sa₁₁将在T_r时刻发送数据包

到第1颗卫星Sa₁；

6c2)第1颗卫星Sa₁收到数据包

执行以下操作：

6c2a)根据数据包

的传输切换时间T_c，确定本卫星在数据包传输过程中的任务：

若T_c＜0，则本卫星用于星间链路传输；

若T_c≥0，则本卫星用于卫星携带；

本实例中该卫星符合T_c＝-1≤0，则本卫星用于数据包的星间链路传输；

6c2b)设当前时刻CT₁＝1644.01636s，判定当前时刻本卫星Sa₁与目的地面站GS₅是否可通信，并得出该数据包的下一跳和传输方式：

若本卫星在当前时刻CT₁与目的地面站GS_j建立连接，则A₁＝GS_j，本卫星立即发送数据包到下一跳；

若本卫星在当前时刻CT₁与目的地面站GS_j无法建立连接，则A₁＝Sa_(x+M)％M+1，其中x为本卫星编号，本卫星Sa_x立即发送数据包到下一跳；

本实例中第1颗卫星Sa₁符合

即第1颗卫星Sa₁在当前时刻CT₁无法与目的地面站GS₅建立连接，下一跳地址为A₁＝Sa_(x+M)％M+1＝Sa₂第2颗卫星，第1颗卫星Sa₁立即将

发送至第2颗卫星Sa₂；

6c3)第2颗卫星Sa₂收到数据包

执行以下操作：

6c3a)根据数据包

的传输切换时间T_c，确定本卫星在数据包传输过程中的任务：

若T_c＜0，则本卫星用于星间链路传输；

若T_c≥0，则本卫星用于卫星携带；

本实例中第2颗卫星符合T_c＝-1≤0，则该卫星用于数据包的星间链路传输；

6c3b)设当前时刻CT₁＝1644.0301s，判定当前时刻第2颗卫星Sa₂与目的地面站GS₅是否可通信，得出该数据包的下一跳A₁和传输方式：

若本卫星在当前时刻CT₁与目的地面站GS_j建立连接，则A₁＝GS_j，收到数据包的卫星立即发送数据包到下一跳；

若本卫星在当前时刻CT₁与目的地面站GS_j无法建立连接，则A₁＝Sa_(x+M)％M+1，其中x为收到数据包的卫星编号，本卫星Sa_x立即发送数据包到下一跳；

本实例中第二颗卫星符合

即第2颗卫星Sa₂当前时刻与目的地面站GS₅建立连接，下一跳地址A₁＝GS₅，第2颗Sa₂立即将数据包

发送至其下一跳GS₅；

6d)地面站GS₅收到数据包

检测数据包的目的地面站，确定是否接受数据包：

若数据包的目的地面站等于地面站GS₅，则地面站GS₅接收数据包；

若数据包的目的地面站不等于地面站GS₅，则地面站GS₅不接受数据包。

本实例中数据包

的目的地址等于地面站GS₅，地面站GS₅可成功接收数据包

实施例2，能够完成k_max跳整数携带的面向任务时延约束的低轨卫星数据传输方法

本实施例的空间信息网络场景同实施例1，但是数据包的产生时间CT不同，该数据包需要利用不同于实施例1的传输方法。其实现步骤如下：

步骤1，初始化空间信息网络的卫星集合，建立星间拓扑关系。

本步骤的具体实现与实施例1的步骤一相同。

步骤2，计算每条轨道下的地面站位置并在地球表面布设地面站，构建地面固定的时变星地连接关系。

本步骤的具体实现与实施例1的步骤二相同。

步骤3，初始化空间信息网络的网络参数和每对地面站需要传输的数据包信息。

3.1)初始化空间信息网络的网络参数：

本步骤的具体实现与实施例1的步骤3a)相同；

3.2)初始化每对地面站需要传输的数据包信息：

3.2.1)将生成的数据包标记为

该标记包含有数据包的基本信息：数据包源地面站编号i，目的地面站编号j，数据包的大小pm，数据包的产生时间CT，数据包的时延约束D。

3.2.2)对数据包的基本信息进行初始化：数据包产生时刻CT＝2.2T_s＝1534.4s、数据包大小pm＝1kb、源地面站为第1个地面站GS₁、目的地面站为第5个地面站GS₅，任务时延约束D＝2.5T_s＝1370s，计算得到数据包传输跳数为n＝(5-1+11)％11＝4。

步骤4，根据数据包信息，确定该数据包的传输方式。

4.1)初始化数据包传输过程中的卫星携带时长τ_c，即初始携带时长τ_f和整数携带时长kT_s的和，其中k为整数携带跳数，规定携带时长τ_f＝T_s-CT％T_s＝109.6s为数据包从源地面站GS₁到达与源地面站GS₁连接的卫星后依然停留在源地面站GS₁通信范围内的时长；

4.2)计算数据包的利用卫星携带和星间链路混合传输的时延约束上界T₁和下界T₂；

本步骤的具体实现与实施例1的步骤4b)相同。

步骤5，根据数据包的传输方式，计算数据包的传输切换时间T_c。

5.1)对于数据包

计算其最大的整数携带跳数k_max和最大的初始携带时长τ_fm，计算公式如下：

τ_f＝T_s-CT％T_s＝109.6s；

5.2)将初始携带时长τ_f和最大初始携带时长τ_fm进行比较，计算数据包的整数携带跳数k和传输切换时间T_c；

若τ_f＜τ_fm，则k＝k_max，

若τ_f≥τ_fm，则k＝k_max-1，

本实例中该数据包符合τ_f＜τ_fm，得到整数携带跳数k＝k_max＝2，即在CT＝1534.4s时刻，数据包

从源地面站GS₁经过星地链路被发送至与源地面站GS₁连接的卫星，经过该卫星持续τ_f+k_maxT_s＝1205.6s时长的携带，在

时刻，该卫星将数据包转发至下一跳，数据包的传输模式由卫星携带更改为星间链路传输。

步骤6，空间信息网络中每个节点根据自身存储和传输切换时间T_c，确定数据包的下一跳和转发模式。

6.1)源地面站GS₁根据初始化的数据包信息和传输切换时间T_c的计算结果为每个数据包添加源地面站GS₁，目的地面站GS₅，下一跳地址A₁和传输切换时间T_c＝2740.00262s这些包头信息；

6.2)源地面站GS₁计算数据包生成时刻CT＝1534.4s与本地面站连接的第f颗卫星Sa_f的编号：

并将获得的第10颗卫星Sa₁₀的地址写入数据包头中的下一跳地址A₁，即A₁＝Sa₁₀并立即转发；

6.3)收到数据包的各卫星，读取数据包的传输切换时间T_c，并根据自身存储情况，确定数据包的传输方法：

6.3.1)第10颗卫星Sa₁₀收到数据包

进行以下操作：

首先，根据数据包

的传输切换时间T_c，确定本卫星在数据包传输过程中的任务：

若T_c＜0，则本卫星用于星间链路传输；

若T_c≥0，则本卫星用于卫星携带；

本实例中第10颗卫星Sa₁₁符合T_c＝2740.00262s＞0表示第10颗卫星Sa₁₀用于该数据包的携带；

然后，检查第10颗卫星Sa₁₀存储的数据是否已经达到存储容量上限m：

如果

即本卫星存储空间已满，得出数据包

的下一跳地址A₁＝Sa_(x+M)％M+1＝Sa₁₁为第11颗卫星，令T_c＝-1，第10颗卫星Sa₁₀立即将

发送至第11颗卫星Sa₁₁。

如果

即本卫星存储空间未满，再检查T_c＝2740.00262s时刻第10颗卫星Sa₁₀与目的地面站GS₅是否可通信，并得出数据包的下一跳A₁和传输模式：

若T_c时刻本卫星与目的地面站建立连接，则A₁＝GS_j，本卫星将在T_c时刻发送数据包到下一跳；

若T_c时刻本卫星自身与目的地面站无法建立连接，则A₁＝Sa_(x+M)％M+1，其中x为本卫星编号，记录下传输切换时间的值T_r＝T_c，并将传输切换时间改变为T_c＝-1，本卫星Sa_x将在T_r时刻发送到下一跳；

本实例中第10颗卫星符合

即T_c时刻第10颗卫星与目的地面站GS₅无法建立连接，得出

的下一跳地址A₁＝Sa_(x+M)％M+1＝Sa₁₁，该卫星Sa₁₀利用T_r记录T_c并改变T_c的值，即发送时间T_r＝T_c＝2740.00262s，T_c＝-1，且该卫星Sa₁₀将在T_r时刻发送数据包

到第11颗卫星Sa₁₁；

6.3.2)第11颗卫星Sa₁₁收到数据包

进行以下操作：

首先，根据数据包

的传输切换时间T_c，确定本卫星在数据包传输过程中的任务：

若T_c＜0，则本卫星用于星间链路传输；

若T_c≥0，则本卫星用于卫星携带；

本实例中该卫星符合T_c≤0，则本卫星用于数据包的星间链路传输；

其次，设当前时刻CT₁＝2740.01636s，判定当前时刻本卫星Sa₁₁与目的地面站GS₅是否可通信，并得出该数据包的下一跳A₁和传输方式：

若本卫星Sa₁₁在当前时刻CT₁与目的地面站GS_j建立连接，则A₁＝GS_j，本卫星Sa₁₁立即发送数据包到下一跳；

若本卫星Sa₁₁在当前时刻CT₁与目的地面站GS_j无法建立连接，则A₁＝Sa_(x+M)％M+1，其中x为本卫星编号，本卫星Sa_x立即发送数据包到下一跳；

本实例中第11颗卫星符合

即第11颗卫星Sa₁₁当前时刻与目的地面站GS₅建立连接，下一跳地址A₁＝GS₅，第11颗卫星Sa₁₁立即将数据包

发送至目的地面站GS₅。

6.4)地面站GS₅收到数据包

检测数据包的目的地面站，确定是否接受数据包。

本步骤的具体实现与实施例1的步骤6d)相同。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

下面结合仿真针对本发明对网络吞吐量增益的效果做详细的描述。

一、仿真环境搭建

首先，基于本发明提出的传输方法，利用MATLAB计算出不同网络参数下网络所能达到的吞吐能力上界的理论值，以此来评估利用合适的OPNET仿真参数；

接着，利用STK软件构建了500-2000Km轨道高度和轨道卫星数目不同的卫星网络的运动轨迹，并根据卫星的初始化分布，获得了对应的地面站集合；

然后，将STK软件生成的卫星运动轨迹导入到OPNET网络仿真软件中并搭建动态可变的波束，用以建模相邻卫星之间的连接关系和卫星与地面站之间地面固定的时变星地连接关系。

最后，根据本发明所述的传输方法，在OPNET网络仿真软件中构建空间信息网络中各个节点的路由协议。

2.仿真内容及结果分析

仿真1，基于上述构建的仿真环境，在卫星轨道高度从500km到2000km，轨道倾角为90度，每轨道卫星数目分别为8颗、11颗、16颗，星地链路传输速率为50Mbps，星间链路传输速率为25Mbps，卫星存储容量为40Gbit，网络中数据包的传输距离为130～135rad之间，任务的时延约束为2400s和250ms的参数下，利用本发明的传输方法和最短路径的传输方法，得到了网络吞吐量的理论值和仿真值，结果如图6。

由图6的结果可知，最短路径算法为了将数据尽快送达目的地面站只利用星间链路传输数据包，因此该方法的网络吞吐量增益只有70Mbps左右，且不随卫星轨道高度和卫星数目发生变化。相对而言，本发明不止在网络吞吐量是明显优于最短路径算法，而且随着卫星高度降低和单轨卫星数目的增加，网络吞吐量明显增加。因此本发明对空间信息网络中时延容忍业务的传输有着明显增益。

仿真2，基于上述构建的仿真环境，在卫星轨道高度为780km和1500km，轨道倾角为90度，每轨道卫星数目分别为9颗、11颗，星地链路传输速率为50Mbps，星间链路传输速率为25Mbps，卫星存储容量为10-40Gbit，网络中数据包的传输距离为130～135rad之间，任务的时延约束为2400s的参数下，利用本发明的传输方法，得到了网络吞吐量的理论值和仿真值，结果如图7。

如图7的仿真结果可知，空间信息网络吞吐量随着卫星存储容量的增加而线性增加。本发明可以精确的得到卫星存储容量，卫星轨道高度与卫星数目之间的线性关系，因此本发明有助于根据时延容忍业务的比例和网络的吞吐量需求重新定义网络参数。例如当Iridium Next星座的星地链路全部用以传输时延容忍业务，本发明下每颗卫星至少需要27Gbit的存储容量。这远小于目前卫星32GB～8TB的存储能力，显示了本发明在未来资源复用的空间信息网络中的实用性和可靠性。

以上所述仅为本发明的两个较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种面向任务时延约束的低轨卫星数据传输方法，其特征在于，包括如下：

(1)初始化卫星网络每条轨道上卫星的集合为Sa＝{Sa₁,Sa₂,…,Sa_n,…,Sa_M}，其中第i颗卫星记为Sa_i,i∈1,2,…,M，根据同轨道相邻卫星建链的规则，生成空间信息网络中每条轨道上卫星的拓扑关系，实现如下：

(1a)初始化卫星轨道高度为h，设M颗卫星在同一条卫星轨道上均匀分布，且每颗卫星的轨道周期为T_L；

(1b)初始化每轨道上卫星的排列顺序，即对卫星Sa_i的两颗相邻卫星分别进行标记：

将Sa_i移动方向上的第一颗卫星记为Sa_(i+M)％M+1；

将Sa_i移动相反方向上的第一颗卫星记为Sa_{(i+M-2)％M+1}；

(1c)在任意两颗相邻卫星之间建立全双工的星间链路；

(2)基于(1)生成的卫星网络，计算每条轨道下的地面站位置信息，获得地面站集合GS＝{GS₁,GS₂,…,GS_n,…,GS_M}，其中第i个地面站记为GS_i,i∈1,2,…,M，在地球表面部署该M个地面站并构建地面固定的时变星地连接关系；实现如下：

(2a)根据初始时刻的M颗卫星在轨道上的位置，获得任意两颗相邻卫星之间的弧的中点的位置；

(2b)将M条弧的中点与地心连线生成M条直线，该M条直线与地球表面的交点位置作为M个地面站的位置；

(2c)计算卫星与地面站发生同步切换的星地切换周期T_s＝T_L/M，其中T_L为卫星的轨道周期；

(2d)在初始时刻地面站GS_i∈GS与卫星Sa_i∈Sa建立连接，即GS₁与Sa₁，GS₂与Sa₂，…，GS_i与Sa_i…,GS_M与Sa_M建立M对全双工星地链路；

(2e)在后续过程中每经过T_s发生一次同步切换，切换的方式如下：

假设切换前GS_i与Sa_i建立连接；

则切换后GS_i与Sa_{(i+M-2)％M+1}建立连接；

(3)初始化空间信息网络的网络参数：星间链路传播时延

星地链路传播时延

星间链路传输速率R_SS＝25Mbps，星地链路传输速率R_SG＝50Mbps，星地切换周期T_s＝T_L/M＝6028/11＝548s和单星存储容量m＝40Gb；初始化每对地面站需要传输的数据包信息，即数据包产生时刻CT、数据包大小pm、源地面站GS_i∈GS、目的地面站GS_j∈GS，任务时延约束D和数据包传输跳数n＝(j+M-i)％M；

(4)根据数据包信息，确定该数据包的传输方式：

(4a)初始化数据包传输过程中的卫星携带时长τ_c，即初始携带时长τ_f和整数携带时长kT_s的和，其中k为整数携带跳数；

(4b)计算数据包的利用卫星携带和星间链路混合传输的时延约束的上界T₁和下界T₂；

(4c)将任务时延约束D与(4b)中上界T₁、下界T₂进行比较，得到三种不同的传输方式：

若D≥T₁，则数据包全部利用卫星携带传输，

若T₂≤D＜T₁，则数据包利用卫星携带和星间链路混合传输，即先用卫星携带，后用星间链路，

若0＜D＜T₂，则数据包无法在时延约束内完成传输；

(5)根据数据包的传输方式，计算数据包的传输切换时间T_c：

(5a)对卫星携带和星间链路混合传输情况的计算：

(5a1)计算其最大整数携带跳数k_max，最大的初始携带时长τ_fm和初始携带时长τ_f：

τ_f＝T_s-CT％T_s，

其中，将

和

化成整数进行取余运算，

将CT和T_s化成整数进行取余运算；

(5a2)将初始携带时长τ_f和最大初始携带时长τ_fm进行比较，计算数据包的整数携带跳数k和传输切换时间T_c；

若τ_f＜τ_fm，k＝k_max，则

若τ_f≥τ_fm，k＝k_max-1，则

(5b)对全部利用卫星携带传输的情况：计算公式为

(6)空间信息网络中每个节点根据自身存储和传输切换时间T_c，确定数据包的下一跳和转发模式：

(6a)源地面站根据初始化的数据包信息和(5)的计算结果为每个数据包添加包头信息，即源地面站GS_i，目的地面站GS_j，下一跳地址A₁和传输切换时间T_c；

(6b)源地面站计算数据包生成时刻CT与本地面站连接卫星Sa_f的编号f，将该卫星地址写入数据包头中的下一跳地址A₁并立即转发；

(6c)收到数据包的卫星根据读取的传输切换时间T_c，确定自身在数据包传输过程中的任务：

若T_c＜0，则收到数据包的卫星用于星间链路传输，执行(6d)；

若T_c≥0，则收到数据包的卫星用于卫星携带，执行(6e)；

(6d)收到数据包的卫星检测当前时刻CT₁是否与数据包的目的地面站GS_j建立连接，得到数据包下一跳A₁和发送模式：

若收到数据包的卫星在当前时刻CT₁与目的地面站GS_j建立连接，则A₁＝GS_j，收到数据包的卫星立即发送数据包到下一跳；

若收到数据包的卫星在当前时刻CT₁与目的地面站GS_j无法建立连接，则A₁＝Sa_(x+M)％M+1，其中x为收到数据包的卫星编号，Sa_x立即发送数据包到下一跳；

(6e)收到数据包的卫星根据自身存储情况计算该数据包的下一跳和转发模式：

如果收到数据包的卫星存储空间未满，则执行(6f)；

如果收到数据包的卫星存储空间已满，则执行(6g)；

(6f)收到数据包的卫星检查T_c时刻与目的地面站GS_j的连接状态，计算数据包的下一跳和传输模式：

若T_c时刻收到数据包的卫星自身与目的地面站建立连接，则A₁＝GS_j，收到数据包的卫星将在T_c时刻发送数据包到下一跳；

若T_c时刻收到数据包的卫星自身与目的地面站无法建立连接，则A₁＝Sa_(x+M)％M+1，其中x为收到数据包的卫星编号，记录传输切换时间的值T_c为发送时间T_r＝T_c，并将传输切换时间改变为T_c＝-1，收到数据包的卫星将在T_r时刻发送到下一跳；

(6g)更改传输切换时间的取值T_c＝-1，则A₁＝Sa_(x+M)％M+1，其中x为收到数据包的卫星编号，Sa_x立即发送数据包到下一跳。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，(4a)中初始化数据包传输过程中的卫星携带时长τ_c，实现如下：

(4a1)规定数据包的初始携带时长τ_f为数据包从源地面站GS_i到达与GS_i连接的卫星后依然停留在GS_i通信范围内的时长，即τ_f＝T_s-CT％T_s，其中将CT和T_s化成整数进行取余运算；

(4a2)规定整数携带时长kT_s为数据包被卫星携带k个切换时长T_s的时间长度，其中k＝0,1,2,…,n；

(4a3)根据初始携带时长τ_f和整数携带时长kT_s，得到初始化的数据包传输过程中的卫星携带时长为τ_c＝τ_f+kT_s。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述(4b)中计算数据包的利用卫星携带和星间链路混合传输的时延约束的上界T₁和下界T₂，公式如下：

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述(6b)中源地面站计算数据包生成时刻CT与本地面站连接卫星Sa_f的编号f，公式如下：

其中i为本地面站的编号，T_L为卫星的运动周期，且将CT和T_L化成整数进行取余运算。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述(6d)中收到数据包的卫星检测当前时刻CT₁是否与目的地面站GS_j建立连接，是假设x为收到数据包的卫星编号，T_L为卫星的运动周期，判断下式是否成立：

若

则CT₁时刻收到数据包的卫星与目的地面站已建立连接，其中，CT₁和T_L化成整数进行取余运算；

若

则CT₁时刻收到数据包的卫星无法与目的地面站建立连接。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述(6e)中收到数据包的卫星根据自身存储情况计算该数据包的下一跳和转发模式，实现如下：

(6e1)假设收到数据包卫星的当前时刻存储了p个数据包，其中第i个数据包的大小为pm_i；

(6e2)根据之前收到的p个数据包的大小

和本数据包的大小pm，检测卫星存储空间是否已满：

若

则该卫星存储空间未满；

若

则该卫星存储空间已满。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述(6f)中收到数据包的卫星检查T_c时刻与目的地面站GS_j的连接状态，是假设x为收到数据包的卫星编号，T_L为卫星的轨道周期，判断下式是否成立：

若

则T_c时刻收到数据包的卫星与目的地面站已建立连接；

若

则T_c时刻收到数据包的卫星无法与目的地面站建立连接。

Images