CN111431588A - 一种光通信星座网络拓扑生成方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

一种光通信星座网络拓扑生成方法，包括以下步骤：选定一个已知运行周期的星座作为卫星网络的星座模型；将卫星网络的一个运行周期划分成多个时间片段，每个时间片段内卫星网络中的每颗卫星的所有链路保持稳定；每个时间片段中，计算每颗卫星的所有链路的多属性决策权值，依据多属性决策权值的大小调整链路连接状态。本发明实施例通过选定合适的星座模型可以在满足通信需求的前提下降低通信的成本、减少运算步骤；通过将运行周期划分成多个时间片段可以实现卫星网络在时间片段内保持通信稳定，便于拓扑结构建立；通过将多属性决策权值作为约束条件来建立链路，可以便于卫星网络尽可能调整到最佳的通行状态。

Description

一种光通信星座网络拓扑生成方法及存储介质

技术领域

本发明属于卫星通信领域，具体涉及一种光通信星座网络拓扑生成方法及存储介质。

背景技术

光通信星座网络(Optical Communication Constellation Network，OCCN)是一种以激光为星间链路传输介质进行通信的卫星网络。卫星之间通过搭建星间链路，实现卫星之间的信息传输和交换。光通信星座网络具有许多优势，例如功耗和质量要求较低，免费许可频谱，高带宽等。卫星网络作为地面与天空通信的中间节点，承担着大量信息的传输、获取和分发任务。然而，卫星网络具有组成结构复杂、拓扑动态变化、跨越空间尺度大和自组织程度高等特点，这些特点均影响到卫星网络拓扑的稳定性。稳定的卫星网络拓扑是实现网络信息交换和资源共享的基础，更是实现星上路由的必要前提，因此需要针对卫星网络特点，研究网络拓扑控制算法，构建星座网络拓扑结构模型。

目前针对地面网络拓扑生成的研究已经取得了较大的进展，但针对卫星网络拓扑生成的研究还比较少。现有卫星网络拓扑生成的一些算法如链路长度最短网络拓扑生成算法，星间通信时延较小，该策略提高了通信效率，但是建链次数较多，卫星网络拓扑结构稳定性较差；而链路连接时间最长网络拓扑生成算法，建链次数少，这样虽然保证了卫星网络拓扑一定的稳定性，但是其平均链路长度是最大，通信时延比较大，通信效率比较低。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种光通信星座网络拓扑生成方法，所述光通信星座网络拓扑生成方法的步骤简单，解决了缺少光通信星座网络难以形成稳定拓扑结构的问题。本发明还提出了一种计算机可读存储介质。

根据本发明第一方面实施例的光通信星座网络拓扑生成方法，包括以下步骤：选定一个已知运行周期的星座作为卫星网络的星座模型；将所述卫星网络的一个运行周期划分成多个时间片段，每个所述时间片段内所述卫星网络中的每颗卫星的所有链路保持稳定；每个所述时间片段中，计算每颗所述卫星的所有链路的多属性决策权值，依据多属性决策权值的大小调整链路连接状态。

根据本发明实施例的光通信星座网络拓扑生成方法，至少具有如下技术效果：本发明实施例通过选定合适的星座模型可以在满足通信需求的前提下降低通信的成本、减少运算步骤；通过将运行周期划分成多个时间片段可以实现卫星网络在时间片段内保持通信稳定，便于建立最佳的拓扑结构；通过将多属性决策权值作为约束条件来建立链路，可以便于卫星网络尽可能调整到最佳的通行状态。本发明实施例建链次数更少，卫星网络拓扑的稳定性更强，平均链路长度更短，通信时延小，通信效率更高，具有更好的稳定性和抗毁性。

根据本发明的一些实施例，所述多属性决策权值包括的属性参数为：链路传播时间、链路宽带、链路生存时间、链路建立时延。

根据本发明的一些实施例，对所述卫星网络的任一卫星的所述多属性决策权值的计算包括以下步骤：设该卫星有n条链路，则依据该卫星的n条链路的链路传播时间、链路宽带、链路生存时间、链路建立时延四个属性建立一个n*4的多属性决策矩阵；将所述多属性决策矩阵转换为标准化决策矩阵；采用信息熵的方法确定链路传播时间、链路宽带、链路生存时间、链路建立时延的权值，得到权值属性矩阵；将标准化决策矩阵和权值属性矩阵相乘计算出该卫星n条链路的多属性决策权值。

根据本发明的一些实施例，所述将所述多属性决策矩阵转换为标准化决策矩阵采用标准化公式进行准换：

其中x_ij为多属性决策矩阵的值，r_ij为规范后的标准决策矩阵值。

根据本发明的一些实施例，所述信息熵的方法包括以下步骤：

S1)依据公式

和

计算任一属性的属性熵值S_j，k是一个常数；

S2)将

h_j＝1-s_j

代入

计算出属性权值q_j；0≤q_j≤1，

公式引入β变量，通过改变β的值对属性权重进行调整。

根据本发明的一些实施例，所述卫星网络中的卫星之间可以建立链路的依据为：同时满足链路传播时间小于预设的最大传播时延、链路带宽大于预设的最小星间链路带宽、链路生存时间大于预设的最小链路生存时间、链路时延小于预设的最大链路建立时延、卫星之间的仰角要小于预设的最大仰角值。

根据本发明的一些实施例，所述两颗需要建立链路的卫星之间的仰角δ约束条件为：

R_h为地心到所述两颗需要建立链路的卫星的连线的距离，R_i，R_j分别为所述两颗卫星分别到地心的距离。

根据本发明的一些实施例，上述光通信星座网络拓扑生成方法还包括步骤：当所述卫星网络中的任一卫星可以建立链路的数量大于该卫星的光收发器的数量时，依次对该卫星的所有链路依据多属性决策权值由小到大进行排序，并由小到大依次判断删除该链路后的所述卫星网络是连通的，若连通，则删除该链路，若不连通，则保持该链路；直到所剩的链路数等于该卫星的光收发器的数量。

根据本发明的一些实施例，上述光通信星座网络拓扑生成方法还包括步骤：对所述卫星网络中的所有卫星进行编号，每个所述卫星依据编号顺序依次与所述卫星网络中其他卫星建立链路。

根据本发明第二方面实施例的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行上述任一项的一种光通信星座网络拓扑生成方法。

根据本发明实施例的计算机可读存储介质，至少具有如下技术效果：通过存储介质可以便于计算机可执行指令的存储和转移，便于在后续更便捷的使用上述的光通信星座网络拓扑生成方法。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

图1是本发明第一方面实施例的时变示意图；

图2是本发明第一方面实施例的任一时间片段内的流程简图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，如果有描述到第一、第二、第三、第四等等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

下面参考图1至图2描述根据本发明第一方面实施例的光通信星座网络拓扑生成方法。

根据本发明第一方面实施例的光通信星座网络拓扑生成方法，包括以下步骤：选定一个已知运行周期的星座作为卫星网络的星座模型；将卫星网络的一个运行周期划分成多个时间片段，每个时间片段内卫星网络中的每颗卫星的所有链路保持稳定；每个时间片段中，计算每颗卫星的所有链路的多属性决策权值，依据多属性决策权值的大小调整链路连接状态。

参考图1，卫星的位置随时间和空间而变化是可以预测的，因此，捕获卫星网络拓扑结构每时每刻的特点，用一系列的子图来表示卫星网络在某个特定时间片段的拓扑特性，结合卫星网络运行的周期性，可以近似实时地描述动态星座网络拓扑。

为了便于对本发明的实施例进行描述这里进行了如下设定：

a.每颗卫星都有一个唯一的标识符号；

b.两颗卫星之间的光信道是全双工的；

c.每颗卫星都有数量有限的光收发器，表示为度约束。

参考图1、图2，先选定一个星座作为卫星网络的星座模型，然后将这个卫星网络一个完整的卫星网络运行周期分割为若干时间片段[t₀，t₁]、[t₁，t₂]、……、[t_n-1，t_n]，那么当时间片段较小时，卫星网络的卫星网络拓扑结构在Δt₁＝t₁-t₀、Δt₂＝t₂-t₁、……、Δt_n＝t_n-t_n-1这些时间片段内保持相对稳定，仅在t₁,t₂,……,t_n等时刻发生变化，因此只需要针对每一个时间片段计算出尽可能最优的卫星网络拓扑结构，并在t₁,t₂,……,t_n等时刻进行快速切换，即可完成整个卫星网络运行周期内的拓扑结构。在每个时间片段内，为了保证卫星网络拓扑结构尽可能的最优化，因此引入了多属性决策权值，在卫星网络运行周期已知的前提下，每个卫星的每条链路都可以计算出一个多属性决策权值，让链路依据多属性决策权值的大小保持连接状态，通常是多属性决策权值大的优先连接。多属性决策权值是根据影响链路的重要因素进行赋予的，通常而言链路传播时延、链路带宽、链路生存时间、链路建立时延是影响多属性决策权值的重要因素，通常要优先选用链路传播时延小、链路带宽大、链路生存时间长、链路建立时延小的链路赋予更大的多属性决策权值，这样可以保证整个卫星网络拓扑结构处于一个最优的状态。

在一些实施例中，通常会选择以Walker星座作为星座模型，Walker星座的结构简单、运行规律容易把控、且足以满足绝大部分使用场景的需求，以Walker星座为星座模型的参数如表1所示。

表1

根据本发明实施例的光通信星座网络拓扑生成方法，本发明实施例通过选定合适的星座模型可以在满足通信需求的前提下降低通信的成本、减少运算步骤；通过将运行周期划分成多个时间片段可以实现卫星网络在时间片段内保持通信稳定，便于建立最佳的拓扑结构；通过将多属性决策权值作为约束条件来建立链路，可以便于卫星网络尽可能调整到最佳的通行状态。本发明实施例建链次数更少，卫星网络拓扑的稳定性更强，平均链路长度更短，通信时延小，通信效率更高，具有更好的稳定性和抗毁性。

在本发明的一些实施例中，多属性决策权值包括的属性参数为：链路传播时间、链路宽带、链路生存时间、链路建立时延。

链路传播时延是指电磁信号或者光信号在传输介质中传播一定的距离所花费的时间。卫星之间链路的传播时延不能太大，需要规定链路的最大传播时延t_max。

链路带宽是指在一个理想环境下星间链路最大的传输速率，链路带宽是衡量卫星之间链路性能的重要属性。为了减少拥塞，链路带宽不能太小，因此需要规定最小星间链路带宽b_min。

链路生存时间是指卫星之间搭建的链路保持相对稳定的存在时间。为了保持卫星网络拓扑结构的稳定性，减少链路频繁中断、切换，链路生存时间不能太小，因此需要规定最小链路生存时间lt_min。

链路建立时延是指卫星之间搭建链路需要消耗的时间，通常包括天线跟踪瞄准、捕获、协议握手三个步骤。链路建立时间不能太长，因此需要规定最大链路建立时延et_max。

在本发明的一些实施例中，对卫星网络的任一卫星的多属性决策权值的计算包括以下步骤：

设该卫星有n条链路，则依据该卫星的n条链路的链路传播时间、链路宽带、链路生存时间、链路建立时延四个属性建立一个n*4的多属性决策矩阵，多属性决策矩阵D可表示为：

不同属性的含义、度量性均不相同，为了便于链路权值统一计算，提高计算的准确性，需要通过标准化的方式来消除数据间的差异。这里就需要将多属性决策矩阵转换为标准化决策矩阵R。

将多属性决策矩阵D转换为标准化决策矩阵R后则需要通过进一步计算确定链路传播时间、链路宽带、链路生存时间、链路建立时延的权值，本发明实施例中采用信息熵的方法确定链路传播时间、链路宽带、链路生存时间、链路建立时延的权值，最终得到权值属性行向量Q；

最终通过将标准化决策矩阵R和权值属性行向量Q相乘计算出该卫星的综合权重值矩阵W，综合权重值矩阵W包含了的该卫星n条链路的多属性决策权值。这样既可以实现对该卫星n条链路的多属性决策权值权值大小的一个排序，便于后续的链路的建立和保持。

在本发明的一些实施例中，将多属性决策矩阵D转换为标准化决策矩阵R采用的标准化公式为：

多属性决策矩阵D通过标准化公式进行标准化规范，其中x_ij为多属性决策矩阵D的值，r_ij为规范后的标准决策矩阵R的值。这样解决了多个属性间不可公度的问题，得到规范化的标准决策矩阵R，可表示为：

在本发明的一些实施例中，采用信息熵的方法确定各个属性的权值，属性的权值的选择直接影响到综合权重值矩阵W，属性权值的大小应与该属性在整个决策过程中所起的作用成正比。

对于一个规范后的标准决策矩阵R，信息熵的方法包括以下步骤：

S1)依据公式

和

计算任一属性的属性熵值S_j；其中，k是一个常数，k＝1/lnn，k值的引入可以保证熵值的范围保持在[0,1]。

S2)信息熵差度h_j可以定义为：

h_j＝1-s_j

将上式代入

计算出属性权值q_j；0≤q_j≤1，

公式引入β变量，通过改变β的值对属性权重进行调整。若无偏好，则β取1。

最后通过第一步中得到了规范化后的决策属性矩阵R，第二步分到了各属性的权值，即可得到关于各个属性权值的权值属性行向量Q。两个矩阵相乘即可得到关于某个卫星存在的n个潜在链路的综合权重值矩阵W：

至此，在一个时间片段内，每颗卫星的所有可以建立的链路的多属性决策权值均可根据以上步骤计算出来并赋予相应的多属性决策权值，以供建立链路时进行决策使用。

在本发明的一些实施例中，卫星网络中的卫星之间可以建立链路的依据为：同时满足链路传播时间小于预设的最大传播时延、链路带宽大于预设的最小星间链路带宽、链路生存时间大于预设的最小链路生存时间、链路时延小于预设的最大链路建立时延、卫星之间的仰角要小于预设的最大仰角值。只有各个属性都满足属性要求的链路才具备建立链路的基本条件，如果满足直接建立链路只会影响整个卫星网络拓扑结构建立的时间。

在本发明的一些实施例中，两颗需要建立链路的卫星之间的仰角δ约束条件为：

R_h为地心到两颗需要建立链路的卫星的连线的距离，R_i，R_j分别为两颗卫星分别到地心的距离。

在本发明的一些实施例中，因为可能部分卫星的光收发器少于可以建立链路的数量，可以理解为超过了度的约束，因此在实际奖链路时，为了保证建立的拓扑结构越好，因此必定要舍去一部分质量较差的链路。因此，上述光通信星座网络拓扑生成方法还包括步骤：当卫星网络中的任一卫星可以建立链路的数量大于该卫星的光收发器的数量时，依次对该卫星的所有链路依据多属性决策权值由小到大进行排序，并由小到大依次判断删除该链路后的卫星网络是连通的，若连通，则删除该链路，若不连通，则保持该链路；直到所剩的链路数等于该卫星的光收发器的数量。通过以多属性决策权值的大小和假设删除链路之后的连通性作为依据进行了部分链路的删除，最终实现了使用有限的光收发器实现更加的通信效果。

在本发明的一些实施例中，为了便于对卫星网络中的卫星更好的建立链路，上述光通信星座网络拓扑生成方法还包括步骤：对卫星网络中的所有卫星进行编号，每个卫星依据编号顺序依次与卫星网络中其他卫星建立链路。通过这种编号的方式，可以有效的提高链路建立的过程的稳定性，有利于卫星网络拓扑结构的建立。

根据本发明第二方面实施例的计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于使计算机执行上述任一项的一种光通信星座网络拓扑生成方法。通过存储介质可以便于计算机可执行指令的存储和转移，便于在后续更便捷的使用上述的光通信星座网络拓扑生成方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上述结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种光通信星座网络拓扑生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

选定一个已知运行周期的星座作为卫星网络的星座模型；

将所述卫星网络的一个运行周期划分成多个时间片段，每个所述时间片段内所述卫星网络中的每颗卫星的所有链路保持稳定；

每个所述时间片段中，计算每颗所述卫星的所有链路的多属性决策权值，依据多属性决策权值的大小调整链路连接状态。

2.根据权利要求1所述的光通信星座网络拓扑生成方法，其特征在于，所述多属性决策权值包括的属性参数为：链路传播时间、链路宽带、链路生存时间、链路建立时延。

3.根据权利要求2所述的光通信星座网络拓扑生成方法，其特征在于，对所述卫星网络的任一卫星的所述多属性决策权值的计算包括以下步骤：

设该卫星有n条链路，则依据该卫星n条链路的链路传播时间、链路宽带、链路生存时间、链路建立时延四个属性建立一个n*4的多属性决策矩阵；

将所述多属性决策矩阵转换为标准化决策矩阵；

采用信息熵的方法确定链路传播时间、链路宽带、链路生存时间、链路建立时延的权值，得到权值属性矩阵；

将标准化决策矩阵和权值属性矩阵相乘计算出该卫星n条链路的多属性决策权值。

4.根据权利要求3所述的光通信星座网络拓扑生成方法，其特征在于，所述将所述多属性决策矩阵转换为标准化决策矩阵采用标准化公式进行准换：

其中x_ij为多属性决策矩阵的值，r_ij为规范后的标准决策矩阵值。

5.根据权利要求4所述的光通信星座网络拓扑生成方法，其特征在于，所述信息熵的方法包括以下步骤：

S1)依据公式

和

计算任一属性的属性熵值S_j，k是一个常数；

S2)将

h_j＝1-s_j

代入

计算出属性权值q_j；0≤q_j≤1，

公式引入β变量，通过改变β的值对属性权重进行调整。

6.根据权利要求2所述的光通信星座网络拓扑生成方法，其特征在于，所述卫星网络中的卫星之间可以建立链路的依据为：同时满足链路传播时间小于预设的最大传播时延、链路带宽大于预设的最小星间链路带宽、链路生存时间大于预设的最小链路生存时间、链路时延小于预设的最大链路建立时延、卫星之间的仰角要小于预设的最大仰角值。

7.根据权利要求6所述的光通信星座网络拓扑生成方法，其特征在于，所述两颗需要建立链路的卫星之间的仰角δ约束条件为：

R_h为地心到所述两颗需要建立链路的卫星的连线的距离，R_i，R_j分别为所述两颗卫星分别到地心的距离。

8.根据权利要求6所述的光通信星座网络拓扑生成方法，其特征在于，还包括步骤：

当所述卫星网络中的任一卫星可以建立链路的数量大于该卫星的光收发器的数量时，依次对该卫星的所有链路依据多属性决策权值由小到大进行排序，并由小到大依次判断删除该链路后所述卫星网络是连通的，若连通，则删除该链路，若不连通，则保持该链路；直到所剩的链路数等于该卫星的光收发器的数量。

9.根据权利要求8所述的光通信星座网络拓扑生成方法，其特征在于，还包括步骤：对所述卫星网络中的所有卫星进行编号，每个所述卫星依据编号顺序依次与所述卫星网络中其他卫星建立链路。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求1至9任一项所述的一种光通信星座网络拓扑生成方法。

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