CN111800186A - 一种双层卫星网络层间链路同步方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层卫星网络层间链路同步方法及系统。该方法包括：采用STK仿真软件构建双层卫星网络体系；计算双层卫星网络体系的层间链路的时隙集合；时隙集合包括各层间链路的建立时间和关闭时间；确定初始时间和时隙长；根据初始时间、时隙长以及时隙集合，计算所有层间链路的时间损失总和；建立时间损失总和的优化目标；根据优化目标确定最优初始时间；根据优化目标确定最优时隙长；根据最优初始时间以及最优时隙长实现双层卫星网络层间链路同步。本发明不仅能够极大程度降低网络的拓扑动态性，而且屏蔽了层间链路变化的随机性，从而将双层卫星网络无规划变化的动态拓扑转变为规划变化的动态拓扑，方便相应传输协议的设计与实现。
Description
技术领域
本发明涉及双层卫星网络领域，特别是涉及一种双层卫星网络层间链路同步方法及系统。
背景技术
卫星网络在全球无线通信领域已经成为重要的组成部分。当前的卫星通信网络如Iridium、Globalstar等已经不能适应未来高带宽、大容量全球通信的需要，采用更多的卫星、更复杂结构的新的卫星网络体系如SpaceX、OneWeb等项目正在积极推进。为了实现空间网络更鲁棒、更高带宽、更大容量的无线网络体系，多层卫星网络已经是一个重要的趋势。
目前多层卫星网络主要包括多层LEO/MEO、LEO/GEO、LEO/MEO/GEO卫星网络。由于三层LEO/MEO/GEO卫星网络涉及昂贵的构建、繁琐的组管理以及更复杂变换的拓扑结构，相比而言，双层LEO/MEO与LEO/GEO卫星网络是今后一段时间内主要的发展趋势。尽管针对单层LEO卫星网络的数据传输技术已经成熟，但双层卫星网络的拓扑控制与传输协议仍然处于发展之中。尽管国内外提出了一些针对双层卫星网络的拓扑控制与传输协议，但仍然存在争议，主要原因如下：
(一)当前双层卫星网络的拓扑控制不能够保证数据传输的可靠性。由于卫星的高速运行，双层卫星网络具有复杂动态的拓扑结构。在运行数据传输协议之前，一般先采用相应的拓扑控制策略，在此基础上运行相应的传输协议。当前双层卫星网络的拓扑控制策略主要为卫星组与组管理策略，该策略已经被证明不能保证数据传输的可靠性。针对该问题，提出了新的拓扑控制策略，然而该策略尽能保证LEO层数据传输的可靠性，不能确保层间数据传输的可靠性。迄今为止，仍然没有针对双层卫星网络有效的拓扑控制方法。
(二)当前仍没有有效的数据传输方法解决高动态随机拓扑变化环境下的网络传输问题。不同于地面Ad Hoc网络，由于卫星的高速运动，双层卫星网络具有高度动态性的、随机变化的拓扑结构。传统的数据传输协议、特别是路由协议已经不能满足双层卫星网络数据传输的需要。一方面，由于拓扑的高频率随机变化，难以保证数据传输期间网络结构固定不变；另一方面，如果每次拓扑变化进行路由计算与更新，整个网络将面临较大的计算与通信负载。如何针对高动态随机变化拓扑设计高效可靠的路由协议仍然是一个挑战的问题。
发明内容
针对双层卫星网络层间链路高动态随机变化的特点，本发明提供了一种双层卫星网络层间链路同步方法及系统，本发明不仅能够极大程度降低网络的拓扑动态性，而且屏蔽了层间链路变化的随机性，从而将双层卫星网络无规划变化的动态拓扑转变为规划变化的动态拓扑，方便相应传输协议的设计与实现。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种双层卫星网络层间链路同步方法，包括：
采用STK仿真软件构建双层卫星网络体系；
计算所述双层卫星网络体系的层间链路的时隙集合；所述时隙集合包括各层间链路的建立时间和关闭时间；
确定初始时间和时隙长；
根据所述初始时间、所述时隙长以及所述时隙集合，计算所有层间链路的时间损失总和；
建立所述时间损失总和的优化目标；
根据所述优化目标确定最优初始时间；
根据所述优化目标确定最优时隙长；
根据所述最优初始时间以及所述最优时隙长实现双层卫星网络层间链路同步。
可选的，所述根据所述初始时间、所述时隙长以及所述时隙集合，计算所有层间链路的时间损失总和，具体包括：
将所有层间链路的时隙改变为τ0+kλ或τ0+k′λ，k和k′为整数，确定第i个层间链路的左、右时隙损失Δ1(i)与Δ2(i)为：
根据条件0≤Δ1(i)<λ与0≤Δ2(i)<λ，计算k与k′为：
所有层间链路的时间损失总和Γ为：
其中，τ0为初始时间，λ为初始时隙长，Δ1(i)为第i个层间链路的左时隙损失，Δ2(i)为第i个层间链路的右时隙损失，ti表示第i个层间链路的建立时间，ti′表示第i个层间链路的关闭时间，n表示层间链路的个数，1≤i≤n，且i是正整数。
可选的，所述根据所述优化目标确定最优初始时间，具体包括：
采用时隙移位方法解决所述优化目标，所有层间链路的时隙向前移位kλ，个单位，k是正整数，直到所有层间链路的左时间损失Δ1(i)满足下面的目标：
所有层间链路的新时隙集为
则所有层间链路的可用时隙总和Υ为：
其中，tsi表示第i个层间链路的新建立时间，tsn′表示第i个层间链路的新关闭时间；
所述优化目标进一步转化为：
max(Υ)
计算最优τ0为：τ0＝min(ts1,ts2,…,tsn)，即τ0是tsi中的最小值，1≤i≤n，且i是正整数。
可选的，所述根据所述优化目标确定最优时隙长，具体包括：
将k转化为：
式中ε(x)表示实数x的小数部分；
基于时隙集合TIOL{(t1,t1′),(t2,t2′),…,(tn,tn′)}，所有层间链路的可用时隙总和Υ计算如下：
假定u((ti-τ0)/λ)＝1，因此，Υ计算如下：
定义新的变量θ与函数F(λ,θ)如下：
F(λ,θ)为关于λ的增函数；
Υ表示为：
当Υ值最大时，得到最优λ值。
本发明还提供了一种双层卫星网络层间链路同步系统，包括：
构建模块，用于采用STK仿真软件构建双层卫星网络体系；
时隙集合计算模块，用于计算所述双层卫星网络体系的层间链路的时隙集合；所述时隙集合包括各层间链路的建立时间和关闭时间；
确定模块，用于确定初始时间和时隙长；
时间损失总和计算模块，用于根据所述初始时间以及所述时隙长，计算所有层间链路的时间损失总和；
优化目标建立模块，用于建立所述时间损失总和的优化目标；
最优初始时间确定模块，用于根据所述优化目标确定最优初始时间；
最优时隙长确定模块，用于根据所述优化目标确定最优时隙长；
同步模块，用于根据所述最优初始时间以及所述最优时隙长实现双层卫星网络层间链路同步。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明从网络结构本身研究双层卫星网络的动态拓扑优化问题，针对双层卫星网络层间链路高动态随机变化的特点，提出了层间链路的同步方法，该方法不仅能够极大程度降低网络的拓扑动态性，而且屏蔽了层间链路变化的随机性，从而将双层卫星网络无规划变化的动态拓扑转变为规划变化的动态拓扑，方便相应传输协议的设计与实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例双层卫星网络层间链路同步方法的流程图；
图2为采用本发明同步方法引起的拓扑变化图；
图3为双层LEO/MEO卫星网络(LMSN)拓扑变化图；
图4为双层LEO/GEO卫星网络(LGSN)拓扑变化图；
图5为LMSN拓扑变化图(采用同步方法)；
图6为LGSN拓扑变化图(采用同步方法)
图7为LMSN与LGSN路径长度增长率(采用同步方法)；
图8为LMSN与LGSN网络容量减少率(采用同步方法)
图9为本发明实施例双层卫星网络层间链路同步系统的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明提供了一种双层卫星网络层间链路同步方法及系统，本发明不仅能够极大程度降低网络的拓扑动态性，而且屏蔽了层间链路变化的随机性，从而将双层卫星网络无规划变化的动态拓扑转变为规划变化的动态拓扑，方便相应传输协议的设计与实现。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种双层卫星网络层间链路同步方法包括以下步骤：
步骤101：采用STK仿真软件构建双层卫星网络体系。
步骤102：计算所述双层卫星网络体系的层间链路的时隙集合；所述时隙集合包括各层间链路的建立时间和关闭时间。
步骤103：确定初始时间和时隙长。
步骤104：根据所述初始时间、所述时隙长以及所述时隙集合，计算所有层间链路的时间损失总和。
步骤105：建立所述时间损失总和的优化目标。
步骤106：根据所述优化目标确定最优初始时间。
步骤107：根据所述优化目标确定最优时隙长。
步骤108：根据所述最优初始时间以及所述最优时隙长实现双层卫星网络层间链路同步。
下面对本方法进行详细介绍：
本方法采用等时隙划分方法，实现双层低轨道(LEO)/中轨道(MEO)卫星网络或LEO/同步轨道(GEO)卫星网络层间链路的同步方法。
步骤1：采用STK仿真软件构建双层LEO/MEO或LEO/GEO卫星网络体系，计算层间链路的时隙集合TIOL＝{(t1,t1′),(t2,t2′),…,(tn,tn′)}，其中第i个层间链路的建立与关闭时间分别为ti与ti′(1≤i≤n，且i是正整数)，上述为已知量。
步骤2：假定初始时间为τ0，时隙长为λ，将所有层间链路的时隙改变为τ0+kλ(k是整数)。对于第i个层间链路，确定其左、右时隙损失Δ1(i)与Δ2(i)为：
公式(1)中τ0、λ、Δ1(i)与Δ2(i)为未知量，其他为已知量。
步骤3：根据条件0≤Δ1(i)<λ与0≤Δ2(i)<λ，计算k与k′为
公式(2)中τ0、λ、k为未知量，其他为已知量。
步骤4：根据上面的步骤，所有层间链路的时间损失总和Γ为
公式(3)中τ0、λ、Γ为未知量，其他为已知量。
步骤5：建立优化目标：
公式(4)中τ0、λ、Γ为未知量，其他为已知量。该方法的目标是依据上述优化目标，求取最优的τ0与λ。
步骤6：采用时隙移位方法解决上述优化目标，所有层间链路的时隙向前移位kλ(k是正整数)个单位，直到所有层间链路的左时间损失Δ1(i)满足下面的目标：
公式(5)中τ0、λ、Δ1(i)为未知量，其他为已知量。
步骤7：经过步骤6后，所有层间链路的新时隙集为
则所有层间链路的可用时隙总和Υ为：
上式中Υ、λ与τ0为未知量，其他为已知量。则步骤5的优化目标进一步转化为：
max(Υ)
步骤8：根据步骤7的优化目标，可计算最优τ0为：τ0＝min(ts1,ts2,…,tsn)，即τ0是tsi(1≤i≤n，且i是正整数)中的最小值。
步骤9：为了计算最优的λ，公式(5)中的未知变量k转化为：
公式(8)中ε(x)表示实数x的小数部分。
步骤10：基于原始的时隙集合TIOL{(t1,t1′),(t2,t2′),…,(tn,tn′)}，所有层间链路的可用时隙总和Υ计算如下：
公式(9)中由于(ti-τ0)/λ以高概率为小数，因此假定u((ti-τ0)/λ)＝1。因此，Υ被计算如下：
公式(10)中Υ、λ与x为未知量，其他为已知量。
步骤11：定义新的变量θ与函数F(λ,θ)如下：
公式(11)中F(λ,θ)为关于λ的增函数。
步骤12：根据步骤11，公式(10)中Υ可表示为：
公式(12)中Υ与λ为未知量，其他为已知量。根据公式(7)的优化目标与公式(11)的特性，可以得出最小的λ值产生最大的Υ值。
步骤13：通过前面的步骤，确定了最优的τ0与λ的取值特性。实际环境中λ的取值需要根据具体情况而定。在双层LEO/MEO与LEO/GEO卫星网络中，λ的取值可取60秒的整数倍。
由于卫星高速运动，双层LEO/MEO与LEO/GEO卫星网络展现出高度的拓扑动态性以及拓扑变化的不规则性，导致难以为其实现高效的数据传输协议。通过采用上述双层卫星网络层间链路同步方法，不仅能够减少70％以上的拓扑动态性，而且能够构建层间链路固定时隙的拓扑变化，有利于传输协议的实现。具体优点如下：
1、极大程度减少了双层LEO/MEO与LEO/GEO卫星网络的拓扑变化。采用基于STK的仿真与Matlab计算，图2显示了双层LEO/MEO卫星网络(LMSN)与双层LEO/GEO卫星网络(LGSN)采用层间链路同步方法后的拓扑变化情况。图2左子图显示了不同的λ值与拓扑变化数目的关系，随着λ值的增加，拓扑变化数目减少。图2右子图显示了不同的λ值与拓扑变化减少率之间的关系，该减少率定义为(SN-SNλ)/SN，其中SN是LMSN或LGSN没有采用同步方法之前在86400秒内拓扑的变化次数，SNλ为LMSN或LGSN采用同步方法在相同时间内的拓扑变化次数。结果显示，当λ≥120秒时，同步方法能够分别降低85％与70％以上LMSN与LGSN的拓扑变化。可见，同步方法极大减少了LMSN与LGSN的拓扑动态性，其主要原因是采用同步方法后，层间链路的建立与关闭仅在时间点τ0+kλ(k是整数)发生，避免在任意时间随机建立与关闭的情形，因而从整体上极大降低了拓扑的动态性。
2、规则化双层卫星网络的拓扑变化。由于LMSN与LGSN不同层卫星之间高速的相对运动，导致LMSN与LGSN的拓扑变化呈现高度的随机特性。图3与图4分别显示了LMSN与LGSN在86400秒内的拓扑变化图。其中LMSN在86400秒内产生了大约12613次拓扑变化，最大的拓扑变化间隔为45.835秒，最小的拓扑变化间隔仅为0.01秒，平均每6.85秒就发生一次拓扑变化，且拓扑变化是完全随机的，其随机性的根本原因是层间链路的无规则变化。可见，如此高动态随机变化的拓扑环境下，难以实现高效的数据传输协议。图5与图6显示了采用同步方法后的拓扑变化图，其中层间链路(IOLs)的变化已被规则化，从而规则化了整个网络的拓扑变化，其主要原因是同步方法规定层间链路的建立与关闭仅在时间点τ0+kλ(k是整数)发生，克服了随机发生的情形。
3、保持了传输效率与网络容量的稳定性。
同步方法在一定程度上减少了层间链路的使用时间，其影响的传输效率(平均路径长度)的增长率如图7所示，仅为7％以下，而网络容量的减少率如图8所示，对于LMSN与LGSN均有较小的容量损失。整体来讲，同步方法依然能够维持网络稳定的传输效率与网络容量，其主要原因在于尽管同步方法减少了层间链路的使用时间，但时间损失率较小，其依然能够维持整个网络互连互通的网络结构。
如图9所示，本发明还提供了一种双层卫星网络层间链路同步系统，包括：
构建模块901，用于采用STK仿真软件构建双层卫星网络体系。
时隙集合计算模块902，用于计算所述双层卫星网络体系的层间链路的时隙集合；所述时隙集合包括各层间链路的建立时间和关闭时间。
确定模块903，用于确定初始时间和时隙长。
时间损失总和计算模块904，用于根据所述初始时间以及所述时隙长，计算所有层间链路的时间损失总和。
优化目标建立模块905，用于建立所述时间损失总和的优化目标。
最优初始时间确定模块906，用于根据所述优化目标确定最优初始时间。
最优时隙长确定模块907，用于根据所述优化目标确定最优时隙长。
同步模块908，用于根据所述最优初始时间以及所述最优时隙长实现双层卫星网络层间链路同步。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.一种双层卫星网络层间链路同步方法，其特征在于，包括：
采用STK仿真软件构建双层卫星网络体系；
计算所述双层卫星网络体系的层间链路的时隙集合；所述时隙集合包括各层间链路的建立时间和关闭时间；
确定初始时间和时隙长；
根据所述初始时间、所述时隙长以及所述时隙集合，计算所有层间链路的时间损失总和；
建立所述时间损失总和的优化目标；
根据所述优化目标确定最优初始时间；
根据所述优化目标确定最优时隙长；
根据所述最优初始时间以及所述最优时隙长实现双层卫星网络层间链路同步。
2.根据权利要求1所述的双层卫星网络层间链路同步方法，其特征在于，所述根据所述初始时间、所述时隙长以及所述时隙集合，计算所有层间链路的时间损失总和，具体包括：
将所有层间链路的时隙改变为τ0+kλ或τ0+k′λ，k和k′为整数，确定第i个层间链路的左、右时隙损失Δ1(i)与Δ2(i)为：
根据条件0≤Δ1(i)<λ与0≤Δ2(i)<λ，计算k与k′为：
所有层间链路的时间损失总和Γ为：
其中，τ0为初始时间，λ为初始时隙长，Δ1(i)为第i个层间链路的左时隙损失，Δ2(i)为第i个层间链路的右时隙损失，ti表示第i个层间链路的建立时间，ti′表示第i个层间链路的关闭时间，n表示层间链路的个数，1≤i≤n，且i是正整数。
3.根据权利要求2所述的双层卫星网络层间链路同步方法，其特征在于，所述根据所述优化目标确定最优初始时间，具体包括：
采用时隙移位方法解决所述优化目标，所有层间链路的时隙向前移位kλ，个单位，k是正整数，直到所有层间链路的左时间损失Δ1(i)满足下面的目标：
所有层间链路的新时隙集为
则所有层间链路的可用时隙总和Υ为：
其中，tsi表示第i个层间链路的新建立时间，tsn′表示第i个层间链路的新关闭时间；
所述优化目标进一步转化为：
max(Υ)
计算最优τ0为：τ0＝min(ts1,ts2,…,tsn)，即τ0是tsi中的最小值，1≤i≤n，且i是正整数。
4.根据权利要求3所述的双层卫星网络层间链路同步方法，其特征在于，所述根据所述优化目标确定最优时隙长，具体包括：
将k转化为：
式中ε(x)表示实数x的小数部分；
基于时隙集合TIOL{(t1,t1′),(t2,t2′),…,(tn,tn′)}，所有层间链路的可用时隙总和Υ计算如下：
假定u((ti-τ0)/λ)＝1，因此，Υ计算如下：
定义新的变量θ与函数F(λ,θ)如下：
F(λ,θ)为关于λ的增函数；
Υ表示为：
当Υ值最大时，得到最优λ值。
5.一种双层卫星网络层间链路同步系统，其特征在于，包括：
构建模块，用于采用STK仿真软件构建双层卫星网络体系；
时隙集合计算模块，用于计算所述双层卫星网络体系的层间链路的时隙集合；所述时隙集合包括各层间链路的建立时间和关闭时间；
确定模块，用于确定初始时间和时隙长；
时间损失总和计算模块，用于根据所述初始时间以及所述时隙长，计算所有层间链路的时间损失总和；
优化目标建立模块，用于建立所述时间损失总和的优化目标；
最优初始时间确定模块，用于根据所述优化目标确定最优初始时间；
最优时隙长确定模块，用于根据所述优化目标确定最优时隙长；
同步模块，用于根据所述最优初始时间以及所述最优时隙长实现双层卫星网络层间链路同步。
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| US20130100942A1 (en) * | 2011-10-24 | 2013-04-25 | Harris Corporation | Mobile ad hoc network with dynamic tdma slot assignments and related methods |
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| CN106792959A (zh) * | 2016-11-10 | 2017-05-31 | 上海交通大学 | 基于离散子拓扑序列和遗传算法的卫星层间拓扑重构方法 |
| CN108551398A (zh) * | 2017-09-30 | 2018-09-18 | 北京邮电大学 | 一种用于星间激光通信快速组网的拓扑重构方法 |
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2020
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Patent Citations (4)
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| 陈键飞: ""多层卫星网络路由策略研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 * |
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| CN111800186B (zh) | 2021-12-03 |
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