CN112600609A - 卫星网络系统的网络容量估算方法 - Google Patents

卫星网络系统的网络容量估算方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112600609A
CN112600609A CN202011370551.9A CN202011370551A CN112600609A CN 112600609 A CN112600609 A CN 112600609A CN 202011370551 A CN202011370551 A CN 202011370551A CN 112600609 A CN112600609 A CN 112600609A
Authority
CN
China
Prior art keywords
satellite
network
link
capacity
ground station
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202011370551.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112600609B (zh
Inventor
陈�全
杨磊
赵勇
樊程广
宋新
郭剑鸣
刘贤锋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National University of Defense Technology
Original Assignee
National University of Defense Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National University of Defense Technology filed Critical National University of Defense Technology
Priority to CN202011370551.9A priority Critical patent/CN112600609B/zh
Publication of CN112600609A publication Critical patent/CN112600609A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112600609B publication Critical patent/CN112600609B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H04B7/1851—Systems using a satellite or space-based relay
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H04B7/1851—Systems using a satellite or space-based relay
    • H04B7/18519—Operations control, administration or maintenance
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H04B7/1853—Satellite systems for providing telephony service to a mobile station, i.e. mobile satellite service
    • H04B7/18558—Arrangements for managing communications, i.e. for setting up, maintaining or releasing a call between stations
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L41/00—Arrangements for maintenance, administration or management of data switching networks, e.g. of packet switching networks
    • H04L41/12—Discovery or management of network topologies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radio Relay Systems (AREA)

Abstract

本发明公开了一种卫星网络系统的网络容量估算方法，包括：根据卫星星座构型参数，构建卫星网络拓扑结构模型；根据卫星网络链路连接特性和卫星运动规律，将卫星网络运行周期划分为多个时隙，使卫星网络在一个时隙内的拓扑连接性保持不变；在每个时隙内，基于卫星网络拓扑结构，根据星间链路建链方式、卫星与地面站的链路容量、卫星与用户的链路容量、以及用户业务量需求，通过求解网络最大流问题，计算每个时隙的网络容量；根据每个时隙的网络容量，计算平均网络容量。本发明能够降低网络容量估算时的计算耗费和对仿真平台的要求，且能够考虑星地连接约束、链路拓扑动态变化、链路容量约束和地面业务量分布的影响，保证估算结果的有效性和可信度。

Description

卫星网络系统的网络容量估算方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种卫星网络系统的网络容量估算方法。
背景技术
由于卫星可以不受地形地理条件限制地为全球任意地区用户提供网络服务，针对基于卫星的空间信息网络的研究已成为当前卫星通信领域的研究热点。在现代信息技术、网络通信技术、控制技术的支撑下，不同轨道、种类、功能的卫星通过建立星间/星地链路和网络连接，实现数据传递中继、信息互联互通，能够形成一个可以满足全球-全向-全时需求的天地一体化信息网络系统。
在设计卫星网络系统框架、建链模式和路由算法时，均需要利用卫星网络系统的网络容量来评估设计方案或设计算法的可行性和优劣性。网络容量指的是卫星网络系统在单位时间内将数据从源端传输至终端的最大数据流量，网络容量可以衡量卫星网络系统传输数据和提供服务的能力。现有的网络容量估算方法包括基于离散事件处理数据包流转的网络仿真方法和基于简单叠加的估算方法。基于离散事件处理数据包流转的网络仿真方法根据网络系统运行特性和约束，建立数值仿真平台，对网络系统运行中各层级处理操作分别进行建模，包括网络拓扑动态性模型、数据包转发模型、数据包处理排队模型和用户业务模型等的建模；然后，在运行仿真时生成并处理大量的数据包，或对大量数据流进行寻路；最后，采用统计的方法获得卫星网络系统的总体网络容量。基于简单叠加的估算方法通过将各卫星的最大容量或各波束的最大容量进行直接相加以估计卫星网络系统的网络容量。
然而，基于离散事件处理数据包流转的网络仿真方法的仿真设置复杂，计算量大，耗时长，且计算耗费随网络系统中节点数的增加而迅速增加，难以实现巨型卫星星座网络系统的仿真要求。基于简单叠加的估算方法未考虑卫星网络系统中节点连接性约束、地面用户业务需求分布、星间链路容量以及拥塞问题，获得的网络容量估计结果仅是最理想情况下的容量，工程指导性差。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种卫星网络系统的网络容量估算方法。
本发明公开了一种卫星网络系统的网络容量估算方法，包括：
根据卫星星座构型参数，构建卫星网络拓扑结构模型；
根据卫星网络链路连接特性和卫星运动规律，将卫星网络运行周期划分为多个时隙，使卫星网络在一个时隙内的拓扑连接性保持不变；
在每个时隙内，基于卫星网络拓扑结构，根据星间链路建链方式、卫星与地面站的链路容量、卫星与用户的链路容量、以及用户业务量需求，通过求解网络最大流问题，计算每个时隙的网络容量；
根据每个时隙的网络容量，计算平均网络容量。
在一些可选的实施方式中，卫星网络拓扑结构模型采用以下方式进行构建：
每个卫星采用网络节点进行描述，两个卫星间的星间链路采用连接两个卫星对应的网络节点的无向边进行描述，建立包括网络节点和无向边的卫星网络拓扑结构模型。
在一些可选的实施方式中，所述在每个时隙内，基于卫星网络拓扑结构，根据星间链路建链方式、卫星与地面站的链路容量、卫星与用户的链路容量、以及用户业务量需求，通过求解网络最大流问题，计算每个时隙的网络容量，包括：
步骤S31，根据星间链路建链方式，生成星间链路邻接矩阵；
步骤S32，在卫星网络拓扑结构模型中添加虚拟地面站节点和虚拟用户节点，构建卫星网络系统拓扑结构模型；
步骤S33，根据每个卫星与地面站的覆盖关系确定每个卫星与地面站的连接状态；
步骤S34，获取每个卫星与地面站的链路容量；
步骤S35，计算每个卫星的覆盖区域，获取每个卫星覆盖区域内的用户业务量需求；
步骤S36，获取每个卫星与用户的链路容量；
步骤S37，根据每个卫星与地面站的链路容量、每个卫星覆盖区域内的用户业务量需求、以及每个卫星与用户的链路容量，对星间链路邻接矩阵进行扩充，生成扩充邻接矩阵；
步骤S38，基于扩充邻接矩阵，以虚拟地面站节点为源节点，以虚拟用户节点为汇节点，利用最大流问题求解算法求解卫星网络系统的最大流问题，确定一个时隙的网络容量；
步骤S39，针对每个时隙，分别执行步骤S31-步骤S38，获取每个时隙的网络容量。
在一些可选的实施方式中，根据卫星星座的星间链路建链方式，生成星间链路邻接矩阵为
Figure BDA0002806545830000031
Mk表示第k个时隙的星间链路邻接矩阵，
Figure BDA0002806545830000032
表示卫星Si与卫星Sj对应的邻接矩阵元素，当卫星Si与卫星Sj在第k个时隙内无星间链路时，
Figure BDA0002806545830000033
当卫星Si与卫星Sj在第k个时隙内有星间链路时，
Figure BDA0002806545830000034
CS(Si,Sj)表示卫星Si与卫星Sj的星间链路容量，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,n，n表示卫星星座中卫星个数，
Figure BDA0002806545830000035
在一些可选的实施方式中，根据每个卫星与地面站的覆盖关系确定每个卫星与地面站的连接状态，包括：
当卫星与所有地面站的通信仰角均小于最小仰角门限时，卫星与地面站无星地链路；
当卫星存在与某一个地面站的通信仰角大于最小仰角门限时，卫星同与其通信仰角最大的地面站建立星地链路。
在一些可选的实施方式中，生成扩充邻接矩阵为
Figure BDA0002806545830000036
Mk′表示第k个时隙的扩充邻接矩阵；当卫星Si与地面站无星地链路时，扩充邻接矩阵元素
Figure BDA0002806545830000037
且
Figure BDA0002806545830000038
当卫星Si与地面站有星地链路时，扩充邻接矩阵元素
Figure BDA0002806545830000039
且
Figure BDA00028065458300000310
当D(Si)<CU(Si)时，扩充邻接矩阵元素
Figure BDA00028065458300000311
且
Figure BDA00028065458300000312
当D(Si)≥CU(Si)时，扩充邻接矩阵元素
Figure BDA00028065458300000313
且
Figure BDA00028065458300000314
CG(Si)表示卫星Si与地面站的链路容量，D(Si)表示卫星Si覆盖区域内的用户业务量需求，CU(Si)表示卫星Si与用户的链路容量，
Figure BDA0002806545830000041
在一些可选的实施方式中，利用以下公式计算卫星网络系统的平均网络容量；
Figure BDA0002806545830000042
C表示卫星网络系统的平均网络容量，C(k)表示第k个时隙的网络容量，N表示时隙数。
本发明的卫星网络系统的网络容量估算方法将卫星网络系统的网络容量估计问题通过建模处理转化为网络最大流问题，通过求解网络最大流问题以代替运行复杂的网络仿真，能够降低在进行网络容量估算时的计算耗费和对仿真平台的要求；同时能够考虑星地连接约束、链路拓扑动态变化、链路容量约束和地面用户业务量分布的影响，保证估算结果的有效性和可信度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附
图中：
图1为本发明一实施例的卫星网络系统架构示意图；
图2为本发明一实施例的卫星网络系统的网络容量估算方法的流程图；
图3为本发明一实施例的卫星网络系统的网络拓扑结构模型示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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。
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
参见图1，本发明一实施例以图1所示的卫星网络系统为例，对卫星网络系统的网络容量估算方法进行具体说明。该卫星网络系统中，每个卫星与相邻的四个卫星间建立四个星间链路，相邻的四个卫星包括同一轨道上与该卫星相邻的两个卫星和相邻的两个轨道上与该卫星相邻的两个卫星，四个星间链路包括两个同轨星间链路和两个轨间星间链路。该卫星网络系统采用卫星-地面融合网络模式，来自地面的用户请求通过卫星-用户链路被卫星接收，经星间链路转发后通过卫星-地面站链路接入地面站，地面站作为连接卫星网络与地面网络的网关，将用户请求接入地面网络，使其到达目标服务器，服务器返回下行数据，经地面站-卫星转发返回用户。
由于在卫星网络系统为地面用户提供互联网接入服务的应用场景中，卫星-用户链路下行数据量远大于上行数据量，因此，本发明一实施例中，卫星网络系统的网络容量主要考虑地面站-卫星-用户的下行链路数据传输过程。
参见图2，本发明一实施例提供了一种卫星网络系统的网络容量估算方法，该方法包括：
步骤S1，根据卫星星座构型参数，构建卫星网络拓扑结构模型；
卫星星座构型参数包括：轨道面个数NP，每轨卫星数MP，轨道倾角α和相位因子F。
参见图3，本发明一实施例中，卫星网络拓扑结构模型采用以下方式进行构建：
每个卫星采用网络节点进行描述，两个卫星间的星间链路采用连接两个卫星对应的网络节点的无向边进行描述，建立包括网络节点和无向边的卫星网络拓扑结构模型。
基于上述的模型构建方式，根据卫星星座构型参数，构建相应的卫星网络拓扑结构模型，并将所有卫星对应的节点集记为S。
步骤S2，根据卫星网络链路连接特性和卫星运动规律，将卫星网络运行周期划分为多个时隙，使卫星网络在一个时隙内的拓扑连接性保持不变；
卫星网络链路连接特性包括：各个时刻各卫星间是否有星间链路，以及卫星与地面间的星地链路是否连接。
根据卫星网络链路连接特性和卫星运动规律，将卫星网络运行周期划分为N个时隙T＝t(1),t(2),...,t(k)...,t(N)，使卫星网络在一个时隙内的拓扑连接性保持不变，即卫星网络在一个时隙内可认为网络拓扑为静态，T表示卫星网络运行周期，t(k)表示第k个时隙，k＝1,2,...,N。
步骤S3，在每个时隙内，基于卫星网络拓扑结构，根据星间链路建链方式、卫星与地面站的链路容量、卫星与用户的链路容量、以及用户业务量需求，通过求解网络最大流问题，计算每个时隙的网络容量；
具体地，本发明一实施例中，在每个时隙内，基于卫星网络拓扑结构，根据星间链路建链方式、卫星与地面站的链路容量、卫星与用户的链路容量、以及用户业务量需求，通过求解网络最大流问题，计算每个时隙的网络容量，包括以下步骤S31-步骤S39：
步骤S31，根据星间链路建链方式，生成星间链路邻接矩阵；
具体地，根据卫星星座的星间链路建链方式，生成星间链路邻接矩阵为
Figure BDA0002806545830000061
其中，Mk表示第k个时隙的星间链路邻接矩阵，
Figure BDA0002806545830000062
表示卫星Si与卫星Sj对应的邻接矩阵元素，当卫星Si与卫星Sj在第k个时隙内无星间链路时，
Figure BDA0002806545830000063
当卫星Si与卫星Sj在第k个时隙内有星间链路时，
Figure BDA0002806545830000064
CS(Si,Sj)表示卫星Si与卫星Sj的星间链路容量，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,n，n表示卫星星座中卫星个数，
Figure BDA0002806545830000065
根据每个时隙内卫星星座的星间链路建链方式，能够确定每个时隙的星间链路邻接矩阵。
步骤S32，在卫星网络拓扑结构模型中添加虚拟地面站节点和虚拟用户节点，构建卫星网络系统拓扑结构模型；
参见图3，在卫星网络拓扑结构模型中添加虚拟地面站节点G和虚拟用户节点U，地面站与卫星间的卫星-地面站链路采用连接虚拟地面站节点和卫星节点的无向边进行描述，用户与卫星间的卫星-用户链路采用连接虚拟用户节点和卫星节点的无向边进行描述，得到卫星网络系统拓扑结构W＝(V,E)，V＝{S,G,U}，E表示边集。
步骤S33，根据每个卫星与地面站的覆盖关系确定每个卫星与地面站的连接状态；
具体地，根据每个卫星与地面站的覆盖关系确定每个卫星与地面站的连接状态，包括：
当卫星与所有地面站的通信仰角均小于最小仰角门限时，卫星与地面站无星地链路；
当卫星存在与某一个地面站的通信仰角大于最小仰角门限时，卫星同与其通信仰角最大的地面站建立星地链路。
其中，星地链路指的是卫星与地面站间建立的通信链路。
步骤S34，获取每个卫星与地面站的链路容量；
具体地，根据卫星与地面站的连接状态、以及卫星和地面站的通信性能，确定卫星与地面站间建立的通信链路的链路容量CG。
其中，当卫星与地面站间没有星地站链路时，对应的卫星与地面站间的链路容量视为0。
步骤S35，计算每个卫星的覆盖区域，获取每个卫星覆盖区域内的用户业务量需求；
计算确定卫星星座中每个卫星的覆盖区域，确定卫星覆盖区域内的用户以及用户业务量需求D。
步骤S36，获取每个卫星与用户的链路容量；
具体地，根据卫星的覆盖区域和卫星的通信性能，确定卫星与用户的链路容量CU。
步骤S37，根据每个卫星与地面站的链路容量、每个卫星覆盖区域内的用户业务量需求、以及每个卫星与用户的链路容量，对星间链路邻接矩阵进行扩充，获取扩充邻接矩阵；
具体地，根据每个卫星与地面站的链路容量、每个卫星覆盖区域内的用户业务量需求、以及每个卫星与用户的链路容量，对星间链路邻接矩阵进行扩充，生成扩充邻接矩阵为
Figure BDA0002806545830000071
其中，Mk′表示第k个时隙的扩充邻接矩阵；当卫星Si与地面站无星地链路时，扩充邻接矩阵元素
Figure BDA0002806545830000072
且
Figure BDA0002806545830000073
当卫星Si与地面站有星地链路时，扩充邻接矩阵元素
Figure BDA0002806545830000074
且
Figure BDA0002806545830000075
当D(Si)<CU(Si)时，扩充邻接矩阵元素
Figure BDA0002806545830000076
且
Figure BDA0002806545830000077
当D(Si)≥CU(Si)时，扩充邻接矩阵元素
Figure BDA0002806545830000078
且
Figure BDA0002806545830000079
CG(Si)表示卫星Si与地面站的链路容量，D(Si)表示卫星Si覆盖区域内的用户业务量需求，CU(Si)表示卫星Si与用户的链路容量，
Figure BDA0002806545830000081
步骤S38，基于扩充邻接矩阵，以虚拟地面站节点为源节点，以虚拟用户节点为汇节点，利用最大流问题求解算法求解卫星网络系统的最大流问题，确定一个时隙的网络容量；
本发明一实施例中，最大流问题求解算法包括Fold-Fulkerson算法和Edmonds–Karp算法。
最大流问题是经典的图论问题，其求解方法包括多种，比较常见的一类算法为增广路径算法，具体算法包括Fold-Fulkerson算法，算法的具体实施实现流程可参照以下文献：胡运权，运筹学教程(第四版)，清华大学出版社，2012：241-251；马东堂等，通信网络理论与应用，科学出版社，2017：141-151；贾贞，运筹学原理与实验教程，华中师范大学出版社，2008。
步骤S39，针对每个时隙，分别执行步骤S31-步骤S38，获取每个时隙的网络容量；
具体地，针对不同的时隙，分别执行步骤S31至步骤S38，获取每个时隙的网络容量。
其中，在执行步骤S31-步骤S36时，步骤S31、步骤S32、步骤S33-S34、以及步骤S35-S36的执行顺序可以任意调整。例如，可以依次执行步骤S33-S34、步骤S35-S36、步骤S32和步骤S31。
步骤S4，根据每个时隙的网络容量，计算平均网络容量；
根据步骤S3获取的卫星网络系统在每个时隙的网络容量，利用以下公式计算卫星网络系统的平均网络容量，平均网络容量可以视为卫星网络系统的网络容量的最终估算结果。
Figure BDA0002806545830000082
其中，C表示卫星网络系统的平均网络容量，C(k)表示第k个时隙的网络容量。
进一步地，本发明一实施例提供的卫星网络系统的网络容量估算方法用于低轨卫星网络系统的网络容量估算。
本发明一实施例提供的卫星网络系统的网络容量估算方法将卫星网络系统的网络容量估计问题通过建模处理转化为网络最大流问题，通过求解网络最大流问题以代替运行复杂的网络仿真，能够降低在进行网络容量估算时的计算耗费和对仿真平台的要求；同时能够考虑星地连接约束、链路拓扑动态变化、链路容量约束和地面用户业务量分布的影响，保证估算结果的有效性和可信度。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种卫星网络系统的网络容量估算方法，其特征在于，包括：
根据卫星星座构型参数，构建卫星网络拓扑结构模型；
根据卫星网络链路连接特性和卫星运动规律，将卫星网络运行周期划分为多个时隙，使卫星网络在一个时隙内的拓扑连接性保持不变；
在每个时隙内，基于卫星网络拓扑结构，根据星间链路建链方式、卫星与地面站的链路容量、卫星与用户的链路容量、以及用户业务量需求，通过求解网络最大流问题，计算每个时隙的网络容量；
根据每个时隙的网络容量，计算平均网络容量。
2.根据权利要求1所述的卫星网络系统的网络容量估算方法，其特征在于，卫星网络拓扑结构模型采用以下方式进行构建：
每个卫星采用网络节点进行描述，两个卫星间的星间链路采用连接两个卫星对应的网络节点的无向边进行描述，建立包括网络节点和无向边的卫星网络拓扑结构模型。
3.根据权利要求1所述的卫星网络系统的网络容量估算方法，其特征在于，所述在每个时隙内，基于卫星网络拓扑结构，根据星间链路建链方式、卫星与地面站的链路容量、卫星与用户的链路容量、以及用户业务量需求，通过求解网络最大流问题，计算每个时隙的网络容量，包括：
步骤S31，根据星间链路建链方式，生成星间链路邻接矩阵；
步骤S32，在卫星网络拓扑结构模型中添加虚拟地面站节点和虚拟用户节点，构建卫星网络系统拓扑结构模型；
步骤S33，根据每个卫星与地面站的覆盖关系确定每个卫星与地面站的连接状态；
步骤S34，获取每个卫星与地面站的链路容量；
步骤S35，计算每个卫星的覆盖区域，获取每个卫星覆盖区域内的用户业务量需求；
步骤S36，获取每个卫星与用户的链路容量；
步骤S37，根据每个卫星与地面站的链路容量、每个卫星覆盖区域内的用户业务量需求、以及每个卫星与用户的链路容量，对星间链路邻接矩阵进行扩充，生成扩充邻接矩阵；
步骤S38，基于扩充邻接矩阵，以虚拟地面站节点为源节点，以虚拟用户节点为汇节点，利用最大流问题求解算法求解卫星网络系统的最大流问题，确定一个时隙的网络容量；
步骤S39，针对每个时隙，分别执行步骤S31-步骤S38，获取每个时隙的网络容量。
4.根据权利要求3所述的卫星网络系统的网络容量估算方法，其特征在于，根据卫星星座的星间链路建链方式，生成星间链路邻接矩阵为
Figure FDA0002806545820000021
Mk表示第k个时隙的星间链路邻接矩阵，
Figure FDA0002806545820000022
表示卫星Si与卫星Sj对应的邻接矩阵元素，当卫星Si与卫星Sj在第k个时隙内无星间链路时，
Figure FDA0002806545820000023
当卫星Si与卫星Sj在第k个时隙内有星间链路时，
Figure FDA0002806545820000024
CS(Si,Sj)表示卫星Si与卫星Sj的星间链路容量，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,n，n表示卫星星座中卫星个数，
Figure FDA0002806545820000025
5.根据权利要求3所述的卫星网络系统的网络容量估算方法，其特征在于，根据每个卫星与地面站的覆盖关系确定每个卫星与地面站的连接状态，包括：
当卫星与所有地面站的通信仰角均小于最小仰角门限时，卫星与地面站无星地链路；
当卫星存在与某一个地面站的通信仰角大于最小仰角门限时，卫星同与其通信仰角最大的地面站建立星地链路。
6.根据权利要求4所述的卫星网络系统的网络容量估算方法，其特征在于，生成扩充邻接矩阵为
Figure FDA0002806545820000026
M′k表示第k个时隙的扩充邻接矩阵；当卫星Si与地面站无星地链路时，扩充邻接矩阵元素
Figure FDA0002806545820000027
且
Figure FDA0002806545820000028
当卫星Si与地面站有星地链路时，扩充邻接矩阵元素
Figure FDA0002806545820000029
且
Figure FDA00028065458200000210
当D(Si)<CU(Si)时，扩充邻接矩阵元素
Figure FDA00028065458200000211
且
Figure FDA00028065458200000212
当D(Si)≥CU(Si)时，扩充邻接矩阵元素
Figure FDA00028065458200000213
且
Figure FDA00028065458200000214
CG(Si)表示卫星Si与地面站的链路容量，D(Si)表示卫星Si覆盖区域内的用户业务量需求，CU(Si)表示卫星Si与用户的链路容量，
Figure FDA0002806545820000031
7.根据权利要求1至6中任一项所述的卫星网络系统的网络容量估算方法，其特征在于，利用以下公式计算卫星网络系统的平均网络容量；
Figure FDA0002806545820000032
C表示卫星网络系统的平均网络容量，C(k)表示第k个时隙的网络容量，N表示时隙数。
CN202011370551.9A 2020-11-30 2020-11-30 卫星网络系统的网络容量估算方法 Active CN112600609B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011370551.9A CN112600609B (zh) 2020-11-30 2020-11-30 卫星网络系统的网络容量估算方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011370551.9A CN112600609B (zh) 2020-11-30 2020-11-30 卫星网络系统的网络容量估算方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112600609A true CN112600609A (zh) 2021-04-02
CN112600609B CN112600609B (zh) 2022-07-12

Family

ID=75187254

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011370551.9A Active CN112600609B (zh) 2020-11-30 2020-11-30 卫星网络系统的网络容量估算方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112600609B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113395103A (zh) * 2021-06-11 2021-09-14 中国人民解放军国防科技大学 考虑容量限制的导航系统星间路由规划方法及装置
CN113992259A (zh) * 2021-10-22 2022-01-28 中国人民解放军63921部队 一种时隙资源拓展图的构建方法
CN114301512A (zh) * 2021-12-10 2022-04-08 西安电子科技大学 一种面向多层低轨卫星网络承载容量评估方法及系统
CN114422370A (zh) * 2021-12-22 2022-04-29 上海交通大学 基于时间片的leo卫星星座的网络拓扑构建方法及系统
CN114422011A (zh) * 2021-12-22 2022-04-29 中国空间技术研究院 一种低轨卫星星座网络容量测算方法
CN114422011B (zh) * 2021-12-22 2024-05-31 中国空间技术研究院 一种低轨卫星星座网络容量测算方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6609002B1 (en) * 1999-09-15 2003-08-19 Hrl Laboratories, Llc Method and apparatus for predictive QoS routing for broad band low earth satellite networks
CN104507172A (zh) * 2015-01-19 2015-04-08 中国人民解放军国防科学技术大学 一种面向3g/4g卫星移动通信网络的上行资源调度方法及装置
CN105407049A (zh) * 2015-10-26 2016-03-16 西安电子科技大学 基于时间聚合图的延迟容忍网络最大流路由方法
CN106100719A (zh) * 2016-06-06 2016-11-09 西安电子科技大学 基于对地观测任务的小卫星网络高效资源调度方法
US20180234166A1 (en) * 2017-02-15 2018-08-16 Viasat, Inc. Dynamic spatial allocation of satellite capacity based on mobile vessel load forecasting
CN108540204A (zh) * 2018-03-22 2018-09-14 大连大学 用于卫星网络拓扑生成的快速收敛蚁群算法
CN110048949A (zh) * 2019-03-27 2019-07-23 天津大学 基于tte网络容量估计的通信方法
CN111541582A (zh) * 2020-04-09 2020-08-14 清华大学 卫星网络容量计算方法、装置和电子设备
CN111651859A (zh) * 2020-04-27 2020-09-11 中国空间技术研究院 一种通信卫星星座系统弹性性能的评估方法及装置

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6609002B1 (en) * 1999-09-15 2003-08-19 Hrl Laboratories, Llc Method and apparatus for predictive QoS routing for broad band low earth satellite networks
CN104507172A (zh) * 2015-01-19 2015-04-08 中国人民解放军国防科学技术大学 一种面向3g/4g卫星移动通信网络的上行资源调度方法及装置
CN105407049A (zh) * 2015-10-26 2016-03-16 西安电子科技大学 基于时间聚合图的延迟容忍网络最大流路由方法
CN106100719A (zh) * 2016-06-06 2016-11-09 西安电子科技大学 基于对地观测任务的小卫星网络高效资源调度方法
US20180234166A1 (en) * 2017-02-15 2018-08-16 Viasat, Inc. Dynamic spatial allocation of satellite capacity based on mobile vessel load forecasting
CN108540204A (zh) * 2018-03-22 2018-09-14 大连大学 用于卫星网络拓扑生成的快速收敛蚁群算法
CN110048949A (zh) * 2019-03-27 2019-07-23 天津大学 基于tte网络容量估计的通信方法
CN111541582A (zh) * 2020-04-09 2020-08-14 清华大学 卫星网络容量计算方法、装置和电子设备
CN111651859A (zh) * 2020-04-27 2020-09-11 中国空间技术研究院 一种通信卫星星座系统弹性性能的评估方法及装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LIU FAN，ETC.: "动态卫星网络性能评估", 《科学技术与工程》 *
SHULEI GONG，ETC.: "Toward Optimized Network Capacity in Emerging Integrated Terrestrial-Satellite Networks", 《IEEE TRANSACTIONS ON AEROSPACE AND ELECTRONIC SYSTEMS》 *
徐双等: "一种卫星网络容量智能分析方法", 《计算机学报》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113395103A (zh) * 2021-06-11 2021-09-14 中国人民解放军国防科技大学 考虑容量限制的导航系统星间路由规划方法及装置
CN113992259A (zh) * 2021-10-22 2022-01-28 中国人民解放军63921部队 一种时隙资源拓展图的构建方法
CN113992259B (zh) * 2021-10-22 2023-05-16 中国人民解放军63921部队 一种时隙资源拓展图的构建方法
CN114301512A (zh) * 2021-12-10 2022-04-08 西安电子科技大学 一种面向多层低轨卫星网络承载容量评估方法及系统
CN114301512B (zh) * 2021-12-10 2022-10-14 西安电子科技大学 一种面向多层低轨卫星网络承载容量评估方法及系统
CN114422370A (zh) * 2021-12-22 2022-04-29 上海交通大学 基于时间片的leo卫星星座的网络拓扑构建方法及系统
CN114422011A (zh) * 2021-12-22 2022-04-29 中国空间技术研究院 一种低轨卫星星座网络容量测算方法
CN114422011B (zh) * 2021-12-22 2024-05-31 中国空间技术研究院 一种低轨卫星星座网络容量测算方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112600609B (zh) 2022-07-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112600609B (zh) 卫星网络系统的网络容量估算方法
Lai et al. Starperf: Characterizing network performance for emerging mega-constellations
CN112799784B (zh) 一种基于分散计算的低轨卫星网络最优任务分配方法
CN108551398B (zh) 一种用于星间激光通信快速组网的拓扑重构方法
Wu et al. Dynamic and static controller placement in software-defined satellite networking
CN106921523B (zh) 一种基于geo/leo卫星网络的数据传输方法
CN113347678B (zh) 一种5g星座路由分区控制方法
CN109586785B (zh) 基于k最短路径算法的低轨卫星网络路由策略
CN113315569A (zh) 一种链路生存时长加权的卫星可靠性路由方法及系统
Mohorcic et al. Demographically weighted traffic flow models for adaptive routing in packet-switched non-geostationary satellite meshed networks
CN114221691A (zh) 一种基于深度强化学习的软件定义空天地一体化网络路由优化方法
CN113259993A (zh) 一种基于meo/leo双层卫星网络的跨层路由方法及通信系统
Yi et al. Satellite constellation of MEO and IGSO network routing with dynamic grouping
Liu et al. Routing for predictable multi-layered satellite networks
Zhang et al. A research on integrated space-ground information network simulation platform based on SDN
Yan et al. A novel routing scheme for LEO satellite networks based on link state routing
CN114158106A (zh) 用于卫星网络的分布式路由方法、装置及存储介质
Karimi et al. Real-time routing in mobile networks using GPS and GIS techniques
Han et al. Space edge cloud enabling service migration for on-orbit service
Shirani et al. Quadratic estimation of success probability of greedy geographic forwarding in unmanned aeronautical ad-hoc networks
Yi et al. Route strategy of satellite network in GNSS based on topology evolution law
Bai et al. Vector Segment Routing for Large-Scale Multilayer Satellite Network
Zheng et al. Mobile cluster computing and timeliness issues
Parag et al. Value-aware resource allocation for service guarantees in networks
CN114422011B (zh) 一种低轨卫星星座网络容量测算方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant