CN112765754B - 一种适用于星地网络的基于超边的时间演进图设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于星地网络的基于超边的时间演进图设计方法，实现步骤为：构建星地网络的拓扑结构；构建星地网络的拓扑矩阵A；获取星地网络的超边集J、通信弧集W和存储弧集Z；绘制基于超边集J的时间演进图。本发明通过超边呈现节点空间的相关性，表征了星地网络中的计算、通信和存储资源的时变特征，用于解决现有技术中存在的星地网络对多维时变资源管理复杂度较高的技术问题。

Description

一种适用于星地网络的基于超边的时间演进图设计方法

技术领域

本发明属于6G通信技术领域，涉及一种时间演进图的设计方法，特别涉及一种适用于星地网络的基于超边的时间演进图设计方法，可用于星地网络中不同域内的存储、计算、通信资源的统一化表征和管理。

背景技术

星地网络将促进将地面、机载和卫星网络集成到单个6G无线系统中，它由多类具有不同计算、存储、通信资源的卫星节点和地面站节点，以及卫星间的星间链路和卫星与地面站的星地链路构成，可为航空，航海，救援等广泛领域的某些特定服务可提供有效的连接。卫星周期性的运动导致变化的通信链路使得星地网络具有区别于传统网络的动态拓扑特征，传统的图适用于固定节点的拓扑构型，描述静态的资源特征，但在动态的星地网络环境中，资源本质上是有限的，不能表征资源的时变特性，特别是网络拓扑不断变化导致通信资源的变化。不同于传统的图结构，时间演进图可表征动态的移动节点和通信链路。时间演进图可依据时隙的划分绘制每个时隙内部的节点及通信弧，以及时隙间的存储弧，来表征动态的移动节点和通信链路，从而表征节点具备的时变的多维资源。

对现有文献检索发现，申请公布号为CN106100718A,名称为“基于时变图的空间信息网络资源表征方法”的专利申请，公开了一种用于空间信息网络资源表征的时间演进图，以实现对动态网络环境下多维资源的时空二维表征，但该时间演进图的拓扑构型并没有考虑到实际网络场景下部分节点之间基于空间位置具有强的空间相关性，而且不同时隙下的节点数量庞大，使得其整体表征复杂度变大，从而使得网络基于任务对资源的管理复杂程度呈现指数级的爆炸式增长。为此迫切需要一种新型的网络拓扑构型来准确地表征星地网络的多维资源，并保证在此构型上资源管理的复杂性较低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种适用于星地网络的基于超边的时间演进图设计方法，用于解决现有技术中存在的星地网络对多维时变资源管理复杂度较高的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：

(1)构建星地网络的拓扑结构：

构建包括N个观测卫星节点S＝{s_i|1≤i≤N}、M个中继卫星节点R＝{r_j|1≤j≤M}和P个地面站节点G＝{g_k|1≤k≤P}的星地网络，其中，N＞0，s_i表示第i个具有计算资源、通信资源和存储资源的观测卫星节点，M＞0，r_j表示第j个具有通信和存储资源的中继卫星节点，P＞0，g_k表示第k个具有通信资源和存储资源的地面站节点；

(2)构建星地网络的拓扑矩阵A；

(2a)初始化星地网络的运行时间长度为T，并将T划分为L个长度为τ的时隙，构成时隙集合Q＝{q_t|1≤t≤L}，其中，L≥1，τ＝T/L；

(2b)在每个时隙q_t下，根据卫星工具包STK获取S中每两个观测卫星节点s_a与s_b的通信链路容量集a,b∈N，R中每两个中继卫星节点r_c与r_d的通信链路容量集/>c,d∈M，G中每两个地面站节点g_e与g_f的通信链路容量集/>e,f∈P，S中每个观测卫星节点s_i与R中每个中继卫星节点r_j的通信链路容量集/>S中每个观测卫星节点s_i与G中每个地面站节点g_k的通信链路容量集/>R中每个中继卫星节点r_j与G中每个地面站节点g_k的通信链路容量集/>并通过/>和/>构建星地网络的拓扑矩阵A：

(3)获取星地网络的超边集J、通信弧集W和存储弧集Z；

(3a)将地面均匀划分为X个网格O＝{o_u|1＜u＜X}，并将覆盖o_u的所有观测卫星节点和中继卫星节点，以及位于o_u上的地面站节点构成o_u的节点集Y_u，其中，2≤X≤M+N+P，o_u表示第u个网格；

(3b)将节点集Y_u中包含在星地网络的拓扑矩阵A中的所有节点形成的通信链路作为网格o_u的超边，得到O对应的超边集J＝{ρ_u|1＜u＜X}，并将A中除J以外的通信链路作为通信弧集其中，ρ_u表示o_u的超边，β_θ表示第θ个通信弧；

(3c)将包含在星地网络拓扑矩阵A中每个时隙q_t与相邻时隙q_t+1每个观测卫星节点s_i连接形成的通信链路集每个中继卫星节点r_j连接形成的通信链路集/>和每个地面站节点g_k连接形成的通信链路集组合成存储弧集Z＝{α_σ|1≤σ≤(M+N+P)·(L-1)}，其中，α_σ表示第σ个存储弧；

(4)绘制基于超边集J的时间演进图；

(4a)初始化层数与星地网络的运行时间长度T相同的空白有向图；

(4b)将N个观测卫星节点S＝{s_i|1≤i≤N}、M个中继卫星节点R＝{r_j|1≤j≤M}和P个地面站节点G＝{g_k|1≤k≤P}分别添加到空白有向图每个时隙q_t对应的层中，并对有向图第t层的每个观测卫星节点s_i标注为每个中继卫星节点r_j标注为/>每个地面站节点g_k标注为/>得到带有节点标识的有向图；

(4c)根据超边集J中的每个超边ρ_u、通信弧集W中的每个通信弧β_θ和存储弧集Z中的每个存储弧α_σ各节点与带有节点标识的有向图中各节点标识的对应关系，将ρ_u、β_θ和α_σ添加到带有节点标识的有向图中，得到基于超边的时间演进图。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明根据星地网络的拓扑矩阵，通过均匀划分地面区域网格，构造超边集，并将超边集、通信弧集和存储弧集添加到时空二维有向图中，得到基于超边的时间演进图，超边表征了网络中动态节点的空间相关性，与现有技术相比，有效降低了星地网络时变资源的表征复杂度。

2.本发明依据在基于超边的时间演进图中的各类节点集和弧集，表征了星地网络中时变的计算、通信和存储资源，以及不同资源的承接转化关系，可将资源管理问题转换为基于超边的时间演进图的网络流问题，使得在搜索资源管理的最优解过程中可定向搜索，减少穷举的次数，降低网络对多维时变资源管理的复杂度。

附图说明

图1是本发明的实现流程图。

图2是本发明所构建的星地网络拓扑结构图。

图3是本发明实施例所绘制的基于超边集J的时间演进图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述：

参照图1，本发明包括如下步骤：

步骤1)构建星地网络的拓扑结构：

构建如图2所示的包括N个观测卫星节点S＝{s_i|1≤i≤N}、M个中继卫星节点R＝{r_j|1≤j≤M}和P个地面站节点G＝{g_k|1≤k≤P}的星地网络，其中，N＞0，s_i表示第i个具有计算资源、通信资源和存储资源的观测卫星节点，M＞0，r_j表示第j个具有通信和存储资源的中继卫星节点，P＞0，g_k表示第k个具有通信资源和存储资源的地面站节点，本实施例N＝2，M＝2，P＝2，其中每两个卫星节点之间可构成星间链路，在图2中表示为黑色虚线，每个卫星节点与每个地面站之间可构成星地链路，在图2中表示为闪电状链路，星间链路和星地链路具有的间歇性但可预测的通信连接；当观测任务到达时，观测卫星首先可以接收任务并收集指定目标的图像数据，并使用计算资源压缩数据，并可以利用存储携带和转发机制将数据下载到地面站。

步骤2)构建星地网络的拓扑矩阵A；

步骤2a)初始化星地网络的运行时间长度为T，并将T划分为L个长度为τ的时隙，构成时隙集合Q＝{q_t|1≤t≤L}，其中，L≥1，τ＝T/L；

步骤2b)在每个时隙q_t下，根据卫星工具包STK获取S中每两个观测卫星节点s_a与s_b的通信链路容量集a,b∈N，R中每两个中继卫星节点r_c与r_d的通信链路容量集/>c,d∈M，G中每两个地面站节点g_e与g_f的通信链路容量集/>e,f∈P，S中每个观测卫星节点s_i与R中每个中继卫星节点r_j的通信链路容量集/>S中每个观测卫星节点s_i与G中每个地面站节点g_k的通信链路容量集/>R中每个中继卫星节点r_j与G中每个地面站节点g_k的通信链路容量集/>并通过/> 和/>构建星地网络的拓扑矩阵A：

其中，和/>分别表示每个时隙q_t下，s_a与s_b的通信链路速率，r_c与r_d的通信链路速率，g_e与g_f的通信链路速率，s_i与r_j的通信链路速率，s_i与g_k的通信链路速率，r_j与g_k的通信链路速率；

卫星工具包(Satellite Tool Kit)是一款支持航天任务的设计、测试、发射、运行和任务的应用，根据STK的分析能力，可计算卫星在任何时刻的位置、卫星或地面站遥感器的覆盖区域、和卫星天线的发射功率和接收增益以及信道增益等，并得出卫星之间的链路速率。

步骤3)获取星地网络的超边集J、通信弧集W和存储弧集Z；

步骤3a)将地面均匀划分为X个网格O＝{o_u|1＜u＜X}，并将覆盖o_u的所有观测卫星节点和中继卫星节点，以及位于o_u上的地面站节点构成o_u的节点集Y_u，其中，2≤X≤M+N+P，o_u表示第u个网格；

如图2所示，将地面均匀划分为2个网格O＝{o₁,o₂}，以网格o₁为例，将覆盖到o₁的观测卫星节点s₁、中继卫星节点r₁和位于o₁的地面站节点g₁构成o₁的节点集Y₁＝{s₁,r₁,g₁}。

步骤3b)将节点集Y_u中包含在星地网络的拓扑矩阵A中的所有节点形成的通信链路作为网格o_u的超边，得到O对应的超边集J＝{ρ_u|1＜u＜X}，并将A中除J以外的通信链路作为通信弧集其中，ρ_u表示o_u的超边，β_θ表示第θ个通信弧；

以节点集Y₁＝{s₁,r₁,g₁}为例，将Y₁中包含在星地网络的拓扑矩阵A内的所有节点形成的通信链路作为网格o₁的超边，Y₂同理，可得到O对应的超边集J＝{ρ₁,ρ₂}。

步骤3c)将包含在星地网络拓扑矩阵A中每个时隙q_t与相邻时隙q_t+1每个观测卫星节点s_i连接形成的通信链路集每个中继卫星节点r_j连接形成的通信链路集/>和每个地面站节点g_k连接形成的通信链路集组合成存储弧集Z＝{α_σ|1≤σ≤(M+N+P)·(L-1)}，其中，α_σ表示第σ个存储弧；

以观测卫星s₁为例，由于该星地网络跨越3个时隙，故将包含在星地网络拓扑矩阵A中q₁与q₂、q₂与q₃、q₃与q₄连接形成的通信链路集

步骤4)绘制基于超边集J的时间演进图；

步骤4a)初始化层数与星地网络的运行时间长度T相同的空白有向图；

步骤4b)将N个观测卫星节点S＝{s_i|1≤i≤N}、M个中继卫星节点R＝{r_j|1≤j≤M}和P个地面站节点G＝{g_k|1≤k≤P}分别添加到空白有向图每个时隙q_t对应的层中，并对有向图第t层的每个观测卫星节点s_i标注为每个中继卫星节点r_j标注为/>每个地面站节点g_k标注为/>得到带有节点标识的有向图；

将2个观测卫星节点s₁和s₂，2个中继卫星节点r₁和r₂，以及2个地面站节点g₁和g₂分别添加到空白有向图的3个时隙所对应的层中，并对有向图3层的观测卫星节点s₁标注为观测卫星节点s₂标注为/>中继卫星节点r₁标注为/>r₁ ³，中继卫星节点r₂标注为/>地面站节点g₁标注为/>地面站节点g₂标注为/>得到带有节点标识的有向图；

步骤4c)根据超边集J中的每个超边ρ_u、通信弧集W中的每个通信弧β_θ和存储弧集Z中的每个存储弧α_σ各节点与带有节点标识的有向图中各节点标识的对应关系，将ρ_u、β_θ和α_σ添加到带有节点标识的有向图中，得到基于超边的时间演进图。

以观测卫星s₁的第一层为例，层内添加包括r₁ ¹和/>的超边ρ₁，/>和/>连接形成的通信弧/>s₁于第一层与第二层之间形成的存储弧/>通过超边ρ₁表征/>和/>的空间位置关系，具体呈现了在垂直空间上互联互通的特性，使得通过一个超边即可表征三个节点的互联互通特性，体现了三个节点的空间相关性，降低了需要表征通信链路数量，从而降低了表征的复杂度，并且在处理任务流的过程中，可依据超边来减少可行节点和链路的范围，减少对所有节点和链路搜索的穷举次数，从而降低了资源管理的复杂度。

本实施例是一个3层的基于超边的时间演进图，第一层内，包括6个节点标识和/>和/>构成的超边ρ₁，/>和/>构成的超边ρ₂，以及/>和连接形成的通信弧/>第二层内，包括6个节点标识s₁ ²、r₁ ²、g₁ ²、/>r₂ ²和/>和/>构成的超边ρ₁，/>和/>构成的超边ρ₂，第三层内，包括6个节点标识/>r₁ ³、/>和r₁ ³和/>构成的超边ρ₁，/>r₁ ³和/>构成的超边ρ₂，以及节点s₁，s₂，r₁，r₂，g₁和g₂第一层与相邻第二层的存储弧分别为/>和/>第二层与相邻第三层的存储弧分别为/> 和/>其结构如图3所示。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种适用于星地网络的基于超边的时间演进图设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)构建星地网络的拓扑结构：

构建包括N个观测卫星节点S＝{s_i|1≤i≤N}、M个中继卫星节点R＝{r_j|1≤j≤M}和P个地面站节点G＝{g_k|1≤k≤P}的星地网络，其中，N＞0，s_i表示第i个具有计算资源、通信资源和存储资源的观测卫星节点，M＞0，r_j表示第j个具有通信和存储资源的中继卫星节点，P＞0，g_k表示第k个具有通信资源和存储资源的地面站节点；

(2)构建星地网络的拓扑矩阵A；

(2a)初始化星地网络的运行时间长度为T，并将T划分为L个长度为τ的时隙，构成时隙集合Q＝{q_t|1≤t≤L}，其中，L≥1，τ＝T/L；

(2b)在每个时隙q_t下，根据卫星工具包STK获取S中每两个观测卫星节点s_a与s_b的通信链路容量集R中每两个中继卫星节点r_c与r_d的通信链路容量集/>G中每两个地面站节点g_e与g_f的通信链路容量集/>S中每个观测卫星节点s_i与R中每个中继卫星节点r_j的通信链路容量集/>S中每个观测卫星节点s_i与G中每个地面站节点g_k的通信链路容量集/>R中每个中继卫星节点r_j与G中每个地面站节点g_k的通信链路容量集/>并通过/>和/>构建星地网络的拓扑矩阵A：

(3)获取星地网络的超边集J、通信弧集W和存储弧集Z；

(3a)将地面均匀划分为X个网格O＝{o_u|1＜u＜X}，并将覆盖o_u的所有观测卫星节点和中继卫星节点，以及位于o_u上的地面站节点构成o_u的节点集Y_u，其中，2≤X≤M+N+P，o_u表示第u个网格；

(3b)将节点集Y_u中包含在星地网络的拓扑矩阵A中的所有节点形成的通信链路作为网格o_u的超边，得到O对应的超边集J＝{ρ_u|1＜u＜X}，并将A中除J以外的通信链路作为通信弧集其中，ρ_u表示o_u的超边，β_θ表示第θ个通信弧；

(3c)将包含在星地网络拓扑矩阵A中每个时隙q_t与相邻时隙q_t+1每个观测卫星节点s_i连接形成的通信链路集每个中继卫星节点r_j连接形成的通信链路集/>和每个地面站节点g_k连接形成的通信链路集组合成存储弧集Z＝{α_σ|1≤σ≤(M+N+P)·(L-1)}，其中，α_σ表示第σ个存储弧；

(4)绘制基于超边集J的时间演进图；

(4a)初始化层数与星地网络的运行时间长度T相同的空白有向图；

(4b)将N个观测卫星节点S＝{s_i|1≤i≤N}、M个中继卫星节点R＝{r_j|1≤j≤M}和P个地面站节点G＝{g_k|1≤k≤P}分别添加到空白有向图每个时隙q_t对应的层中，并对有向图第t层的每个观测卫星节点s_i标注为每个中继卫星节点r_j标注为/>每个地面站节点g_k标注为/>得到带有节点标识的有向图；

(4c)根据超边集J中的每个超边ρ_u、通信弧集W中的每个通信弧β_θ和存储弧集Z中的每个存储弧α_σ各节点与带有节点标识的有向图中各节点标识的对应关系，将ρ_u、β_θ和α_σ添加到带有节点标识的有向图中，得到基于超边的时间演进图。

2.根据权利要求1所述的一种适用于星地网络的基于超边的时间演进图设计方法，其特征在于，步骤(2b)中所述的s_a与s_b的通信链路容量集r_c与r_d的通信链路容量集g_e与g_f的通信链路容量集/>s_i与r_j的通信链路容量集/>s_i与g_k的通信链路容量集/>和r_j与g_k的通信链路容量集/>计算公式分别为：

其中，和/>分别表示在每个时隙q_t下，s_a与s_b的通信链路速率、r_c与r_d的通信链路速率、g_e与g_f的通信链路速率、s_i与r_j的通信链路速率、s_i与g_k的通信链路速率和r_j与g_k的通信链路速率。