CN113556163A - 面向多类业务需求的中继卫星系统波束调度系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种面向多类业务需求的中继卫星系统波束调度系统及方法，包括：波束特征生成模块、业务特征获取模块、异构波束调度模型构建模块、变量获取模块、业务波束匹配模块、波束调度模块和与业务调度序列优化模块；所述的波束特征生成模块包括多个不同频段和不同类型天线，和所述多个天线的控制机构；所述的波束特征生成模块用于为不同的用户提供服务时，生成该服务所需的波束赋形和执行波束切换；波束调度模块输出的优化后的波束调度方案提供给波束特征生成模块，用于执行用户所要求的服务。

Description

面向多类业务需求的中继卫星系统波束调度系统及方法
技术领域
本发明属卫星通信技术领域，特别涉及一种面向多类业务需求的中继卫星系 统波束调度方法。
背景技术
中国专利公开CN103944622A公开了一种S波段相控阵中继发射天线的波 束控制方法，其目标是解决S波段相控阵发射天线的波束指向控制问题。
美国专利公开US20200382203A1公开了一种基于用户设备位置的精确波束 形成，该专利提出了用于优化卫星和用户设备之间的数据传输的各种配置。卫 星网关系统可以从用户设备接收指示用户设备的当前位置的消息。可以从因特 网检索数据以经由卫星发送到用户设备。卫星网关系统可以向卫星发送下行链 路消息，该下行链路消息包括所检索的数据和波束控制数据。波束导引数据可 以基于从用户设备接收的消息指示卫星在用户设备的当前位置上瞄准下行链路 点波束。可以经由目标下行链路点波束将所检索的数据发送到用户设备。
中继卫星系统具有容量大、覆盖广、轨道稳定等优势，主要功能是为各类 航天器与地面用户提供广域的数据中继、连续跟踪与轨适测控服务，天然的指 控优势令中继卫星系统成为了天基异构传输网络的核心系统。然而，已有的中 继卫星波束调度方法冲突率高、资源利用率低，并且随着用户数量的不断增多， 业务规模已逐渐趋于资源承载上限。为保证天基异构传输网络的高效运行、保 障各类业务的传输需求，本发明给出了一种面向多类业务场景下的中继卫星系 统波束调度方法，实现网络与系统效能的提升。
由于载荷通信模式受限，中继卫星系统的资源分配主要聚焦于时间和空间 两个维度，通过规划中继业务的波束分配方案，实现资源受限条件下系统资源 效能的提升。中继卫星的波束调度问题受限于多类约束条件，如卫星与用户的 可视时间(时间窗口)、能耗、波束切换时间以及业务优先级等。针对中继卫星 系统资源受限条件下的调度冲突问题，开展了面向数传业务的波束调度研究， 针对业务需求多样化引起的业务混合调度难题，开展了面向多种业务需求的波 束调度研究，通过提出异构波束波束调度模型与基于概率匹配的波束调度算法， 优化了差异化业务需求场景下的资源利用能力。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种面向多类业务需求的中继卫星系 统波束调度系统，包括：波束特征生成模块、业务特征获取模块、异构波束调 度模型构建模块、变量获取模块、业务波束匹配模块、波束调度模块和与业务 调度序列优化模块；所述的波束特征生成模块包括多个不同频段和不同类型天 线，和所述多个天线的控制机构；所述的波束特征生成模块用于为不同的用户 提供服务时，生成该服务所需的波束赋形和执行波束切换；所述的业务特征获 取模块，接收不同用户的业务请求，从所属的业务请求中获取用户的服务业务 特征，业务特征获取模块获取的所述的服务业务特征分别提供给异构波束调度 模型构建模块、变量获取模块和业务波束匹配模块，用于生成满足服务要求的 波束调度方案；所述的异构波束调度模型构建模块根据不同用户的业务请求、 中继卫星产生波束的数量生成异构波束的波束调度方案；所述的变量获取模块 通过获取用户服务提出的服务业务的区域、时效性和可分解性来生成波束调度 方案；所述的业务波束匹配模块通过获取用户服务提出的服务业务的可分解性 和数据规模生成波束调度方案；所述的波束调度模块基于上述异构波束调度模 型构建模块、变量获取模块、业务波束匹配模块所产生的三种波束调度方案， 基于对松弛时间、可用波束以及波束选择系数的综合计算后生成一个增加业务 完成概率而优化提升波束调度性能的波束调度方案；所述的业务调度序列优化 模块基于上述异构波束调度模型构建模块、变量获取模块、业务波束匹配模块 所产生的多个波束调度方案，执行迭代计算获得优化的波束调度方案，并把它 提供给波束调度模块；波束调度模块输出的优化后的波束调度方案提供给波束 特征生成模块，用于执行用户所要求的服务。
进一步的，所述的多个天线包括：多个单址SA天线、多个多址相控阵MA 天线和馈电链路FL天线；其中：SA天线工作于Ka、Ku和S波段；SA天线产生 的波束在同一时刻仅能服务于单个用户。
进一步的，SA天线其波束张角为0.3°，对地覆盖直径约为175km，最高速 率2×300Mbps。MA天线采用S波段进行通信，对地覆盖直径小于等于2500km， 能够同时为多个用户提供反向传输服务，总速率为30Mbps。
进一步的，所述的服务业务包括：数传业务、突发业务和多类业务；所述 的服务业务特征包括：所在区域、时效性、优先级、分解性和数据规模。
进一步的，所述的异构波束调度模型构建模块在申城波束调度方案时，将 服务特征作为约束条件和服务业务在竞争资源时的判定准则。
进一步的，所述的服务业务在竞争资源包括：数据规模大的业务采用速率 高的波束进行传输，可分解的业务采用切换开销低的波束进行调度。
本发明还提供一种面向多类业务需求的中继卫星系统波束调度方法，包括 以下步骤：
步骤1，中继卫星的控制系统从通讯中接收不同用户的业务请求，从所属的 业务请求中获取用户的服务业务特征；
步骤2，中继卫星的控制系统依据获取的服务业务特征，和预知置的异构波 束调度模型、变量获取模型和业务波束匹配模型生成满足服务要求的波束调度 方案；
步骤3，中继卫星的控制系统依据基于上述异构波束调度模型、变量获取模 型和业务波束匹配模型所产生的多个波束调度方案，生成统一的波束调度方案；
步骤4，所述的统一的波束调度方案在中继卫星的控制系统根据预设的业务 的调度顺序，执行优化迭代运算，生成优化后的波束调度方案；
步骤5，所述的优化后的波束调度方案提供给多个天线和天线控制系统组成 的波束调度模块；波束调度模块执行该波束调度方案，完成用户所要求的服务。
优选的，所述的波束调度方案生成步骤包括以下子步骤：
步骤2.1：初始化业务集合UT，设置未调度业务集合FT为空，计算每个业 务的松弛时间和可用波束；
步骤2.2，选择具有最小松弛时间和最小可用波束数量的业务作为当前调度 业务，并判断业务类别，若业务I为连续业务，则执行步骤2.3，若业务I为可 分解业务，执行步骤2.4；
步骤2.3，连续业务的波束调度。通过考虑业务的最大完成概率与资源匹配 偏好，选择最小的波束K作为调度波束。若业务同时满足业务执行约束与波束 切换约束，则在波束K上调度该业务，否则，将该业务置于FT中后，继续执行 步骤2.5；
步骤2.4，可分解业务的波束调度包括：通过定义当前业务I的插入节点， 同时考虑多个子业务的调度安排；满足预设阈值条件，则调度该业务，并更新 其他业务的松弛时间与可用波束；否则，将该业务置于FT中，并继续执行步骤 2.5；
步骤2.5，若所有业务均被遍历，则模块流程结束，否则，返回执行步骤 2.2。
优选的，所属步骤4中的调度优化步骤包括以下子步骤：
步骤4.1，计算每个业务的松弛时间和可用波束，设置迭代次数N＝1，同时 初始化tabu表与所有变量；
步骤4.2，执行波束调度模块方法，并获得相应参量值，包括方案的调度序 列、未调度业务集合、目标函数值等；更新tabu表，并令N＝N+1；
步骤4.3，优化调度序列，将未调度业务集合FT中的业务按优先级降序排 列，依次调度集合中的所有业务；
步骤4.4，按调度序列S重新执行波束调度模块方法，遍历所有业务，获得 新的调度方案；
步骤4.5，对比新方案与tabu表中的方案，若新方案优于tabu表中的部分 方案，则更新tabu表，否则，执行步骤4.6；
步骤4.6，新方案满足两个停止准则之一，则优化流程结束；否则，重复执 行步骤4.2到步骤4.5；两个停止准则是：1)所有业务均完成调度；2)tabu 表中的方案连续Ns代未被更新。
优选的，所述步骤4.3还包括：
步骤4.31，构建当前业务I的冲突业务矩阵CTI，根据该冲突矩阵寻找到 一个或多个优先级较小的替代业务，构成替代业务集合RTI；
步骤4.32，交换业务I与集合RTI中业务在调度序列S中的顺序。
采用本发明的方案，基于概率匹配的资源调度方法与业务调度序列优化， 相比于传统方法，本发明在系统资源利用率方面具有更优的性能。
附图说明
图1是本发明的面向多类业务需求的中继卫星系统波束调度方法原理图；
图2是中继卫星波束切换时间模型；
图3是面向多种业务需求的中继卫星系统资源调度模型；
图4是业务前后向调整时间的示意图；
图5是本发明的有关业务调整插入的一个实施例；
图6是波束调度模块流程。
图7无过载场景下各算法的收敛曲线；
图8过载场景下各算法的收敛曲线。
具体实施方式
本发明的目的是提出一种面向多类业务场景下的中继卫星系统波束调度方 法，针对业务需求多样化引起的业务混合调度难题，提出异构波束波束调度模 型与基于概率匹配的波束调度方法，优化了差异化业务需求场景下的资源利用 能力。
本发明的方案中，模型场景中包含多颗中继卫星与多类待服务业务，通过 波束调度完成对多类业务的服务。本发明的系统方案可分为以下7个模块：波 束特征生成模块、业务特征获取模块、异构波束调度模型构建模块、变量获取 模块、业务波束匹配模块、波束调度模块与业务调度序列优化模块。
本发明提出一种面向多类业务需求的中继卫星系统波束调度方法，在面向 多类业务需求的异构波束调度场景下，基于业务与资源的特征分析构建了面向 多类业务的异构资源调度模型，提出了一种基于概率匹配的资源调度方法，有 效提升了系统负载均衡能力的和资源利用效率。
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。
波束特征生成模块
中继卫星上载三类天线，包括多个单址(Single-access，SA)天线、一个多 址(Multiple-access，MA)相控阵天线和一个馈电链路(FeederLink，FL)天线。 SA天线通常工作于Ka、Ku与S波段，以Ka波段为例，其波束张角为0.3°， 对地覆盖直径约为175km，最高速率可达2×300Mbps。MA天线采用S波段进 行通信，对地覆盖直径可达2500km，能够同时为多个用户提供反向传输服务， 总速率为30Mbps。在中继卫星系统中，SA天线与激光天线产生的波束具有较 窄的覆盖范围与较高的传输速率，通常每个波束在某一时刻仅能服务单个用户。 若当前用户的传输业务完成，上述两类天线的波束需要通过卫星的姿态调整或 天线转动，切换至下一用户进行服务。MA相控阵天线采用波束赋形技术为用户 提供服务，由于其较广的覆盖范围与灵活的波束重构特性，其波束切换时间远 小于SA天线和激光天线。通过上述分析，本发明给出了一个通用的波束切换模 型，用于描述中继卫星天线在连续服务不同用户时的波束切换方案。如图2所 示，波束切换时间由天线转动时间(或波束赋形时间)、等待时间与链路建立时 间构成。其中，SA天线的转动时间正比于相继服务的两个业务I与J之间的转 动角度，记为T1-TeI,k；MA天线的波束赋形时间依赖于数字波束赋形技术，通常为一定值；等待时间表示当前波束转动到特定位置后等待下一业务到达波束 覆盖范围的时间，如图记为T2-T1，如果下一业务的抵达时间不晚于波束的产生 时间，则该等待时间为0。相较于波束切换过程，链路建立时间较短，为便于研 究，下面的讨论中将该值设置为一个较小的定值。……
业务特征获取模块
侦查卫星、气象卫星、载人航天器和卫星电话是中继卫星系统中的几类主 要用户。侦察卫星被用于观察和跟踪地表目标，会产生大量的图像和视频数据； 气象卫星监测产生的业务数据较少，但需要通过中继卫星定期返回数据。为载 人航天器提供服务是中继卫星系统的主要职责，其业务为实时返回高清视频和 监控数据；相比之下，卫星电话只需传输很少的语音数据，一旦通话链路建立， 中继卫星必须维持该链路直至通话结束。综上所述，在中继卫星系统中，业务 的主要特征涉及时效性、优先级、分解性以及数据规模等，不同种类业务的特 征差异较大。本发明重点针对数传业务、突发业务以及多类业务需求三种场景， 开展了面向业务需求的中继卫星系统资源调度研究。
异构波束调度模型构建模块
中继卫星系统的各类业务能够通过特征实现表征，其中最具代表性的特征 可以归纳为五项，包括所在区域、时效性、优先级、分解性以及数据规模。每 种特征均可表示为约束条件或目标函数中的参量，比如，所在的区域可以表示 为时间窗口约束，时效性可以建模为执行业务的时间范围，优先级则由衡量业 务重要性的权值大小进行描述。此外，五类业务特征也是业务在竞争资源时的 判定准则，主要体现在业务与资源匹配时的偏好信息，比如，数据规模大的业 务优先采用速率高的波束进行传输，可分解的业务优先采用切换开销低的波束 进行调度。该偏好信息可用于调度策略的优化设计。
为突出异构资源的差异性对多类业务调度的影响，系统模型采用了载有SA 天线与MA天线的TDRSS。由图3所示，模型场景中包含多颗中继卫星，共计产 生Nk个波束，待服务的业务数量为NГ。考虑到业务的分解性，业务I的波束调 度方案可定义为
Figure BDA0003096159260000081
式中，Ii代表业务I的第i个子业务；
Figure BDA0003096159260000082
代表子业务Ii的调度方案，即子业务 Ii在波束ki上调度的时间安排。同时，
Figure BDA0003096159260000083
其中
Figure BDA0003096159260000084
与
Figure BDA0003096159260000085
分别为 调度子业务Ii的开始时间与结束时间，因此可得子业务Ii的调度时长为
Figure BDA0003096159260000086
定义子业务调度标识为
Figure BDA0003096159260000091
当子业务Ii被波束ki调度时，
Figure BDA0003096159260000092
否则，
Figure BDA0003096159260000093
同时，利用|TI|表示由业务I分解的子业务的数量，有
Figure BDA0003096159260000094
值得注意的是，业务的调度时间必须要在其有效时间[tsI,teI]之内，若超 出了该时间，业务就会失效；同时，中继卫星在调度业务时需要满足时间窗口 约束，即业务必须在与中继卫星可视的时间[WsI,k,WeI,k]之内调度。图4给出了 四种时间窗口约束可能出现的情况，通过定义有效时间窗口[Esi，k，Eei，k]表示两 类时间约束对于调度时间的影响。通常每个波束内会包含多个有效时间窗口， 但为了便于求解，本场景假设业务对于每一个波束资源仅存在一个有效时间窗 口。
[EsI,k,EeI,k]＝[tsI,teI]∩[WsI,k,WeI,k]
基于上述描述，构建了面向多业务的异构资源调度模型如下，相应的参数 定义如下：QI表示业务I的数据量，rk表示波束k的传输速率，
Figure BDA0003096159260000095
表示波束k 从子业务Ii到Ij切换时间，
Figure BDA0003096159260000096
表示子业务Ii在波束ki上的传输时长，xI表示 业务I的调度标识，
Figure BDA0003096159260000097
表示子业务Ii的调度标识，
Figure BDA0003096159260000098
表示波束k从Ii到Ij的切换标识。依据上述参数构建模型
Figure BDA0003096159260000099
s.t.C1:
Figure BDA00030961592600000910
C2:
Figure BDA00030961592600000911
C3:
Figure BDA00030961592600000912
C4:
Figure BDA00030961592600000913
C5:
Figure BDA00030961592600000914
目标函数f定义为调度业务的总权重。变量xI在约束条件C1中定义，其意 义为仅当业务I的所有子业务均被调度时，业务I才视为调度成功，即xI＝1，式 中，
Figure BDA0003096159260000101
的取值为0或1；约束条件C2为业务完成约束，对于某个业务而言，波 束服务其所有子业务的数据总量等于该业务的数据量，此约束适用于所有连续 与可分解业务。当业务为连续业务时，Ii取值为1；否则，Ii∈[1,|TI|]。C3为 调度时间约束，即业务的调度时间必须在有效时间窗口[Esi,k,Eei,k]内。C4为业务 执行约束，表示一个波束无法同时执行多个业务，即两个子业务Ii和Ij的调度 时间在同一波束k上不能重叠。C4为波束切换约束，当波束k先后为来自不同用 户的两个子业务Ii和Ij服务时，子业务Ij的开始时间与子业务Ii的结束时间的 间隔不应小于切换时间。
变量获取模块
对于波束调度而言核心变量包括松弛时间与可用波束，具体定义如下：
(1)松弛时间
业务的松弛时间表示业务的调度安排确定后，可用于调整该业务调度的时 间范围，这意味着业务的松弛时间与其调整概率pa的大小成正比。若某一业务I 在波束k上调度，该业务的松弛时间可定义为
Figure BDA0003096159260000102
式中，FI,k与BI,k分别代表业务I调度后在有效时间窗口内前、后的剩余时间， 可将其定义为业务的前、后向调整时间，具体如图4所示。图中括号代表有效 时间窗口，矩形代表业务的时间安排，显然业务的调度时间受其前后已调度业 务的影响。假设业务I的前向业务为Ip，后向业务为Is，则根据业务间的位置 关系可获得业务I前、后向调整时间的三种形式：1)业务I前/后无业务调度； 2)业务I前/后有业务调度且业务间的有效时间窗口无交集；3)业务I前/后 有业务调度且业务间的有效时间窗口有交集。前向调整时间FI,k与后向调整时间 BI,k的定义如下
Figure BDA0003096159260000111
Figure BDA0003096159260000112
为了提升后续业务被调度的可能性，可以通过调整已调度业务的前、后向 调整时间FI,k与BI,k，优化整体方案的调度能力。图5是有关资源调度的一个例 子，其中箭头表示调整业务调度时间。经过调整后，业务I完成了调度。
可用波束
在中继卫星系统中，业务可同时被多个波束调度，根据前文的分析可知， 可用于调度业务的波束越多，则业务的完成概率越大。为了判定业务I能否被 某一波束k调度，定义变量DI,k用于描述有效时间窗口[Esi,k,Eei,k]中空闲时间的 长度：
Figure BDA0003096159260000113
式中，S{T}表示T的区间长度，若T＝[Tsi,Tei]∪[Tsj,Tej]，则有 S{T}＝(Tei-Tsi)+(Tej-Tsj)。例如，在图5中，
Figure BDA0003096159260000114
根据DI,k的大小可 以确定业务I的可用波束数量
Figure BDA0003096159260000115
对于连续业务I而言，仅当调度波束的有效 时间窗内包含整段的空闲时间，能够在执行该业务的同时满足与前后业务Ip和 Is的切换约束时，业务I才被视作调度成功。与此同时，还需考虑已调度业务的 松弛时间，因此对于连续业务而言，其可用波束定义如下：
Figure BDA0003096159260000116
其中，仅当T1≥T2时，
Figure BDA0003096159260000121
否则，
Figure BDA0003096159260000122
对于可分解业务而言，由于业务可划分为多个子业务并由不同的波束服务，连 续业务的
Figure BDA0003096159260000123
定义并不适用。可分解业务需要满足各子业务在不同波束上的调度 安排，因此定义其可用波束如下：
Figure BDA0003096159260000124
业务波束匹配模块
根据前面分析可知，分解性和数据规模两类特征是影响业务与资源匹配的 主要偏好因素，本发明通过定义波束选择系数，优化对于业务和资源的匹配性 能。一方面，中继业务可以根据数据规模确定波束选择的偏好。例如，当SA波 束用于执行数据量较小的业务时，需要消耗大量时间来切换波束，造成资源浪 费；而当MA波束用于执行数据规模较大地业务时，波束将被长时间占用，不利 于全局的波束调度规划。因此，根据数据量定义的波束选择系数为
Figure BDA0003096159260000125
其中，
Figure BDA0003096159260000126
代表业务中的最大数据量。
另一方面，中继业务按分解性可分为连续业务和可分解业务两类，连续业 务需要波束提供不间断的服务，可分解业务则由于需要划分为多个子业务而无 形增加了波束切换的开销。SA波束具有较高的传输速率，更适合于连续业务的 调度；MA波束则由于其覆盖范围广、切换时间短的特性，更适合用于可分解业 务的调度。因此，可定义SA波束对于可分解性的波束选择系数为
Figure BDA0003096159260000131
式中，μ表示SA波束对于连续业务I的波束选择系数，该值越小，代表可行性 越高，通常设置为一个小于0.5的值。同时，可获得MA的波束选择系数
Figure BDA0003096159260000132
综合数据规模与分解性两方面，业务与波束资源的匹配规则可定义如下
Figure BDA0003096159260000133
波束调度模块
波束调度模块用于多类需求业务的调度。基于对松弛时间、可用波束以及 波束选择系数的定义，提出了一种通过增加业务完成概率而提升波束调度性能 的方法如下：
Step1：初始化业务集合UT，设置未调度业务集合FT为空，计算每个业务 的松弛时间
Figure BDA0003096159260000134
和可用波束
Figure BDA0003096159260000135
Step2：选择具有最小
Figure BDA0003096159260000136
和最小
Figure BDA0003096159260000137
的业务I作为当前调度业务，并判断业 务类别，若业务I为连续业务，则执行Step3，若业务I为可分解业务，执行 Step4；
Step3：连续业务的波束调度。通过考虑业务的最大完成概率与资源匹配偏 好，选择
Figure BDA0003096159260000138
最小的波束K作为调度波束。若业务同时满足业务执行约束与 波束切换约束，即
Figure BDA0003096159260000139
则在波束K上调度该业务， 通过调整已调度业务Ip与Is，令
Figure BDA00030961592600001310
并计算当前业务I的 FI,K和BI,K，更新UT中其他业务的
Figure BDA00030961592600001311
和
Figure BDA00030961592600001312
以便于后续业务的调度；否则， 将该业务置于FT中。之后，继续执行Step5；
Step4：可分解业务的波束调度。通过定义当前业务I的插入节点
Figure BDA00030961592600001313
同时 考虑多个子业务的调度安排。
Figure BDA0003096159260000141
式中，每行代表子业务的一个插入点，由此判定，若
Figure BDA0003096159260000142
则调度该业务，并更新其他业务的松弛时间与可用 波束，否则，将该业务置于FT中，并继续执行Step5；
Step5：若所有业务均被遍历，则模块流程结束，否则，执行Step2。
业务调度序列优化模块
本模块主要作用为迭代优化波束调度模块中业务的调度顺序，以获得更优 的调度性能。在波束调度模块中，业务调度的序列由
Figure BDA0003096159260000143
和
Figure BDA0003096159260000144
决定，虽然该模块 采用的方法在资源充足的场景中有较大概率寻得理想方案，但对于部分特殊场 景并不适用。例如，在业务超载的情况下，部分优先级与
Figure BDA0003096159260000145
较小的业务占用了 所有的波束资源，导致了优先级较大业务的调度失败，则所获得的方案并不是 最优解。为了克服这一问题，本节提出调度序列优化策略，用于改进波束调度 模块的性能。该策略将未被调度的业务及与其冲突业务视为启发信息，通过迭 代调整业务序列，其原理如图7所示。
首先，定义了业务冲突矩阵CTI，用于存储与未调度业务I冲突的业务集合， 矩阵CTI中横向量的数量可以根据业务I的可用波束确定，矩阵第k行代表业务 I在波束k上调度引起冲突的业务列表。其次，为保证模块方法的寻优与收敛性 能，采用精英保留策略预留迭代过程中获得的最优方案，预留方案的数量设置 为Ntabu。具体步骤给出如下：
Step1：计算每个业务的松弛时间
Figure BDA0003096159260000146
和可用波束
Figure BDA0003096159260000147
设置迭代次数N＝1，同 时初始化tabu表与所有变量；
Step2：执行波束调度模块方法，并获得相应参量值，包括方案的调度序列、 未调度业务集合、目标函数值等；更新tabu表，并令N＝N+1；
Step3：优化调度序列，将未调度业务集合FT中的业务按优先级降序排列， 依次调度集合中的所有业务。首先，构建当前业务I的冲突业务矩阵CTI，根据 该冲突矩阵寻找到一个或多个优先级较小的替代业务，可构成替代业务集合RTI。 其次，交换业务I与集合RTI中业务在调度序列S中的顺序；
Step4：按调度序列S重新执行波束调度模块方法，遍历所有业务，获得新 的调度方案；
Step5：对比新方案与tabu表中的方案，若新方案优于tabu表中的部分方 案，则更新tabu表，否则，执行Step6；
Step6：本模块包括两个停止准则：1)所有业务均完成调度；2)tabu表中 的方案连续Ns代未被更新。若满足上述准则之一，则模块流程结束；否则，重 复执行Step2～Step5。
仿真场景由2颗中继卫星与16颗用户卫星组成。两颗中继卫星分别位于东 经0°与西经150°的地球同步轨道上，每颗中继卫星载有2个工作于Ka波段 的SA天线和1个工作于S波段的MA天线。SA天线的数据速率为300Mbps，旋 转时间与旋转角度成正比；MA天线产生的波束可以支持6个反向链路返回数据， 总数据速率为30Mbps,MA波束的切换时间设定为恒定的10ms。用户卫星假设为 具有不同业务需求的LEO卫星，其轨道和倾角参数如表1所示。仿真对比了未 过载和过载情况下算法的性能，其中，未过载场景的资源充足，调度业务的数 据总量为系统支持最大数据量的90％，过载的情况表示业务超出了系统最大能力 的10％。
表1用户卫星的参数设置
Figure BDA0003096159260000151
Figure BDA0003096159260000161
仿真比较了所提方法MSO-MCPA与小生境遗传算法(NGA)以及自适应蜂群 算法(AACA)之间性能对比。假设表1中的每个用户卫星可以生成9个业务， 业务的权重在[1,10]之间随机生成。图7和图8分别给出了无过载和过载场 景下调度业务权值随迭代次数变化的性能曲线。在图7中，三种算法经过多 次迭代寻找到了理想解，虚线表示所有业务的总权重。MSO-MCPA经过58次 迭代后快速收敛，寻找到了总权重为875.4的最优解，即所有业务均完成了 调度；AACA在第228次迭代中也寻找到了最优解；NGA经过178次迭代收敛， 所得解的总权值为869.8。如图8所示，对于过载情况，经过91次迭代， MSO-MCPA能够快速收敛，调度业务总权重为875.4；同时，经过273次迭代 和191次迭代，AACA和NGA收敛，收敛的总权值分别为803.1和735.6。结 果表明，NGA算法容易收敛至局部最优，难以寻得全局最优解；AACA具有不 错的寻优能力，但需要多次的重复迭代。与上述两种算法相比，本发明所提 的算法在无过载和过载两种情况下收敛速度较快，调度性能更优。
最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非 限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的 普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换 都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种面向多类业务需求的中继卫星系统波束调度系统，其特征在于，所述中继卫星系统波束调度系统包括：波束特征生成模块、业务特征获取模块、异构波束调度模型构建模块、变量获取模块、业务波束匹配模块、波束调度模块和与业务调度序列优化模块；
所述的波束特征生成模块包括多个不同频段和多个不同类型天线及其控制机构；所述的波束特征生成模块用于为不同的用户提供服务时，生成该服务所需的波束赋形和执行波束切换；
所述的业务特征获取模块，用于接收不同用户的业务请求，从所述的业务请求中获取用户的服务业务特征，并将所述的服务业务特征分别提供给异构波束调度模型构建模块、变量获取模块和业务波束匹配模块，用于生成满足服务要求的波束调度方案；
所述的异构波束调度模型构建模块根据不同用户的业务请求以及中继卫星产生波束的数量生成异构波束的波束调度方案；
所述的变量获取模块通过获取用户服务提出的服务业务的区域、时效性和可分解性来生成波束调度方案；
所述的业务波束匹配模块通过获取用户服务提出的服务业务的可分解性和数据规模生成波束调度方案；
所述的波束调度模块基于上述异构波束调度模型构建模块、变量获取模块、业务波束匹配模块所产生的三种波束调度方案，以及基于对松弛时间、可用波束以及波束选择系数的综合计算生成一个增加业务完成概率而优化提升波束调度性能的波束调度方案；
所述的业务调度序列优化模块基于上述异构波束调度模型构建模块、变量获取模块、业务波束匹配模块所产生的多个波束调度方案，执行迭代计算获得优化的波束调度方案，并把它提供给波束调度模块；
波束调度模块输出的优化后的波束调度方案提供给波束特征生成模块，用于执行用户所要求的服务。
2.如权利要求1所述的中继卫星系统波束调度方法，其特征在于，所述的多个天线包括：多个单址SA天线、多个多址相控阵MA天线和馈电链路FL天线；其中：SA天线工作于Ka、Ku和S波段；SA天线产生的波束在同一时刻仅能服务于单个用户。
3.如权利要求2所述的中继卫星系统波束调度方法，其特征在于，SA天线的波束张角为0.3°，对地覆盖直径约为175km，最高速率2×300Mbps。MA天线采用S波段进行通信，对地覆盖直径小于等于2500km，能够同时为多个用户提供反向传输服务，总速率为30Mbps。
4.如权利要求1所述的中继卫星系统波束调度方法，其特征在于，所述的服务业务包括：数传业务、突发业务和多类业务；所述的服务业务特征包括：所在区域、时效性、优先级、分解性和数据规模。
5.如权利要求1所述的中继卫星系统波束调度方法，其特征在于，所述的异构波束调度模型构建模块在生成波束调度方案时，将服务特征作为约束条件和服务业务在竞争资源时的判定准则。
6.如权利要求5所述的中继卫星系统波束调度方法，其特征在于，所述的服务业务竞争资源具体包括：数据规模大的业务采用速率高的波束进行传输，可分解的业务采用切换开销低的波束进行调度。
7.一种面向多类业务需求的中继卫星系统波束调度方法，其特征在于，所述中继卫星系统波束调度方法包括以下步骤：
步骤1，中继卫星的控制系统从通讯中接收不同用户的业务请求，从所述的业务请求中获取用户的服务业务特征；
步骤2，中继卫星的控制系统基于获取的服务业务特征，和预知置的异构波束调度模型、变量获取模型和业务波束匹配模型生成满足服务要求的波束调度方案；
步骤3，中继卫星的控制系统依据基于上述异构波束调度模型、变量获取模型和业务波束匹配模型所产生的多个波束调度方案，生成统一的波束调度方案；
步骤4，所述的统一的波束调度方案在中继卫星的控制系统根据预设的业务的调度顺序，执行优化迭代运算，生成优化后的波束调度方案；
步骤5，所述的优化后的波束调度方案提供给多个天线和天线控制系统组成的波束调度模块；波束调度模块执行该波束调度方案，完成用户所要求的服务。
8.如权利要求7所述的中继卫星系统波束调度方法，其特征在于，所述的波束调度方案生成步骤包括以下子步骤：
步骤2.1：初始化业务集合UT，设置未调度业务集合FT为空，计算每个业务的松弛时间和可用波束；
步骤2.2，选择具有最小松弛时间和最小可用波束数量的业务作为当前调度业务，并判断业务类别，若当前业务I为连续业务，则执行步骤2.3，若当前业务I为可分解业务，执行步骤2.4；
步骤2.3，连续业务的波束调度。通过考虑业务的最大完成概率与资源匹配偏好，选择最小的波束K作为调度波束。若业务同时满足业务执行约束与波束切换约束，则在波束K上调度该业务，否则，将该业务置于FT中后，继续执行步骤2.5；
步骤2.4，可分解业务的波束调度包括：通过定义当前业务I的插入节点，同时考虑多个子业务的调度安排；满足预设阈值条件，则调度该业务，并更新其他业务的松弛时间与可用波束；否则，将该业务置于FT中，并继续执行步骤2.5；
步骤2.5，若所有业务均被遍历，则流程结束，否则，返回执行步骤2.2。
9.如权利要求8所述的中继卫星系统波束调度方法，其特征在于，所属步骤4中的调度优化步骤包括以下子步骤：
步骤4.1，计算每个业务的松弛时间和可用波束，设置迭代次数N＝1，同时初始化tabu表与所有变量；
步骤4.2，执行波束调度模块方法，并获得相应参量值，包括方案的调度序列、未调度业务集合、目标函数值；更新tabu表，并令N＝N+1；
步骤4.3，优化调度序列，将未调度业务集合FT中的业务按优先级降序排列，依次调度集合中的所有业务；
步骤4.4，按调度序列S重新执行波束调度模块方法，遍历所有业务，获得新的调度方案；
步骤4.5，对比新的调度方案与tabu表中的方案，若新的调度方案优于tabu表中的部分方案，则更新tabu表，否则，执行步骤4.6；
步骤4.6，新方案满足两个停止准则之一，则优化流程结束；否则，重复执行步骤4.2到步骤4.5；两个停止准则是：1)所有业务均完成调度；2)tabu表中的方案连续Ns代未被更新。
10.如权利要求9所述的中继卫星系统波束调度方法，其特征在于，所述步骤4.3还包括：
步骤4.31，构建当前业务I的冲突业务矩阵CTI，根据该冲突矩阵寻找到一个或多个优先级较小的替代业务，构成替代业务集合RTI；
步骤4.32，交换当前业务I与集合RTI中业务在调度序列S中的顺序。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115065395A (zh) * 2022-04-14 2022-09-16 中国电子科技集团公司第三十八研究所 星载相控阵控制方法、系统及可读存储介质
CN115103410A (zh) * 2022-08-22 2022-09-23 中国人民解放军国防科技大学 一种测控数传资源调度方法、系统及装置
EP4213407A1 (en) * 2022-01-14 2023-07-19 Rovial SAS Dynamic selection of satellite attitude based on utilization or availability of terrestrial wireless communication network
CN116527109A (zh) * 2023-04-26 2023-08-01 中国人民解放军32039部队 一种面向智能航天器的天基随遇接入方法和装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2216033A1 (en) * 1997-11-19 1997-12-19 Amsc Subsidiary Corporation Satellite communication network system
CN108880653A (zh) * 2018-06-29 2018-11-23 清华大学 中继卫星系统资源管理方法及系统
CN111769865A (zh) * 2020-05-08 2020-10-13 中国科学院计算技术研究所 一种基于星地协同处理的资源管理方法
CN112311444A (zh) * 2020-10-20 2021-02-02 陕西航天技术应用研究院有限公司 一种多维度卫星通信资源动态调度方法、装置及系统
CN112532298A (zh) * 2020-11-17 2021-03-19 南京融星智联信息技术有限公司 一种基于低轨星座卫星通信的无线资源调度方法及架构系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2216033A1 (en) * 1997-11-19 1997-12-19 Amsc Subsidiary Corporation Satellite communication network system
CN108880653A (zh) * 2018-06-29 2018-11-23 清华大学 中继卫星系统资源管理方法及系统
CN111769865A (zh) * 2020-05-08 2020-10-13 中国科学院计算技术研究所 一种基于星地协同处理的资源管理方法
CN112311444A (zh) * 2020-10-20 2021-02-02 陕西航天技术应用研究院有限公司 一种多维度卫星通信资源动态调度方法、装置及系统
CN112532298A (zh) * 2020-11-17 2021-03-19 南京融星智联信息技术有限公司 一种基于低轨星座卫星通信的无线资源调度方法及架构系统

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4213407A1 (en) * 2022-01-14 2023-07-19 Rovial SAS Dynamic selection of satellite attitude based on utilization or availability of terrestrial wireless communication network
CN115065395A (zh) * 2022-04-14 2022-09-16 中国电子科技集团公司第三十八研究所 星载相控阵控制方法、系统及可读存储介质
CN115065395B (zh) * 2022-04-14 2023-06-16 中国电子科技集团公司第三十八研究所 星载相控阵控制方法、系统及可读存储介质
CN115103410A (zh) * 2022-08-22 2022-09-23 中国人民解放军国防科技大学 一种测控数传资源调度方法、系统及装置
CN115103410B (zh) * 2022-08-22 2022-11-08 中国人民解放军国防科技大学 一种测控数传资源调度方法、系统及装置
CN116527109A (zh) * 2023-04-26 2023-08-01 中国人民解放军32039部队 一种面向智能航天器的天基随遇接入方法和装置
CN116527109B (zh) * 2023-04-26 2024-02-23 中国人民解放军32039部队 一种面向智能航天器的天基随遇接入方法和装置

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