CN113630176A - 一种对地观测leo卫星数据的博弈缓存多路径传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了本发明公开的一种对地观测LEO卫星数据博弈的缓存多路径传输方法,本发明通过以下技术方案予以实现:利用缓存节点GEO,当多个LEO同时与地面站(ES)建立联系时,通过利用ES Time Sharing Graph技术,计算每个LEO与ES的联系窗口时间TSi,根据TSi预留适当数据量,在LEO与ES联系窗口时间优先利用的前提下,其余数据,基于Stackelberg博弈模型得到多个LEO卫星节点在缓存节点GEO的数据缓存方案,然后利用LEO‑ES和LEO‑GEO‑ES两个传输路径,将对地观测数据传输到地面站。本发明提高了数据下载吞吐量、降低了系统整体的传输时延。
Description
技术领域
本发明属于LEO卫星网络传输技术领域,涉及一种对地观测LEO卫星数据的博弈缓存多路径传输方法。
背景技术
对地观测图像采集作为LEO卫星的主要应用之一,在环境科学、气象学、地球科学、军事侦察等领域发挥着重要作用。为了保证图像质量,对地观测LEO卫星通常需要较低的高度。由于轨道高度、频带和信道条件等原因,LEO卫星扫过地面站(ES)的持续时间有限,这使得一些LEO卫星不可能在接触时间内将收集到的数据全部传送到地面。由于一颗LEO卫星重新连接地面站的等待时间较长,无法保证延迟要求。
缓存已被证明是提高LEO卫星网络在服务质量(QoS)、时延和吞吐量方面的系统性能的一种有效方法。在多层LEO卫星网络结构中,利用GEO节点改进网络性,基于博弈论的单GEO节点为多LEO卫星内容缓存的方案,有效解决了因负载不均衡而导致的拥塞问题,进而提高系统吞吐量。现有的研究要么只考虑用GEO节点做缓存,研究了GEO节点的资源分配问题,要么考虑利用LEO卫星星间链路从路由的角度去提升吞吐量,忽略了LEO卫星与地面站之间可见时间的利用率以及LEO卫星能源问题。另外,由于缓存LEO卫星存储资源有限,当多个LEO卫星节点需要向缓存节点上传数据时,他们之间就会存在竞争。所以如何兼顾能源及遥感LEO卫星网络中星地图像传送输速率低和LEO卫星获取图像数据率高之间的矛盾,同时满足提高对地观测LEO卫星网络整体吞吐量的要求,是一个关键问题。
本发明综合考虑LEO卫星相对地面站的联系时间、GEO节点的能源成本、LEO卫星节点的利用率,针对对地观测LEO卫星网络的海量数据,提出一种利用中继节点及联系窗口时间的缓存多路径传输策略,充分利用星间链路,降低数据传输总体延迟,最大化LEO卫星到地面站的数据吞吐量。
发明内容
本发明的目的是提供一种对地观测LEO卫星数据的博弈缓存多路径传输方法,提高了数据下载吞吐量、降低了系统整体的传输时延。
本发明所采用的技术方案是,一种对地观测LEO卫星数据的博弈缓存多路径传输方法,包括以下步骤:
步骤1、利用STK模拟LEO卫星网络,获得LEO卫星Si={S1,S2,…,Si-1,Si}的与ES的联系窗口时间集合T={S1s,S2s,S1e,S3s,…,Sis,…,Sie},其中Sis和Sie分别为LEO卫星Si与ES联系窗口的开始时间和结束时间;
步骤2、对步骤1中的联系窗口时间集合T利用插入排序法升序排序,得到升序联系窗口时间集合T';
步骤3、基于T'中的时间点,将升序联系窗口时间集合T'中的每两相相邻时间点之间定义为一个时间片段,LEO卫星与地面站的联系窗口时间线分成t={t0,t1,…,t2i-1}个时间片段;
步骤4、利用ES Time Sharing Graph技术对步骤3生成的时间片段进行等分,每个时间片段由x个LEO卫星共享,则每个LEO卫星分得此时间片段的时长则为1/x,得到每个LEO卫星与地面站的联系时间长度TSi;
步骤5、LEO卫星根据步骤4的联系时间长度TSi和LEO-ES链路的信道带宽W预留数据,然后利用DSi链路将下传数据DSi下传到ES,所述数据为每个LEO卫星进入地面站联系窗口时进行下传数据DSi,
步骤6、LEO卫星将剩余数据OSi根据GEO节点的缓存策略缓存给GEO节点,再由GEO节点下传到地面站;然后利用OSi链路将剩余数据OSi下传到ES;
ri是上行链路的传输数据速率,rG下行链路的传输数据速率,r0下行链路的传输数据速率,h是信道增益,ρ是LEO卫星的传输功率,dsg,dse,dge分别为LEO到GEO节点的距离,LEO到ES的距离,GEO节点到ES的距离,c为光速。
本发明的特点还在于:
步骤5地面站的天线数量大于1,利用多路径传输技术进行星地数据传输。
步骤6的缓存策略具体为GEO节点定价后,多个LEO以竞争方式获得GEO节点的缓存空间,提出Stackelberg博弈缓存方案。
步骤3中针对时间点的排序算法的平均时间复杂度为O(2i-1)2,空间复杂度为O(1)。
步骤5中下传数据DSi=TSi*W。
剩余数据OSi≤ASi-DSi。
Stackelberg博弈缓存方案是一个主从博弈模型,主为GEO节点,在保证GEO节点的缓存使用情况下,将剩余缓存通过定价的方式卖给从属节点LEO,GEO节点的缓存空间份额矩阵为CS={CS1,…,CSi},多个从属LEO通过非合作形式竞争GEO节点的剩余缓存空间份额,从而实现GEO节点向LEO提供收费的数据缓存转发服务;
所述LEO卫星Si效用函数为:
所述GEO节点的效用函数为:
GEO节点的缓存空间份额矩阵为CS={CS1,…,CSi};
Stackelberg博弈缓存方案的目标函数为:
CSi>OSi
CSi>0,OSi>0
式中,Q是GEO节点允许的最大缓存空间;
其中,所有LEO的缓存请求矩阵:
OS={OS1,OS2,…,OSi}
始终OSi是Si缓存给GEO节点的数据量,计算式为为:
OSi={t,OSi2t,…,OSint}
式中,t为传输一个图像是时间;
目标函数的最优解根据拉格朗日乘子法和KKT条件求解;
ST是GEO节点转发任务的有序序列表,表达式如下:
ST={index1,index2,…,indexm},ST≤Q
最佳情况下,每个LEO都获得了最大化缓存给GEO节点的数据量,同时GEO节点LEO卫星节点获得每一个LEO节点缓存数据量的均衡解所对应的定价,而此时的定价矩阵即为GEO节点为LEO提供缓存资源所获得的最大效益值。
本发明的有益效果是:
1、本发明在LEO即将进入与ES的联系窗口之前,根据LEO卫星与ES的联系时间预留下载到ES的数据量,剩余数据通过缓存节点(GEO节点)下载到ES,这样可以充分利用LEO-ES链路资源,在一定程度上降低了GEO节点的能源消耗,同时使得数据整体传输时延最小,并且最大化系统吞吐量。
2、本发明在最佳情况下,每个LEO都获得了最大化缓存给GEO节点的数据量,同时GEO节点LEO卫星节点获得每一个LEO节点缓存数据量的均衡解所对应的定价,而此时的定价矩阵即为GEO节点为LEO提供缓存资源所获得的最大效益值。
附图说明
图1是本发明的LEO卫星在联系窗口内的多路径传输技术路线图;
图2是本发明一个实施例的缓存多路径传输场景示意图;
图3是本发明一个实施例的多路径传输模型图;
图4是多个LEO卫星共享一个ES的1根天线时,ES的时间分配图;
图5是多个LEO卫星共享一个ES的2根天线时,ES的时间分配图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种对地观测数据的博弈缓存多路径传输方法,在LEO即将进入与ES的联系窗口之前,根据LEO卫星与ES的联系时间预留下载到ES的数据量,剩余数据OSi通过缓存节点(GEO节点)下载到ES,这样可以充分利用LEO-ES链路资源,在一定程度上降低了GEO节点的能源消耗,同时使得数据整体传输时延最小,并且最大化系统吞吐量。LEO卫星Si过顶时间为TSi,LEO-ES链路带宽为W,预留数据量公式为:DSi=TSi*W,缓存数据量,由GEO节点定价后,多个LEO以竞争方式获得GEO节点的缓存空间,提出Stackelberg博弈缓存方案,LEO卫星Si的效用函数为: 其中εln(1+OSi)表示Si的满意度,ε表示对传输任务的满意度系数,Pi*OSi是Si支付的费用费用,是从Si到GEO节点的能量消耗,α是LEO能量消耗的系数因子。GEO节点的效果函数为: 其中是GEO节点到ES的能量消耗;博弈的目的就是使两个效用函数之差最大化,即:这里的LEO卫星Si的下载量为DSi+OSi,下载到ES的总传输时间为 这里,ri是上行链路(LEO-GEO节点)的传输数据速率,rG下行链路(GEO节点-ES)的传输数据速率,r0下行链路(LEO-ES)的传输数据速率,h是信道增益,ρ是LEO卫星的传输功率,dsg,dse,dge分别为LEO到GEO节点的距离,LEO到ES的距离,GEO节点到ES的距离,c为光速。下载地地面站的能量消耗为实施例1
步骤1、如图1所示,利用STK模拟LEO卫星网络,获得LEO卫星Si={S1,S2,…,Si-1,Si}的与ES的联系窗口时间集合T={S1s,S2s,S1e,S3s,…,Sis,…,Sie},其中Sis和Sie分别为LEO卫星Si与ES联系窗口的开始时间和结束时间。
步骤2、对步骤一中的时间集合T利用插入排序法升序排序,得到T'。
步骤3、基于T'中的时间点,将LEO卫星与地面站的联系窗口时间线分成T={t0,t1,…,t2i-1}个时间片段。
步骤4、利用如图4和图5所示的ES Time Sharing Graph技术对步骤三生成的时间片段进行等分,每个时间片段由x个LEO卫星共享,则每个LEO卫星分得此时间片段的时长则为1/x,得到每个LEO卫星与地面站的联系时间长度TSi。如图4中,
步骤5、LEO卫星根据步骤四的时间长度TSi和LEO-ES链路的信道带宽W0预留每个LEO卫星进入地面站联系窗口时进行下传的数据量DSi=TSi*W0。然后利用图3中的DSi链路(绿色线)将数据下传到ES。
步骤6、LEO将剩余数据OSi,根据GEO节点的缓存策略缓存给GEO节点,再由GEO节点下传到地面站。然后利用图3中的OSi链路(橙色线)将数据下传到ES。缓存数据量,由GEO节点定价后,多个LEO以竞争方式获得GEO节点的缓存空间,提出Stackelberg博弈缓存方案,LEO卫星Si的效用函数为:GEO节点的效果函数为:
博弈的目的就是使两个效用函数之差最大化,即目标函数为:
上述目标函数可根据拉格朗日乘子法和KKT条件求解。
Claims (8)
1.一种对地观测LEO卫星数据的博弈缓存多路径传输方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、利用STK模拟LEO卫星网络,获得LEO卫星Si={S1,S2,…,Si-1,Si}的与ES的联系窗口时间集合T={S1s,S2s,S1e,S3s,…,Sis,…,Sie},其中Sis和Sie分别为LEO卫星Si与ES联系窗口的开始时间和结束时间;
步骤2、对步骤1中的联系窗口时间集合T利用插入排序法升序排序,得到升序联系窗口时间集合T′;
步骤3、基于T′中的时间点,将升序联系窗口时间集合T’中的每两相相邻时间点之间定义为一个时间片段,LEO卫星与地面站的联系窗口时间线分成t={t0,t1,…,t2i-1}个时间片段;
步骤4、利用ES Time Sharing Graph技术对步骤3生成的时间片段进行等分,每个时间片段由x个LEO卫星共享,则每个LEO卫星分得此时间片段的时长则为1/x,得到每个LEO卫星与地面站的联系时间长度TSi;
步骤5、LEO卫星根据步骤4的联系时间长度TSi和LEO-ES链路的信道带宽W预留数据,然后利用DSi链路将下传数据DSi下传到ES,所述数据为每个LEO卫星进入地面站联系窗口时进行下传数据DSi,
步骤6、LEO卫星将剩余数据OSi根据GEO节点的缓存策略缓存给GEO节点,再由GEO节点下传到地面站;然后利用OSi链路将剩余数据OSi下传到ES;
2.根据权利要求1所述的一种对地观测LEO卫星数据的博弈缓存多路径传输方法,其特征在于,所述步骤5地面站的天线数量大于1,利用多路径传输技术进行星地数据传输。
3.根据权利要求1所述的一种对地观测LEO卫星数据的博弈缓存多路径传输方法,其特征在于,所述步骤6的缓存策略具体为GEO节点定价后,多个LEO以竞争方式获得GEO节点的缓存空间,提出Stackelberg博弈缓存方案。
4.根据权利要求1所述的一种对地观测LEO卫星数据的博弈缓存多路径传输方法,其特征在于,所述步骤3中针对时间点的排序算法的平均时间复杂度为O(2i-1)2,空间复杂度为O(1)。
5.根据权利要求1所述的一种对地观测LEO卫星数据的博弈缓存多路径传输方法,其特征在于,所述步骤5中下传数据DSi=TSi*W。
6.根据权利要求1所述的一种对地观测LEO卫星数据的博弈缓存多路径传输方法,其特征在于,所述剩余数据OSi≤ASi-DSi。
8.根据权利要求7所述的一种对地观测LEO卫星数据的博弈缓存多路径传输方法,其特征在于,所述Stackelberg博弈缓存方案的目标函数为:
CSi>OSi
CSi>0,OSi>0
式中,Q是GEO节点允许的最大缓存空间;
其中,所有LEO的缓存请求矩阵:
OS={OS1,OS2,…,OSi}
始终OSi是Si缓存给GEO节点的数据量,计算式为为:
OSi={t,OSi2t,…,OSint}
式中,t为传输一个图像是时间;
目标函数的最优解根据拉格朗日乘子法和KKT条件求解;
ST是GEO节点转发任务的有序序列表,表达式如下:
ST={index1,index2,…,indexm},ST≤Q
最佳情况下,每个LEO都获得了最大化缓存给GEO节点的数据量,同时GEO节点LEO卫星节点获得每一个LEO节点缓存数据量的均衡解所对应的定价,而此时的定价矩阵即为GEO节点为LEO提供缓存资源所获得的最大效益值。
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