CN113630176B - 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

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TS_i，根据TS_i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

一种对地观测LEO卫星数据的博弈缓存多路径传输方法

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S_i＝{S₁，S₂，…，S_i-1，S_i}的与ES的联系窗口时间集合T＝{S_1s，S_2s，S_1e，S_3s，…，S_is，…，S_ie}，其中S_is和S_ie分别为LEO卫星S_i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，…，t_2i-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TS_i；

步骤5、LEO卫星根据步骤4的联系时间长度TS_i和LEO-ES链路的信道带宽W预留数据，然后利用DS_i链路将下传数据DS_i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DS_i，

步骤6、LEO卫星将剩余数据OS_i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OS_i链路将剩余数据OS_i下传到ES；

步骤7、ES接受LEO和GEO节点传输的数据并做相应的处理，计算LEO卫星S_i的总下载量

下载到ES的总传输时间为

下载地地面站的能量消耗为

r_i是上行链路的传输数据速率，r_G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,d_sg，d_se，d_ge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DS_i＝TS_i＊W。

剩余数据OS_i≤AS_i-DS_i。

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，…，CS_i}，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S_i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，…，CS_i}；

Stackelberg博弈缓存方案的目标函数为：

CS_i>OS_i

CS_i>0，OS_i>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，…，OS_i}

始终OS_i是S_i缓存给GEO节点的数据量，计算式为为：

OS_i＝{t，OS_i2t，…，OS_int}

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，…，index_m}，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OS_i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S_i过顶时间为TS_i，LEO-ES链路带宽为W，预留数据量公式为：DS_i＝TS_i*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S_i的效用函数为：

其中εln(1+OS_i)表示S_i的满意度，ε表示对传输任务的满意度系数，P_i*OS_i是S_i支付的费用费用，

是从S_i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S_i的下载量为DS_i+OS_i，下载到ES的总传输时间为

这里，r_i是上行链路(LEO-GEO节点)的传输数据速率，r_G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,d_sg，d_se，d_ge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S_i＝{S₁，S₂，…，S_i-1，S_i}的与ES的联系窗口时间集合T＝{S_1s，S_2s，S_1e，S_3s，…，S_is，…，S_ie}，其中S_is和S_ie分别为LEO卫星S_i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，…，t_2i-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TS_i。如图4中，

步骤5、LEO卫星根据步骤四的时间长度TS_i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DS_i＝TS_i＊W₀。然后利用图3中的DS_i链路(绿色线)将数据下传到ES。

步骤6、LEO将剩余数据OS_i，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OS_i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S_i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。

步骤7、ES接受LEO和GEO节点传输的数据并做相应的处理。计算LEO卫星S_i的总的下载量

下载到ES的总传输时间为

下载地地面站的能量消耗为

r_i是上行链路(LEO-GEO节点)的传输数据速率，r_G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,d_sg，d_se，d_ge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。

Claims (5)

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S_i＝{S₁,S₂,…,S_i-1,S_i}的与ES的联系窗口时间集合T＝{S_1s,S_2s,S_1e,S_3s,…，S_is,…，S_ie}，其中S_is和S_ie分别为LEO卫星S_i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'中的每两个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_LEO＝{t₀,t₁,…,t_2i-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TS_i；

步骤5、LEO卫星根据步骤4的联系时间长度TS_i和LEO-ES链路的信道带宽W预留数据，然后利用DS_i链路将下传数据DS_i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DS_i，

步骤6、LEO卫星将剩余数据OS_i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OS_i链路将剩余数据OS_i下传到ES；

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；

所述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,…,CS_i}，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S_i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,…,CS_i}；

所述Stackelberg博弈缓存方案的目标函数为：

CS_i＞OS_i

CS_i＞0,OS_i＞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,…,OS_i}

式中OS_i是S_i缓存给GEO节点的数据量，计算式为：

OS_i＝{t,OS_i2t,…,OS_int}

式中，t为传输一个图像的时间；

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,…,index_m}，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；

步骤7、ES接受LEO和GEO节点传输的数据并做相应的处理，计算LEO卫星S_i的总下载量

下载到ES的总传输时间为

下载到地面站的能量消耗为

r_i是上行链路的传输数据速率，r_G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,d_sg,d_se,d_ge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。

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)。

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5中下传数据DS_i＝TS_i＊W。

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，所述剩余数据OS_i≤AS_i-DS_i。

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