CN114745254A - 基于功能分离的时变星间链路着色Petri网建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功能分离的时变星间链路着色Petri网建模方法，包括：构建基于功能分离的时变星间链路基础框架；根据基础框架建立同构的时变星间链路着色Petri网模型；根据Petri模型计算星间链路时延指标，完成模型评价。本发明有益效果是：可以有效降低卫星对地面站的依赖，缩短电文的更新周期，提升卫星定轨与广播钟差精度，提升卫星导航系统服务性能。

Description

基于功能分离的时变星间链路着色Petri网建模方法

技术领域

本发明涉及无线通讯领域，尤其涉及一种基于功能分离的时变星间链路着色Petri网建模方法。

背景技术

相比于地面网络，由星间链路（Inter-satellite Links/ISL）组成的卫星网络具有节点种类丰富、任务需求多样和拓扑结构时变等特点，使得星间链路的建模比较困难，成熟的数学建模方法如排队论、马尔可夫过程无法有效的模拟星间链路上信息传输的并行、异步与随机等特点。

Petri网是一种用于描述和研究具有并发、异步、并行、分布式和不确定性等特点的信息系统图形化与建模工具，但星间链路着色Petri网建模中存在模型与卫星网络拓扑结构高耦合、冗余性高等问题，部分学者根据对称性与独立变迁融合的方法对模型进行简化，但当网络中卫星或星间链路较多时，仍无法有效缩减模型规模。因此，研究如何构建统一的星间链路系统对时变链路的模拟与卫星网络性能分析具有积极影响。

发明内容

为了针对以上技术问题，本发明提供一种基于功能分离的时变星间链路着色Petri网建模方法，包括以下步骤：

S1、构建基于功能分离的时变星间链路基础框架；

S2、根据基础框架建立同构的时变星间链路着色Petri网模型；

S3、根据Petri模型计算星间链路时延指标，完成模型评价。

进一步地，基础框架包括：数据功能模块、管理功能模块和控制功能模块。

进一步地，所述数据功能模块实现的功能包括：数据产生和回收、数据存储转发。

进一步地，管理功能模块用于卫星网络拓扑结构管理与故障分析。

进一步地，控制功能模块用于控制所有网络协议的运行。

进一步地，Petri网模型包括7个库所与9个替代变迁。

进一步地，所述库所用于数据记录，分别为：库所Forwarded、库所Cached、库所Sent、库所Propagated、库所Received、库所Link和库所Infor。

进一步地，所述替代变迁包括：替代变迁generate_arrive、替代变迁preprocess、替代变迁send、替代变迁propagate、替代变迁receive、替代变迁transfer、替代变迁route_traverse、替代变迁next_route和替代变迁slot_switch。

时延指标计算公式如下：

T _totol =T _generate +T _{send_process} +T _send +T _propagate +T _{receive_process} +T _transfer +T _arrive

其中T _totol 为端到端总时延；T _generate 为数据生成时延；T _{send_process} 为数据发送前预处理时延；T _send 为数据发送时延；T _propagate 为数据传播时延；T _{receive_process} 为数据接受后处理时延；T _transfer 为数据中转时延；T _arrive 为数据回收时延。

本发明提供的有益效果是：北斗等卫星导航系统借助星间链路，可以有效降低卫星对地面站的依赖，缩短电文的更新周期，提升卫星定轨与广播钟差精度。相比与其它通信系统，包含星间链路的卫星导航系统需要同时承担导航与通信任务，网络结构更加复杂，传输需求更加多样，本发明克服了北斗等卫星导航系统星间链路结构冗余性问题，针对具有不同拓扑结构的星间链路，表现出了较好的普适性与可扩展性，为具有时变特性的卫星网络的连续模拟与分析提供方法，发现并解决导航卫星系统星间链路运行瓶颈，提升卫星导航系统服务性能。

附图说明

图1是本发明方法流程示意图；

图2是星间链路基础框架；

图3是时变星间链路着色Petri网模型；

图4是数据发送前预处理子模块PreprocessPage处理示意图；

图5是数据发送子模块SendPage处理示意图；

图6是拓扑信息管理子模块SlotSwitchPage处理示意图；

图7是星间链路连续模拟流程图。

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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

在详细介绍本申请之前，先对基本概念进行阐述。

着色Petri网相比于普通Petri网，不仅应用了层次化与分块模拟的逐步抽象技术，还融合了高级语言CPN ML（基于Standard ML）为数据定义与处理提供了原语，使得着色Petri网不再局限于特定类型的系统，而是可以被应用到各种类型的并发系统中。

一个非层次化的着色Petri网可以使用 CPN={P、T、A、Σ、V、C、G、E、I}九元组表示，其中：

1）P={P ₁,P ₂,...,P _n }为有限的库所集合，n为库所数量，通常使用空心圆形表示。

2）T={t ₁,t ₂,...,t _m }为有限的变迁集合，m为变迁数量，且P∩T=空集。在CPN中，变迁触发时间可以通过常量或者函数指定。

3）A=（P×T）∪（T×P）为有向弧集合，有向弧只能由变迁指向库所，或者由库所指向变迁。在CPN中，包含普通有向弧、禁止弧与重置弧。

4）Σ为非空颜色集，包含了一组数据值以及可以在弧、守卫、库所初始表达式中使用的操作与函数，颜色集等价于数据结构，颜色等价于数据值。在CPN中，颜色集可以被定义为时间相关或非时间相关。

5）V为有限的变量集合，对于任意v属于V，满足Type(v)=Σ，其中Type用于获取颜色对应的颜色集。

6）C:P->Σ为颜色集分配函数，用于为网络中每一个库所分配颜色集，若库所对应颜色集为时间相关的，那么该库所就与时间相关，反之与时间无关。

7）G:T->EXPR _V 表示守卫函数，主要用于为变迁设置触发条件，对于每一个变迁t属于T，满足Type(G(t))=BOOL。

8）E：A->EXPR _V 表示弧函数，Type(E(a))=C(p) _MS ，其中p为与a相连的库所，用于为每一个弧a分配一个表达式，C(p) _MS 表示库所p中包含多个颜色集相同的标志。相比于普通Petri网，CPN通过弧消耗或产生的是具有类型的标记。

9）I：P->EXPR _空集 表示初始化函数，用于为每一个库所提供初始标识，对于任意库所p属于P，满足Type(I(p))=C(p) _MS 。

本发明的主要创新点是提出一种基于功能分离的时变星间链路着色Petri网建模方法，请参考图1，图1是本发明方法的流程图；方法包括以下步骤：

S1、构建基于功能分离的时变星间链路基础框架；

需要说明的是，本发明采用数据、控制与管理功能分离技术对星间链路功能进行分类，各功能模块划分方式见图2所示，其中管理功能模块主要用于管理星间链路拓扑信息，对卫星或星间链路进行故障分析；数据功能模块主要完成卫星网络中数据的处理与转发；控制功能模块用于管理与控制网络协议的运行，为卫星网络中数据的传输提供路由等信息。

S2、根据基础框架建立同构的时变星间链路着色Petri网模型；

需要说明的是，根据星间链路基础框架，建立同构的时变星间链路着色Petri网模型见图3。在结构上，该模型与框架相呼应，分为四部分，其中：

第一部分用于模拟卫星的数据产生与回收功能；

第二部分用于模拟星间链路上数据的存储转发功能（前两部分对应图2中数据功能模块）；

第三部分用于模拟路由遍历与下一跳路由协议（对应图2中控制功能模块）；

第四部分用于模拟星间链路拓扑信息管理功能（对应图2中管理功能模块）。

图3中，模型由椭圆、双层直角矩形及有向弧构成，其中椭圆代表库所，库所旁边为颜色集；

双直角矩形代表替代变迁，替代变迁四周下方的矩形为子页标签，子页标签对应的子模块保存了该功能的实现细节，这一部分在后文进行详细交代。

有向弧连接替代变迁所需的输入与输出库所。

模型包含7个库所与9个替代变迁：

其中库所Forwarded代表新产生的数据和需要继续借助星间链路传输的数据；

库所Cached代表发送缓存中等待发送的数据；

库所Sent代表正在发送的数据；库所Sent为星间数据，使用颜色集MsgInSIL标记；

库所Propagated代表正在传播的数据；

库所Received代表等待回收或中转的数据；

库所Link保存卫星建链关系；库所Link使用颜色集RtTbls标记；

库所Infor保存星间链路详细属性；库所Infor使用颜色集SILInfor标记；

库所Forwarded、Cached、Propagated与Received为星内数据，使用颜色集MsgInSat标记；各颜色集声明见表1。其中表1是代码部分的示意声明，这里仅为示意举例，便于领域内技术人员实现时了解其在软件中是如何进行定义的。代码部分如INT表示整型、list表示列表，这里不再一一说明。

表1部分颜色集声明

替代变迁generate_arrive用于回收库所Received中到达目标节点的数据或在库所Forwarded中产生新数据，并为标记添加“@+product delay”表示数据产生或回收时延；

替代变迁preprocess用于对库所Forwarded中的数据进行预处理，并为标记添加“@+preprocess delay”表示数据预处理时延；

替代变迁send借助库所Infor中的星间链路信息对库所Cached中数据执行发送操作，并为标记添加“@+send delay”表示发送时延，该时延与数据包大小和卫星发送速率有关；

替代变迁propagate借助库所Infor中的星间链路信息对库所Sent中数据执行传播操作，并为标记添加“@+propagate delay”表示传播时延，该时延与星间距离有关；

替代变迁receive对库所Propagated中完成传播的数据进行接收后处理，并为标记添加“@+receive delay”表示处理时延；

替代变迁transfer对库所Received中仍需继续借助星间链路传输的数据进行中转，并为标记添加“@+receive delay”表示中转时延；

替代变迁route_traverse根据库所Link中建链信息，以指定卫星为起点进行路由遍历；

替代变迁next_route为库所Cached中等待的数据提供下一跳端口，并绑定下一跳星间链路；

替代变迁slot_switch用于更新库所Link与Infor中的星间链路拓扑信息。

替代变迁preprocess对应子模块ProprecessPage见图4所示，该子模块实现了对发送队列中数据的分级预处理。

通过替代变迁shunt对库所Forwarded中数据按照优先级进行分流后存入库所Shunted，再通过替代变迁process对库所Shunted中数据进行预处理后存入库所Cached，并对卫星发送缓存区大小进行更新，模拟卫星发送缓存限制。

替代变迁send对应子模块SendPage见图5所示，该子模块参考链路信息执行数据分级发送任务。

通过替代变迁enable将库所Cached中满足基本发送条件（条件为当前时隙存在数据所需下一跳星间链路）的数据存入库所Enabled中，接着通过替代变迁shunt对库所Enabled中数据进行分流后存入库所Shunted中（功能与图4中替代变迁shunt相同），再通过替代变迁send将库所Shunted中满足发送条件的数据存入库所Sent中（条件为数据所需星间链路具备充足带宽资源且可以在当前时隙内到达下一跳卫星），并消耗星间链路指定数量带宽资源，模拟数据的并发传输对链路资源的占用。

替代变迁slot_switch对应子模块SlotSwitchPage见图6所示，该子模块实现拓扑信息管理。通过替代变迁switch将库所Link与库所Infor中过时拓扑信息清除，并加载当前时隙拓扑信息，接着通过替代变迁error对库所Link与库所Infor中失效星间链路信息进行处理，用于模拟卫星故障对网络的影响。

本发明可用于模拟卫星网络中的并行传输任务，针对每一个数据分组，通过标记的位置切换（Petri网模型中标记所处库所位置的变化）模拟数据的传输过程，通过标记颜色（标记信息）保存数据信息、路由信息、位置信息与时间信息，并可在网络协议控制模块引入新的协议功能实现对不同传输任务的控制与处理。

除此之外，模型的参数化设计使得该模型可以按时隙加载网络拓扑信息，并在当前时隙内完成指定传输任务，从而实现对具有时变特性的卫星网络的连续模拟，具体流程见图7所示。

S3、根据Petri模型计算星间链路时延指标，完成模型评价。

端到端时延表示的是数据从起始卫星节点出发，经过中继卫星或星间链路最终到达目标卫星节点所消耗的总时延，通过如下公式计算：

T _totol =T _generate +T _{send_process} +T _send +T _propagate +T _{receive_process} +T _transfer +T _arrive

其中T _totol 为端到端总时延；T _generate 为数据生成时延；T _{send_process} 为数据发送前预处理时延；T _send 为数据发送时延；T _propagate 为数据传播时延；T _{receive_process} 为数据接受后处理时延；T _transfer 为数据中转时延；T _arrive 为数据回收时延。

另外，定义排队等待时延T _queue 为T _totol 中除去生成、回收、发送与传播的总时延。在上述着色Petri网模型中，通过标记的颜色记录数据产生时间、当前卫星等待时间与排队总时间，声明颜色集MsgInSat变量v_mis与颜色集Msg变量v_msg，时延指标获取方法见表2所示，其中time()为系统当前时间，“(#mg v_mis)”表示提取颜色集MsgInSat变量中数据项mg对应值。

表2时延指标获取方法

作为一种实施例，本发明进行了相应的仿真测试。

本发明在星座构型为“24MEO+3GEO+3IGSO”的卫星网络中进行实验，其中MEO为中轨道地球卫星，GEO为地球同步轨道卫星，IGSO为倾斜地球同步轨道卫星，各卫星轨道参数见表3。按卫星类型与所处位置对30颗卫星进行编号，3颗GEO编号GEO1—GEO3，3颗IGSO编号IGSO1—IGSO3，24颗MEO编号MEO11—MEO18、MEO21—MEO28、MEO31—MEO38。

为了验证该模型对不同网络拓扑结构的普适性以及针对具有时变特性的卫星网络的连续模拟与分析能力，在指定任务时间范围内，分别测试采用固定通信路径与不固定通信路径进行传输的两种通信任务，测试方法与结果如下。

表3卫星轨道参数

为了验证该模型可同时对包含多条由不同类型、不同数量星间链路组成的路径进行模拟与分析，本实验将在表4所示的不同类型路径上传输信息，并获得时延指标测试量见表5，其中路径LMM包含MEO11↔MEO21、MEO11↔MEO31、MEO21↔MEO31三种只包含一条星间链路的路径，且每条路径正反向均进行测试，比如路径MEO11↔MEO21，又分为MEO11→MEO21与MEO21→MEO11。

表4固定通信路径参数

由表5可知，该模型不仅可以模拟同一类型路径，也可以同时模拟多种不同类型路径。原因为模拟时变星间链路时，模型以时隙为周期从模型参数中提取当前时隙下的拓扑信息。针对具有固定传输路径的数据包，若当前拓扑信息中存在该数据包所需下一跳星间链路，则绑定该链路，完成一次任务传输。故在不需要为每种类型路径建立对应模型情况下，也可以同时完成对多条不同类型固定路径的模拟与分析工作。

表5固定通信路径下星间链路时延计算结果（ms）

为验证该模型可同时对多条不固定路径进行模拟与分析，本实验将在表6所示不同类型源与目标卫星节点间进行数据传输，获得时延指标测试量见表7所示，比如元组SMG包含(MEO11,GEO1)、(MEO11,GEO2)、(MEO11,GEO3)、(MEO21,GEO1)、(MEO21,GEO2)、(MEO21,GEO3)、(MEO31,GEO1)、(MEO31,GEO2)、(MEO31,GEO3)九种卫星间的传输任务，且每种传输任务正反向均进行测试，比如任务MEO11↔∙∙∙↔GEO1又分为MEO11→∙∙∙→GEO1与GEO1→∙∙∙→MEO11。

表6不固定通信路径参数

由表7可知，该模型不仅可以模拟同一类型传输任务，也可以同时模拟多种不同类型传输任务。原因为模拟时变星间链路时，模型首先以时隙为周期从模型参数中提取当前时隙下的拓扑信息，然后针对无固定传输路径的数据包，借助模型提供的路由算法，完成从当前卫星到目标卫星的下一跳路由查找工作，接着检索当前拓扑信息是否存在该数据所需下一跳星间链路，若存在，则进行链路绑定，完成一次任务传输。故在不确定具体传输路径情况下，借助模型提供的路由功能模块也可以完成对多种不固定通信路径的模拟与分析工作。

表7不固定通信路径下星间链路时延计算结果（ms）

上述实验分别对卫星网络在指定任务时间范围内固定与不固定通信路径下的传输任务进行了仿真测试，验证了本发明提出的星间链路着色Petri网模型在具有时变特性的卫星网络中的适用性，除此之外，该模型还克服了结构冗余性问题，针对具有不同拓扑结构的星间链路，表现出了较好的普适性与可扩展性。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

本发明的有益效果是：北斗等卫星导航系统借助星间链路，可以有效降低卫星对地面站的依赖，缩短电文的更新周期，提升卫星定轨与广播钟差精度。相比与其它通信系统，包含星间链路的卫星导航系统需要同时承担导航与通信任务，网络结构更加复杂，传输需求更加多样，本发明克服了北斗等卫星导航系统星间链路结构冗余性问题，针对具有不同拓扑结构的星间链路，表现出了较好的普适性与可扩展性，为具有时变特性的卫星网络的连续模拟与分析提供方法，发现并解决导航卫星系统星间链路运行瓶颈，提升卫星导航系统服务性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于功能分离的时变星间链路着色Petri网建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、构建基于功能分离的时变星间链路基础框架；

S2、根据基础框架建立同构的时变星间链路着色Petri网模型；

S3、根据Petri模型计算星间链路时延指标，完成模型评价。

2.如权利要求1所述的一种基于功能分离的时变星间链路着色Petri网建模方法，其特征在于：基础框架包括：数据功能模块、管理功能模块和控制功能模块。

3.如权利要求2所述的一种基于功能分离的时变星间链路着色Petri网建模方法，其特征在于：所述数据功能模块实现的功能包括：数据产生和回收、数据存储转发。

4.如权利要求2所述的一种基于功能分离的时变星间链路着色Petri网建模方法，其特征在于：管理功能模块用于卫星网络拓扑结构管理与故障分析。

5.如权利要求2所述的一种基于功能分离的时变星间链路着色Petri网建模方法，其特征在于：控制功能模块用于控制所有网络协议的运行。

6.如权利要求1所述的一种基于功能分离的时变星间链路着色Petri网建模方法，其特征在于：Petri网模型包括7个库所与9个替代变迁。

7.如权利要求6所述的一种基于功能分离的时变星间链路着色Petri网建模方法，其特征在于：所述库所用于数据记录，分别为：库所Forwarded、库所Cached、库所Sent、库所Propagated、库所Received、库所Link和库所Infor。

8.如权利要求6所述的一种基于功能分离的时变星间链路着色Petri网建模方法，其特征在于：所述替代变迁包括：替代变迁generate_arrive、替代变迁preprocess、替代变迁send、替代变迁propagate、替代变迁receive、替代变迁transfer、替代变迁route_traverse、替代变迁next_route和替代变迁slot_switch。

9.如权利要求1所述的一种基于功能分离的时变星间链路着色Petri网建模方法，其特征在于：时延指标计算公式如下：

T _totol =T _generate +T _{send_process} +T _send +T _propagate +T _{receive_process} +T _transfer +T _arrive

其中T _totol 为端到端总时延；T _generate 为数据生成时延；T _{send_process} 为数据发送前预处理时延；T _send 为数据发送时延；T _propagate 为数据传播时延；T _{receive_process} 为数据接受后处理时延；T _transfer 为数据中转时延；T _arrive 为数据回收时延。

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