CN115361055A - 一种基于用户组的卫星通信系统星间切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于用户组的卫星通信系统星间切换方法，包括：步骤S1，获取待切换的用户组和可提供服务的卫星，并获取待切换的用户组所需的总资源和卫星的最大可用资源；步骤S2，构建用户组星间切换的调度模型，并对用户组星间切换的调度模型中的参数进行初始化；步骤S3，为完整用户组匹配目标卫星；步骤S4，若每个用户组均存在一个匹配的目标卫星，进入步骤S6；否则进入步骤S5；步骤S5，对不存在匹配的目标卫星的用户组中的用户进行分流，并为分流后的用户匹配目标卫星；步骤S6，记录用户组与卫星的匹配结果，结束切换调度过程。本发明能够最大化用户的切换成功率，提高用户的服务质量，能够降低卫星网络的信令开销、缓解切换拥塞。

Description

一种基于用户组的卫星通信系统星间切换方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更具体地涉及一种基于用户组的卫星通信系统星间切换方法。

背景技术

卫星网络作为近些年发展迅速的一种非地面网络，可以作为现有地面网络的扩展以实现全球无缝覆盖通信。与地球同步轨道卫星(GEO)和中轨(MEO)卫星相比，低轨卫星(LEO)具有传播延迟低和路径损耗小等优势。但低轨卫星相对于地面的运行速度较快，对地覆盖范围有限，单颗卫星只能为用户提供约十几分钟的连接服务。为了不中断服务，用户需要在多颗低轨卫星间进行频繁切换。此外，卫星传播时延长和移动速度快等特点也加剧了星间切换的难度。因此，星间切换是低轨卫星系统需要重点研究的问题之一。

对于低轨卫星系统的星间切换问题，现有技术方案主要为基于传统的单用户切换方法。当用户分布区域分散且同时发生切换的用户数较少时，该方法具有较好的可行性。然而，低轨卫星具有天然的广覆盖优势，其覆盖范围内的用户较多，随着卫星的高速移动，卫星覆盖区域边缘的大量用户将几乎同时触发切换。此时，基于单用户的切换方法将带来大量的切换信令开销，导致系统信令拥塞、网络资源不足和用户切换失败等问题。

发明内容

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种基于用户组的卫星通信系统星间切换方法，能够降低切换信令开销，缓解切换拥塞，同时能够充分利用卫星网络资源，最大化用户的切换成功率。

本发明提供的一种基于用户组的卫星通信系统星间切换方法，包括：

步骤S1，获取待切换的用户组和可提供服务的卫星，并获取待切换的用户组中所有用户所需的总资源和可提供服务的卫星的最大可用资源；

步骤S2，基于所述待切换的用户组和所述可提供服务的卫星，构建用户组星间切换的调度模型，并根据所述总资源和所述最大可用资源，对所述用户组星间切换的调度模型中的参数进行初始化；

步骤S3，根据所述用户组星间切换的调度模型和初始化的参数，为用户组匹配目标卫星，获取所述用户组星间切换的调度模型中更新后的参数；

步骤S4，若每个用户组均存在一个匹配的目标卫星，则进入步骤S6；若至少一个用户组不存在一个匹配的目标卫星，则进入步骤S5。

步骤S5，根据所述用户组星间切换的调度模型和更新化的参数，对不存在匹配的目标卫星的用户组中的用户进行分流，并为分流后的用户匹配目标卫星；

步骤S6，记录用户组与卫星的匹配结果，结束切换调度过程。

进一步地，所述用户组星间切换的调度模型包括源点S、Ng个用户组节点G＝{G₁,G₂,L,G_Ng}、Ns个卫星节点S＝{Sa₁,Sa₂,L,Sa_Ns}、汇点T以及从源点出发至汇点结束的若干有向边，全部节点集合为V＝{S,G₁,G₂,L,G_Ng,Sa₁,Sa₂,L,Sa_Ns,T}；所述用户组星间切换的调度模型的参数包括有向边容量、有向边成本和有向边流量。

进一步地，所述步骤S3包括：

步骤S31，对用户组切换到可提供服务的卫星的切换成本进行更新；

步骤S32，判断用户组节点G_i到卫星节点Sa_j的有向边流量f(G_i,Sa_j)是否满足W(G_i,Sa_j)-f(G_i,Sa_j)>W(Sa_j,T)-f(Sa_j,T)，若满足，则判定用户组节点G_i对应的用户组不存在一个匹配的目标卫星，并将用户组节点G_i到卫星节点Sa_j的有向边成本C(G_i,Sa_j)取值为C(G_i,Sa_j)＝inf；若不满足，则保持用户组节点G_i到卫星节点Sa_j的有向边成本C(G_i,Sa_j)不变，进入步骤S33；

其中，W(G_i,Sa_j)表示用户组节点G_i到卫星节点Sa_j的有向边容量，W(Sa_j,T)表示卫星节点Sa_j到汇点T的有向边容量，f(Sa_j,T)表示卫星节点Sa_j到汇点T的有向边流量，inf为预设最大值，所述预设最大值大于全部的有向边成本取值；

步骤S33，在用户组可行的切换方式中寻找切换开销最小的一次切换，并记录该开销最小的一次切换所对应的卫星，作为用户组匹配的目标卫星。

进一步地，所述步骤S33包括：

步骤S331，构建一个可变长队列q，并将源点S加入到队列q的队尾；

步骤S332，将所述队列q的队首节点q_head取出，在所述用户组星间切换的调度模型中，找出与所述队首节点q_head之间存在有向边连接的所有关联节点；

步骤S333，根据所述源点S到所述队首节点q_head的路径距离、到达所述关联节点的路径距离以及所述队首节点q_head到所述关联节点的有向边成本，对所述队列q进行更新，并记录到所述达关联节点的路径距离；

步骤S334，若所述队列q为空，则获取记录的所有路径距离，进入步骤S335；若所述队列q不为空，则返回步骤S332；

步骤S335，从记录的所有路径距离中提取到达汇点的路径距离d[T]，若d[T]<inf，则表示在当前用户组星间切换的调度模型中找到了一条最短路径使得其中一个用户组的切换开销最小，此时对最短路径包含的有向边流量进行更新，同时对用户组星间切换的调度模型进行更新，返回步骤S31；若d[T]＝inf，则进入步骤S4；其中，inf为预设最大值，所述预设最大值大于全部的有向边成本取值。

进一步地，所述步骤S5包括：

步骤S51，对用户组切换到可提供服务的卫星的切换成本进行更新；

步骤S52，在用户组可行的切换方式中寻找切换开销最小的一次用户组分流的切换，并记录该开销最小的一次用户组分流的切换所对应的卫星，作为用户组匹配的目标卫星。

进一步地，所述步骤S52包括：

步骤S521，构建一个可变长队列q′，并将源点S加入到队列q′的队尾；

步骤S522，将队列q′的队首节点q_head′取出，在所述用户组星间切换的调度模型中，找出与所述队首节点q_head′之间存在有向边连接的所有关联节点；

步骤S523，根据所述源点S到所述队首节点q_head′的路径距离、到达所述关联节点的路径距离以及所述队首节点q_head′到所述关联节点的有向边成本，对所述队列q′进行更新，并记录到达所述关联节点的路径距离；

步骤S524，若所述队列q′为空，则获取记录的所有路径距离，进入步骤S525；若所述队列q′不为空，则返回步骤S522；

步骤S525，从记录的所有路径距离中提取到达汇点的路径距离d[T]，若d[T]<inf，则表示在当前用户组星间切换的调度模型中找到了一条最短路径使得其中一个用户组的切换开销最小，此时对最短路径包含的有向边流量进行更新，同时对q′用户组星间切换的调度模型进行更新，返回步骤S51；若d[T]＝inf，则进入步骤S6；其中，inf为预设最大值，所述预设最大值大于全部的有向边成本取值。

进一步地，所述切换成本进行更新的方法为：

对于所述用户组星间切换的调度模型中任一有向边E(a,b)：

若有向边流量f(a,b)＝0，则保持有向边成本C(a,b)不变，将负向边成本C(b,a)取值为C(b,a)＝inf；其中，inf为预设最大值，所述预设最大值大于全部的有向边成本取值；

若0<f(a,b)<W(a,b)，则保持有向边成本C(a,b)不变，将负向边成本C(b,a)取值为有向边C(a,b)的负值，即C(b,a)＝-C(a,b)；其中，W(a,b)表示有向边容量；

若f(a,b)＝W(a,b)，则将有向边成本C(a,b)取值为C(a,b)＝inf，将负向边成本C(b,a)取值为有向边C(a,b)的负值，即C(b,a)＝-C(a,b)。

本发明提出的基于用户组的卫星通信系统星间切换方法，优先为整组用户寻找目标卫星，然后对于无法找到单个目标卫星的用户组进行用户分流，并继续寻找目标卫星。本发明能够最大化全部用户的切换成功率，提高用户的服务质量，同时能够有效降低卫星网络的信令开销、缓解切换拥塞，还能够充分利用卫星网络资源，均衡卫星负载。

附图说明

图1是按照本发明的基于用户组的卫星通信系统星间切换方法的流程图。

图2是步骤S2构建的用户组星间切换的调度模型的示意图。

图3是按照本发明一示例构建的用户组星间切换的调度模型的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种基于用户组的卫星通信系统星间切换方法，包括以下步骤：

步骤S1，获取待切换的用户组和可提供服务的卫星，并获取待切换的用户组中所有用户所需的总资源和可提供服务的卫星的最大可用资源。

步骤S2，基于待切换的用户组和可提供服务的卫星，构建用户组星间切换的调度模型，并根据待切换的用户组中所有用户所需的总资源和可提供服务的卫星的最大可用资源，对该用户组星间切换的调度模型中的参数进行初始化。

用户组星间切换的调度模型包括一个源点、若干用户组节点、若干卫星节点、一个汇点以及从源点出发至汇点结束的若干有向边。其中，源点表示各用户组星间切换调度过程的起始，汇点表示各用户组星间切换调度过程的终止，从源点出发，有向边顺序经过用户组节点和卫星节点后到达汇点的路径表示星间切换过程中用户组和卫星之间可行的匹配方式。用户组星间切换的调度模型中的需要初始化的参数包括：有向边容量、有向边成本和有向边流量。

如图2所示，用户组星间切换的调度模型包括一个源点S、Ng个用户组节点G＝{G₁,G₂,L,G_Ng}、Ns个卫星节点S＝{Sa₁,Sa₂,L,Sa_Ns}、一个汇点T，模型中的全部节点集合表示为V＝{S,G₁,G₂,L,G_Ng,Sa₁,Sa₂,L,Sa_Ns,T}。

源点S和每个用户组节点之间均存在有向边，且每个卫星节点和汇点T之间均存在有向边。当卫星Sa_j(j∈{1,2,L,Ns})可以为用户组G_i(i∈{1,2,L,Ng})提供服务时，用户组节点G_i和卫星节点Sa_j之间存在有向边，反之不存在有向边。从节点a到节点b的有向边表示为E(a,b)，例如，当节点a为源点S、节点b为用户组G_i时，E(a,b)即为E(S,G_i)。有向边E(a,b)的负向边为E(b,a)，负向边的初始容量和初始流量为该有向边的初始容量和初始流量。

有向边容量的初始定义如下：

1)源点S到用户组节点G_i的有向边容量为用户组节点G_i对应的用户组中所有用户所需的总资源(记为

)，即

2)用户组节点G_i到卫星节点Sa_j的有向边容量为用户组G_i对应的用户组中所有用户所需的总资源，即

3)卫星节点Sa_j到汇点T的有向边容量为该卫星的最大可用资源(记为

)，即

有向边成本的初始定义如下：

1)源点S到用户组节点G_i的初始有向边成本为0，即C(S,G_i)＝0，i∈{1,2,L,Ng}。

2)用户组节点到卫星节点的有向边成本用于表征用户组对卫星所提供服务的满意度，满意度越高，成本越小；反之，满意度越低，成本越大。

用户组节点G_i到卫星节点Sa_j的初始有向边成本按照下式计算：

式中，v表示用户组的服务等级,取值为正实数，v数值越大表示服务等级越高；t_ij表示卫星Sa_j可以提供给用户组G_i的服务时间，B_ij表示卫星Sa_j可以提供给用户组G_i的资源，α_ij表示用户组G_i的头用户相对于卫星Sa_j的仰角，头用户为该用户组随机选取的一个用户；λ₁、λ₂和λ₃为权重因子，取值为正实数，满足λ₁+λ₂+λ₃＝1；t_max表示卫星能够为单个用户服务的最长时间，B_max表示卫星的最大可用资源，α_max表示卫星和用户组头用户之间通信链路的最大仰角。

3)卫星节点到汇点T的有向边成本用于表征该卫星可提供服务的能力大小，能力越大，成本越小；反之，能力越小，成本越高。

卫星节点Sa_j到汇点T的初始有向边成本按照下式计算：

式中，

表示卫星节点Sa_j对应的卫星的最大可用资源。

有向边流量的初始定义如下：任一有向边流量的初始值均为零，即f(a,b)＝0，其中，a∈V，b∈V，a≠b。

步骤S3，根据用户组星间切换的调度模型和初始化的参数，为用户组匹配目标卫星，获取用户组星间切换的调度模型中更新后的参数。

具体地，步骤S3包括：

步骤S31，对用户组切换到可提供服务的卫星的切换成本进行更新。

切换成本对应于用户组星间切换的调度模型中的每条有向边成本，通过更新模型中的有向边成本，可以获得该条有向边对应的切换成本。对于模型中任一有向边E(a,b)或E(b,a)：

若有向边流量f(a,b)＝0，则保持有向边成本C(a,b)不变，将负向边成本C(b,a)取值为C(b,a)＝inf；其中，inf表示一个预设最大值，其为预先配置的一个常数值，该常数值大于全部可能的有向边成本取值，即大于用户组星间切换的调度模型中从源点出发，顺序经过用户组节点、卫星节点到汇点的路径上所有有向边成本之和。

若0<f(a,b)<W(a,b)，则保持有向边成本C(a,b)不变，将负向边成本C(b,a)取值为有向边C(a,b)的负值，即C(b,a)＝-C(a,b)。

若f(a,b)＝W(a,b)，则将有向边成本C(a,b)取值为C(a,b)＝inf，将负向边成本C(b,a)取值为有向边C(a,b)的负值，即C(b,a)＝-C(a,b)。

步骤S32，判断用户组节点G_i到卫星节点Sa_j的有向边流量f(G_i,Sa_j)是否满足W(G_i,Sa_j)-f(G_i,Sa_j)>W(Sa_j,T)-f(Sa_j,T)，若满足，则判定用户组节点G_i对应的用户组不存在一个匹配的目标卫星，并将成本C(G_i,Sa_j)取值为C(G_i,Sa_j)＝inf；若不满足，则保持成本C(G_i,Sa_j)不变，进入步骤S33。

若满足W(G_i,Sa_j)-f(G_i,Sa_j)>W(Sa_j,T)-f(Sa_j,T)，表示卫星节点Sa_j对应的卫星的剩余资源不足以接入用户组节点G_i对应的用户组中的全部用户。若用户组节点G_i对应的用户组选择卫星节点Sa_j对应的卫星，则用户组中只有部分用户能够切换至卫星节点Sa_j对应的卫星，剩余用户将继续寻找目标卫星。上述更新方法能够保证优先为一个完整用户组匹配目标卫星。

步骤S33，在用户组可行的切换方式中寻找切换开销最小的一次切换，并记录该开销最小的一次切换所对应的卫星，作为用户组匹配的目标卫星。

用户组可行的切换方式是指，从源点S出发，有向边顺序经过用户组节点和卫星节点，到达汇点T的路径，且路径所包含的任意有向边成本均不能为inf。切换开销最小指，从源点S出发，经过用户组节点和卫星节点，到达汇点T的路径所包含的全部有向边成本之和最小。

具体地，步骤S33包括：

步骤S331，构建一个可变长队列q，并将源点S加入到队列q的队尾，此时队列q的队首和队尾节点均为源点S。

步骤S332，将队列q的队首节点q_head取出(取出后队列q将不再包含该队首节点)，在用户组星间切换的调度模型中，找出与所取出的队首节点q_head之间存在有向边连接的所有关联节点。

步骤S333，根据源点S到队首节点q_head的路径距离、到达关联节点的路径距离以及队首节点q_head到关联节点的有向边成本，对队列q进行更新，并记录到达关联节点的路径距离。

一条由源点S到节点m(m∈V)的路径由该路径上顺序经过的节点和有向边组成，该路径到达节点m前的一个节点为前向节点p[m]。路径距离定义如下：源点S到其自身的路径距离为d[S]＝0，路径到达节点m(m≠S，m∈V)的路径距离d[m]等于该路径到达节点p[m]时的距离d[p[m]]与从节点p[m]到节点m的有向边成本之和，其初始值设为d[m]＝inf。

为了便于理解，以下举例对步骤S333进行说明。

假设节点c是一个与队首节点q_head之间存在有向边连接的关联节点，到达节点c的路径距离为d[c]，源点S到队首节点q_head的路径距离为d[q_head]，队首节点q_head到节点c的有向边成本为C(q_head,c)。

若d[q_head]+C(q_head,c)小于d[c]，则将节点c加入到队列q的队尾，若节点c已经在队列q的队尾，则无需再次将节点c加入到队列中，并将节点c的前向节点p[c]更新为队首节点，即p[c]＝q_head，将d[c]更新为d[q_head]+C(q_head,c)；若d[q_head]+C(q_head,c)大于等于d[c]，则取出队首节点后的队列保持不变，节点c的前向节点p[c]保持不变，d[c]保持不变。

步骤S334，若队列q为空，则获取记录的所有路径距离，进入步骤S335；若队列q不为空，则返回步骤S332。

步骤S335，从记录的所有路径距离d[r](r∈V)中提取到达汇点的路径距离d[T]，若d[T]<inf，则表示在当前用户组星间切换的调度模型中找到了一条最短路径使得其中一个用户组的切换开销最小，此时对最短路径包含的全部有向边流量进行更新，同时对用户组星间切换的调度模型进行更新，返回步骤S31；若d[T]＝inf，则直接进入步骤S4。

前向节点p记录了用户组和该用户组的待切换目标卫星，假设p[T]＝Sa_j，p[Sa_j]＝G_i，则在当前模型中，最小切换开销的切换对应于将用户组G_i切换到目标卫星Sa_j的切换。更新后的有向边流量为更新前的有向边流量加上一个增量值，该增量值等于上述最短路径包含的所有有向边的最小有向边容量。同时，对该有向边的负向边进行更新，更新后的负向边流量为更新前的负向边流量减去一个上述增量值。流量更新后，对应的用户组星间切换的调度模型也得到了更新。

步骤S3用于为完整用户组选择目标卫星。在步骤S3中，对单个用户组而言，其匹配结果存在两种可能：该用户组选择了一个目标卫星；该用户组没有找到目标卫星。

步骤S4，若每个用户组均存在一个匹配的目标卫星，则进入步骤S6；若至少一个用户组不存在一个匹配的目标卫星，则进入步骤S5。

步骤S5，根据用户组星间切换的调度模型和更新化的参数，对不存在匹配的目标卫星的用户组中的用户进行分流，并为分流后的用户匹配目标卫星。

具体地，步骤S5包括：

步骤S51，对用户组切换到可提供服务的卫星的切换成本进行更新。切换成本的更新方法与步骤S31相同，在此不再赘述。

步骤S52，在用户组可行的切换方式中寻找切换开销最小的一次用户组分流的切换，并记录该开销最小的一次用户组分流的切换所对应的卫星，作为用户组匹配的目标卫星。

具体地，步骤S52包括：

步骤S521，构建一个可变长队列q′，并将源点S加入到队列q′的队尾，此时队列q′的队首和队尾节点均为源点S。

步骤S522，将队列q′的队首节点q_head′取出，在用户组星间切换的调度模型中，找出与所取出的队首节点q_head′之间存在有向边连接的所有关联节点。

步骤S523，根据源点S到队首节点q_head′的路径距离、到达关联节点的路径距离以及队首节点q_head′到关联节点的有向边成本，对队列q′进行更新，并记录到达关联节点的路径距离。

一条由源点S到节点m′(m′∈V)的路径由该路径上顺序经过的节点和有向边组成，该路径到达节点m′前的一个节点为前向节点p[m′]。路径距离定义如下：源点S到其自身的路径距离为d[S]＝0，路径到达节点m′(m′≠S，m′∈V)的路径距离d[m′]等于该路径到达节点p[m′]时的距离d[p[m′]]与从节点p[m′]到节点m′的有向边成本之和，其初始值设为d[m′]＝inf。

更新过程如下：

若d[q_head′]+C(q_head′,c′)小于d[c′]，则将节点c′加入到队列q′的队尾，若节点c′已经在队列q′的队尾，则无需再次将节点c′加入到队列中，并将节点c′的前向节点p[c′]更新为队首节点，即p[c′]＝q_head′，将d[c′]更新为d[q_head′]+C(q_head′,c′)；若d[q_head′]+C(q_head′,c′)大于等于d[c′]，则取出队首节点后的队列保持不变，节点c′的前向节点p[c′]保持不变，d[c′]保持不变。

步骤S524，若队列q′为空，则获取记录的所有路径距离，进入步骤S525；若队列q不为空，则返回步骤S522。

步骤S525，从记录的所有路径距离d[r′](r′∈V)中提取到达汇点的路径距离d[T]，若d[T]<inf，则表示在当前用户组星间切换的调度模型中找到了一条最短路径使得其中一个用户组的切换开销最小，此时对最短路径包含的全部有向边流量进行更新，同时对用户组星间切换的调度模型进行更新，返回步骤S51；若d[T]＝inf，则直接进入步骤S6。其中，对最短路径包含的全部有向边流量进行更新的方法与步骤S335相同，在此不再赘述。

在步骤S5中，对单个用户组而言，用户组选择的目标卫星存在两种可能的结果：用户组选择了两个或两个以上的目标卫星，每颗目标卫星仅为该用户组内的部分用户提供服务；用户组没有找到目标卫星。在前一种情况中，根据步骤S52的更新方法，任一有向边E(a,b)在f(a,b)≠W(a,b)时都有机会成为寻找到的最短路径中的一条边。例如，对于用户组G_i，E(G_i,Sa_j)和E(G_i,Sa_k)分别为寻找最短路径时经过两次迭代找到的有向边，即用户组节点G_i对应的用户组中部分用户选择切换至卫星节点Sa_j对应的卫星，另一部分选择切换至卫星节点Sa_k对应的卫星。

步骤S6，记录用户组与卫星的匹配结果，结束切换调度过程。

对单个用户组而言，其最终选择的目标卫星存在三种可能的结果：1)该用户组仅选择了一个目标卫星；2)该用户组选择了两个或两个以上的目标卫星，每颗目标卫星仅为该用户组内的部分用户提供服务；3)该用户组没有找到目标卫星。

本发明提出的一种基于用户组的卫星通信系统星间切换方法，具有以下有益效果：

1)本发明基于用户组的切换调度过程，能够有效降低卫星网络的信令开销、缓解切换拥塞；

2)优先为整组用户寻找目标卫星，然后对于无法找到单个目标卫星的用户组进行用户分流，并继续寻找目标卫星；本发明能够最大化全部用户的切换成功率，提高用户的服务质量，还能够充分利用卫星网络资源，并均衡卫星负载。

为了更好地理解本发明，以下通过一具体示例对本发明的星间切换方法进行详细说明。

步骤S1，获取两个待切换的用户组G₁和G₂，和两个可提供服务的卫星Sa₁和Sa₂，用户组G₁中全部用户所需的总资源为10，用户组G₂中全部用户所需的总资源为4，卫星Sa₁和Sa₂最大可用资源分别为2和11。

步骤S2，构建用户组星间切换的调度模型，模型中的节点由一个源点S，2个用户组节点G＝{G₁,G₂}，2个卫星节点S＝{Sa₁,Sa₂}和一个汇点T组成，全部节点集合V＝{S,G₁,G₂,Sa₁,Sa₂,T}。源点S和每个用户组节点、每个卫星节点和汇点T之间均存在有向边，卫星Sa₁,Sa₂均能够为用户组G₁,G₂提供服务，则用户组G₁和G₂与卫星Sa₁和Sa₂之间均存在有向边。

有向边容量初始定义如下：

1)源点S到G₁的有向边容量为

源点S到G₂的有向边容量为

2)用户组节点G₁到卫星节点Sa₁和Sa₂的有向边容量均为G₁需要的资源，即

用户组节点G₂到卫星节点Sa₁和Sa₂的有向边容量均为G₂需要的资源

卫星节点Sa₁到汇点T的有向边容量为卫星Sa₁的最大可用资源，即

卫星节点Sa₂到汇点T的有向边容量为卫星Sa₂的最大可用资源，即

有向边成本初始定义如下：

1)源点S到用户组节点G₁、G₂的有向边成本初始值为0，即C(S,G₁)＝0，C(S,G₂)＝0；

2)用户组节点G₁到卫星节点Sa₁的有向边成本按照下式计算：

设定v＝1，t₁₁＝t_max，B₁₁＝B_max，α₁₁＝α_max，则C(G₁,Sa₁)＝1。类似地，设定t₁₂＝1/3·t_max,B₁₂＝1/3·B_max,α₁₂＝1/3·α_max，则C(G₁,Sa₂)＝3；设定t₂₁＝t_max,B₂₁＝B_max，α₂₁＝α_max，则C(G₂,Sa₁)＝1；设定t₂₂＝t_max，B₂₂＝B_max，α₂₂＝α_max，则C(G₂,Sa₂)＝1。

3)卫星Sa₁到汇点T的有向边成本

卫星Sa₂到汇点T的有向边成本

有向边流量的初始定义如下：任一有向边流量的初始值均为零，即f(a,b)＝0，其中，a∈V，b∈V，a≠b。

如此，初始化后的用户组星间切换的调度模型如图3所示。

步骤S3，根据用户组星间切换的调度模型和初始化的参数，为完整用户组匹配目标卫星。包括：

步骤S31，对用户组切换到可提供服务的卫星的切换成本进行更新。此时，所有有向边E(a,b)的流量f(a,b)均为0，因此将成本C(a,b)保持不变；成本C(b,a)取值为C(b,a)＝inf。

步骤S32，G₁到卫星节点Sa₁的有向边E(G₁,Sa₁)的流量f(G₁,Sa₁)满足W(G₁,Sa₁)-f(G₁,Sa₁)>W(Sa₁,T)-f(Sa₁,T)，因此将C(G₁,Sa₁)取值为C(G₁,Sa₁)＝inf。类似地，C(G₂,Sa₁)＝inf，C(G₁,Sa₂)和C(G₂,Sa₂)保持不变。

步骤S33，寻找切换开销最小的一次完整用户组的切换。包括：

1)将源点S加入到队列q的队尾，此时队列q的队首和队尾节点均为源点S，d[S]＝0，d[G₁]＝inf，d[G₂]＝inf，d[Sa₁]＝inf，d[Sa₂]＝inf，d[T]＝inf；p[i]＝0，i∈V。

2)将S取出，检查节点G₁和G₂。由于d[G₁]>d[S]+C(S,G₁)，更新d[G₁]＝0,p[G₁]＝S，将G₁加入队列；由于d[G₂]>d[S]+C(S,G₂)，更新d[G₂]＝0,p[G₂]＝S，将G₂加入队列；此时队列中节点为G₁和G₂。

3)将G₁取出，检查节点Sa₁和Sa₂。由于d[Sa₂]>d[G₁]+C(G₁,Sa₂)，更新d[Sa₂]＝3,p[Sa₂]＝G₁，将Sa₂加入队列；此时队列中节点为G₂和Sa₂；

4)将G₂取出，检查节点Sa₁和Sa₂。由于d[Sa₂]>d[G₂]+C(G₂,Sa₂)，更新d[Sa₂]＝1,p[Sa₂]＝G₂；此时队列中节点为Sa₂。

5)将Sa₂取出，检查节点T。由于d[T]>d[Sa₂]+C(Sa₂,T)，更新d[T]＝12/11,p[T]＝Sa₂；此时队列中节点为T。

6)将T取出，没有需要检查的节点。此时队列为空。

此时，d[T]＝12/11，p[T]＝Sa₂，p[Sa₂]＝G₂，p[G₂]＝S。则在当前模型中，最小切换开销的切换为将用户组G₂的目标卫星选择为卫星Sa₂的切换。对流量进行更新f(S,G₂)＝4，f(G₂,Sa₂)＝4，f(Sa₂,T)＝4；对应负向边E(Sa₂,G₂)和E(T,Sa₂)的容量分别为W(G₂,S)＝4，W(Sa₂,G₂)＝4和W(T,Sa₂)＝11，其流量分别更新为f(G₂,S)＝0,f(Sa₂,G₂)＝0和f(T,Sa₂)＝7。返回至步骤S31，直至d[T]＝inf，用户组G₁未能找到可行切换。

步骤S4，用户组G₁尚未找到目标卫星，进行步骤S5。

步骤S5，对用户组G₁的组内用户进行分流，并分别为被分流后的用户寻找合适的目标卫星。

步骤S51，更新用户组切换到目标卫星的切换成本，更新过程如下：

f(S,G₁)＝0,成本C(S,G₁)保持不变，C(G₁,S)＝inf；

f(S,G₂)＝W(S,G₂),C(S,G₂)＝inf，C(G₂,S)＝0；

f(G₁,Sa₁)＝0,成本C(G₁,Sa₁)保持不变，C(Sa₁,G₁)＝inf；

f(G₁,Sa₂)＝0,成本C(G₁,Sa₂)保持不变，C(Sa₂,G₁)＝inf；

f(G₂,Sa₁)＝0,成本C(G₂,Sa₁)保持不变，C(Sa₁,G₂)＝inf；

f(G₂,Sa₂)＝W(G₂,Sa₂),C(G₂,Sa₂)＝inf，C(Sa₂,G₂)＝-1；

f(Sa₁,T)＝0,成本C(Sa₁,T)保持不变；C(T,Sa₁)＝inf；

0<f(Sa₂,T)<W(Sa₂,T),则成本C(Sa₂,T)保持不变；C(T,Sa₂)＝-1/11。

步骤S52，寻找切换开销最小的一次用户组分流的切换。过程同步骤S33，最终得到d[T]＝3/2，p[T]＝Sa₁，p[Sa₁]＝G₁，p[G₁]＝S。则在当前模型中，最小切换开销的切换为将用户组G₁的目标卫星选择为卫星Sa₁的切换。f(S,G₁)＝2,f(G₁,Sa₁)＝2,f(Sa₁,T)＝2。

返回步骤S51，最终得到d[T]＝34/11，p[T]＝Sa₂，p[Sa₂]＝G₁，p[G₁]＝S。则在当前,模型中，最小切换开销的切换为将用户组G₁的目标卫星选择为卫星Sa₂的切换。f(S,G₁)＝9,f(G₁,Sa₂)＝7,f(Sa₂,T)＝11。此时用户组G₁中7个用户可以切换至Sa₂，2个用户可以切换至卫星Sa₁。

步骤S6，切换调度过程结束，用户组G₁中7个用户选择切换至Sa₂，2个用户选择切换至卫星Sa₁；用户组G₂选择目标卫星Sa₂。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (7)

1.一种基于用户组的卫星通信系统星间切换方法，其特征在于，包括：

步骤S1，获取待切换的用户组和可提供服务的卫星，并获取待切换的用户组中所有用户所需的总资源和可提供服务的卫星的最大可用资源；

步骤S2，基于所述待切换的用户组和所述可提供服务的卫星，构建用户组星间切换的调度模型，并根据所述总资源和所述最大可用资源，对所述用户组星间切换的调度模型中的参数进行初始化；

步骤S3，根据所述用户组星间切换的调度模型和初始化的参数，为用户组匹配目标卫星，获取所述用户组星间切换的调度模型中更新后的参数；

步骤S4，若每个用户组均存在一个匹配的目标卫星，则进入步骤S6；若至少一个用户组不存在一个匹配的目标卫星，则进入步骤S5。

步骤S5，根据所述用户组星间切换的调度模型和更新化的参数，对不存在匹配的目标卫星的用户组中的用户进行分流，并为分流后的用户匹配目标卫星；

步骤S6，记录用户组与卫星的匹配结果，结束切换调度过程。

2.根据权利要求1所述的基于用户组的卫星通信系统星间切换方法，其特征在于，所述用户组星间切换的调度模型包括源点S、Ng个用户组节点G＝{G₁,G₂,L,G_Ng}、Ns个卫星节点S＝{Sa₁,Sa₂,L,Sa_Ns}、汇点T以及从源点出发至汇点结束的若干有向边，全部节点集合为V＝{S,G₁,G₂,L,G_Ng,Sa₁,Sa₂,L,Sa_Ns,T}；所述用户组星间切换的调度模型的参数包括有向边容量、有向边成本和有向边流量。

3.根据权利要求1所述的基于用户组的卫星通信系统星间切换方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

步骤S31，对用户组切换到可提供服务的卫星的切换成本进行更新；

步骤S32，判断用户组节点G_i到卫星节点Sa_j的有向边流量f(G_i,Sa_j)是否满足W(G_i,Sa_j)-f(G_i,Sa_j)>W(Sa_j,T)-f(Sa_j,T)，若满足，则判定用户组节点G_i对应的用户组不存在一个匹配的目标卫星，并将用户组节点G_i到卫星节点Sa_j的有向边成本C(G_i,Sa_j)取值为C(G_i,Sa_j)＝inf；若不满足，则保持用户组节点G_i到卫星节点Sa_j的有向边成本C(G_i,Sa_j)不变，进入步骤S33；

其中，W(G_i,Sa_j)表示用户组节点G_i到卫星节点Sa_j的有向边容量，W(Sa_j,T)表示卫星节点Sa_j到汇点T的有向边容量，f(Sa_j,T)表示卫星节点Sa_j到汇点T的有向边流量，inf为预设最大值，所述预设最大值大于全部的有向边成本取值；

步骤S33，在用户组可行的切换方式中寻找切换开销最小的一次切换，并记录该开销最小的一次切换所对应的卫星，作为用户组匹配的目标卫星。

4.根据权利要求3所述的基于用户组的卫星通信系统星间切换方法，其特征在于，所述步骤S33包括：

步骤S331，构建一个可变长队列q，并将源点S加入到队列q的队尾；

步骤S332，将所述队列q的队首节点q_head取出，在所述用户组星间切换的调度模型中，找出与所述队首节点q_head之间存在有向边连接的所有关联节点；

步骤S333，根据所述源点S到所述队首节点q_head的路径距离、到达所述关联节点的路径距离以及所述队首节点q_head到所述关联节点的有向边成本，对所述队列q进行更新，并记录到所述达关联节点的路径距离；

步骤S334，若所述队列q为空，则获取记录的所有路径距离，进入步骤S335；若所述队列q不为空，则返回步骤S332；

步骤S335，从记录的所有路径距离中提取到达汇点的路径距离d[T]，若d[T]<inf，则表示在当前用户组星间切换的调度模型中找到了一条最短路径使得其中一个用户组的切换开销最小，此时对最短路径包含的有向边流量进行更新，同时对用户组星间切换的调度模型进行更新，返回步骤S31；若d[T]＝inf，则进入步骤S4；其中，inf为预设最大值，所述预设最大值大于全部的有向边成本取值。

5.根据权利要求1所述的基于用户组的卫星通信系统星间切换方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

步骤S51，对用户组切换到可提供服务的卫星的切换成本进行更新；

步骤S52，在用户组可行的切换方式中寻找切换开销最小的一次用户组分流的切换，并记录该开销最小的一次用户组分流的切换所对应的卫星，作为用户组匹配的目标卫星。

6.根据权利要求5所述的基于用户组的卫星通信系统星间切换方法，其特征在于，所述步骤S52包括：

步骤S521，构建一个可变长队列q′，并将源点S加入到队列q′的队尾；

步骤S522，将队列q′的队首节点q_head′取出，在所述用户组星间切换的调度模型中，找出与所述队首节点q_head′之间存在有向边连接的所有关联节点；

步骤S523，根据所述源点S到所述队首节点q_head′的路径距离、到达所述关联节点的路径距离以及所述队首节点q_head′到所述关联节点的有向边成本，对所述队列q′进行更新，并记录到达所述关联节点的路径距离；

步骤S524，若所述队列q′为空，则获取记录的所有路径距离，进入步骤S525；若所述队列q′不为空，则返回步骤S522。

步骤S525，从记录的所有路径距离中提取到达汇点的路径距离d[T]，若d[T]<inf，则表示在当前用户组星间切换的调度模型中找到了一条最短路径使得其中一个用户组的切换开销最小，此时对最短路径包含的有向边流量进行更新，同时对q′用户组星间切换的调度模型进行更新，返回步骤S51；若d[T]＝inf，则进入步骤S6；其中，inf为预设最大值，所述预设最大值大于全部的有向边成本取值。

7.根据权利要求3或5所述的基于用户组的卫星通信系统星间切换方法，其特征在于，所述切换成本进行更新的方法为：

对于所述用户组星间切换的调度模型中任一有向边E(a,b)：

若有向边流量f(a,b)＝0，则保持有向边成本C(a,b)不变，将负向边成本C(b,a)取值为C(b,a)＝inf；其中，inf为预设最大值，所述预设最大值大于全部的有向边成本取值；

若0<f(a,b)<W(a,b)，则保持有向边成本C(a,b)不变，将负向边成本C(b,a)取值为有向边C(a,b)的负值，即C(b,a)＝-C(a,b)；其中，W(a,b)表示有向边容量；

若f(a,b)＝W(a,b)，则将有向边成本C(a,b)取值为C(a,b)＝inf，将负向边成本C(b,a)取值为有向边C(a,b)的负值，即C(b,a)＝-C(a,b)。

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