CN115632701B - 一种低轨卫星网络数据调度方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低轨卫星网络数据调度方法、系统、设备及存储介质，本方法基于卫星网络，构建卫星网络时空演化图，并计算卫星网络时空演化图中的卫星网络链路的链路权重；根据卫星网络链路，构造卫星网络时空演化图的相关约束；根据卫星网络时空演化图、卫星网络时空演化图的相关约束和链路权重，采用任务调度方法对星上数据进行调度，获得未完成调度的数据调度任务和已完成调度的调度数据量最小的卫星；对已完成调度的调度数据量最小的卫星对应的未完成调度的数据调度任务进行迭代优化调度。本发明能够使各卫星的星上数据均匀地调度到地面网络中，在充分利用卫星网络链路资源的同时，提升了链路资源分配的均衡性。

Description

一种低轨卫星网络数据调度方法、系统、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其是涉及一种低轨卫星网络数据调度方法、系统、设备及存储介质。

背景技术

低轨卫星网络数据调度问题，主要指如何将海量星上数据在有限的链路资源条件下调度到地面网络中，其主要难点在于卫星收发器资源的分配以及数据流分配。由于卫星收发器个数限制，卫星往往只能与有限个网络节点进行通信，如何选择卫星通信范围内的潜在链路，即将收发器资源分配给哪些潜在链路，从而构建真正的星地或星间通信链路，同时分配数据流在卫星网络中，目前已成为研究热点。

现有卫星网络数据调度技术主要利用处于地球同步轨道的特定卫星作为中继节点完成数据调度，即普通卫星不作为中继节点，通常只关注普通卫星与中继卫星间的链路选择，但其忽视了普通卫星的数据转发能力；个别研究关注到普通卫星的转发能力，但其解决CPD（Contact plan design）问题和制定数据流分配策略只在部分时隙内展开，即根据卫星与地面站可见性关系，将整个运行周期分成多个时域来简化问题，这种策略往往不能充分发挥卫星网络的数据调度性能，且不能以任务为单位进行数据调度，即不能确保一个调度任务中的数据被完整地传输到地面网络中，同时不能确保将链路资源均衡分配给网络中的各卫星节点。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种低轨卫星网络数据调度方法、系统、设备及存储介质，能够以任务为单位对星上数据进行调度，能够使各卫星的星上数据被均匀地调度到地面网络中，在充分利用卫星网络链路资源的同时，提升链路资源分配的均衡性。

第一方面，本发明实施例提供了一种低轨卫星网络数据调度方法，所述低轨卫星网络数据调度方法包括：

步骤S100、基于卫星网络，构建卫星网络时空演化图，并计算所述卫星网络时空演化图中的卫星网络链路的链路权重；

步骤S200、根据卫星网络链路，构造卫星网络时空演化图的相关约束；

步骤S300、根据所述卫星网络时空演化图、所述卫星网络时空演化图的相关约束和所述链路权重，采用任务调度方法对星上数据进行调度，获得未完成调度的数据调度任务和已完成调度的调度数据量最小的卫星；

步骤S400、对所述已完成调度的调度数据量最小的卫星对应的未完成调度的数据调度任务进行迭代优化调度。

与现有技术相比，本发明第一方面具有以下有益效果：

本方法基于卫星网络，构建卫星网络时空演化图，并计算卫星网络时空演化图中的卫星网络链路的链路权重；根据卫星网络链路特性，构造卫星网络时空演化图的相关约束；根据卫星网络时空演化图、卫星网络时空演化图的相关约束和链路权重，采用任务调度方法对星上数据进行调度，获得未完成调度的数据调度任务和已完成调度的调度数据量最小的卫星；为了使各卫星的星上数据被均匀地调度到地面网络中，提升链路资源分配的均衡性，对已完成调度的调度数据量最小的卫星对应的未完成调度的任务进行迭代优化调度。本方法通过卫星网络时空演化图、卫星网络时空演化图的相关约束和链路权重，采用任务调度方法对数据调度任务进行任务调度，实现了以任务为单位进行数据调度；对已完成调度的调度数据量最小的卫星对应的未完成调度的数据调度任务进行迭代优化调度，使各卫星的星上数据被均匀地调度到地面网络中，在充分利用卫星网络链路资源的同时，提升了链路资源分配的均衡性。

根据本发明的一些实施例，根据所述卫星网络链路，构造所述卫星网络时空演化图的相关约束，包括：

设置一组变量；

根据所述卫星网络链路和所述变量，通过如下公式构造链路之间的竞争约束为：

其中，表示一条链路是否被建立，表示存储各链路建立状态的数组，表示链路的值。

根据本发明的一些实施例，根据所述卫星网络链路，构造所述卫星网络时空演化图的相关约束，还包括：

根据所述卫星网络链路，通过如下公式构造链路容量约束：

其中，表示i节点，表示j节点，表示对应数据调度任务的一组数据流，表示时隙t内可传输最大数据量，表示卫星节点到卫星节点的星间链路，表示卫星节点到地面站节点的星地链路。

根据本发明的一些实施例，所述低轨卫星网络数据调度方法，还包括：

给每个数据调度任务分配队首指针，所述队首指针用于指向每个数据调度任务队列的队首；

将每个卫星的数据调度任务插入到对应的数据调度任务队列中；

根据每个数据调度任务的延迟要求，将每个所述数据调度任务进行递增排序，以使所述队首指针指向延迟要求最小的数据调度任务。

根据本发明的一些实施例，所述计算所述卫星网络时空演化图中的卫星网络链路的链路权重，包括：

计算所述卫星节点对地数据传输的能力值：

其中，表示已经分配在链路上的数据总量，表示一条星地链路的剩余容量，表示一个时隙内每条星地链路可传输数据的最大量，表示一个卫星节点在一个运行周期内传输数据到地面站节点的能力值，表示一个时隙内卫星节点与地面站节点之间存在的所有机会星地链路中剩余容量最大的容量值，表示星地链路，表示对应数据调度任务的一组数据流，TM表示任务组；

根据所述卫星节点对地数据传输的能力值和所述星地链路的剩余容量，计算每条所述星间链路的权重，计算公式为:

其中，表示星间链路，表示卫星节点对地数据传输的能力值，表示卫星节点对地数据传输的能力值，表示一条星间链路的剩余容量，与为预设值。

根据本发明的一些实施例，所述根据所述卫星网络时空演化图、所述卫星网络时空演化图的相关约束和所述链路权重，采用任务调度方法对星上数据进行调度，包括：

步骤S310、初始化数据流分配的三维矩阵X内元素均为0、存储各数据调度任务完成状态的数组内元素均为0以及存储各链路建立状态的数组内元素均为1；

步骤S320、根据卫星已经完成调度的数据量，对所述卫星对应的数据调度任务队列进行排序，若所有数据调度任务队列均为空，则结束任务调度；若有数据调度任务队列不为空，则在所有非空数据调度任务队列中，找到已完成调度的数据量最小的卫星对应的数据调度任务队列，并将所述已完成调度的数据量最小的卫星对应的数据调度任务队列的队首任务设为，并复制当前的、和保存为、和；

步骤S330、在所述卫星网络时空演化图中去除剩余容量为0的所有链路后，利用迪杰斯特拉方法，在子图中找到起始节点到终止节点的最短路径sr，路径长度为链路的链路权重；若最短路径sr存在，执行步骤S340；若最短路径sr不存在，则移除对应的数据调度任务队列，将、和中的元素值均置为、和中对应的元素值，并返回步骤S320；

步骤S340、计算步骤S330中得到的最短路径sr的路径容量，路径容量为最短路径上链路剩余容量最小的链路的容量值；

步骤S350、在最短路径上分配数据流，对最短路径sr中的每一条链路，使，并依据链路之间的竞争约束，更新卫星网络时空演化图中与最短路径sr发生冲突的链路的值，并更新时空演化图中的链路权重；

步骤S360、若，则置，，移除对应的数据调度任务队列，并返回执行步骤S320；若，则令，返回执行步骤S330。

根据本发明的一些实施例，对所述已完成调度的调度数据量最小的卫星对应的未完成调度的任务进行迭代优化调度，包括：

步骤S410、初始化当前迭代次数k为0，最大迭代次数为，值为1的所有链路组成的所述卫星网络时空演化图为；

步骤S420、获取调度数据量最小的卫星，若仍有归属于所述卫星的数据调度任务未被调度，则执行步骤S430；若所述卫星不存在未被调度的数据调度任务，则退出迭代优化调度，完成任务调度；

步骤S430、获取卫星当前数据调度总量，保存当前、和的状态，并对归属于所述卫星但未被调度就被移出的数据调度任务进行排序，找到所有被移出的所述数据调度任务中调度数据量最小的任务；

步骤S440、采用深度优先搜索方法，找到所述卫星网络时空演化图中开始节点到结束节点之间的所有路径，并将所有路径保存到路径表中；

步骤S450、计算所述路径表中所有路径的最大容量，所述最大容量为一条路径上所有链路中容量最小的链路对应的链路容量，根据所述最大容量将所述路径表中的每条路径进行降序排序；

步骤S460、若所述路径表为空或所述路径表中首条路径rp的路径最大容量，则退出迭代优化调度，完成任务调度；若，将在所述路径rp上分配了数据流的所有数据调度任务，和在与所述路径rp存在竞争关系的链路上分配了数据流的所有数据调度任务共同构成了任务组，消除中所有数据调度任务在上分配的数据流，将中所有数据调度任务的值设为0，并在所述路径rp上分配数据流，更新所述任务的值为1，更新链路剩余容量以及各链路值；

步骤S470、根据上述中的步骤S310至步骤S360，逐个调度中的任务，直到中所有任务被成功调度或者出现无法调度的任务，计算当前调度数据量最小的卫星的调度数据量，若，则将路径rp从路径表中移除，将卫星网络时空演化图的状态恢复到步骤S430中保存的状态，并返回步骤S460；若，则使；若此时，退出迭代优化调度，若此时，则返回步骤S420。

第二方面，本发明实施例还提供了一种低轨卫星网络数据调度系统，所述低轨卫星网络数据调度系统包括：

权重计算单元，用于基于卫星网络，构建卫星网络时空演化图，并计算所述卫星网络时空演化图中的卫星网络链路的链路权重；

约束构造单元，用于根据卫星网络链路，构造所述卫星网络时空演化图的相关约束；

任务调度单元，用于根据所述卫星网络时空演化图、所述卫星网络时空演化图的相关约束和所述链路权重，采用任务调度方法对星上数据进行调度，获得未完成调度的数据调度任务和已完成调度的调度数据量最小的卫星；

迭代优化单元，用于对所述已完成调度的调度数据量最小的卫星对应的未完成调度的数据调度任务进行迭代优化调度。

第三方面，本发明实施例还提供了一种低轨卫星网络数据调度设备，包括至少一个控制处理器和用于与所述至少一个控制处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个控制处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个控制处理器执行，以使所述至少一个控制处理器能够执行如上所述的一种低轨卫星网络数据调度方法。

第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如上所述的一种低轨卫星网络数据调度方法。

可以理解的是，上述第二方面至第四方面与相关技术相比存在的有益效果与上述第一方面与相关技术相比存在的有益效果相同，可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一实施例的一种低轨卫星网络数据调度方法的流程图；

图2是本发明一实施例的卫星网络时空演化图；

图3是本发明一实施例的卫星网络时空演化图各个时隙的切面示意图；

图4是本发明一实施例的初始化数据调度任务池的示意图；

图5是本发明一实施例的一种低轨卫星网络数据调度系统的结构图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请实施例。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请实施例的描述。

需要说明的是，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

还应当理解，在本申请实施例说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请实施例的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

低轨卫星网络数据调度问题，主要指如何将海量星上数据在有限的链路资源条件下调度到地面网络中，其主要难点在于卫星收发器资源的分配以及数据流分配。由于卫星收发器个数限制，卫星往往只能与有限个网络节点进行通信，如何选择卫星通信范围内的潜在链路，即将收发器资源分配给哪些潜在链路，从而构建真正的星地或星间通信链路，同时分配数据流在卫星网络中，目前已成为研究热点。

现有卫星网络数据调度技术主要利用处于地球同步轨道的特定卫星作为中继节点完成数据调度，即普通卫星不作为中继节点，通常只关注普通卫星与中继卫星间的链路选择，但其忽视了普通卫星的数据转发能力；个别研究关注到普通卫星的转发能力，但其解决CPD（Contact plan design）问题和制定数据流分配策略只在部分时隙内展开，即根据卫星与地面站可见性关系，将整个运行周期分成多个时域来简化问题，这种策略往往不能充分发挥卫星网络的数据调度性能，且不能以调度任务为单位进行数据调度，即不能确保一个调度任务中的数据被完整地传输到地面网络中，同时不能确保将链路资源均衡分配给网络中的各卫星节点。

为解决上述问题，本发明基于卫星网络，构建卫星网络时空演化图，并计算卫星网络时空演化图中的卫星网络链路的链路权重；根据卫星网络链路特性及数据调度需求，构造卫星网络时空演化图的相关约束；为了以任务为单位进行数据调度，根据卫星网络时空演化图、卫星网络时空演化图的相关约束和链路权重，采用任务调度方法对对星上数据进行调度，获得未完成调度的数据调度任务和已完成调度的调度数据量最小的卫星；为了使各卫星的数据均匀的调度到地面网络中，提升链路资源分配的均衡性，对已完成调度的调度数据量最小的卫星对应的未完成调度的任务进行迭代优化调度。本发明通过根据卫星网络时空演化图、卫星网络时空演化图的相关约束和链路权重，采用任务调度方法对星上数据进行调度，实现了以任务为单位的数据调度方法；对已完成调度的调度数据量最小的卫星对应的未完成调度的任务进行迭代优化调度，使各卫星的数据均匀地被调度到地面网络中，在充分利用卫星网络链路资源的同时，提升链路资源分配的均衡性。

参照图1，本发明实施例提供了一种低轨卫星网络数据调度方法，低轨卫星网络数据调度方法包括：

步骤S100、基于卫星网络，构建卫星网络时空演化图，并计算卫星网络时空演化图中的卫星网络链路的链路权重。

具体的，基于卫星网络，构建卫星网络时空演化图，具体过程为：

因为卫星运动轨迹固定，基于卫星网络的虚拟拓扑策略，将卫星网络运行周期[0,T]划分为K个时隙，每个时隙持续时间为τ。假设每个时隙内的星地及星间可见性关系不变，即网络拓扑结构不变，在时隙切换时发生改变。同时，利用时空演化图的思想，在一系列固定的虚拟拓扑图上加入时间维度，形成卫星网络时空演化图。

卫星网络时空演化图如图2所示，图中表示的卫星网络由多个时隙的卫星、地面站以及数据中心dc组成。卫星网络时空演化图T(V,E)表征了卫星网络的时变特征,其中，表示不同卫星或数据中心在不同时隙的节点，表示卫星节点，表示地面站节点，表示数据中心节点；表示传输链路，表示卫星之间的星间链路，表示卫星与地面站之间的星地链路，表示地面站与数据中心之间的地数链路。此外，在原有卫星网络时空演化图中添加虚拟节点gt及一组虚拟链路，虚拟节点表示任务数据的源点，每个卫星数据调度任务的数据可以在一个时隙内调度到地面站，如图2中调度路径进行调度，同时可以通过存储后转发的方式调度，如图2中调度路径。

一条横向链路只能在一个时隙内存在，其在时隙t内可传输数据最大量为：

其中，表示链路的数据传输速率，单位为Mbps，在时，；在时，；在时，，地面站到数据中心可配备高速率传输链路，可忽略其数据调度数据量的限制。

卫星产生的一系列数据调度任务将利用资源有限的卫星网络调度到地面网络上，每个数据调度任务由一个四元组表示。表示产生数据调度任务的卫星，表示卫星的编号；表示数据调度任务在进入时隙时产生；表示数据调度任务的延迟约束，即，数据调度任务必须在时隙结束前完成调度，否则调度失败；表示数据调度任务需要调度的数据总量。

为完成数据调度任务，需在卫星网络时空演化图上分配数据流。所有数据流由表示，其中表示对应数据调度任务的一组数据流，这组数据流有相同的起始点和终止点，但有不同的调度路径，规定数据流起始节点为，终止节点为。

为表示一条链路是否参与到某数据调度任务的调度过程及调度数据量，规定表示数据调度任务的数据在链路上传输的数据量，单位为bit，表示数据流分配的三维矩阵。同时，规定表示在时隙t结束时存储在节点的数据调度任务的数据量，单位为bit。

计算卫星网络时空演化图中的卫星网络链路的链路权重的具体过程为：

利用构建好的时空演化图进行链路选择及数据调度前，需计算好每条链路的权重值。计算链路权重之前，需计算卫星节点对地数据传输的能力值：

其中，表示已经分配在链路上的数据总量，表示一条星地链路的剩余容量，表示一个时隙内每条星地链路可传输数据的最大量，表示一个卫星节点在一个运行周期内传输数据到地面站节点的能力值，表示一个时隙内卫星节点与地面站节点之间存在的所有机会星地链路中剩余容量最大的容量值，表示星地链路，表示对应数据调度任务的一组数据流，TM表示任务组。

为方便本领域技术人员了解，本实施例提供以下例子进行说明：

参照图3，以图3中卫星网络时空演化图各个时隙的切面为例，设整个运行周期仅有三个时隙，卫星到地面站间的链路的数据传输速率已在图中注明，范围在20Mbps到40Mbps之间。若目前未分配任何数据流，则，，可初步判断节点将有更多机会将数据调度到地面站。

根据卫星节点对地数据传输的能力值及链路剩余容量，计算每条星间链路的权重，计算公式为:

其中，表示星间链路，表示卫星节点对地数据传输的能力值，表示卫星节点对地数据传输的能力值，表示一条星间链路的剩余容量，与为预设值。

本实施例更倾向于选择权重较小的路径，由上式可知，链路剩余容量越大越容易被选择，同时，链路权重也和链路所关联的两个卫星节点对地数据传输能力值有关，与的值可以根据卫星网络具体特性进行调整，本实施例不做具体限定。

为减少中转数据时星间链路资源的消耗，优先利用星地链路完成数据传输，置所有星地链路权重为0；由于地面站与数据中心间可配备高速率传输链路，可忽视地数链路资源损耗，故置其链路权重为0；另外，由于链路资源相比于卫星存储资源更为稀缺且易扩展，生成数据调度方案时可忽略存储链路的影响，设其链路权重为0。

在本实施例中，考虑了卫星网络拓扑的时变特性，构建了卫星网络时空演化图，并计算了卫星网络时空演化图中的卫星网络链路的链路权重，在选择数据流路径时，同时关注到卫星节点调度数据到地面站的能力以及链路剩余容量情况，选择链路剩余容量大且关联的两个卫星节点对地数据传输能力强的路径进行通信，更能在数据调度场景下充分利用卫星网络链路资源，保障通信质量。

步骤S200、根据卫星网络链路，构造卫星网络时空演化图的相关约束。

具体的，根据卫星网络链路特性及数据调度需求，构造卫星网络时空演化图的相关约束，具体包括：

为描述数据调度任务产生过程，规定表示数据调度任务的数据是否被成功调度，规定为存储各数据调度任务完成状态的数组，将称为数据调度任务的值，规定

对于任意卫星的任意时隙，在时隙结束时存储数据量不超过卫星的最大存储容量，地面站与数据中心可拥有海量数据存储容量，可忽略地面站与数据中心的存储容量约束。卫星的最大存储容量表示为，存储容量约束定义为：

需要说明的是，由于卫星存储容量相对于链路资源来说更易于扩展，因此，本实施例设各卫星存储容量为无穷大。

在一个可行的数据调度方案中，除数据中心节点外，其余节点流出流量与流入流量需保持相等，数据流平衡约束定义为：

由于卫星应答器数量限制，在星地链路和星间链路中往往存在链路竞争。通常情况下，每颗卫星配备两个应答器，分别用来对其他卫星和地面站建立通信链路，即一颗卫星在一个时隙中，最多能和一个卫星和一个地面站同时建立通信链路。同时，假设一个地面站可扩展无限多个应答器，即可同时建立多条通信链路。

因此，本实施例为表现链路竞争机制，设置一组变量；

两颗卫星或卫星与地面站互相在通信范围内即可存在机会链路，但由于卫星上有限的应答器，最终要在关联到一颗卫星的一组星间链路中进行选择。因此，根据卫星网络链路和变量，通过如下公式构造链路之间的竞争约束为：

其中，表示一条链路是否被建立，表示存储各链路建立状态的数组，表示链路的值。

除以上约束以外，需确保数据流在被真正建立的链路上进行调度，同时，一条链路上的总流量不能超过其链路容量，因此，通过如下公式构造链路容量约束：

其中，表示i节点，表示j节点，表示对应数据调度任务的一组数据流，表示时隙t内可传输最大数据量，表示卫星节点到卫星节点的星间链路，表示卫星节点到地面站节点的星地链路。

为将卫星网络链路资源公平分配到各颗卫星，使得卫星完成数据调度任务的表现尽可能平均，在满足上述中的约束条件的情况下，构建以下目标函数：

其中，表示卫星产生的一组数据调度任务，min表示找到卫星网络中调度数据量最小的卫星，max表示使调度数据量最小的卫星的调度数据量最大化。

在本实施例中，通过建立各种约束，在满足卫星网络通信条件下，使得数据流分配过程中充分发挥网络性能，本实施例的目标函数的目的是尽可能将更多任务的数据被调度到地面网络中，提高所有卫星调度成功的数据量的下限，使得各颗卫星调度成功的数据量更均匀一些。

步骤S300、根据卫星网络时空演化图、卫星网络时空演化图的相关约束和链路权重，采用任务调度方法对星上数据进行调度，获得未完成调度的数据调度任务和已完成调度的调度数据量最小的卫星。

具体的，在进行任务调度方法之前，创建各卫星的数据调度任务池，给每个数据调度任务分配队首指针，队首指针用于指向每个数据调度任务队列的队首；将每个卫星的数据调度任务插入到对应的数据调度任务队列中；根据每个数据调度任务的延迟，将每个数据调度任务进行递增排序，以使队首指针指向所需延迟最小的数据调度任务。具体过程为：

在任务调度的过程中，如果一个数据调度任务的数据在K个时隙内没有完全调度到地面站，则，可认为整个数据调度任务调度失败，之前调度的部分属于数据调度任务的数据将被完全舍弃。因此，在进行调度之前，创建各卫星的数据调度任务池，参照图4。首先，每个卫星都会维护自己的一个数据调度任务队列，并分配给每个数据调度任务队列一个队首指针，用来指向每个数据调度任务队列的队首，在对数据调度任务池进行初始化时，将归属于各个卫星的数据调度任务插入到各自数据调度任务队列中，并对每个数据调度任务队列依据任务调度的延迟约束要求进行递增排序，将最小的数据调度任务排到队首，并用指针指向这个任务。若存在延迟约束相同的两个数据调度任务，则将数据量小的数据调度任务排到前面。在对数据调度任务池初始化完毕后，即可进行数据调度。

创建完各卫星数据调度任务池和计算好卫星网络时空演化图中的卫星网络链路的链路权重后，根据卫星网络时空演化图、卫星网络时空演化图的相关约束和链路权重，采用任务调度方法对星上数据进行调度，获得未完成调度的数据调度任务和已完成调度的调度数据量最小的卫星。具体过程包括：

步骤S310、初始化数据流分配的三维矩阵X内元素均为0、存储各数据调度任务完成状态的数组内元素均为0以及存储各链路建立状态的数组内元素均为1；

步骤S320、根据卫星已经完成调度的数据量，对卫星对应的数据调度任务队列进行排序，若所有数据调度任务队列均为空，则结束任务调度；若有数据调度任务队列不为空，则在所有非空数据调度任务队列中，找到已完成调度的数据量最小的卫星对应的数据调度任务队列，并将已完成调度的数据量最小的卫星对应的数据调度任务队列的队首任务设为，并复制当前的、和保存为、和；

步骤S330、在卫星网络时空演化图中去除剩余容量为0的所有链路后，利用迪杰斯特拉方法，在子图中找到起始节点到终止节点的最短路径sr，路径长度为链路的链路权重；若最短路径sr存在，执行步骤S340；若最短路径sr不存在，则移除对应的数据调度任务队列，将、和中的元素值均置为、和中对应的元素值，并返回步骤S320；

步骤S340、计算步骤S330中得到的最短路径sr的路径容量，路径容量为最短路径上链路剩余容量最小的链路的容量值；

步骤S350、在最短路径上分配数据流，对最短路径sr中的每一条链路，使，并依据链路之间的竞争约束，更新卫星网络时空演化图中与最短路径sr发生冲突的链路的值，并更新时空演化图中的链路权重；

步骤S360、若，则置，，移除对应的数据调度任务队列，并返回执行步骤S320；若，则令，返回执行步骤S330。

根据上述步骤过程可知，完成任务调度时数据调度任务池为空，此时分为两种情况，一种是所有数据调度任务均被成功调度，因为在步骤S350中，一旦数据调度任务执行成功，此数据调度任务就会从数据调度任务池中移除；另一种是部分数据调度任务无法在现有的链路条件下调度，一旦某一数据调度任务在当前无法进行调度，那么此数据调度任务在运行周期内一定无法被调度，因为链路资源总在不断减少，所以在步骤S330中，一旦找不到对某一数据调度任务的调度路径，则立即从任务池中移除此数据调度任务。

在本实施例中，通过根据卫星网络时空演化图、卫星网络时空演化图的相关约束和链路权重，采用任务调度方法对星上数据进行调度，实现了以任务为单位的数据调度。

步骤S400、对已完成调度的调度数据量最小的卫星对应的未完成调度的任务进行迭代优化调度。

具体的，对已完成调度的调度数据量最小的卫星对应的未完成调度的任务进行迭代优化调度。具体过程包括：

步骤S410、初始化当前迭代次数k为0，最大迭代次数为，值为1的所有链路组成的卫星网络时空演化图为；

步骤S420、获取调度数据量最小的卫星，若仍有归属于卫星的数据调度任务未被调度，则执行步骤S430；若卫星不存在未被调度的数据调度任务，则退出迭代优化调度，完成任务调度；

步骤S430、获取卫星当前数据调度总量，保存当前、和的状态，并对归属于卫星但未被调度就被移出的数据调度任务进行排序，找到所有被移出的数据调度任务中调度数据量最小的任务；

步骤S440、采用深度优先搜索方法，找到卫星网络时空演化图中开始节点到结束节点之间的所有路径，并将所有路径保存到路径表中；

步骤S450、计算路径表中所有路径的最大容量，最大容量为一条路径上所有链路中容量最小的链路对应的链路容量，根据最大容量将路径表中的每条路径进行降序排序；

步骤S460、若路径表为空或路径表中首条路径rp的路径最大容量，则退出迭代优化调度，完成任务调度；若，将在路径rp上分配了数据流的所有数据调度任务，和在与路径rp存在竞争关系的链路上分配了数据流的所有数据调度任务共同构成了任务组，消除中所有数据调度任务在上分配的数据流，将中所有数据调度任务的值设为0，并在路径rp上分配数据流，更新任务的值为1，更新链路剩余容量以及各链路值；

步骤S470、根据上述中的步骤S310至步骤S360，逐个调度中的任务，直到中所有任务被成功调度或者出现无法调度的任务，计算当前调度数据量最小的卫星的调度数据量，若，则将路径rp从路径表中移除，将卫星网络时空演化图的状态恢复到步骤S430中保存的状态，并返回步骤S460；若，则使；若此时，退出迭代优化调度，若此时，则返回步骤S420。

在本实施例中，对已完成调度的调度数据量最小的卫星对应的未完成调度的任务进行迭代优化调度，使各卫星的星上数据均匀地被调度到地面网络中，提高调度数据量最小的卫星的调度数据量，提升链路资源分配的均衡性。

参照图5，本发明实施例还提供了一种低轨卫星网络数据调度系统，改低轨卫星网络数据调度系统包括：

权重计算单元100，用于基于卫星网络，构建卫星网络时空演化图，并计算卫星网络时空演化图中的卫星网络链路的链路权重；

约束构造单元200，用于根据卫星网络链路，构造卫星网络时空演化图的相关约束；

任务调度单元300，用于根据卫星网络时空演化图、卫星网络时空演化图的相关约束和链路权重，采用任务调度方法对星上数据进行调度，获得未完成调度的数据调度任务和已完成调度的调度数据量最小的卫星；

迭代优化单元400，用于对已完成调度的调度数据量最小的卫星对应的未完成调度的数据调度任务进行迭代优化调度。

需要说明的是，由于本实施例中的一种低轨卫星网络数据调度系统与上述的一种低轨卫星网络数据调度方法基于相同的发明构思，因此，方法实施例中的相应内容同样适用于本系统实施例，此处不再详述。

本发明实施例还提供了一种低轨卫星网络数据调度设备，包括：至少一个控制处理器和用于与至少一个控制处理器通信连接的存储器。

存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该处理器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

实现上述实施例的一种低轨卫星网络数据调度方法所需的非暂态软件程序以及指令存储在存储器中，当被处理器执行时，执行上述实施例中的一种低轨卫星网络数据调度方法，例如，执行以上描述的图1中的方法步骤S100至步骤S400。

以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个控制处理器执行，可使得上述一个或多个控制处理器执行上述方法实施例中的一种低轨卫星网络数据调度方法，例如，执行以上描述的图1中的方法步骤S100至步骤S400的功能。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质（或非暂时性介质）和通信介质（或暂时性介质）。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息（诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据）的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘（DVD）或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种低轨卫星网络数据调度方法，其特征在于，所述低轨卫星网络数据调度方法包括：

步骤S100、基于卫星网络，构建卫星网络时空演化图，并计算所述卫星网络时空演化图中的卫星网络链路的链路权重；其中：

计算卫星节点对地数据传输的能力值：

其中，表示已经分配在链路上的数据总量，表示一条星地链路的剩余容量，表示一个时隙内每条星地链路可传输数据的最大量，表示一个卫星节点在一个运行周期内传输数据到地面站节点的能力值，表示一个时隙内卫星节点与地面站节点之间存在的所有机会星地链路中剩余容量最大的容量值，表示星地链路，表示对应数据调度任务的一组数据流，TM表示任务组；

根据所述卫星节点对地数据传输的能力值和所述星地链路的剩余容量，计算每条星间链路的权重，计算公式为:

其中，表示星间链路，表示卫星节点对地数据传输的能力值，表示卫星节点对地数据传输的能力值，表示一条星间链路的剩余容量，与为预设值；

步骤S200、根据卫星网络链路，构造卫星网络时空演化图的相关约束；其中：

设置一组变量；

根据所述卫星网络链路和所述变量，通过如下公式构造链路之间的竞争约束为：

其中，表示一条链路是否被建立，表示存储各链路建立状态的数组，表示链路的值，表示i节点，表示j节点，表示卫星节点到卫星节点的星间链路，表示卫星节点到地面站节点的星地链路，表示卫星节点；

根据所述卫星网络链路，通过如下公式构造链路容量约束：

其中，表示i节点，表示j节点，表示对应数据调度任务的一组数据流，表示时隙t内可传输最大数据量，表示卫星节点到卫星节点的星间链路，表示卫星节点到地面站节点的星地链路；

步骤S300、根据所述卫星网络时空演化图、所述卫星网络时空演化图的相关约束和所述链路权重，采用任务调度方法对星上数据进行调度，获得未完成调度的数据调度任务和已完成调度的调度数据量最小的卫星；其中：

步骤S310、初始化数据流分配的三维矩阵X内元素均为0、存储各数据调度任务完成状态的数组内元素均为0以及存储各链路建立状态的数组内元素均为1；

步骤S320、根据卫星已经完成调度的数据量，对所述卫星对应的数据调度任务队列进行排序，若所有数据调度任务队列均为空，则结束任务调度；若有数据调度任务队列不为空，则在所有非空数据调度任务队列中，找到已完成调度的数据量最小的卫星对应的数据调度任务队列，并将所述已完成调度的数据量最小的卫星对应的数据调度任务队列的队首任务设为，并复制当前的、和保存为、和；

步骤S330、在所述卫星网络时空演化图中去除剩余容量为0的所有链路后，利用迪杰斯特拉方法，在子图中找到起始节点到终止节点的最短路径sr，路径长度为链路的链路权重；若最短路径sr存在，执行步骤S340；若最短路径sr不存在，则移除对应的数据调度任务队列，将、和中的元素值均置为、和中对应的元素值，并返回步骤S320；

步骤S340、计算步骤S330中得到的最短路径sr的路径容量，路径容量为最短路径上链路剩余容量最小的链路的容量值；

步骤S350、在最短路径上分配数据流，对最短路径sr中的每一条链路，使，并依据链路之间的竞争约束，更新卫星网络时空演化图中与最短路径sr发生冲突的链路的值，并更新时空演化图中的链路权重；

步骤S360、若，则置，，移除对应的数据调度任务队列，并返回执行步骤S320；若，则令，返回执行步骤S330；

步骤S400、对所述已完成调度的调度数据量最小的卫星对应的未完成调度的数据调度任务进行迭代优化调度。

2.根据权利要求1所述的低轨卫星网络数据调度方法，其特征在于，所述低轨卫星网络数据调度方法，还包括：

给每个数据调度任务分配队首指针，所述队首指针用于指向每个数据调度任务队列的队首；

将每个卫星的数据调度任务插入到对应的数据调度任务队列中；

根据每个数据调度任务的延迟要求，将每个所述数据调度任务进行递增排序，以使所述队首指针指向延迟要求最小的数据调度任务。

3.根据权利要求1所述的低轨卫星网络数据调度方法，其特征在于，对所述已完成调度的调度数据量最小的卫星对应的未完成调度的任务进行迭代优化调度，包括：

步骤S410、初始化当前迭代次数k为0，最大迭代次数为，值为1的所有链路组成的所述卫星网络时空演化图为；

步骤S420、获取调度数据量最小的卫星，若仍有归属于所述卫星的数据调度任务未被调度，则执行步骤S430；若所述卫星不存在未被调度的数据调度任务，则退出迭代优化调度，完成任务调度；

步骤S430、获取卫星当前数据调度总量，保存当前、和的状态，并对归属于所述卫星但未被调度就被移出的数据调度任务进行排序，找到所有被移出的所述数据调度任务中调度数据量最小的任务；

步骤S440、采用深度优先搜索方法，找到所述卫星网络时空演化图中开始节点到结束节点之间的所有路径，并将所有路径保存到路径表中；

步骤S450、计算所述路径表中所有路径的最大容量，所述最大容量为一条路径上所有链路中容量最小的链路对应的链路容量，根据所述最大容量将所述路径表中的每条路径进行降序排序；

步骤S460、若所述路径表为空或所述路径表中首条路径rp的路径最大容量，则退出迭代优化调度，完成任务调度；若，将在所述路径rp上分配了数据流的所有数据调度任务，和在与所述路径rp存在竞争关系的链路上分配了数据流的所有数据调度任务共同构成了任务组，消除中所有数据调度任务在上分配的数据流，将中所有数据调度任务的值设为0，并在所述路径rp上分配数据流，更新所述任务的值为1，更新链路剩余容量以及各链路值；

步骤S470、根据步骤S310至步骤S360，逐个调度中的任务，直到中所有任务被成功调度或者出现无法调度的任务，计算当前调度数据量最小的卫星的调度数据量，若，则将路径rp从路径表中移除，将卫星网络时空演化图的状态恢复到步骤S430中保存的状态，并返回步骤S460；若，则使；若此时，退出迭代优化调度，若此时，则返回步骤S420。

4.一种低轨卫星网络数据调度系统，其特征在于，所述低轨卫星网络数据调度系统包括：

权重计算单元，用于基于卫星网络，构建卫星网络时空演化图，并计算所述卫星网络时空演化图中的卫星网络链路的链路权重；其中：

计算卫星节点对地数据传输的能力值：

其中，表示已经分配在链路上的数据总量，表示一条星地链路的剩余容量，表示一个时隙内每条星地链路可传输数据的最大量，表示一个卫星节点在一个运行周期内传输数据到地面站节点的能力值，表示一个时隙内卫星节点与地面站节点之间存在的所有机会星地链路中剩余容量最大的容量值，表示星地链路，表示对应数据调度任务的一组数据流，TM表示任务组；

根据所述卫星节点对地数据传输的能力值和所述星地链路的剩余容量，计算每条星间链路的权重，计算公式为:

其中，表示星间链路，表示卫星节点对地数据传输的能力值，表示卫星节点对地数据传输的能力值，表示一条星间链路的剩余容量，与为预设值；

约束构造单元，用于根据卫星网络链路，构造卫星网络时空演化图的相关约束；其中：

设置一组变量；

根据所述卫星网络链路和所述变量，通过如下公式构造链路之间的竞争约束为：

其中，表示一条链路是否被建立，表示存储各链路建立状态的数组，表示链路的值，表示i节点，表示j节点，表示卫星节点到卫星节点的星间链路，表示卫星节点到地面站节点的星地链路，表示卫星节点；

根据所述卫星网络链路，通过如下公式构造链路容量约束：

其中，表示i节点，表示j节点，表示对应数据调度任务的一组数据流，表示时隙t内可传输最大数据量，表示卫星节点到卫星节点的星间链路，表示卫星节点到地面站节点的星地链路；

任务调度单元，用于根据所述卫星网络时空演化图、所述卫星网络时空演化图的相关约束和所述链路权重，采用任务调度方法对星上数据进行调度，获得未完成调度的数据调度任务和已完成调度的调度数据量最小的卫星；其中：

步骤S310、初始化数据流分配的三维矩阵X内元素均为0、存储各数据调度任务完成状态的数组内元素均为0以及存储各链路建立状态的数组内元素均为1；

步骤S320、根据卫星已经完成调度的数据量，对所述卫星对应的数据调度任务队列进行排序，若所有数据调度任务队列均为空，则结束任务调度；若有数据调度任务队列不为空，则在所有非空数据调度任务队列中，找到已完成调度的数据量最小的卫星对应的数据调度任务队列，并将所述已完成调度的数据量最小的卫星对应的数据调度任务队列的队首任务设为，并复制当前的、和保存为、和；

步骤S330、在所述卫星网络时空演化图中去除剩余容量为0的所有链路后，利用迪杰斯特拉方法，在子图中找到起始节点到终止节点的最短路径sr，路径长度为链路的链路权重；若最短路径sr存在，执行步骤S340；若最短路径sr不存在，则移除对应的数据调度任务队列，将、和中的元素值均置为、和中对应的元素值，并返回步骤S320；

步骤S340、计算步骤S330中得到的最短路径sr的路径容量，路径容量为最短路径上链路剩余容量最小的链路的容量值；

步骤S350、在最短路径上分配数据流，对最短路径sr中的每一条链路，使，并依据链路之间的竞争约束，更新卫星网络时空演化图中与最短路径sr发生冲突的链路的值，并更新时空演化图中的链路权重；

步骤S360、若，则置，，移除对应的数据调度任务队列，并返回执行步骤S320；若，则令，返回执行步骤S330；

迭代优化单元，用于对所述已完成调度的调度数据量最小的卫星对应的未完成调度的数据调度任务进行迭代优化调度。

5.一种低轨卫星网络数据调度设备，其特征在于，包括至少一个控制处理器和用于与所述至少一个控制处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个控制处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个控制处理器执行，以使所述至少一个控制处理器能够执行如权利要求1至3任一项所述的一种低轨卫星网络数据调度方法。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求1至3任一项所述的一种低轨卫星网络数据调度方法。

Images