CN116683981B - 一种基于多维时变资源图的低轨卫星路径规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种基于多维时变资源图的低轨卫星路径规划方法；该方法包括：在给定时间段内将源节点、目的节点在卫星网络拓扑中映射的卫星网络区域划分为n个时隙片；根据时隙片构建多维时变资源图；根据多维时变资源图构建路径规划目标函数；求解路径规划目标函数，得到源节点到目的节点间的最佳路径；本发明将卫星时变资源表征在多维时变资源图中，通过多维时变资源图为业务规划路径，提高了卫星网络的传输效率。

Description

一种基于多维时变资源图的低轨卫星路径规划方法
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种基于多维时变资源图的低轨卫星路径规划方法。
背景技术
随着卫星通信技术的发展和广泛应用，低轨卫星网络逐渐成为一种重要的通信网络形式。与传统的地面通信网络相比，低轨卫星网络具有覆盖范围广、灵活性高等优势。目前全球已经有多家公司和机构在开展低轨卫星网络项目，如SpaceX的Starlink、OneWeb、Amazon的Project Kuiper等。这些项目计划通过部署数千颗甚至上万颗卫星，构建全球性覆盖的高速互联网。此外，低轨卫星网络在航空、海洋、地震等领域的应用也越来越广泛。低轨卫星网络的发展为未来的全球通信和信息交流提供了新的可能性。但是，低轨卫星网络中的流量在时间和空间上的分布不均匀，影响了可用带宽资源的总量，例如：当卫星经过海洋和人口密集的城市时、当卫星在白天和夜晚时，其带宽资源占用情况都是存在差异的，并且星间链路距离的变化也会随时间的变化而发生变化，进一步导致传播时延资源的变化。这给业务在卫星网络时变资源下的传输带来了极大的挑战，因此，如何刻画低轨卫星网络时变带宽资源和传播时延资源，进一步有效地规划路径，成为了解决业务在卫星网络中进行高效传输的关键问题。
基于图的资源模型通常使用图来表示拓扑结构或资源关系，并量化边和顶点的权值来表示资源能力。例如，使用时间扩展图、时空演化图等来表征卫星网络中多维资源的变化情况。但它们没有同时刻画时变带宽和时变传播时延资源。因此亟需一种基于多维时变资源图的低轨卫星路径规划方法，将卫星时变资源表征在多维时变资源图中，基于多维时变资源图为业务规划路径以提高卫星网络的传输效率。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种基于多维时变资源图的低轨卫星路径规划方法，该方法包括：
S1：获取卫星网络拓扑，根据源节点到目的节点间的链路情况将卫星网络划分为n个时隙片；
S2：根据时隙片构建多维时变资源图；
S3：根据多维时变资源图构建路径规划目标函数；
S4：求解路径规划目标函数，得到源节点到目的节点间的最佳路径。
优选的，将卫星网络区域划分为n个时隙片的过程包括：
S11：计算卫星网络区域中各链路的生存时间和各链路允许发生最大距离变化的时间；
S12：根据链路的生存时间和链路允许发生最大距离变化的时间确定卫星网络区域中各稳定拓扑的生存时间；
S13：将各稳定拓扑的生存时间的最大公约数作为时隙片长度并根据时隙片长度将卫星网络区域划分为n个时隙片。
进一步的，时隙片长度表示为：
其中，表示时隙片长度，表示取公约数，表示第i个稳定拓扑的生存时 间，表示链路的生存时间，表示链路允许发生最大距离变化的时间。
优选的，构建多维时变资源图的过程包括：
S21：计算在时隙片内卫星网络区域中卫星间链路的带宽资源和传播时延；
S22：计算在时隙片内卫星网络区域中卫星节点的排队时延、处理时延和传输时延；
S23：将时间、卫星间链路的带宽资源和传播时延三个因素作为多维坐标建立多维时变资源图，将卫星节点的排队时延、处理时延和传输时延作为多维时变资源图的边权值；
S24：多维时变资源图在时隙片开始时刻更新。
进一步的，计算卫星间链路的带宽资源的公式为：
其中，表示时隙片内链路的带宽资源，表示时隙片内带宽从状态i转移到 状态j的状态转移概率，表示链路最大带宽，表示可用带宽的状态个数。
进一步的，计算卫星间链路的传播时延的公式为：
其中，表示时隙片内链路的传播时延，表示链路距离函数，表示时隙 片开始时刻，表示时隙片结束时刻，表示时隙片长度。
优选的，所述路径规划目标函数表示为：
其中，表示多维时变资源图中第k条路径的可用带宽，表示多维时变资源 图中第k条路径的总时延，表示链路最大带宽，表示时延阈值。
进一步的，多维时变资源图中第k条路径的可用带宽为该路径上所有节点的最小宽带资源。
进一步的，多维时变资源图中第k条路径的总时延为该路径上所有节点的传播时延以及所有边的总时延之和；其中，边的总时延为边的排队时延、处理时延和传输时延之和。
本发明的有益效果为：
1、考虑链路的生存时间与链路距离变化最大的时间，能够更精确的表征稳态时隙拓扑，确保路径规划的可行性与稳定性；
2、提出了多维时变资源图，能够应对卫星运动引起的传播时延变化以及流量负载波动带来的带宽资源时变情况，能够全面描述卫星网络中的时间、可用带宽和传播时延等资源的变化情况，为路径规划提供了更全面准确的信息。
3、基于构建的多维时变资源图，构建路径规划目标函数，能够定量地评估不同路径的优劣，从而选择出最佳的链路路径，提高路径规划的效率和质量。该方法能够适应卫星网络中资源的时变性，具有较高的适应性和灵活性，能够在实际卫星通信场景中发挥出良好的效果。
附图说明
图1为本发明中基于多维时变资源图的低轨卫星路径规划方法流程图；
图2为本发明中多维时变资源图示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种基于多维时变资源图的低轨卫星路径规划方法，如图1所示，所述方法包括以下内容：
S1：在给定时间段内将源节点、目的节点在卫星网络拓扑中映射的卫星网络区域划分为n个时隙片。
SDN控制器在给定时间段内将源节点、目的节点在卫星网络拓扑中映射的卫星网 络区域划分为n个时隙片，划分过程如下：
S11：计算卫星网络区域中各链路的生存时间和各链路允许发生最大距离变化的时间。
计算链路的生存时间的公式为：
其中，表示节点与节点之间的链路的生存时间，表示第j个卫星 节点的通信范围，表示第k个卫星节点的通信范围，表示卫星节点与的相对运 动速度。
计算链路允许发生最大距离变化的时间的表示为：
其中，表示链路允许发生最大距离变化的时间，表示链路允许最大距离变化。
S12：根据链路的生存时间和链路允许发生最大距离变化的时间确定卫星网络区域中各稳定拓扑的生存时间；
S13：将各稳定拓扑的生存时间的最大公约数作为时隙片长度并根据时隙片长度将卫星网络区域划分为n个时隙片。
时隙片长度表示为：
其中，表示时隙片长度， 表示取公约数，表示第i个稳定拓扑的生存 时间。
S2：根据时隙片构建多维时变资源图。
S21：计算在时隙片内卫星网络区域中卫星间链路的带宽资源和传播时延。
考虑卫星网络的带宽资源受随机流量的影响，将带宽资源变化刻画为马尔科夫过 程，则在时隙片内卫星网络区域中卫星间链路的带宽资源可以表示为：
其中，表示时隙片内链路的带宽资源，表示时隙片内带宽从状态i转移到 状态j的状态转移概率，表示链路最大带宽，表示可用带宽的状态个数。
卫星网络负载会随着时间发生变化，会对带宽的资源能力产生影响，因此，在将带 宽资源变化刻画为马尔可夫过程中，将负载的时间特性纳入状态转移概率的计算，带宽从 状态i转移到状态j的状态转移概率表达式为：
其中，表示时隙片内带宽是否从第i个状态转移到第j个状态，若是，否 则；表示卫星网络中的节点集合，表示卫星网络中的第i个节点。
考虑卫星网络的传播时延资源受星间的距离长短变化影响，在时隙片内卫星网络区域中卫星间链路的传播时延可表示为：
其中，表示时隙片内链路的传播时延；表示链路距离函数，，表示卫星节 点的坐标；表示时隙片开始时刻，表示时隙片结束时刻。
S22：计算在时隙片内卫星网络区域中卫星节点的排队时延、处理时延和传输时延。
考虑卫星网络的排队时延资源也会受随机流量的影响，将其刻画为马尔科夫过 程，同带宽资源的分析，排队时延表示为：
其中，表示时隙片内卫星节点s的排队时延，表示时隙片内排队时延从 第i个状态转移到第j个状态的状态转移概率，表示卫星节点允许的最大排队时延，表 示可用排队时延的状态个数
根据卫星本身性能获取卫星的处理时延和传输时延。
S23：将时间、卫星间链路的带宽资源和传播时延三个因素作为多维坐标建立多维时变资源图，将卫星节点的排队时延、处理时延和传输时延作为多维时变资源图的边权值。
将时间T，带宽资源B，传播时延作为多维坐标的坐标轴，建立多维时变资源图；其中，表示节点集合，表示链路集合，表示可用带宽资源集合，表示传播时延集合，表示排队时延集合，表示 处理和传输时延集合。如图2所示，假设第一个时隙片从0开始，并以（0,0,0）作为原点，B轴、 D轴和T轴分别表示可用带宽、传播时延和时间；原始卫星网络区域G中的链路的带宽资源和 传播时延在多维时变资源图中用节点表示，卫星节点的排队时延、处理时延、传输时延在多 维时变资源图中表示边权值，如节点坐标为原始卫星区域内时隙片的链路 资源；边为原始卫星区域内的卫星节点资源。
S24：多维时变资源图在时隙片开始时刻更新。
考虑卫星运动和负载变化的影响，SDN控制器在每个时隙片开始处更新多维时 变资源图。
S3：根据多维时变资源图构建路径规划目标函数。
在多维时变资源图中，在两个节点、之间存在一组可达路径。记为；其中，第k条可达路径记为，是点和边依次相连的集 合。
本发明设计的路径规划目标函数表示为：
其中，表示多维时变资源图中第k条路径的可用带宽，表示多维时变资源 图中第k条路径的总时延，表示链路最大带宽，表示时延阈值。
为了评估路径的带宽资源能力和时延资源能力，将多维时变资源图中第k条路径上所有节点的最小宽带资源作为第k条路径的可用带宽，表示为：
其中，表示节点到可达路径中的节点，表示节点到的第k条可达路径，表示节点 的可用带宽。
将第k条路径上所有节点的传播时延以及所有边的总时延之和作为多维时变资源图中第k条路径的总时延，其中，边的总时延为边的排队时延、处理时延和传输时延之和；第k条路径的总时延表示为：
其中，表示节点到可达路径中的链路，表示节点到的第k条可达路径。
S4：求解路径规划目标函数，得到源节点到目的节点间的最佳路径。
求解路径规划目标函数，从而得到多维时变资源图对应卫星网络区域的多条路径中的最佳路径，而多维时变资源图中的节点对应原始卫星网络中的链路，边对应原始卫星网络的卫星，即可得到源节点、目的节点在卫星网络拓扑中的最佳路径。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于多维时变资源图的低轨卫星路径规划方法，其特征在于，包括：
S1：在给定时间段内将源节点、目的节点在卫星网络拓扑中映射的卫星网络区域划分为n个时隙片；将卫星网络区域划分为n个时隙片的过程包括：
S11：计算卫星网络区域中各链路的生存时间和各链路允许发生最大距离变化的时间；
S12：根据链路的生存时间和链路允许发生最大距离变化的时间确定卫星网络区域中各稳定拓扑的生存时间；
S13：将各稳定拓扑的生存时间的最大公约数作为时隙片长度并根据时隙片长度将卫星网络区域划分为n个时隙片；
S2：根据时隙片构建多维时变资源图；构建多维时变资源图的过程包括：
S21：计算在时隙片内卫星网络区域中卫星间链路的带宽资源和传播时延；
S22：计算在时隙片内卫星网络区域中卫星节点的排队时延、处理时延和传输时延；
S23：将时间、卫星间链路的带宽资源和传播时延三个因素作为多维坐标建立多维时变资源图，将卫星节点的排队时延、处理时延和传输时延作为多维时变资源图的边权值；
S24：多维时变资源图在时隙片开始时刻更新；
S3：根据多维时变资源图构建路径规划目标函数；所述路径规划目标函数表示为：
约束条件：C1:b(k)<Bc
C2:d(k)<dc
其中，b(k)表示多维时变资源图中第k条路径的可用带宽，d(k)表示多维时变资源图中第k条路径的总时延，Bc表示链路最大带宽，dc表示时延阈值；
S4：求解路径规划目标函数，得到源节点到目的节点间的最佳路径。
2.根据权利要求1所述的一种基于多维时变资源图的低轨卫星路径规划方法，其特征在于，时隙片长度表示为：
其中，τ0表示时隙片长度，gcd表示取公约数，表示第i个稳定拓扑的生存时间，/>表示链路ljk的生存时间，/>表示链路允许发生最大距离变化的时间。
3.根据权利要求1所述的一种基于多维时变资源图的低轨卫星路径规划方法，其特征在于，计算卫星间链路的带宽资源的公式为：
其中，表示时隙片τ内链路l的带宽资源，/>表示时隙片τ内带宽从状态i转移到状态j的状态转移概率，Bc表示链路最大带宽，m表示可用带宽的状态个数。
4.根据权利要求1所述的一种基于多维时变资源图的低轨卫星路径规划方法，其特征在于，计算卫星间链路的传播时延的公式为：
其中，表示时隙片τ内链路l的传播时延，d(t)表示链路距离函数，τs表示时隙片τ开始时刻，τd表示时隙片τ结束时刻，τ0表示时隙片长度。
5.根据权利要求1所述的一种基于多维时变资源图的低轨卫星路径规划方法，其特征在于，多维时变资源图中第k条路径的可用带宽为该路径上所有节点的最小宽带资源。
6.根据权利要求1所述的一种基于多维时变资源图的低轨卫星路径规划方法，其特征在于，多维时变资源图中第k条路径的总时延为该路径上所有节点的传播时延以及所有边的总时延之和；其中，边的总时延为边的排队时延、处理时延和传输时延之和。
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