[發明專利]面向任務時延約束的低軌衛星數據傳輸方法

有效

• 申請號: 202010007698.5
• 申請日: 2020-01-05
• 公開（公告）號: CN111182583B
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 白衛崗;王占偉;盛敏;周笛;吳家鑫;畢媛媛;魯都都
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04W28/02
• 分類號: H04W28/02;H04W28/08;H04W40/22;H04B7/185
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;黎漢華

1.一種面向任務時延約束的低軌衛星數據傳輸方法，其特征在于，包括如下：

(1)初始化衛星網絡每條軌道上衛星的集合為Sa＝{Sa₁,Sa₂,…,Sa_n,…,Sa_M}，其中第i顆衛星記為Sa_i,i∈1,2,…,M，根據同軌道相鄰衛星建鏈的規則，生成空間信息網絡中每條軌道上衛星的拓撲關系，實現如下：

(1a)初始化衛星軌道高度為h，設M顆衛星在同一條衛星軌道上均勻分布，且每顆衛星的軌道周期為T_L；

(1b)初始化每軌道上衛星的排列順序，即對衛星Sa_i的兩顆相鄰衛星分別進行標記：

將Sa_i移動方向上的第一顆衛星記為Sa_(i+M)％M+1；

將Sa_i移動相反方向上的第一顆衛星記為Sa_{(i+M-2)％M+1}；

(1c)在任意兩顆相鄰衛星之間建立全雙工的星間鏈路；

(2)基于(1)生成的衛星網絡，計算每條軌道下的地面站位置信息，獲得地面站集合GS＝{GS₁,GS₂,…,GS_n,…,GS_M}，其中第i個地面站記為GS_i,i∈1,2,…,M，在地球表面部署該M個地面站并構建地面固定的時變星地連接關系；實現如下：

(2a)根據初始時刻的M顆衛星在軌道上的位置，獲得任意兩顆相鄰衛星之間的弧的中點的位置；

(2b)將M條弧的中點與地心連線生成M條直線，該M條直線與地球表面的交點位置作為M個地面站的位置；

(2c)計算衛星與地面站發生同步切換的星地切換周期T_s＝T_L/M，其中T_L為衛星的軌道周期；

(2d)在初始時刻地面站GS_i∈GS與衛星Sa_i∈Sa建立連接，即GS₁與Sa₁，GS₂與Sa₂，…，GS_i與Sa_i…,GS_M與Sa_M建立M對全雙工星地鏈路；

(2e)在后續過程中每經過T_s發生一次同步切換，切換的方式如下：

假設切換前GS_i與Sa_i建立連接；

則切換后GS_i與Sa_{(i+M-2)％M+1}建立連接；

(3)初始化空間信息網絡的網絡參數：星間鏈路傳播時延星地鏈路傳播時延星間鏈路傳輸速率R_SS＝25Mbps，星地鏈路傳輸速率R_SG＝50Mbps，星地切換周期T_s＝T_L/M＝6028/11＝548s和單星存儲容量m＝40Gb；初始化每對地面站需要傳輸的數據包信息，即數據包產生時刻CT、數據包大小pm、源地面站GS_i∈GS、目的地面站GS_j∈GS，任務時延約束D和數據包傳輸跳數n＝(j+M-i)％M；

(4)根據數據包信息，確定該數據包的傳輸方式：

(4a)初始化數據包傳輸過程中的衛星攜帶時長τ_c，即初始攜帶時長τ_f和整數攜帶時長kT_s的和，其中k為整數攜帶跳數；

(4b)計算數據包的利用衛星攜帶和星間鏈路混合傳輸的時延約束的上界T₁和下界T₂；

(4c)將任務時延約束D與(4b)中上界T₁、下界T₂進行比較，得到三種不同的傳輸方式：

若D≥T₁，則數據包全部利用衛星攜帶傳輸，

若T₂≤D＜T₁，則數據包利用衛星攜帶和星間鏈路混合傳輸，即先用衛星攜帶，后用星間鏈路，

若0＜D＜T₂，則數據包無法在時延約束內完成傳輸；

(5)根據數據包的傳輸方式，計算數據包的傳輸切換時間T_c：

(5a)對衛星攜帶和星間鏈路混合傳輸情況的計算：

(5a1)計算其最大整數攜帶跳數k_max，最大的初始攜帶時長τ_fm和初始攜帶時長τ_f：

τ_f＝T_s-CT％T_s，

其中，將和化成整數進行取余運算，

將CT和T_s化成整數進行取余運算；

(5a2)將初始攜帶時長τ_f和最大初始攜帶時長τ_fm進行比較，計算數據包的整數攜帶跳數k和傳輸切換時間T_c；

若τ_f＜τ_fm，k＝k_max，則

若τ_f≥τ_fm，k＝k_max-1，則

(5b)對全部利用衛星攜帶傳輸的情況：計算公式為

(6)空間信息網絡中每個節點根據自身存儲和傳輸切換時間T_c，確定數據包的下一跳和轉發模式：

(6a)源地面站根據初始化的數據包信息和(5)的計算結果為每個數據包添加包頭信息，即源地面站GS_i，目的地面站GS_j，下一跳地址A₁和傳輸切換時間T_c；

(6b)源地面站計算數據包生成時刻CT與本地面站連接衛星Sa_f的編號f，將該衛星地址寫入數據包頭中的下一跳地址A₁并立即轉發；

(6c)收到數據包的衛星根據讀取的傳輸切換時間T_c，確定自身在數據包傳輸過程中的任務：

若T_c＜0，則收到數據包的衛星用于星間鏈路傳輸，執行(6d)；

若T_c≥0，則收到數據包的衛星用于衛星攜帶，執行(6e)；

(6d)收到數據包的衛星檢測當前時刻CT₁是否與數據包的目的地面站GS_j建立連接，得到數據包下一跳A₁和發送模式：

若收到數據包的衛星在當前時刻CT₁與目的地面站GS_j建立連接，則A₁＝GS_j，收到數據包的衛星立即發送數據包到下一跳；

若收到數據包的衛星在當前時刻CT₁與目的地面站GS_j無法建立連接，則A₁＝Sa_(x+M)％M+1，其中x為收到數據包的衛星編號，Sa_x立即發送數據包到下一跳；

(6e)收到數據包的衛星根據自身存儲情況計算該數據包的下一跳和轉發模式：

如果收到數據包的衛星存儲空間未滿，則執行(6f)；

如果收到數據包的衛星存儲空間已滿，則執行(6g)；

(6f)收到數據包的衛星檢查T_c時刻與目的地面站GS_j的連接狀態，計算數據包的下一跳和傳輸模式：

若T_c時刻收到數據包的衛星自身與目的地面站建立連接，則A₁＝GS_j，收到數據包的衛星將在T_c時刻發送數據包到下一跳；

若T_c時刻收到數據包的衛星自身與目的地面站無法建立連接，則A₁＝Sa_(x+M)％M+1，其中x為收到數據包的衛星編號，記錄傳輸切換時間的值T_c為發送時間T_r＝T_c，并將傳輸切換時間改變為T_c＝-1，收到數據包的衛星將在T_r時刻發送到下一跳；

(6g)更改傳輸切換時間的取值T_c＝-1，則A₁＝Sa_(x+M)％M+1，其中x為收到數據包的衛星編號，Sa_x立即發送數據包到下一跳。