[發(fā)明專利]面向任務(wù)時(shí)延約束的低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010007698.5
• 申請日: 2020-01-05
• 公開（公告）號: CN111182583B
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 白衛(wèi)崗;王占偉;盛敏;周笛;吳家鑫;畢媛媛;魯都都
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 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(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華;黎漢華

本發(fā)明公開了一種基于任務(wù)時(shí)延約束的空間信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)無法根據(jù)不同的任務(wù)時(shí)延約束最優(yōu)化利用衛(wèi)星移動存儲和星間鏈路資源的問題。其實(shí)現(xiàn)方案是：獲取目標(biāo)空間信息網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星集合，并部署對應(yīng)的地面站集合；根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)動規(guī)律和地面站集合構(gòu)建地面固定的時(shí)變星地連接關(guān)系；初始化空間信息網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和任務(wù)信息；根據(jù)任務(wù)的產(chǎn)生時(shí)刻、任務(wù)時(shí)延約束和時(shí)變星地連接關(guān)系，計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)包最優(yōu)利用網(wǎng)絡(luò)資源的傳輸切換時(shí)間；空間信息網(wǎng)絡(luò)根據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸切換時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。本發(fā)明能最大化利用衛(wèi)星移動存儲資源，提升了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，緩解了網(wǎng)絡(luò)擁塞，可用于傳輸具有不同時(shí)延約束的業(yè)務(wù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，是一種低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸方法，可用于傳輸具有不同時(shí)延約束的業(yè)務(wù)，提升衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

背景技術(shù)

空間信息網(wǎng)絡(luò)由在軌運(yùn)行的多顆衛(wèi)星及衛(wèi)星星座組成骨干通信網(wǎng)，具有覆蓋面積廣，組網(wǎng)靈活，建網(wǎng)快，不受地理環(huán)境的限制等突出特點(diǎn)?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)在國家安全、航空航天、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。隨著空間無線通信技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星不止可以同地面站建立連接，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間也可建立可靠的通信鏈路。因此衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)地面節(jié)點(diǎn)通信需要一條由源地面站到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，再從衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)到目的地面站的通信路徑。具體而言，是將數(shù)據(jù)先通過星地鏈路從源地面站上傳到可通信的衛(wèi)星，再通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的多跳中繼到達(dá)在目的地面站通信范圍內(nèi)的衛(wèi)星，最后通過星地鏈路成功回傳至目的地面站。

空間信息網(wǎng)絡(luò)存在著多種類型的傳輸任務(wù)，其端到端的時(shí)延約束有著較大差別。例如語音通話和高清視頻業(yè)務(wù)的端到端時(shí)延要小于250ms，這屬于時(shí)延敏感業(yè)務(wù)。而像氣候數(shù)據(jù)和南北極科考數(shù)據(jù)的回傳等這類對時(shí)延要求寬松的業(yè)務(wù)類型我們定性為時(shí)延容忍業(yè)務(wù)，此類業(yè)務(wù)的端到端時(shí)延要求往往為分鐘或者小時(shí)級別?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)可能需要同時(shí)傳輸這兩類業(yè)務(wù)，因此如果僅利用星間鏈路傳輸數(shù)據(jù)，大量的時(shí)延容忍業(yè)務(wù)傳輸會極大的占用星間鏈路無線資源，導(dǎo)致時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的時(shí)延抖動從而影響用戶體驗(yàn)。

傳統(tǒng)的空間信息網(wǎng)絡(luò)路由方法主要研究了如何在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間找一條最短路徑使得數(shù)據(jù)包傳輸?shù)亩说蕉藭r(shí)延最小，即最小跳數(shù)原則和最小費(fèi)用原則。該類方法在時(shí)間擴(kuò)展圖的基礎(chǔ)上，用存儲弧連通不同時(shí)間切片的星間鏈路，并優(yōu)先利用無線星間鏈路傳輸數(shù)據(jù)。但是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)往往需要承載各種不同時(shí)延約束的業(yè)務(wù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)存在大量時(shí)延容忍業(yè)務(wù)的傳輸需求時(shí)，依舊采用最小時(shí)延的路由方法將占用大量星間鏈路，并難以保證時(shí)延敏感任務(wù)的可靠傳輸，浪費(fèi)了衛(wèi)星存儲資源，加劇網(wǎng)絡(luò)擁塞并惡化了網(wǎng)絡(luò)性能。

同時(shí)也存在一部分利用衛(wèi)星存儲資源提升網(wǎng)絡(luò)的吞吐量的路由方法，其核心思想為：星間鏈路受天氣和干擾等因素的影響無法提供可靠的傳輸機(jī)會時(shí)，衛(wèi)星負(fù)責(zé)緩存數(shù)據(jù)并等待即將到來的傳輸機(jī)會。該方法有效提升了網(wǎng)絡(luò)吞吐量并節(jié)省了星間鏈路資源，但是該方法存在兩點(diǎn)問題。其一在于缺乏對任務(wù)時(shí)延約束的考慮，即沒有考慮被衛(wèi)星緩存的業(yè)務(wù)也需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成傳輸?shù)那闆r，這將導(dǎo)致某些數(shù)據(jù)的端到端時(shí)延過大而失去其時(shí)效性；其二在于該方法只是引入衛(wèi)星移動存儲來提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量，并未獲得衛(wèi)星存儲資源和星間鏈路資源最優(yōu)協(xié)作方式，浪費(fèi)了部分衛(wèi)星無線鏈路資源。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種面向任務(wù)時(shí)延約束的低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸方法，以優(yōu)化利用衛(wèi)星移動存儲和星間鏈路兩種資源，提升衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的性能。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下步驟:

(1)初始化衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)每條軌道上衛(wèi)星的集合為Sa＝{Sa₁,Sa₂,…,Sa_n,…,Sa_M}，其中第i顆衛(wèi)星記為Sa_i,i∈1,2,…,M，根據(jù)同軌道相鄰衛(wèi)星建鏈的規(guī)則，生成空間信息網(wǎng)絡(luò)中每條軌道上衛(wèi)星的拓?fù)潢P(guān)系；