[發(fā)明專(zhuān)利]基于拉格朗日松弛的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙分配與路由規(guī)劃方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010821890.8
• 申請(qǐng)日: 2020-08-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111970044B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-03-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬若飛;曹坤梅;劉功亮;王瑞松;康文靜;鐘志聰
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）
• 主分類(lèi)號(hào): H04B7/185
• 分類(lèi)號(hào): H04B7/185;H04L45/30;H04L47/2425
• 代理公司: 威海科星專(zhuān)利事務(wù)所 37202
• 代理人: 初姣姣

本發(fā)明涉及衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種能夠有效降低動(dòng)態(tài)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)隙分配與路由規(guī)劃復(fù)雜度的基于拉格朗日松弛的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙分配與路由規(guī)劃方法，針對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，包含多個(gè)軌道，整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由N個(gè)衛(wèi)星組成，對(duì)于給定的一個(gè)周期[0,T^*]，首先將整個(gè)周期劃分為多個(gè)時(shí)隙T＝{t|t＝0,1,2,...,T}，每個(gè)時(shí)隙的持續(xù)時(shí)間為2△τ；與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用了時(shí)間演化圖的方法，將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性變化刻畫(huà)在一張靜態(tài)圖上，著重考慮了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的資源限制條件，并提出了一種基于最大加權(quán)匹配的建鏈方法，降低求解算法的復(fù)雜度，同時(shí)提出了不同優(yōu)先級(jí)任務(wù)的路由規(guī)劃，從仿真結(jié)果來(lái)看具有顯著進(jìn)步。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種能夠有效降低動(dòng)態(tài)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)隙分配與路由規(guī)劃復(fù)雜度的基于拉格朗日松弛的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙分配與路由規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

相對(duì)于地面網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋面超廣、速度快等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。盡管衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費(fèi)用昂貴，但因其具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，一直是熱門(mén)研究方向。一方面，雖然5G網(wǎng)絡(luò)正在不斷完善，但邊緣地區(qū)以及海上用戶(hù)服務(wù)一直沒(méi)能得到很好地解決，考慮到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣的優(yōu)勢(shì)，一些學(xué)者致力于研究衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)相融的一體化網(wǎng)絡(luò)以便于獲得更好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。另一方面，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與人們的生活息息相關(guān)，具有不可替代的位置，例如，導(dǎo)航服務(wù)、地球觀(guān)測(cè)、深空探測(cè)等。

然而對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的研究也存在著一些挑戰(zhàn)，這些難點(diǎn)成為限制網(wǎng)絡(luò)效率的重點(diǎn)，具體如下：(1)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性：每個(gè)衛(wèi)星都按照自己的軌道進(jìn)行周期性的運(yùn)動(dòng)，因此衛(wèi)星之間的相對(duì)位置是動(dòng)態(tài)變化的，也就是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫菚r(shí)變的；考慮到地球的遮擋，這種動(dòng)態(tài)性會(huì)影響到衛(wèi)星間的可見(jiàn)性，從而使得鏈路被迫中斷，進(jìn)而對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生巨大影響。(2)資源極其受限：衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的資源相比地面網(wǎng)絡(luò)是極其匱乏，比如，能量方面只能依靠太陽(yáng)能自給自足；由于轉(zhuǎn)換器的限制，衛(wèi)星只能與部分可見(jiàn)衛(wèi)星建鏈；計(jì)算能力有限，只能處理一定數(shù)量的數(shù)據(jù)。因此如何充分利用有限的資源是關(guān)鍵性的問(wèn)題。正如上面所說(shuō)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性刻畫(huà)一直是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。作為新興的方法，時(shí)間演化圖是當(dāng)前最有效的工具之一。現(xiàn)有技術(shù)中，在小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的資源沖突分析框架下，首先將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)周期劃分為多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙假設(shè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫遣蛔兊模藭r(shí)每個(gè)時(shí)隙的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢韵鄳?yīng)地轉(zhuǎn)換為一個(gè)靜態(tài)圖。考慮到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)“接收-儲(chǔ)存-轉(zhuǎn)發(fā)”的特殊機(jī)制，引進(jìn)了儲(chǔ)存弧來(lái)將每個(gè)時(shí)隙的靜態(tài)圖連接起來(lái)，從而形成一個(gè)整體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，利用時(shí)間演化圖，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的任務(wù)調(diào)度問(wèn)題包括衛(wèi)星建鏈與任務(wù)路由等，時(shí)間演化圖通過(guò)連接方法將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓坍?huà)為一張靜態(tài)圖，對(duì)于這樣的一個(gè)靜態(tài)圖，許多圖理論中的知識(shí)都可以直接運(yùn)用。然而，網(wǎng)絡(luò)圖的規(guī)模隨之增加，時(shí)隙劃分越小，周期越長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)圖規(guī)模越大，復(fù)雜度越高。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和不足，提出了一種能夠有效降低動(dòng)態(tài)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)隙分配與路由規(guī)劃復(fù)雜度的基于拉格朗日松弛的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙分配與路由規(guī)劃方法。

本發(fā)明可以通過(guò)以下措施達(dá)到：

一種基于拉格朗日松弛的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙分配方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：獲取待處理衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的以下數(shù)據(jù)：初始的權(quán)重矩陣，拉格朗日乘子，時(shí)間長(zhǎng)度T，最大迭代次數(shù)I_max，門(mén)限值ε，衛(wèi)星可見(jiàn)性分析表；

步驟2：根據(jù)步驟1所獲取的數(shù)據(jù)輸出每個(gè)時(shí)隙的衛(wèi)星匹配建鏈表；步驟3：更新權(quán)重矩陣，t取值為1至T，i指衛(wèi)星，i取值范圍為1至I_max，具體包括四種不同情況：

步驟3-1：不重復(fù)鏈路建立，最終權(quán)重賦值數(shù)學(xué)表達(dá)為：

其中a是一個(gè)正常數(shù)來(lái)表示時(shí)間的范圍；

步驟3-2：跨軌道建鏈權(quán)重賦值規(guī)則表示如下：

步驟3-3：短距離建鏈權(quán)重賦值數(shù)學(xué)表示如下：