[發(fā)明專利]一種基于非理想電池模型低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的鏈路調(diào)度方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110304606.4
• 申請(qǐng)日: 2021-03-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113067628B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-03-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王寧波;徐曉斌;李曉理;張緯棟;吳君毅;余昊;彭召琦
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天地信息網(wǎng)絡(luò)有限公司;北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H04B7/185
• 分類號(hào): H04B7/185
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

1.一種基于非理想電池模型低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的鏈路調(diào)度方法，所有衛(wèi)星工作在半雙工的通信模式下，每個(gè)衛(wèi)星在每個(gè)時(shí)隙中只能和一個(gè)相鄰衛(wèi)星進(jìn)行通信，其特征在于包括以下步驟：

第一步，構(gòu)建LEO網(wǎng)絡(luò)模型，得到網(wǎng)絡(luò)的全局信息，其中包括鏈路信息和數(shù)據(jù)流量需求信息；

用圖表示LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，其中，/代表衛(wèi)星集合，ε代表有向鏈路集合，(u,v)表示從衛(wèi)星u到衛(wèi)星v的一條有向鏈路，其中(u,v)∈ε，/系統(tǒng)時(shí)間按照時(shí)隙劃分，用t表示第t時(shí)隙，t屬于正整數(shù)，每個(gè)時(shí)隙設(shè)定為1秒鐘，每個(gè)源衛(wèi)星有1個(gè)單位的數(shù)據(jù)需要傳輸至GS，并且按照最短路徑的路由方式傳遞數(shù)據(jù)，從而可以到網(wǎng)絡(luò)中的鏈路信息以及每條鏈路的數(shù)據(jù)流量需求F_uv；

第二步，根據(jù)第一步得到的網(wǎng)絡(luò)的鏈路信息，建立傳輸集合，得到網(wǎng)絡(luò)中可以同時(shí)調(diào)度的鏈路集合；

根據(jù)第一步得到的鏈路信息進(jìn)行傳輸集合的建立，傳輸集合指的是在同一時(shí)間滿足一定條件的情況下可以共存的鏈路組成的集合，每一個(gè)傳輸集合中可以包含一條或多條鏈路；

傳輸集合建立的具體過(guò)程如下：

Step 1：將網(wǎng)絡(luò)中的所有鏈路從小到大依次編號(hào)，放入一個(gè)鏈路集合中；

Step 2：在鏈路集合中選出編號(hào)最小的鏈路，放入一個(gè)傳輸集合中，建立起包含該編號(hào)鏈路的第一個(gè)傳輸集合，隨后，將該鏈路從鏈路集合中刪除；

Step 3：再創(chuàng)建多個(gè)新的傳輸集合，每個(gè)傳輸集合中都包含step 2中編號(hào)最小的鏈路，然后在鏈路集合中挑選編號(hào)比其大的鏈路分別逐個(gè)放入新的傳輸集合中，隨后驗(yàn)證這兩條鏈路是否共存，驗(yàn)證方法通過(guò)求解一個(gè)線性規(guī)劃(Linear Programming，LP)問(wèn)題進(jìn)行判斷；若可以共存，則傳輸集合建立成功；

Step 4：重復(fù)Step 2-Step 3，直到網(wǎng)絡(luò)中的最大編號(hào)的鏈路也建立完傳輸集合為止；

其中，LP問(wèn)題的具體描述如下：

LP問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)(1-1)的最終目的是最小化傳輸集合中的總傳輸功率，決策變量為傳輸集合中衛(wèi)星的傳輸功率，其中表示第i個(gè)傳輸集合，/表示在傳輸集合/中鏈路(u,v)上發(fā)送衛(wèi)星u的傳輸功率；式子(1-2)表示傳輸功率必須在給定的范圍內(nèi)，P_min和P_max分別為衛(wèi)星的最小和最大傳輸功率；式子(1-3)約束傳輸集合中的鏈路必須滿足SINR閾值的約束條件，設(shè)定SINR閾值為α，不等式右側(cè)用于計(jì)算傳輸集合中鏈路的信號(hào)與干擾加噪聲比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)，其中g(shù)_uv為衛(wèi)星u到衛(wèi)星v之間的信道增益，σ為環(huán)境噪聲；通過(guò)求解上述的LP問(wèn)題，若線性規(guī)劃問(wèn)題可解，則表示傳輸集合建立成功，反之，則建立失敗；

第三步，基于非理想的電池模型，確立選擇傳輸集合的約束條件，從第二步建立的傳輸集合中進(jìn)一步得到每個(gè)時(shí)隙候選的傳輸集合；

其中，選擇某個(gè)傳輸集合的約束條件是該集合中鏈路上發(fā)送衛(wèi)星需要有足夠的能量進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，用下式表示，

其中，

表示衛(wèi)星u在第t時(shí)隙收集到的能量；

η表示充放電效率，η∈(0,1)；

電池中能量變化如下式表示，

ξ表示能量泄露率，ξ∈(0,1)；

B_max表示有限的容量；

衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)的能量消耗計(jì)算公式如下，

二進(jìn)制變量表示在第t時(shí)隙是否選擇傳輸集合/

表示建立的傳輸集合個(gè)數(shù)；

每個(gè)時(shí)隙至多選擇一個(gè)傳輸集合，故有如下約束條件，

在每一個(gè)時(shí)隙，當(dāng)傳輸集合中的所有鏈路發(fā)送衛(wèi)星的能量滿足上述約束條件，則該傳輸集合為該時(shí)隙的候選傳輸集合；

第四步，建立數(shù)學(xué)模型，得到最終的鏈路調(diào)度方法；

鏈路調(diào)度問(wèn)題模型化為混合整數(shù)線性規(guī)劃MILP(Mix Integer Linear Programming)問(wèn)題進(jìn)行求解，如下所示，

以及前述公式(1-4)-(1-7)

MILP問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)(1-8)中二進(jìn)制變量λ^t∈{0,1}標(biāo)志所有鏈路的數(shù)據(jù)流量需求是否被滿足，T是一個(gè)大正整數(shù)，若在第t時(shí)隙未完成，λ^t＝1；若在第t時(shí)隙已完成，λ^t＝0；此優(yōu)化問(wèn)題的決策變量為決定了每個(gè)時(shí)隙網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)鏈路的調(diào)度情況；式子(1-9)利用香農(nóng)公式求得傳輸集合中鏈路上衛(wèi)星的傳輸功率，/表示傳輸集合/中鏈路(u,v)上衛(wèi)星u的傳輸速率，W為信道帶寬；式子(1-10)中λ^t標(biāo)記每條鏈路的數(shù)據(jù)流量需求是否得到滿足；

GS通過(guò)以上步驟，使用Gurobi優(yōu)化器求解MILP問(wèn)題，從而得到網(wǎng)絡(luò)路徑上數(shù)據(jù)流量的分配和每個(gè)時(shí)隙傳輸集合的選擇，GS將求解得出高效的鏈路調(diào)度方法傳輸至網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)衛(wèi)星，衛(wèi)星按照鏈路調(diào)度方法傳輸數(shù)據(jù)至GS。