[發明專利]一種基于非理想電池模型低軌道衛星網絡的鏈路調度方法

有效

• 申請號: 202110304606.4
• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號: CN113067628B
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發明（設計）人: 王寧波;徐曉斌;李曉理;張緯棟;吳君毅;余昊;彭召琦
• 申請（專利權）人: 天地信息網絡有限公司;北京工業大學
• 主分類號: H04B7/185
• 分類號: H04B7/185
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

本文提出了一種基于非理想電池模型低軌道衛星網絡的鏈路調度方法，用于解決低軌道衛星網絡中，衛星使用非理想電池模型下，如何高效使用能量的同時進行鏈路調度的問題。具體包括構建LEO網絡模型，得到網絡的全局信息，其中包括鏈路信息和數據流量需求信息；根據第一步得到的網絡的鏈路信息，建立傳輸集合，得到網絡中可以同時調度的鏈路集合；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一步得到每個時隙候選的傳輸集合；建立數學模型，得到最終的鏈路調度方法。本發明使得在最短時間內滿足鏈路上的數據流量需求，減少了數據傳輸過程中延遲，使得GS更加快速有效地接收來自衛星得數據。

技術領域

本文提出了一種在低軌道衛星網絡中，衛星使用非理想電池模型下的鏈路調度方法。

技術背景

在移動互聯網和航空航天技術高速發展的背景下，衛星網絡也得到了迅猛的發展，特別是低軌道LEO(Low Earth Orbiting)的小型衛星被發射到太空中來滿足商業領域和軍事領域不同的應用需求。LEO衛星是近地軌道衛星，只要2個小時左右的時間就可以繞地球一圈，LEO衛星具有數量多、運行速度快、體積較小、軌道高度低、傳輸延時較短、制造和發射成本低等特點。然而，LEO衛星運行速度快，與GS通信時間較短，依靠LEO衛星進行數據下載時，星間鏈路交互頻繁、鏈路交互時間短、衛星沒有辦法長期穩定地與地面站進行數據傳輸。另外，在LEO衛星系統中，衛星一般使用太陽能電池板供電，數據傳輸的過程與能量息息相關，因此，如何高效使用收集到的能量并且在最短的時間內將LEO衛星收集的數據傳輸到地面站GS(Ground Station)是一個值得研究和探討的問題。目前在LEO衛星網絡的研究中，能量收集和使用模型大多是理想型的，并未考慮電池的非理想特性，本發明將考慮電池的非理性特性，比如，充放電效率、能量泄漏速率和電池容量的有限性。在能量收集方面，網絡中的衛星利用太陽能板收集能量供電，馬爾可夫模型可以模擬衛星每個時隙收集到的能量值。衛星存在四種狀態：較差、均衡、很好和極好四種狀態，根據太陽輻照度，每個時隙衛星處于其中某一狀態。對于其中的任何一種狀態，衛星收集到的能量值服從的正態分布。衛星在當前狀態下可以一定的概率轉化為另一狀態。基于以上模型，可得衛星在每個時隙收集到的能量值。

發明內容

本文基于非理想的電池模型，提出了一種集中式的鏈路調度方法，用于解決如何高效使用能量的同時進行鏈路調度的問題。

第一步，構建LEO網絡模型，得到網絡的全局信息，其中包括鏈路信息和數據流量需求信息。

如圖1所示，用圖表示LEO衛星網絡，其中，/代表衛星集合，ε代表有向鏈路集合，(u,v)表示從衛星u到衛星v的一條有向鏈路，其中(u,v)∈ε，/系統時間按照時隙劃分，用t表示第t時隙，t屬于正整數，每個時隙設定為1秒鐘。每個源衛星有1個單位的數據需要傳輸至GS，并且按照最短路徑的路由方式傳遞數據，從而可以到網絡中的鏈路信息以及每條鏈路的數據流量需求F_uv。

第二步，根據第一步得到的網絡的鏈路信息，建立傳輸集合，得到網絡中可以同時調度的鏈路集合。

本發明中所有衛星工作在半雙工的通信模式下，每個衛星在每個時隙中只能和一個相鄰衛星進行通信。根據第一步得到的鏈路信息進行傳輸集合的建立，傳輸集合指的是在同一時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程如下：

Step 1：將網絡中的所有鏈路從小到大依次編號，放入一個鏈路集合中；

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