一种适用于星地网络的基于超边的时间演进图设计方法技术

本发明专利技术提出了一种适用于星地网络的基于超边的时间演进图设计方法，实现步骤为：构建星地网络的拓扑结构；构建星地网络的拓扑矩阵A；获取星地网络的超边集J、通信弧集W和存储弧集Z；绘制基于超边集J的时间演进图。本发明专利技术通过超边呈现节点空间的相关性，表征了星地网络中的计算、通信和存储资源的时变特征，用于解决现有技术中存在的星地网络对多维时变资源管理复杂度较高的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于星地网络的基于超边的时间演进图设计方法
本专利技术属于6G通信
，涉及一种时间演进图的设计方法，特别涉及一种适用于星地网络的基于超边的时间演进图设计方法，可用于星地网络中不同域内的存储、计算、通信资源的统一化表征和管理。
技术介绍
星地网络将促进将地面、机载和卫星网络集成到单个6G无线系统中，它由多类具有不同计算、存储、通信资源的卫星节点和地面站节点，以及卫星间的星间链路和卫星与地面站的星地链路构成，可为航空，航海，救援等广泛领域的某些特定服务可提供有效的连接。卫星周期性的运动导致变化的通信链路使得星地网络具有区别于传统网络的动态拓扑特征，传统的图适用于固定节点的拓扑构型，描述静态的资源特征，但在动态的星地网络环境中，资源本质上是有限的，不能表征资源的时变特性，特别是网络拓扑不断变化导致通信资源的变化。不同于传统的图结构，时间演进图可表征动态的移动节点和通信链路。时间演进图可依据时隙的划分绘制每个时隙内部的节点及通信弧，以及时隙间的存储弧，来表征动态的移动节点和通信链路，从而表征节点具备的时变的多维资源。对现有文献检索发现，申请公布号为CN106100718A,名称为“基于时变图的空间信息网络资源表征方法”的专利申请，公开了一种用于空间信息网络资源表征的时间演进图，以实现对动态网络环境下多维资源的时空二维表征，但该时间演进图的拓扑构型并没有考虑到实际网络场景下部分节点之间基于空间位置具有强的空间相关性，而且不同时隙下的节点数量庞大，使得其整体表征复杂度变大，从而使得网络基于任务对资源的管理复杂程度呈现指数级的爆炸式增长。为此迫切需要一种新型的网络拓扑构型来准确地表征星地网络的多维资源，并保证在此构型上资源管理的复杂性较低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种适用于星地网络的基于超边的时间演进图设计方法，用于解决现有技术中存在的星地网络对多维时变资源管理复杂度较高的技术问题。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案包括如下步骤：(1)构建星地网络的拓扑结构：构建包括N个观测卫星节点S＝{si|1≤i≤N}、M个中继卫星节点R＝{rj|1≤j≤M}和P个地面站节点G＝{gk|1≤k≤P}的星地网络，其中，N＞0，si表示第i个具有计算资源、通信资源和存储资源的观测卫星节点，M＞0，rj表示第j个具有通信和存储资源的中继卫星节点，P＞0，gk表示第k个具有通信资源和存储资源的地面站节点；(2)构建星地网络的拓扑矩阵A；(2a)初始化星地网络的运行时间长度为T，并将T划分为L个长度为τ的时隙，构成时隙集合Q＝{qt|1≤t≤L}，其中，L≥1，τ＝T/L；(2b)在每个时隙qt下，根据卫星工具包STK获取S中每两个观测卫星节点sa与sb的通信链路容量集a,b∈N，R中每两个中继卫星节点rc与rd的通信链路容量集c,d∈M，G中每两个地面站节点ge与gf的通信链路容量集e,f∈P，S中每个观测卫星节点si与R中每个中继卫星节点rj的通信链路容量集S中每个观测卫星节点si与G中每个地面站节点gk的通信链路容量集R中每个中继卫星节点rj与G中每个地面站节点gk的通信链路容量集并通过和构建星地网络的拓扑矩阵A：(3)获取星地网络的超边集J、通信弧集W和存储弧集Z；(3a)将地面均匀划分为X个网格O＝{ou|1＜u＜X}，并将覆盖ou的所有观测卫星节点和中继卫星节点，以及位于ou上的地面站节点构成ou的节点集Yu，其中，2≤X≤M+N+P，ou表示第u个网格；(3b)将节点集Yu中包含在星地网络的拓扑矩阵A中的所有节点形成的通信链路作为网格ou的超边，得到O对应的超边集J＝{ρu|1＜u＜X}，并将A中除J以外的通信链路作为通信弧集其中，ρu表示ou的超边，βθ表示第θ个通信弧；(3c)将包含在星地网络拓扑矩阵A中每个时隙qt与相邻时隙qt+1每个观测卫星节点si连接形成的通信链路集每个中继卫星节点rj连接形成的通信链路集和每个地面站节点gk连接形成的通信链路集组合成存储弧集Z＝{ασ|1≤σ≤(M+N+P)·(L-1)}，其中，ασ表示第σ个存储弧；(4)绘制基于超边集J的时间演进图；(4a)初始化层数与星地网络的运行时间长度T相同的空白有向图；(4b)将N个观测卫星节点S＝{si|1≤i≤N}、M个中继卫星节点R＝{rj|1≤j≤M}和P个地面站节点G＝{gk|1≤k≤P}分别添加到空白有向图每个时隙qt对应的层中，并对有向图第t层的每个观测卫星节点si标注为每个中继卫星节点rj标注为每个地面站节点gk标注为得到带有节点标识的有向图；(4c)根据超边集J中的每个超边ρu、通信弧集W中的每个通信弧βθ和存储弧集Z中的每个存储弧ασ各节点与带有节点标识的有向图中各节点标识的对应关系，将ρu、βθ和ασ添加到带有节点标识的有向图中，得到基于超边的时间演进图。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1.本专利技术根据星地网络的拓扑矩阵，通过均匀划分地面区域网格，构造超边集，并将超边集、通信弧集和存储弧集添加到时空二维有向图中，得到基于超边的时间演进图，超边表征了网络中动态节点的空间相关性，与现有技术相比，有效降低了星地网络时变资源的表征复杂度。2.本专利技术依据在基于超边的时间演进图中的各类节点集和弧集，表征了星地网络中时变的计算、通信和存储资源，以及不同资源的承接转化关系，可将资源管理问题转换为基于超边的时间演进图的网络流问题，使得在搜索资源管理的最优解过程中可定向搜索，减少穷举的次数，降低网络对多维时变资源管理的复杂度。附图说明图1是本专利技术的实现流程图。图2是本专利技术所构建的星地网络拓扑结构图。图3是本专利技术实施例所绘制的基于超边集J的时间演进图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例，对本专利技术作进一步的详细描述：参照图1，本专利技术包括如下步骤：步骤1)构建星地网络的拓扑结构：构建如图2所示的包括N个观测卫星节点S＝{si|1≤i≤N}、M个中继卫星节点R＝{rj|1≤j≤M}和P个地面站节点G＝{gk|1≤k≤P}的星地网络，其中，N＞0，si表示第i个具有计算资源、通信资源和存储资源的观测卫星节点，M＞0，rj表示第j个具有通信和存储资源的中继卫星节点，P＞0，gk表示第k个具有通信资源和存储资源的地面站节点，本实施例N＝2，M＝2，P＝2，其中每两个卫星节点之间可构成星间链路，在图2中表示为黑色虚线，每个卫星节点与每个地面站之间可构成星地链路，在图2中表示为闪电状链路，星间链路和星地链路具有的间歇性但可预测的通信连接；当观测任务到达时，观测卫星首先可以接收任务并收集指定目标的图像数据，并使用计算资源压缩数据，并可以利用存储携带和转发机制将数据下载到地面站。步骤2)构建星地网络的拓扑矩阵A；步骤2a)初始化星地网络的运行时间长度为T，并将T划分为L个长度为τ的时隙，构成时隙本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于星地网络的基于超边的时间演进图设计方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)构建星地网络的拓扑结构：/n构建包括N个观测卫星节点S＝{s

【技术特征摘要】
1.一种适用于星地网络的基于超边的时间演进图设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)构建星地网络的拓扑结构：
构建包括N个观测卫星节点S＝{si|1≤i≤N}、M个中继卫星节点R＝{rj|1≤j≤M}和P个地面站节点G＝{gk|1≤k≤P}的星地网络，其中，N＞0，si表示第i个具有计算资源、通信资源和存储资源的观测卫星节点，M＞0，rj表示第j个具有通信和存储资源的中继卫星节点，P＞0，gk表示第k个具有通信资源和存储资源的地面站节点；
(2)构建星地网络的拓扑矩阵A；
(2a)初始化星地网络的运行时间长度为T，并将T划分为L个长度为τ的时隙，构成时隙集合Q＝{qt|1≤t≤L}，其中，L≥1，τ＝T/L；
(2b)在每个时隙qt下，根据卫星工具包STK获取S中每两个观测卫星节点sa与sb的通信链路容量集R中每两个中继卫星节点rc与rd的通信链路容量集G中每两个地面站节点ge与gf的通信链路容量集S中每个观测卫星节点si与R中每个中继卫星节点rj的通信链路容量集S中每个观测卫星节点si与G中每个地面站节点gk的通信链路容量集R中每个中继卫星节点rj与G中每个地面站节点gk的通信链路容量集并通过和构建星地网络的拓扑矩阵A：



(3)获取星地网络的超边集J、通信弧集W和存储弧集Z；
(3a)将地面均匀划分为X个网格O＝{ou|1＜u＜X}，并将覆盖ou的所有观测卫星节点和中继卫星节点，以及位于ou上的地面站节点构成ou的节点集Yu，其中，2≤X≤M+N+P，ou表示第u个网格；
(3b)将节点集Yu中包含在星地网络的拓扑矩阵A中的所有节点形成的通信链路作为网格ou的超边，得到O对应的超边集J＝{ρu|1＜u＜X}，并将A中除J以外的通信链路作为通信弧集其中，ρu表示ou的超边，βθ表示第θ个...

【专利技术属性】
技术研发人员：周笛，郝琪，盛敏，李建东，史琰，白卫岗，贺红梅，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61