一种低轨卫星网络数据调度方法、系统、设备及存储介质技术方案

本发明专利技术公开了一种低轨卫星网络数据调度方法、系统、设备及存储介质，本方法基于卫星网络，构建卫星网络时空演化图，并计算卫星网络时空演化图中的卫星网络链路的链路权重；根据卫星网络链路，构造卫星网络时空演化图的相关约束；根据卫星网络时空演化图、卫星网络时空演化图的相关约束和链路权重，采用任务调度方法对星上数据进行调度，获得未完成调度的数据调度任务和已完成调度的调度数据量最小的卫星；对已完成调度的调度数据量最小的卫星对应的未完成调度的数据调度任务进行迭代优化调度。本发明专利技术能够使各卫星的星上数据均匀地调度到地面网络中，在充分利用卫星网络链路资源的同时，提升了链路资源分配的均衡性。提升了链路资源分配的均衡性。提升了链路资源分配的均衡性。

【技术实现步骤摘要】
一种低轨卫星网络数据调度方法、系统、设备及存储介质


[0001]本专利技术涉及卫星通信
，尤其是涉及一种低轨卫星网络数据调度方法、系统、设备及存储介质。

技术介绍

[0002]低轨卫星网络数据调度问题，主要指如何将海量星上数据在有限的链路资源条件下调度到地面网络中，其主要难点在于卫星收发器资源的分配以及数据流分配。由于卫星收发器个数限制，卫星往往只能与有限个网络节点进行通信，如何选择卫星通信范围内的潜在链路，即将收发器资源分配给哪些潜在链路，从而构建真正的星地或星间通信链路，同时分配数据流在卫星网络中，目前已成为研究热点。
[0003]现有卫星网络数据调度技术主要利用处于地球同步轨道的特定卫星作为中继节点完成数据调度，即普通卫星不作为中继节点，通常只关注普通卫星与中继卫星间的链路选择，但其忽视了普通卫星的数据转发能力；个别研究关注到普通卫星的转发能力，但其解决CPD（Contact plan design）问题和制定数据流分配策略只在部分时隙内展开，即根据卫星与地面站可见性关系，将整个运行周期分成多个时域来简化问题，这种策略往往不能充分发挥卫星网络的数据调度性能，且不能以任务为单位进行数据调度，即不能确保一个调度任务中的数据被完整地传输到地面网络中，同时不能确保将链路资源均衡分配给网络中的各卫星节点。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种低轨卫星网络数据调度方法、系统、设备及存储介质，能够以任务为单位对星上数据进行调度，能够使各卫星的星上数据被均匀地调度到地面网络中，在充分利用卫星网络链路资源的同时，提升链路资源分配的均衡性。
[0005]第一方面，本专利技术实施例提供了一种低轨卫星网络数据调度方法，所述低轨卫星网络数据调度方法包括：步骤S100、基于卫星网络，构建卫星网络时空演化图，并计算所述卫星网络时空演化图中的卫星网络链路的链路权重；步骤S200、根据卫星网络链路，构造卫星网络时空演化图的相关约束；步骤S300、根据所述卫星网络时空演化图、所述卫星网络时空演化图的相关约束和所述链路权重，采用任务调度方法对星上数据进行调度，获得未完成调度的数据调度任务和已完成调度的调度数据量最小的卫星；步骤S400、对所述已完成调度的调度数据量最小的卫星对应的未完成调度的数据调度任务进行迭代优化调度。
[0006]与现有技术相比，本专利技术第一方面具有以下有益效果：本方法基于卫星网络，构建卫星网络时空演化图，并计算卫星网络时空演化图中
的卫星网络链路的链路权重；根据卫星网络链路特性，构造卫星网络时空演化图的相关约束；根据卫星网络时空演化图、卫星网络时空演化图的相关约束和链路权重，采用任务调度方法对星上数据进行调度，获得未完成调度的数据调度任务和已完成调度的调度数据量最小的卫星；为了使各卫星的星上数据被均匀地调度到地面网络中，提升链路资源分配的均衡性，对已完成调度的调度数据量最小的卫星对应的未完成调度的任务进行迭代优化调度。本方法通过卫星网络时空演化图、卫星网络时空演化图的相关约束和链路权重，采用任务调度方法对数据调度任务进行任务调度，实现了以任务为单位进行数据调度；对已完成调度的调度数据量最小的卫星对应的未完成调度的数据调度任务进行迭代优化调度，使各卫星的星上数据被均匀地调度到地面网络中，在充分利用卫星网络链路资源的同时，提升了链路资源分配的均衡性。
[0007]根据本专利技术的一些实施例，根据所述卫星网络链路，构造所述卫星网络时空演化图的相关约束，包括：设置一组变量；根据所述卫星网络链路和所述变量，通过如下公式构造链路之间的竞争约束为：其中，表示一条链路是否被建立，表示存储各链路建立状态的数组，表示链路的值。
[0008]根据本专利技术的一些实施例，根据所述卫星网络链路，构造所述卫星网络时空演化图的相关约束，还包括：根据所述卫星网络链路，通过如下公式构造链路容量约束：其中，表示i节点，表示j节点，表示对应数据调度任务的一组数据流，表示时隙t内可传输最大数据量，表示卫星节点到卫星节点的星间链路，表示卫星节点到地面站节点的星地链路。
[0009]根据本专利技术的一些实施例，所述低轨卫星网络数据调度方法，还包括：给每个数据调度任务分配队首指针，所述队首指针用于指向每个数据调度任务队列的队首；将每个卫星的数据调度任务插入到对应的数据调度任务队列中；
根据每个数据调度任务的延迟要求，将每个所述数据调度任务进行递增排序，以使所述队首指针指向延迟要求最小的数据调度任务。
[0010]根据本专利技术的一些实施例，所述计算所述卫星网络时空演化图中的卫星网络链路的链路权重，包括：计算所述卫星节点对地数据传输的能力值：其中，表示已经分配在链路上的数据总量，表示一条星地链路的剩余容量，表示一个时隙内每条星地链路可传输数据的最大量，表示一个卫星节点在一个运行周期内传输数据到地面站节点的能力值，表示一个时隙内卫星节点与地面站节点之间存在的所有机会星地链路中剩余容量最大的容量值，表示星地链路，表示对应数据调度任务的一组数据流，TM表示任务组；根据所述卫星节点对地数据传输的能力值和所述星地链路的剩余容量，计算每条所述星间链路的权重，计算公式为:其中，表示星间链路，表示卫星节点对地数据传输的能力值，表示卫星节点对地数据传输的能力值，表示一条星间链路的剩余容量，与为预设值。
[0011]根据本专利技术的一些实施例，所述根据所述卫星网络时空演化图、所述卫星网络时空演化图的相关约束和所述链路权重，采用任务调度方法对星上数据进行调度，包括：步骤S310、初始化数据流分配的三维矩阵X内元素均为0、存储各数据调度任务完成状态的数组内元素均为0以及存储各链路建立状态的数组内元素均为1；步骤S320、根据卫星已经完成调度的数据量，对所述卫星对应的数据调度任务队列进行排序，若所有数据调度任务队列均为空，则结束任务调度；若有数据调度任务队列不为空，则在所有非空数据调度任务队列中，找到已完成调度的数据量最小的卫星对应的数据调度任务队列，并将所述已完成调度的数据量最小的卫星对应的数据调度任务队列的队首任务设为，并复制当前的、和保存为、和；步骤S330、在所述卫星网络时空演化图中去除剩余容量为0的所有链
路后，利用迪杰斯特拉方法，在子图中找到起始节点到终止节点的最短路径sr，路径长度为链路的链路权重；若最短路径sr存在，执行步骤S340；若最短路径sr不存在，则移除对应的数据调度任务队列，将、和中的元素值均置为、和中对应的元素值，并返回步骤S320；步骤S340、计算步骤S330中得到的最短路径sr的路径容量，路径容量为最短路径上链路剩余容量最小的链路的容量值；步骤S350、在最短路径上分配数据流，对最短路径sr中的每一条链路，使，并依据链路之间的竞争约束，更新卫星网络时空演化图中与最短路径sr发生冲突的链路的值，并更新时空演化图中的链路权重；步骤S360、若，则置，，移除对应的数据调度任务队列，并返回执行步骤S320；若，则令，返回执行步骤S330。
[0012]根据本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低轨卫星网络数据调度方法，其特征在于，所述低轨卫星网络数据调度方法包括：步骤S100、基于卫星网络，构建卫星网络时空演化图，并计算所述卫星网络时空演化图中的卫星网络链路的链路权重；步骤S200、根据卫星网络链路，构造卫星网络时空演化图的相关约束；步骤S300、根据所述卫星网络时空演化图、所述卫星网络时空演化图的相关约束和所述链路权重，采用任务调度方法对星上数据进行调度，获得未完成调度的数据调度任务和已完成调度的调度数据量最小的卫星；步骤S400、对所述已完成调度的调度数据量最小的卫星对应的未完成调度的数据调度任务进行迭代优化调度。2.根据权利要求1所述的低轨卫星网络数据调度方法，其特征在于，根据所述卫星网络链路，构造所述卫星网络时空演化图的相关约束，包括：设置一组变量；根据所述卫星网络链路和所述变量，通过如下公式构造链路之间的竞争约束为：其中，表示一条链路是否被建立，表示存储各链路建立状态的数组，表示链路的值。3.根据权利要求2所述的低轨卫星网络数据调度方法，其特征在于，根据所述卫星网络链路，构造所述卫星网络时空演化图的相关约束，还包括：根据所述卫星网络链路，通过如下公式构造链路容量约束：其中，表示i节点，表示j节点，表示对应数据调度任务的一组数据流，表示时隙t内可传输最大数据量，表示卫星节点到卫星节点的星间链路，表示卫星节点到地面站节点的星地链路。4.根据权利要求1所述的低轨卫星网络数据调度方法，其特征在于，所述低轨卫星网络数据调度方法，还包括：给每个数据调度任务分配队首指针，所述队首指针用于指向每个数据调度任务队列的
队首；将每个卫星的数据调度任务插入到对应的数据调度任务队列中；根据每个数据调度任务的延迟要求，将每个所述数据调度任务进行递增排序，以使所述队首指针指向延迟要求最小的数据调度任务。5.根据权利要求3所述的低轨卫星网络数据调度方法，其特征在于，所述计算所述卫星网络时空演化图中的卫星网络链路的链路权重，包括：计算所述卫星节点对地数据传输的能力值：其中，表示已经分配在链路上的数据总量，表示一条星地链路的剩余容量，表示一个时隙内每条星地链路可传输数据的最大量，表示一个卫星节点在一个运行周期内传输数据到地面站节点的能力值，表示一个时隙内卫星节点与地面站节点之间存在的所有机会星地链路中剩余容量最大的容量值，表示星地链路，表示对应数据调度任务的一组数据流，TM表示任务组；根据所述卫星节点对地数据传输的能力值和所述星地链路的剩余容量，计算每条所述星间链路的权重，计算公式为:其中，表示星间链路，表示卫星节点对地数据传输的能力值，表示卫星节点对地数据传输的能力值，表示一条星间链路的剩余容量，与为预设值。6.根据权利要求5所述的低轨卫星网络数据调度方法，其特征在于，所述根据所述卫星网络时空演化图、所述卫星网络时空演化图的相关约束和所述链路权重，采用任务调度方法对星上数据进行调度，包括：步骤S310、初始化数据流分配的三维矩阵X内元素均为0、存储各数据调度任务完成状态的数组内元素均为0以及存储各链路建立状态的数组内元素均为1；步骤S320、根据卫星已经完成调度的数据量，对所述卫星对应的数据调度任务队列进行排序，若所有数据调度任务队列均为空，则结束任务调度；若有数据调度任务队列不为空，则在所有非空数据调度任务队列中，找到已完成调度的数据量最小的卫星对应的数据调度任务队列，并将所述已完成调度的数据量最小的卫星对应的数据调度任务队列的队首
任务设为，并复制当前的、和保存为、和；步骤S330、在所述卫星网络时空演化图中去除剩余容量为0的所有链路后，利用迪杰斯特拉方法，在子图中找到起始节点到终止节点的最短路径sr，路径长度为链路的链路权重；若最短路径sr存在，执行步骤S340；若最短路径sr不存在，则移除对应的数据调度...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金焕，丁锐，陈祥威，龙军，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：