一种多层低轨卫星网络中跨层链路的建立方法

技术领域

本发明涉及卫星网络通信领域，特别涉及一种多层低轨卫星网络中跨层链路的建立方法。

背景技术

随着移动网络的广泛应用和航天技术的快速发展，卫星网络已成为通信网络的重要组成部分。近年来，低轨卫星网络朝着大规模、多层轨道面部署的方向发展，其具有相对较低的传输延迟和链路损耗，能更高效地构建全球连续覆盖网络。Starlink、Kuiper、OneWeb等众多多层低轨卫星星座被推出，为应急通信、偏远地区等应用提供了广域低时延通信。不同轨道面卫星之间形成的跨层轨间链路增大网络的传输效率，同时能减少传输跳数以优化时延。然而，在多层低轨卫星网络中，由于轨道间卫星节点的相对运动以及中间层卫星的遮挡等因素，导致跨层轨间链路极易发生中断。例如，由于链路两端节点的相对运动速度过大并且节点间距离超过彼此的传输范围而产生链路中断。此外，卫星节点和链路的资源条件有限也会导致链路频繁中断。例如，节点的缓存队列会随着网络中时变的数据流不断变化，当接收节点的剩余缓存队列不足以存储并处理接收的数据包时，节点转发失效；当链路受到衰落影响时，接收节点的接收信号强度过低，导致链路中断。因此，在多层低轨卫星网络场景中，星座的相对运动、节点规模和信道环境的复杂性都增加了跨层链路中断的概率，导致数据传输不连续，增加了时延和丢包率。可见，为降低卫星网络通信时延和提高网络可靠性，必须解决跨层轨间链路的动态问题。

当前对多层LEO卫星网络跨层链路的研究正处于起步阶段，面向多层LEO卫星网络的复杂性，研究者在建立跨层链路时侧重于考虑物理条件，即链路距离、角速度等节点的物理属性，缺少对空间环境、通信过程中数据包拥塞等因素考虑，存在跨层轨间链路失效的问题；此外，现有方法在筛选建链节点时，考虑了全局卫星节点，对所有卫星节点进行建链条件判断，增加了建链方法的复杂性。因此，需要一种有效的多层低轨卫星网络跨层链路的建立方法，在简化多层卫星网络结构的同时提高跨层链路可靠性，以保证可进行高可靠低时延的跨层数据传输。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种多层低轨卫星网络中跨层链路的建立方法，包括以下步骤：

S1、根据卫星的虚拟位置对卫星网络进行分区形成网格，并选择网格内上层星座中心节点作为主动建链节点；

S2、将链路通信距离、相对角速度、仰角作为影响跨层链路通断的物理条件，并作为节点选择约束条件；

S3、将链路传输信噪比、节点缓存队列、链路持续时间作为影响跨层链路通断的资源条件，并进行分析建模；

S4、使用多属性决策模型对节点资源各参数进行建模作为节点效用评估函数，计算节点各参数权重值，并从候选节点中选择效用值最大的节点与主动建链节点建立可靠跨层链路。

本发明的有益效果：

本发明提出一种多层低轨卫星网络中跨层链路的建立方法，在广域数据包传输时使用跨层链路可通过减少中继节点的个数来减少传输时延，通过增加传输路径及跨层链路质量来降低路由中断概率，保证数据的可靠传输。本发明还采用基于相关系数法和信息熵权法的博弈方法计算三个参数属性，针对参数指标的不同权重寻找一致性，保证决策结果更加准确，使得最终的链路建立结果更为可靠。

附图说明

图1是本发明多层卫星网络的通信场景图；

图2是本发明所述的一种多层低轨卫星网络中跨层链路的建立方法的流程图；

图3是本发明所述的虚拟位置分区图；

图4是本发明所述的卫星相对运动关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

多层LEO卫星网络场景如图1所示，卫星网络由于其全球覆盖特性，在诸多领域都有非常广泛的应用，例如，为偏远地区提供接入核心网服务；为灾后地区提供应急通信服务；为海上提供低时延高可靠通信服务。

如图2所示为多层低轨卫星网络中建立跨层链路的整体方案流程图，具体包括以下步骤：

S1：根据卫星的虚拟位置对卫星网络进行分区形成网格，并选择网格内上层星座中心节点作为主动建链节点；

由于卫星网络中节点规模大、跨层链路通断频繁等特点导致卫星网络架构复杂，建链算法复杂度高。因此，本文使用虚拟位置的概念减少网络中跨层链路的数量，同时不会影响全球范围内跨层链路的使用。如图3所示，虚拟位置将整个卫星网络划分成网格，网格的大小相等，并将最靠近网格位置中心的高轨道卫星作为主动建链卫星，与不同高度层的卫星建立跨层链路。

S2：将链路通信距离、相对角速度、仰角作为影响跨层链路通断的物理条件，并作为节点选择约束条件；

在多层低轨卫星网络中，跨层轨间链路的两端节点属于不同高度的轨道层，其链路距离、节点相对速度和节点相对角度会高度动态变化，导致跨层轨间链路通断频繁。因此，选择建链节点之前，需要充分刻画出卫星节点的运动特性。如图4所示，本发明实施例中从可见性、相对角速度以及仰角出发，对这三个物理条件进行建模，作为选择后文筛选建链节点的约束条件。

S3：将链路传输信噪比、节点缓存队列、链路持续时间作为影响跨层链路通断的资源条件，并进行分析建模；

在多层LEO卫星网络场景中，跨层轨间链路的通断也受节点和链路资源限制的影响。首先，从节点角度分析，接收节点的信噪比(Signal-Noise Ratio，SNR)需要大于接收阈值，以保证接收节点能够成功接收发送节点传输的数据；其次，网络节点需要有足够的缓存队列长度，才能对接收到的数据进行存储转发处理；最后，从链路角度分析，为保证网络架构的稳定性，应尽量选取持续时间长的链路作为跨层轨间链路。因此，本发明对SNR、缓存队列长度以及链路持续时间进行建模。

S4：使用多属性决策模型对节点资源各参数进行建模作为节点效用评估函数，计算节点各参数权重值，并从候选节点中选择效用值最大的节点与主动建链节点建立可靠跨层链路。

在所述步骤S2中：对通信距离、相对角速度、仰角三个物理参数进行建模并刻画跨层节点对的物理约束条件公式为：

U

其中，U

进一步的，节点i和节点j的可见性约束条件表示为：

其中，d

进一步的，卫星节点的通信半径d表示为：

其中，R

节点i和节点j的相对角速度约束条件表示为：

其中，w

进一步的，节点对在单位时间内的相对转向角为：

其中，

节点i和节点j的相对仰角约束条件表示为：

其中，相对仰角为El，定义为节点i在节点j所在轨道球面上的投影与节点i连接后和l

其中，v

在所述步骤S3中，跨层链路SNR表示为：

其中，P

进一步的，链路l

在所述步骤S3中，在t

其中，a为节点j在t

在所述步骤S3中，链路持续时间可表示为：

其中，D

使用多属性决策刻画的节点可靠性效用函数表示为：

s.t.C1 U

其中，U(v

而权重分配是确保效用函数有效性的关键，如果某个属性在所有链路上几乎没有差异，则意味着该属性对决策过程的影响很小，应赋予较小的权重。如果一个属性可以使所有链路的属性值产生较大偏差，则意味着它在决策和排序中起着重要作用，则需要赋予较大的权重。

在一些实施例中，可以采用层次分析法、主成分分析法、离差最大化法、信息熵法等现有技术中常规的多属性决策权重分配方法为节点可靠性效用函数分配权重，以实现对各个链路传输信噪比、节点缓存队列、链路持续时间的参数属性的准确刻画，提升跨层链路的可靠性。

在一些优选实施例中，本发明采用博弈的方法计算三个参数属性，针对参数指标的不同权重寻找一致性，保证决策结果更加准确，具体步骤包括：

采用基于相关系数法和信息熵权法的博弈方法确定出链路传输信噪比、节点缓存队列、链路持续时间的参数属性；根据各个属性对决策方案的影响定义相关系数，并使用所述相关系数对各个参数属性赋权，利用相关系数法得到各个参数属性的权重；采用信息熵权法得到各个参数属性的权重；对使用相关系数法得到的属性权重与使用信息熵权法得到的属性权重进行混合策略；通过博弈选择平衡点，构造拉格朗日函数计算得到最终的属性权重。

为了进一步说明上述实施例，本发明上述过程还可以包括如下过程：

步骤1：对决策矩阵进行归一化处理；

步骤2：确定博弈者、策略空间和效益函数。博弈者为主观赋权法和信息熵赋权法；策略空间是权重集，W＝W

步骤3：采用相关系数法确定决策属性的权值：

根据属性参数对整体方案的影响定义相关系数，并用相关系数对属性参数进行赋权：

使用相关系数来判断参数属性对整体方案的重要性，如果相关系数比较高，说明删除该属性会对决策产生重要影响，那么该属性被赋予高权重。

整体方案评估值为：

去掉属性

参数属性

其中

参数属性

根据相关系数法得到的权值：

步骤4：采用信息熵权法确定决策属性的权值：

方案对于属性参数

属性参数的信息熵为

信息偏差度为：

则相关参数权重可以表示为：

信息熵赋权法得到的权值：

步骤4：两种赋权法混合策略：

步骤5：通过博弈选择寻找平衡点，构造拉格朗日函数：

步骤5：对拉格朗日函数求偏导确定α和β，

步骤6：确定最优权重W＝αW

本实施例考虑了结合相关系数法和信息熵权法的博弈方法来为链路传输信噪比、节点缓存队列、链路持续时间赋予更为准确的权重，相关系数赋权法可以反映单个属性参数对整体决策的重要程度，信息熵赋权法可以反映各个属性参数之间的差异值，单独使用会出现与各个指标的实际重要程度有较大差异，通过博弈的方法，在两种赋权法之间找到最优的平衡点，得到最优权重。

本实施例考虑多个属性来解决卫星的链路建立问题，在广域数据包传输时使用跨层链路可通过减少中继节点的个数来减少传输时延，通过增加传输路径及跨层链路质量来降低路由中断概率，保证数据的可靠传输；本发明优选实施例通过将相关系数赋权法和信息熵赋权法进行博弈的方式确定各个属性的权重，使得赋权结果更具合理性。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。