一种空间指向性网络的拓扑规划方法

技术领域

本发明涉及卫星领域，尤其涉及一种空间指向性网络的拓扑规划方法。

背景技术

近年来，星间激光链路在卫星通信技术中得到了广泛应用，主要得益于其高带宽、强抗干扰能力和优越的信噪比等特点。区别于传统的微波通信链路，星间激光链路具有高度指向性，通过卫星上的激光通信终端之间建立直接点对点连接，实现了高效的通信传输。此类有高度指向性的星间链路组成的卫星网络可被称为空间指向性网络。然而在空间指向性网络中，受限于卫星资源的有限性，每颗卫星只能搭载有限数量的指向性通信终端，从而导致了在任意时刻卫星之间可建立的星间链路数量有所限制。

在空间指向性网络中，针对每颗卫星的链路分配方案直接影响着整体网络拓扑结构的形成。值得注意的是，由于星间指向性通信涉及获取、跟踪、指向等多个过程，因此无法快速实现链路的切换。当空间指向性网络拓扑状态切换时，可能会触发多个星间指向性链路的切换，进而导致部分空间指向性网络隔离，从而可能引发通信短暂中断的问题。因此，合理有效的拓扑规划方案至关重要，可以直接提升空间指向性网络的通信性能和稳定性。

针对此问题，董明佶等（董明佶, 林宝军, 刘迎春, 周黎莎. 基于多目标模拟退火算法的导航卫星激光星间链路拓扑动态优化[J]. 中国激光, 2018, 45(07):217-228.）基于多目标模拟退火算法，对卫星激光链路网络拓扑规划做了很多研究工作；F. Zheng等（F. Zheng and G. Lu, “Grouping Asynchronous Link Switching Method inSatellite Optical Network,” International Conference on OpticalCommunications and Networks (ICOCN), Qufu, China, 2021, pp. 1-3.）提出了分组异步链路切换方法。然而，这些研究仍存在以下两点不足：

（1） 在空间指向性网络的建立过程中，常常忽略了网络通信具有高度指向性特点这一重要因素。例如，星间指向性链路建立需要同时考虑通信距离和指向性通信终端的精确指向要求。这意味着只有在卫星上搭载的指向性通信终端之间存在可见性时，两颗卫星之间的通信链路才能得以建立。

（2） 在整个拓扑规划周期内，往往忽略了空间指向性网络中相邻时隙的拓扑规划结果间因与卫星建立星间链路的对象卫星发生变化所产生的链路切换影响。链路切换过程中的传输中断可能导致数据丢失，进而影响数据的完整性和准确性。此外，链路切换还可能引起卫星重新获取、跟踪和指向，增加了卫星能源和资源的消耗。此外，链路切换导致的通信中断，也会影响到实时性要求较高的业务的正常进行。这些因素对于空间指向性网络的性能和稳定性均具有重要影响。

发明内容

发明目的：针对在空间指向性网络模型建立中忽略了指向性特点，以及未考虑相邻时隙拓扑状态间因与某个卫星建立星间链路的对象卫星发生变化所产生的链路切换影响的问题，本发明提供了一种空间指向性网络的拓扑规划方法

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种空间指向性网络的拓扑规划方法，包括以下步骤：

步骤S1，将遥感卫星星座按运行周期划分成T个时长为

，

其中，

,

其中，

,

其中，

步骤S2，第一个时隙的DCT间矩阵

,

其中，

步骤S3，DCT间建链矩阵

（1）初始化

（2）以境外星到境内星的平均最短可达路径时延

（3）改变

进一步的，步骤S2所述第一个时隙的DCT间矩阵

步骤2-1、初始化

步骤2-2、计算初始

首先根据初始DCT间建链矩阵

1）对于

2）遍历

星间时延矩阵

其中，

在

步骤2-3、改变

进一步的，步骤2-3的具体过程包含以下步骤：

（1）设置初始温度参数

（2）随机选择一个DCT，对于

（3）计算得到

（4）通过下式计算接受

，

计算出接受

（5）当满足

（6）当

进一步的，每个所述DCT最多只能建立一条DCT间链路。

进一步的，所述初始温度参数

附图说明

图1是本发明所述空间指向性网络的拓扑规划算法PSCA的算法步骤图。

图2是本发明所述FSA思想划分时隙状态图。

图3是本发明所述星地可见性矩阵

图4是本发明所述DCT间可见性矩阵

图5是本发明所述星间时延矩阵

图6是已有模型与本发明模型使用MOSA算法的拓扑规划结果中境外星到境内星的平均最短路径时延对比图。

图7是已有模型与本发明模型使用MOSA算法的拓扑规划结果中境外星与境内星建立星间链路的数量对比图。

图8是在本发明模型中分别使用MOSA算法和PSCA的拓扑规划结果中境外星到境内星的平均最短路径时延对比图。

图9是在本发明模型中分别使用MOSA算法和PSCA的拓扑规划结果中境外星与境内星建立星间链路的数量对比图。

图10是在本发明模型中分别使用MOSA算法和PSCA的拓扑规划结果的链路切换率对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方法及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方法为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例采用的是遥感卫星星座场景。该场景包括36颗卫星，

步骤一、运用有限状态自动机（FSA, Finite-State Automaton）的思想将星座按运行周期划分成

，

其中，

，

其中，X表示该空间指向性网络中DCT的数量，

，

其中，

步骤二、第一个时隙的DCT间矩阵

，

其中，

步骤2-1、初始化

步骤2-2、计算初始

首先根据初始DCT间建链矩阵

（1）对于

（2）遍历

星间时延矩阵

其中，

在

步骤2-3 改变

（1）设置初始温度参数

（2）随机选择一个DCT，对于

（3）计算得到

（4）通过下式计算接受

，

计算出接受

（5）当满足

（6）当

步骤三、DCT间建链矩阵

步骤3-1、初始化

步骤3-2、以境外星到境内星的平均最短可达路径时延

（1）对于

（2）遍历

星间时延矩阵

步骤3-3、改变

（1）设置初始温度参数

（2）随机选择一个DCT，对于

（3）计算得到

（4）通过下式计算接受

，

计算出接受

（5）当满足

（6）当

这里，

为了对照和更好地分析本发明模型和PSCA算法的实用性和有效性，对已有模型和本发明模型使用相同的多目标模拟退火（MOSA, Multi-Objective Simulated Annealing）算法进行拓扑规划，分别得到288个时隙下拓扑规划建链结果中境外星到境内星的平均最短路径时延（

结果表明，本发明模型相较于已有模型，使用相同的拓扑规划算法得到的建链结果中，空间指向性网络的平均时延增加，网络的通信性能下降。这是因为在本发明模型中，由于星间可视性受到DCT可视性的约束，卫星之间的可视性关系变少、建立的链路数量将减少，本来一跳可以达到的卫星节点现在可能需要多跳转发才能到达。因此，空间指向性网络的平均时延增加，网络的通信性能下降。此组对照实验说明了将DCT加入到卫星模型中会导致整体网络性能的下降，但考虑到更加符合实际工程中的应用，具有一定的实用性。

上述使用的MOSA算法没有考虑状态间的链路切换，因此，在本发明模型中分别使用该算法和本发明提出的降低链路切换率的拓扑规划算法PSCA进行拓扑规划，并对两种算法的建链结果进行对比分析，如附图8、9、10所示。图8是在本发明模型中分别使用MOSA算法和PSCA的拓扑规划结果中境外星到境内星的平均最短路径时延对比图。图9是在本发明模型中分别使用MOSA算法和PSCA的拓扑规划结果中境外星与境内星建立星间链路的数量对比图。图10是在本发明模型中分别使用MOSA算法和PSCA的拓扑规划结果的链路切换率对比图。可以看出，PSCA拓扑规划结果的链路切换率要明显低于使用MOSA算法的拓扑规划结果，这是因为PCSA在进行拓扑规划时规定了上一时隙建链的两颗卫星在该时隙下如果可视的话，仍然保持该建链状态，从而极大程度地减少了相邻时隙间的链路切换；且两者在通信性能如境外星到境内星的平均最路径时延和境外星和境内星的建链数量两个通信指标上几乎没有差别。

下表是288个时隙下分别使用MOSA算法和PSCA的拓扑规划结果的性能指标平均值对比表

统计分析两个算法的288个时隙下的拓扑规划结果的通信性能和链路切换率取平均数据。从中可以看出来，两种算法在通信性能上无较大差异；PSCA相较于MOSA算法，链路切换率优化了 17.3%，从 0.729 降低到 0.603。表明本发明提出的可降低链路切换率的拓扑规划算法PSCA具有一定的有效性。

以上的实例说明只是用于帮助理解本发明的核心思想，对于本专业领域的一般技术人员，依照本发明的思想，在具体应用本发明于实际星座中时，具体实施方式可有改变之处，本发明的保护范围以权利要求书所界定者为准。