[发明专利]基于拉格朗日松弛的卫星网络时隙分配与路由规划方法

说明书

本发明涉及卫星通信技术领域，具体的说是一种能够有效降低动态卫星网络中的时隙分配与路由规划复杂度的基于拉格朗日松弛的卫星网络时隙分配与路由规划方法，针对一个动态卫星网络，包含多个轨道，整个卫星网络由N个卫星组成，对于给定的一个周期[0,T^*]，首先将整个周期划分为多个时隙T＝{t|t＝0,1,2,...,T}，每个时隙的持续时间为2△τ；与现有技术相比，采用了时间演化图的方法，将卫星网络的动态性变化刻画在一张静态图上，着重考虑了卫星网络的资源限制条件，并提出了一种基于最大加权匹配的建链方法，降低求解算法的复杂度，同时提出了不同优先级任务的路由规划，从仿真结果来看具有显著进步。

技术领域：

本发明涉及卫星通信技术领域，具体的说是一种能够有效降低动态卫星网络中的时隙分配与路由规划复杂度的基于拉格朗日松弛的卫星网络时隙分配与路由规划方法。

背景技术：

相对于地面网络，卫星网络具有覆盖面超广、速度快等独特优点。尽管卫星网络建设费用昂贵，但因其具有独特的优势，一直是热门研究方向。一方面，虽然5G网络正在不断完善，但边缘地区以及海上用户服务一直没能得到很好地解决，考虑到卫星网络覆盖面广的优势，一些学者致力于研究卫星网络与地面网络相融的一体化网络以便于获得更好的网络服务。另一方面，卫星网络与人们的生活息息相关，具有不可替代的位置，例如，导航服务、地球观测、深空探测等。

然而对卫星网络的研究也存在着一些挑战，这些难点成为限制网络效率的重点，具体如下：(1)网络的动态性：每个卫星都按照自己的轨道进行周期性的运动，因此卫星之间的相对位置是动态变化的，也就是网络拓扑是时变的；考虑到地球的遮挡，这种动态性会影响到卫星间的可见性，从而使得链路被迫中断，进而对网络性能产生巨大影响。(2)资源极其受限：卫星网络的资源相比地面网络是极其匮乏，比如，能量方面只能依靠太阳能自给自足；由于转换器的限制，卫星只能与部分可见卫星建链；计算能力有限，只能处理一定数量的数据。因此如何充分利用有限的资源是关键性的问题。正如上面所说，卫星网络拓扑的动态性刻画一直是当前研究的重点。作为新兴的方法，时间演化图是当前最有效的工具之一。现有技术中，在小卫星网络的资源冲突分析框架下，首先将卫星网络周期划分为多个时隙，每个时隙假设网络拓扑是不变的，此时每个时隙的网络拓扑可以相应地转换为一个静态图。考虑到卫星网络“接收-储存-转发”的特殊机制，引进了储存弧来将每个时隙的静态图连接起来，从而形成一个整体的网络拓扑图，利用时间演化图，卫星网络中的任务调度问题包括卫星建链与任务路由等，时间演化图通过连接方法将网络拓扑变化刻画为一张静态图，对于这样的一个静态图，许多图理论中的知识都可以直接运用。然而，网络图的规模随之增加，时隙划分越小，周期越长，网络图规模越大，复杂度越高。

发明内容：

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种能够有效降低动态卫星网络中的时隙分配与路由规划复杂度的基于拉格朗日松弛的卫星网络时隙分配与路由规划方法。

本发明可以通过以下措施达到：

一种基于拉格朗日松弛的卫星网络时隙分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取待处理卫星网络中的以下数据：初始的权重矩阵，拉格朗日乘子，时间长度T，最大迭代次数I_max，门限值ε，卫星可见性分析表；

步骤2：根据步骤1所获取的数据输出每个时隙的卫星匹配建链表；步骤3：更新权重矩阵，t取值为1至T，i指卫星，i取值范围为1至I_max，具体包括四种不同情况：

步骤3-1：不重复链路建立，最终权重赋值数学表达为：

其中a是一个正常数来表示时间的范围；

步骤3-2：跨轨道建链权重赋值规则表示如下：

步骤3-3：短距离建链权重赋值数学表示如下：