CN110365399B - 一种确定小卫星联合传输模式选择及资源分配的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定小卫星联合传输模式选择及资源分配方法，属于卫星通信技术领域。该方法包括以下步骤：S1：建模时隙标识及无线信道模型；S2：建模小卫星请求数据包传输模型；S3：建模小卫星传输模式关联变量；S4：建模小卫星能量收集模型；S5：建模传输模式选择限制条件、能量收集限制条件及资源分配限制条件；S6：建模成本函数；S7：基于成本函数最小化确定小卫星联合传输模式选择及资源分配策略。本发明通过对小卫星联合传输模式选择及功率分配，可实现网络成本函数优化。

Description

一种确定小卫星联合传输模式选择及资源分配的方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种小卫星联合传输模式选择及资源分配方法。

背景技术

小卫星具有轨道高度低、与地面站之间的传输时延低、用户终端小型化且功耗低、可实现频率高效复用等优点，近年来，受到人们的广泛关注。然而，小卫星网络中有限星载资源与快速发展的用户业务需求已形成突出矛盾，如何采用高效数据传输及资源分配技术，实现小卫星网络传输性能增强已成为重要研究课题。

近年来，已有研究考虑小卫星网络星载资源分配问题，如申请号为201610394928.1的专利申请“基于对地观测任务的小卫星网络高效资源调度方法”，提出一种线性规划求解最优化网络效益的资源分配方案，利用小卫星轨迹的可预测性，基于拓扑结构图表征小卫星拓扑状态，进而通过优化网络效益提高端到端吞吐量和网络资源利用率；申请号为201811557310.8的中国专利申请“一种中低轨星座卫星波束频率资源分配方法”，提出静态与动态方式相结合的卫星波束频率资源分配方案，从而可有效降低卫星星座波束间干扰，并提高频率资源使用效率。

从上述文献可知，现有研究多考虑卫星频谱资源分配的成功率或资源利用率，未综合考虑小卫星数据传输的有效性及卫星的功率分配，无法实现综合性能优化。本发明通过对小卫星联合传输模式选择及功率分配，可实现小卫星传输成本最小化，从而有效提升小卫星传输性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种确定小卫星联合传输模式选择及资源分配的方法，小卫星可采用直接传输模式或中继传输模式与地面站进行通信，综合考虑小卫星传输模式选择关联情况，小卫星、GEO卫星传输功率，有效实现传输成本最小化，以提升小卫星传输性能。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种确定小卫星联合传输模式选择及资源分配的方法，小卫星请求传输数据包至地面站，可采用直接传输模式或中继传输模式与地面站进行通信，其中，直接传输模式是指小卫星直接与地面站进行通信，中继传输模式是指小卫星发送数据包至同步地球轨道(geosynchronous earth orbit，GEO)卫星，GEO卫星接收数据包后转发至地面站。该方法具体包括以下步骤：

S1：建模时隙标识及无线信道模型；

S2：建模小卫星请求数据包传输模型；

S3：建模小卫星传输模式关联变量；

S4：建模小卫星能量收集模型；

S5：建模传输模式选择限制条件、能量收集限制条件及资源分配限制条件；

S6：建模成本函数；

S7：基于成本函数最小化确定小卫星联合传输模式选择及资源分配策略。

进一步，所述步骤S1具体包括：将系统时间划分为连续时隙，时隙长度为τ，时隙集合为Γ＝{0,1,...}；假设无线信道相互独立且服从块衰落，即每个时隙内信道保持不变，不同时隙信道特性可能发生变化。

进一步，所述步骤S2具体包括：建模小卫星传输数据包请求为伯努利过程，具体为：令ρ表示各时隙小卫星请求数据包的概率，则1-ρ为无数据包请求的概率；令α_t∈{0,1}表示第t个时隙小卫星请求数据包传输关联变量，α_t＝1表示第t个时隙小卫星请求数据包传输，反之，α_t＝0，得到P(α_t＝1)＝1-P(α_t＝0)＝ρ，t∈Γ；假设L表示小卫星需传输数据包的大小，τ^d表示数据包传输时间上限。

进一步，所述步骤S3具体包括：令

表示直接传输模式关联变量，

表示第t个时隙小卫星采用直接传输模式传输数据包至地面站，反之，

表示中继传输模式关联变量，

表示第t个时隙小卫星采用中继传输模式经GEO卫星传输数据包至地面站，反之，

若小卫星无法进行数据包传输，则选择丢弃数据包，令μ_t∈{0,1}表示小卫星丢弃数据包标识变量，μ_t＝1表示第t个时隙小卫星丢弃数据包，反之，μ_t＝0。

进一步，所述步骤S4具体包括：假设各时隙小卫星收集能量并存储在电池中，用于后续时隙的数据包传输；建模卫星能量收集过程为连续的能量分组到达，具体为：B_t+1表示第t+1个时隙小卫星的电池能量，建模为：

B_t+1＝B_t-E_t+e_t

其中，B_t表示第t个时隙小卫星的电池能量，令B₀＝0且B_t<+∞，t∈Γ，e_t表示第t个时隙卫星所收集的能量；E_t表示第t个时隙小卫星消耗的能量，建模为：

其中，

表示第t个时隙直接传输模式下小卫星的传输能耗，建模为

其中，

表示第t个时隙直接传输模式下小卫星的传输功率；

表示第t个时隙小卫星传输数据包至地面站对应的传输时延，建模为

其中，

表示第t个时隙小卫星传输数据包至地面站对应的传输速率，建模为

其中，B表示卫星的带宽，

表示第t个时隙小卫星与地面站之间链路的信道增益，σ²为噪声功率；

表示第t个时隙中继传输模式对应的传输能耗，建模为

其中，

表示第t个时隙中继传输模式下小卫星的传输功率，

表示第t个时隙小卫星传输数据包至GEO卫星对应的传输时延，建模为

其中，

表示第t个时隙小卫星传输数据包至GEO卫星对应的传输速率，建模为

其中，

为第t个时隙小卫星与GEO卫星之间链路的信道增益。

进一步，所述步骤S4中，若小卫星采用中继传输模式，GEO卫星接收数据包将在下一个时隙传输至地面站；假设

表示第t个时隙GEO卫星传输数据包至地面站对应的传输时延，建模为

其中，

表示第t个时隙GEO卫星传输数据包至地面站对应的传输速率，建模为

其中，

表示第t个时隙GEO卫星的传输功率，

为第t个时隙GEO卫星与地面站之间链路的信道增益。

进一步，所述步骤S5中，建模传输模式选择限制条件、能量收集限制条件及资源分配限制条件具体包括：

(1)考虑延迟敏感应用，数据包传输期限不超过时隙长度，对应限制条件为τ^d≤τ；

(2)小卫星传输模式关联变量的限制条件为

其中，

μ_t∈{0,1}，t∈Γ；

(3)卫星能量收集的限制条件为0≤e_t≤EH^max，其中，EH^max表示各时隙小卫星可收集能量最大值；

(4)小卫星传输数据所消耗的能量应不超过电池能量的限制，即：E_t≤B_t；

(5)小卫星通过直接传输或中继传输模式传输数据包至地面站需满足时延限制条件：D_t≤τ^d，其中，

1(·)为指示函数；

(6)若小卫星无数据包请求传输至地面站，则不采用直接传输模式或中继传输模式，即：

(7)小卫星的传输功率应不超过最大传输功率的限制，即：

其中，p^max为小卫星传输数据包的最大传输功率；

(8)GEO卫星的传输功率应不超过最大传输功率的限制，即：

其中，

为GEO卫星传输数据包的最大传输功率。

进一步，所述步骤S6中，建模成本函数为传输时延和数据包丢弃成本的加权和，即C_t＝D_t+γ·1(α_t＝1,μ_t＝1)，其中，γ为数据包丢弃成本的权重。

进一步，所述步骤S7具体包括：在满足传输模式选择限制条件、能量收集限制条件及资源分配限制条件，以成本最小化为目标，优化设计传输模式策略及资源分配策略，即

本发明的有益效果在于：本发明可以有效保障用户采用直接传输模式或中继传输模式的情况下，基于传输成本最小化来确定小卫星联合传输模式选择及资源分配，提高小卫星传输性能。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为小卫星系统场景示意图；

图2为本发明所述小卫星联合传输模式选择及资源分配方法的流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施例提供一种小卫星联合传输模式选择及资源分配方法，考虑小卫星请求传输数据包至地面站，可采用直接传输模式或中继传输模式与地面站进行通信。两种不同传输模式中，小卫星至地面站、小卫星至GEO卫星和GEO卫星至地面站均采用频分多址接入方式，数据传输无干扰。优化设计传输模式策略及资源分配策略，以实现传输成本最小化，提升小卫星传输性能。

请参阅图1～图2，图1为小卫星系统场景示意图，系统场景中小卫星请求传输数据包至地面站，可采用直接传输模式或中继传输模式与地面站进行通信，其中，直接传输模式是指小卫星直接与地面站进行通信，中继传输模式是指小卫星发送数据至同步地球轨道GEO卫星，GEO卫星接收数据后转发至地面站，通过优化设计传输模式策略及资源分配策略，以实现传输成本最小化，提升小卫星传输性能。

图2为本实施例所述方法的流程示意图，如图2所示，该方法具体包括以下步骤：

1)建模时隙标识及无线信道模型，具体包括：

将系统时间划分为连续时隙，时隙长度为τ，时隙集合为Γ＝{0,1,...}；假设无线信道相互独立且服从块衰落，即每个时隙内信道保持不变，不同时隙信道特性可能发生变化。

2)建模卫星请求数据包传输模型，具体包括：

令ρ表示各时隙小卫星请求数据包的概率，1-ρ则为无数据包请求的概率；令α_t∈{0,1}表示第t个时隙小卫星请求数据包传输关联变量，α_t＝1表示第t个时隙小卫星请求数据包传输，反之，α_t＝0，可得P(α_t＝1)＝1-P(α_t＝0)＝ρ，t∈Γ；假设L表示小卫星需传输数据包的大小，τ^d表示数据包传输时间上限。

3)建模卫星传输模式关联变量，具体包括：

令

表示直接传输模式关联变量，

表示第t个时隙小卫星采用直接传输模式传输数据包至地面站，反之，

表示中继传输模式关联变量，

表示第t个时隙小卫星采用中继传输模式经GEO卫星传输数据包至地面站，反之，

若小卫星无法进行数据传输，则选择丢弃数据包，令μ_t∈{0,1}表示小卫星丢弃数据包标识变量，μ_t＝1表示第t个时隙小卫星丢弃数据包，反之，μ_t＝0。

4)建模卫星能量收集模型，具体包括：

假设各时隙小卫星收集能量并存储在电池中，可用于后续时隙的数据包传输；建模卫星能量收集过程为连续的能量分组到达，具体地，B_t+1表示第t+1个时隙小卫星的电池能量，建模为B_t+1＝B_t-E_t+e_t，其中，B_t表示第t个时隙小卫星的电池能量，令B₀＝0且B_t<+∞，t∈Γ，e_t表示第t个时隙卫星所收集的能量，E_t表示第t个时隙小卫星消耗的能量，建模为

其中，

表示第t个时隙直接传输模式下小卫星的传输能耗，建模为

其中，

表示第t个时隙直接传输模式下小卫星的传输功率，

表示第t个时隙小卫星传输数据包至地面站对应的传输时延，建模为

其中，

表示第t个时隙小卫星传输数据包至地面站对应的传输速率，建模为

其中，B表示卫星的带宽，

表示第t个时隙小卫星与地面站之间链路的信道增益，σ²为噪声功率；

表示小卫星采用中继传输模式对应的传输能耗，建模为

其中，

表示第t个时隙中继传输模式下小卫星的传输功率，

表示第t个时隙小卫星传输数据包至GEO卫星对应的传输时延，建模为

其中，

表示第t个时隙小卫星传输数据包至GEO卫星对应的传输速率，建模为

其中，

为第t个时隙小卫星与GEO卫星之间链路的信道增益；若小卫星采用中继传输模式，GEO卫星接收数据包将在下一个时隙传输至地面站；假设

表示第t个时隙GEO卫星传输数据包至地面站对应的传输时延，建模为

其中，

表示第t个时隙GEO卫星传输数据包至地面站对应的传输速率，建模为

其中，

表示第t个时隙GEO卫星的传输功率，

为第t个时隙GEO卫星与地面站之间链路的信道增益。

5)建模传输模式选择限制条件、能量收集限制条件及资源分配限制条件，具体包括(1)考虑延迟敏感应用，数据包传输期限不超过时隙长度，对应限制条件为τ^d≤τ；(2)小卫星传输模式关联变量的限制条件为

其中，

μ_t∈{0,1}，t∈Γ；(3)卫星能量收集的限制条件为0≤e_t≤EH^max，其中，EH^max表示各时隙小卫星可收集能量最大值；(4)小卫星传输数据所消耗的能量应不超过电池能量的限制，即：E_t≤B_t；(5)小卫星通过直接传输或中继传输模式传输数据包至地面站需满足时延限制条件：D_t≤τ^d，其中，

1(·)为指示函数；(6)若小卫星无数据包请求传输至地面站，则不采用直接传输模式或中继传输模式，即：

(7)小卫星的传输功率应不超过最大传输功率的限制，即：

其中，p^max为小卫星传输数据的最大传输功率；(8)GEO卫星的传输功率应不超过最大传输功率的限制，即：

其中，

为GEO卫星传输数据的最大传输功率。

6)建模成本函数

建模成本函数为传输时延和数据包丢弃成本的加权和，即C_t＝D_t+γ·1(α_t＝1,μ_t＝1)，其中，γ为数据包丢弃成本的权重。

7)基于成本函数最小化确定小卫星联合传输模式选择及资源分配策略，具体包括：

在满足传输模式选择限制条件、能量收集限制条件及资源分配限制条件，以成本最小化为目标，优化设计传输模式策略及资源分配策略，即

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种确定小卫星联合传输模式选择及资源分配的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：建模时隙标识及无线信道模型；

S2：建模小卫星请求数据包传输模型；

S3：建模小卫星传输模式关联变量，具体包括：

令

表示直接传输模式关联变量，

表示第t个时隙小卫星采用直接传输模式传输数据包至地面站，反之，

表示中继传输模式关联变量，

表示第t个时隙小卫星采用中继传输模式经同步地球轨道(geosynchronous earth orbit，GEO)卫星传输数据包至地面站，反之，

若小卫星无法进行数据包传输，则选择丢弃数据包，令μ_t∈{0，1}表示小卫星丢弃数据包标识变量，μ_t＝1表示第t个时隙小卫星丢弃数据包，反之，μ_t＝0；

S4：建模小卫星能量收集模型；

S5：建模传输模式选择限制条件、能量收集限制条件及资源分配限制条件；

S6：建模成本函数；

S7：基于成本函数最小化确定小卫星联合传输模式选择及资源分配策略。

2.根据权利要求1所述的一种确定小卫星联合传输模式选择及资源分配的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：将系统时间划分为连续时隙，时隙长度为τ，时隙集合为Γ＝{0，1，...}；假设无线信道相互独立且服从块衰落，即每个时隙内信道保持不变，不同时隙信道特性可能发生变化。

3.根据权利要求2所述的一种确定小卫星联合传输模式选择及资源分配的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：建模小卫星传输数据包请求为伯努利过程，具体为：令ρ表示各时隙小卫星请求数据包的概率，则1-ρ为无数据包请求的概率；令α_t∈{0,1}表示第t个时隙小卫星请求数据包传输关联变量，α_t＝1表示第t个时隙小卫星请求数据包传输，反之，α_t＝0，得到P(α_t＝1)＝1-P(α_t＝0)＝ρ，t∈Γ；假设L表示小卫星需传输数据包的大小，τ^d表示数据包传输时间上限。

4.根据权利要求3所述的一种确定小卫星联合传输模式选择及资源分配的方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：假设各时隙小卫星收集能量并存储在电池中，用于后续时隙的数据包传输；建模卫星能量收集过程为连续的能量分组到达，具体为：B_t+1表示第t+1个时隙小卫星的电池能量，建模为：

B_t+1＝B_t-E_t+e_t

其中，B_t表示第t个时隙小卫星的电池能量，令B₀＝0且B_t<+∞，t∈Γ，e_t表示第t个时隙卫星所收集的能量；E_t表示第t个时隙小卫星消耗的能量，建模为：

其中，

表示第t个时隙直接传输模式下小卫星的传输能耗，建模为

其中，

表示第t个时隙直接传输模式下小卫星的传输功率；

表示第t个时隙小卫星传输数据包至地面站对应的传输时延，建模为

其中，

表示第t个时隙小卫星传输数据包至地面站对应的传输速率，建模为

其中，B表示卫星的带宽，

表示第t个时隙小卫星与地面站之间链路的信道增益，σ²为噪声功率；

表示第t个时隙中继传输模式对应的传输能耗，建模为

其中，

表示第t个时隙中继传输模式下小卫星的传输功率，

表示第t个时隙小卫星传输数据包至GEO卫星对应的传输时延，建模为

其中，

表示第t个时隙小卫星传输数据包至GEO卫星对应的传输速率，建模为

其中，

为第t个时隙小卫星与GEO卫星之间链路的信道增益。

5.根据权利要求4所述的一种确定小卫星联合传输模式选择及资源分配的方法，其特征在于，所述步骤S4中，若小卫星采用中继传输模式，GEO卫星接收数据包将在下一个时隙传输至地面站；假设

表示第t个时隙GEO卫星传输数据包至地面站对应的传输时延，建模为

其中，

表示第t个时隙GEO卫星传输数据包至地面站对应的传输速率，建模为

其中，

表示第t个时隙GEO卫星的传输功率，

为第t个时隙GEO卫星与地面站之间链路的信道增益。

6.根据权利要求5所述的一种确定小卫星联合传输模式选择及资源分配的方法，其特征在于，所述步骤S5中，建模传输模式选择限制条件、能量收集限制条件及资源分配限制条件具体包括：

(1)数据包传输期限不超过时隙长度，对应限制条件为τ^d≤τ；

(2)小卫星传输模式关联变量的限制条件为

其中，

μ_t∈{0,1}，t∈Γ；

(3)卫星能量收集的限制条件为0≤e_t≤EH^max，其中，EH^max表示各时隙小卫星可收集能量最大值；

(4)小卫星传输数据所消耗的能量应不超过电池能量的限制，即：E_t≤B_t；

(5)小卫星通过直接传输或中继传输模式传输数据包至地面站需满足时延限制条件：D_t≤τ^d，其中，

为指示函数；

(6)若小卫星无数据包请求传输至地面站，则不采用直接传输模式或中继传输模式，即：

(7)小卫星的传输功率应不超过最大传输功率的限制，即：

其中，p^max为小卫星传输数据包的最大传输功率；

(8)GEO卫星的传输功率应不超过最大传输功率的限制，即：

其中，

为GEO卫星传输数据包的最大传输功率。

7.根据权利要求6所述的一种确定小卫星联合传输模式选择及资源分配的方法，其特征在于，所述步骤S6中，建模成本函数为传输时延和数据包丢弃成本的加权和，即C_t＝D_t+γ·1(α_t＝1，μ_t＝1)，其中，γ为数据包丢弃成本的权重。

8.根据权利要求7所述的一种确定小卫星联合传输模式选择及资源分配的方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括：在满足传输模式选择限制条件、能量收集限制条件及资源分配限制条件，以成本最小化为目标，优化设计传输模式策略及资源分配策略，即

Images