衛星網絡信道分配算法范文

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1信道分配模型

衛星網絡信道分配中，n顆低軌衛星的數據經同步軌道衛星轉發，而同步軌道衛星的轉發器較少，無法滿足所有低軌衛星同時傳輸數據的需要，本文信道分配方法中的優先級取決于衛星剩余可通時間、剩余存儲量、數傳速率和衛星級別。

1.1可通時間對于星間鏈路，存在地球的遮擋現象，為了保證星間通信鏈路的暢通，應首先保證衛星間可視，然后對準天線，方可進行通信。星間能夠進行通信的時間稱為可通時間。設第k顆低軌衛星與同步軌道衛星的剩余可通時間（即本次通信中，低軌衛星距飛出同步軌道衛星覆蓋區的時間）為vkt，該值越小，則低軌衛星的剩余可通時間越短，其優先級越高。

1.2衛星達到存儲極限所需時間與地面站不同，星上存儲容量有限，存儲的信息較多又無法實時傳回地面，當存儲量達到極限時，將導致數據丟失。然而，各低軌衛星的平均采集數據速率不盡相同，為了合理分配，本文采用達到第k顆低軌衛星存儲極限所需時間kst進行優先級權衡，即當前衛星剩余存儲量與其采集數據速率之比。其中：skC是第k顆低軌衛星剩余存儲量；kR是第k顆低軌衛星數據采集速率。二者的比值越小，其優先級越高。

1.3衛星級別本文設置了兩種衛星級別，當突發自然災害或者緊急軍情時，能夠覆蓋該區域的某顆在軌的低軌衛星或者需要臨時發射的低軌衛星執行緊急任務，級別最高，設為緊急星，其他衛星級別相同，為非緊急星。

1.4衛星優先級根據上述分析，采用無量綱表示方法，本文算法的低軌衛星優先級可表示為。

2衛星網絡信道分配算法分析

2.1算法描述衛星網絡信道分配中，假設低軌衛星運行至同步軌道衛星的可通范圍內方可進行呼叫請求。當該低軌衛星為緊急星時，其優先級最高，優先為其分配信道，如果沒有可用信道，則可搶占現有正在通信的非緊急星信道，保證重要數據實時傳輸；當該低軌衛星不是緊急星、且系統不存在空閑信道時，將按照呼叫衛星和在通衛星的優先級分配信道。為了避免頻繁的信道搶占和高存儲量衛星因無可用信道而丟棄數據，本算法規定了兩個門限閾值1和2，當呼叫衛星的優先級超過門限閾值1、且與當前正在通信的優先級最低的衛星的差值超過門限閾值2時方可實施搶占，否則，繼續處于數據采集狀態。由于低軌衛星在同步軌道衛星覆蓋區的飛行時間較長，當低軌衛星數據較少，還未飛出同步軌道衛星覆蓋區時，其數據就已傳輸完畢，通信鏈路中斷。低軌衛星繼續采集數據，其存儲量隨之增大，為避免同步軌道衛星頻繁地為其分配信道，本算法規定了第三個門限閾值3，僅當低軌衛星存儲量高于門限閾值3時，衛星才發起呼叫，否則，衛星仍處于數據采集階段。本算法衛星呼叫概率和搶占概率可描述為如下關系式。

2.2算法流程算法流程如圖1所示，步驟如下。Step1:初始化，設定各顆衛星的軌道參數、存儲容量、初始存儲量、采集數據速率、傳輸數據速率、緊急星標記、仿真時間及各顆低軌衛星的可通時間；Step2:判斷仿真時間是否結束，如果結束，轉至Step12，否則，轉至Step3；Step3:到達可通區域的低軌衛星的存儲量大于門限閾值，發出呼叫請求，否則，轉至Step11；Step4:判斷同步軌道衛星是否有可用信道，如有可用信道，轉至Step10，否則，轉至Step5；Step5:判斷呼叫衛星是否為緊急星，如果是，轉至Step7，否則，轉至Step6。Step6:計算呼叫衛星的優先級，大于門限閾值，轉至Step7；否則，轉至Step11；Step7:計算正在通信的其他衛星的優先級，呼叫星為緊急星，轉至Step9，否則轉至Step8；Step8:呼叫星的優先級與正在通信的衛星的最低優先級差值大于閾值，轉至Step9，否則轉至11；Step9:中斷正在通信的優先級最小的衛星，轉至Step10；Step10:分配信道給呼叫衛星，轉至Step2；Step11:進行排隊，采集數據，轉至Step2；Step12:結束。

3仿真分析

3.1仿真環境為了驗證算法性能，仿真中設計了4顆低軌衛星(LEO1~LEO4)通過1顆同步軌道衛星(GEO1)轉發數據，衛星的仿真環境設置如表1所示。仿真中，4顆低軌衛星的存儲容量相同，用C表示，低軌衛星的采集數據速率及向GEO1衛星傳輸數據速率如表1所示，仿真過程中低軌衛星始終采集數據。設GEO1衛星有兩個轉發器，同時可轉發2顆低軌衛星的數據，GEO1衛星對地傳輸速率高于2顆低軌衛星向其轉發數據速率之和。當存儲量達到極限時，繼續采集的數據將被丟棄，而低軌衛星與GEO1衛星不可通時還可以通過其他同步軌道衛星或地面站傳輸數據，因此，仿真中設計存儲量的權重系數高于可通時間的權重系數，且緊急衛星的權重系數最高。的值分別設為2，1，3。門限閾值13~分別設為1.5，0.5，0.5*C。

3.2仿真結果由于現有的信道分配算法并不適用于本文衛星網絡的信道分配，因此，對本文提出的衛星網絡信道分配算法與“先來先服務FIFO”算法進行了仿真比較。圖2是在兩種方法下，4顆低軌衛星累計傳輸數據量的比較。仿真中假設LEO3為緊急星，根據仿真條件設置，LEO1和LEO2首先進入可通范圍，GEO1衛星為其分配信道。第501s時LEO3進入可通范圍，此時LEO1和LEO2數據并未傳完，GEO1衛星沒有空閑信道。本文算法中，通過計算此時正在通信的2顆低軌衛星的優先級，確定LEO1優先級較低，強制中斷優先級較低的LEO1衛星信道，將該信道分配給LEO3，確保緊急衛星的數據實時傳輸，如圖2(a)、圖2(c)所示。運行至第801s時，LEO4進入可通范圍，此時GEO1衛星仍然沒有空閑信道，但由于其存儲量較高，可通時間較短，按照本文算法其優先級較高，達到搶占信道的條件，因此，LEO4搶占信道，優先傳輸，如圖2(b)、圖2(d)所示。隨著低軌衛星數據的不斷傳輸，其優先級也不斷變化。而FIFO算法中LEO1和LEO2首先進入可通范圍，首先為其分配信道，直到其數據傳輸完畢，釋放信道。這種方式未考慮緊急星對時延的要求，也未考慮低軌衛星存儲容量的限制，因此，導致緊急星數據無法實時傳輸，存儲量過高的衛星也無法優先傳輸。圖3是在兩種方法下，4顆低軌衛星存儲量的比較。圖中，可通時間內，存在可用信道時，低軌衛星傳輸數據，存儲量降低，沒有可用信道時，低軌衛星排隊采集，存儲量增加。按照本文算法，LEO3和LEO4分別搶占信道，傳輸數據，有效地避免了數據丟失。而FIFO算法中LEO3和LEO4均存在數據丟失(分別丟失1000Byte和2643Byte)，如圖3(c)和圖3(d)。本文算法中，圖3(a)和圖3(b)中的低軌衛星存儲量高于FIFO算法，原因是2顆低軌衛星在通信過程中被高優先級衛星搶占信道，數據傳輸被迫中斷，存儲量增加，但增加的存儲量遠沒有達到衛星存儲極限，不存在數據丟失，且有效地緩解了其他衛星的存儲壓力。

4結論

在衛星網絡中，本文提出了基于衛星可通時間、存儲量和衛星級別的信道分配算法，并設計了三個門限閾值作為非緊急星搶占信道的約束條件。與FIFO算法比較表明，本文算法在重要數據的時敏性、可靠性等方面表現出了絕對優勢，體現了衛星數據傳輸的有效性，避免了信道頻繁搶占，滿足衛星網絡信道資源的合理、高效應用。

作者：蔡睿妍劉海燕胡家升韓睿單位：大連大學通信與網絡重點實驗室大連理工大學電子信息與電氣工程學部