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1信道分配模型
衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信道分配中，n顆低軌衛(wèi)星的數(shù)據(jù)經(jīng)同步軌道衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，而同步軌道衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器較少，無(wú)法滿(mǎn)足所有低軌衛(wèi)星同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的需要，本文信道分配方法中的優(yōu)先級(jí)取決于衛(wèi)星剩余可通時(shí)間、剩余存儲(chǔ)量、數(shù)傳速率和衛(wèi)星級(jí)別。
1.1可通時(shí)間對(duì)于星間鏈路，存在地球的遮擋現(xiàn)象，為了保證星間通信鏈路的暢通，應(yīng)首先保證衛(wèi)星間可視，然后對(duì)準(zhǔn)天線，方可進(jìn)行通信。星間能夠進(jìn)行通信的時(shí)間稱(chēng)為可通時(shí)間。設(shè)第k顆低軌衛(wèi)星與同步軌道衛(wèi)星的剩余可通時(shí)間（即本次通信中，低軌衛(wèi)星距飛出同步軌道衛(wèi)星覆蓋區(qū)的時(shí)間）為vkt，該值越小，則低軌衛(wèi)星的剩余可通時(shí)間越短，其優(yōu)先級(jí)越高。
1.2衛(wèi)星達(dá)到存儲(chǔ)極限所需時(shí)間與地面站不同，星上存儲(chǔ)容量有限，存儲(chǔ)的信息較多又無(wú)法實(shí)時(shí)傳回地面，當(dāng)存儲(chǔ)量達(dá)到極限時(shí)，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。然而，各低軌衛(wèi)星的平均采集數(shù)據(jù)速率不盡相同，為了合理分配，本文采用達(dá)到第k顆低軌衛(wèi)星存儲(chǔ)極限所需時(shí)間kst進(jìn)行優(yōu)先級(jí)權(quán)衡，即當(dāng)前衛(wèi)星剩余存儲(chǔ)量與其采集數(shù)據(jù)速率之比。其中：skC是第k顆低軌衛(wèi)星剩余存儲(chǔ)量；kR是第k顆低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集速率。二者的比值越小，其優(yōu)先級(jí)越高。
1.3衛(wèi)星級(jí)別本文設(shè)置了兩種衛(wèi)星級(jí)別，當(dāng)突發(fā)自然災(zāi)害或者緊急軍情時(shí)，能夠覆蓋該區(qū)域的某顆在軌的低軌衛(wèi)星或者需要臨時(shí)發(fā)射的低軌衛(wèi)星執(zhí)行緊急任務(wù)，級(jí)別最高，設(shè)為緊急星，其他衛(wèi)星級(jí)別相同，為非緊急星。
1.4衛(wèi)星優(yōu)先級(jí)根據(jù)上述分析，采用無(wú)量綱表示方法，本文算法的低軌衛(wèi)星優(yōu)先級(jí)可表示為。
2衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信道分配算法分析
2.1算法描述衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信道分配中，假設(shè)低軌衛(wèi)星運(yùn)行至同步軌道衛(wèi)星的可通范圍內(nèi)方可進(jìn)行呼叫請(qǐng)求。當(dāng)該低軌衛(wèi)星為緊急星時(shí)，其優(yōu)先級(jí)最高，優(yōu)先為其分配信道，如果沒(méi)有可用信道，則可搶占現(xiàn)有正在通信的非緊急星信道，保證重要數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸；當(dāng)該低軌衛(wèi)星不是緊急星、且系統(tǒng)不存在空閑信道時(shí)，將按照呼叫衛(wèi)星和在通衛(wèi)星的優(yōu)先級(jí)分配信道。為了避免頻繁的信道搶占和高存儲(chǔ)量衛(wèi)星因無(wú)可用信道而丟棄數(shù)據(jù)，本算法規(guī)定了兩個(gè)門(mén)限閾值1和2，當(dāng)呼叫衛(wèi)星的優(yōu)先級(jí)超過(guò)門(mén)限閾值1、且與當(dāng)前正在通信的優(yōu)先級(jí)最低的衛(wèi)星的差值超過(guò)門(mén)限閾值2時(shí)方可實(shí)施搶占，否則，繼續(xù)處于數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。由于低軌衛(wèi)星在同步軌道衛(wèi)星覆蓋區(qū)的飛行時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)星數(shù)據(jù)較少，還未飛出同步軌道衛(wèi)星覆蓋區(qū)時(shí)，其數(shù)據(jù)就已傳輸完畢，通信鏈路中斷。低軌衛(wèi)星繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，其存儲(chǔ)量隨之增大，為避免同步軌道衛(wèi)星頻繁地為其分配信道，本算法規(guī)定了第三個(gè)門(mén)限閾值3，僅當(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)星存儲(chǔ)量高于門(mén)限閾值3時(shí)，衛(wèi)星才發(fā)起呼叫，否則，衛(wèi)星仍處于數(shù)據(jù)采集階段。本算法衛(wèi)星呼叫概率和搶占概率可描述為如下關(guān)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(shè)定各顆衛(wèi)星的軌道參數(shù)、存儲(chǔ)容量、初始存儲(chǔ)量、采集數(shù)據(jù)速率、傳輸數(shù)據(jù)速率、緊急星標(biāo)記、仿真時(shí)間及各顆低軌衛(wèi)星的可通時(shí)間；Step2:判斷仿真時(shí)間是否結(jié)束，如果結(jié)束，轉(zhuǎn)至Step12，否則，轉(zhuǎn)至Step3；Step3:到達(dá)可通區(qū)域的低軌衛(wèi)星的存儲(chǔ)量大于門(mén)限閾值，發(fā)出呼叫請(qǐng)求，否則，轉(zhuǎn)至Step11；Step4:判斷同步軌道衛(wèi)星是否有可用信道，如有可用信道，轉(zhuǎn)至Step10，否則，轉(zhuǎn)至Step5；Step5:判斷呼叫衛(wèi)星是否為緊急星，如果是，轉(zhuǎn)至Step7，否則，轉(zhuǎn)至Step6。Step6:計(jì)算呼叫衛(wèi)星的優(yōu)先級(jí)，大于門(mén)限閾值，轉(zhuǎn)至Step7；否則，轉(zhuǎn)至Step11；Step7:計(jì)算正在通信的其他衛(wèi)星的優(yōu)先級(jí)，呼叫星為緊急星，轉(zhuǎn)至Step9，否則轉(zhuǎn)至Step8；Step8:呼叫星的優(yōu)先級(jí)與正在通信的衛(wèi)星的最低優(yōu)先級(jí)差值大于閾值，轉(zhuǎn)至Step9，否則轉(zhuǎn)至11；Step9:中斷正在通信的優(yōu)先級(jí)最小的衛(wèi)星，轉(zhuǎn)至Step10；Step10:分配信道給呼叫衛(wèi)星，轉(zhuǎn)至Step2；Step11:進(jìn)行排隊(duì)，采集數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)至Step2；Step12:結(jié)束。
3仿真分析
3.1仿真環(huán)境為了驗(yàn)證算法性能，仿真中設(shè)計(jì)了4顆低軌衛(wèi)星(LEO1~LEO4)通過(guò)1顆同步軌道衛(wèi)星(GEO1)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，衛(wèi)星的仿真環(huán)境設(shè)置如表1所示。仿真中，4顆低軌衛(wèi)星的存儲(chǔ)容量相同，用C表示，低軌衛(wèi)星的采集數(shù)據(jù)速率及向GEO1衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)速率如表1所示，仿真過(guò)程中低軌衛(wèi)星始終采集數(shù)據(jù)。設(shè)GEO1衛(wèi)星有兩個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，同時(shí)可轉(zhuǎn)發(fā)2顆低軌衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，GEO1衛(wèi)星對(duì)地傳輸速率高于2顆低軌衛(wèi)星向其轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)速率之和。當(dāng)存儲(chǔ)量達(dá)到極限時(shí)，繼續(xù)采集的數(shù)據(jù)將被丟棄，而低軌衛(wèi)星與GEO1衛(wèi)星不可通時(shí)還可以通過(guò)其他同步軌道衛(wèi)星或地面站傳輸數(shù)據(jù)，因此，仿真中設(shè)計(jì)存儲(chǔ)量的權(quán)重系數(shù)高于可通時(shí)間的權(quán)重系數(shù)，且緊急衛(wèi)星的權(quán)重系數(shù)最高。的值分別設(shè)為2，1，3。門(mén)限閾值13~分別設(shè)為1.5，0.5，0.5*C。
3.2仿真結(jié)果由于現(xiàn)有的信道分配算法并不適用于本文衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的信道分配，因此，對(duì)本文提出的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信道分配算法與“先來(lái)先服務(wù)FIFO”算法進(jìn)行了仿真比較。圖2是在兩種方法下，4顆低軌衛(wèi)星累計(jì)傳輸數(shù)據(jù)量的比較。仿真中假設(shè)LEO3為緊急星，根據(jù)仿真條件設(shè)置，LEO1和LEO2首先進(jìn)入可通范圍，GEO1衛(wèi)星為其分配信道。第501s時(shí)LEO3進(jìn)入可通范圍，此時(shí)LEO1和LEO2數(shù)據(jù)并未傳完，GEO1衛(wèi)星沒(méi)有空閑信道。本文算法中，通過(guò)計(jì)算此時(shí)正在通信的2顆低軌衛(wèi)星的優(yōu)先級(jí)，確定LEO1優(yōu)先級(jí)較低，強(qiáng)制中斷優(yōu)先級(jí)較低的LEO1衛(wèi)星信道，將該信道分配給LEO3，確保緊急衛(wèi)星的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，如圖2(a)、圖2(c)所示。運(yùn)行至第801s時(shí)，LEO4進(jìn)入可通范圍，此時(shí)GEO1衛(wèi)星仍然沒(méi)有空閑信道，但由于其存儲(chǔ)量較高，可通時(shí)間較短，按照本文算法其優(yōu)先級(jí)較高，達(dá)到搶占信道的條件，因此，LEO4搶占信道，優(yōu)先傳輸，如圖2(b)、圖2(d)所示。隨著低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)的不斷傳輸，其優(yōu)先級(jí)也不斷變化。而FIFO算法中LEO1和LEO2首先進(jìn)入可通范圍，首先為其分配信道，直到其數(shù)據(jù)傳輸完畢，釋放信道。這種方式未考慮緊急星對(duì)時(shí)延的要求，也未考慮低軌衛(wèi)星存儲(chǔ)容量的限制，因此，導(dǎo)致緊急星數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)傳輸，存儲(chǔ)量過(guò)高的衛(wèi)星也無(wú)法優(yōu)先傳輸。圖3是在兩種方法下，4顆低軌衛(wèi)星存儲(chǔ)量的比較。圖中，可通時(shí)間內(nèi)，存在可用信道時(shí)，低軌衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)量降低，沒(méi)有可用信道時(shí)，低軌衛(wèi)星排隊(duì)采集，存儲(chǔ)量增加。按照本文算法，LEO3和LEO4分別搶占信道，傳輸數(shù)據(jù)，有效地避免了數(shù)據(jù)丟失。而FIFO算法中LEO3和LEO4均存在數(shù)據(jù)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(wèi)星存儲(chǔ)量高于FIFO算法，原因是2顆低軌衛(wèi)星在通信過(guò)程中被高優(yōu)先級(jí)衛(wèi)星搶占信道，數(shù)據(jù)傳輸被迫中斷，存儲(chǔ)量增加，但增加的存儲(chǔ)量遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到衛(wèi)星存儲(chǔ)極限，不存在數(shù)據(jù)丟失，且有效地緩解了其他衛(wèi)星的存儲(chǔ)壓力。
4結(jié)論
在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，本文提出了基于衛(wèi)星可通時(shí)間、存儲(chǔ)量和衛(wèi)星級(jí)別的信道分配算法，并設(shè)計(jì)了三個(gè)門(mén)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(shù)據(jù)的時(shí)敏性、可靠性等方面表現(xiàn)出了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)了衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行裕苊饬诵诺李l繁搶占，滿(mǎn)足衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信道資源的合理、高效應(yīng)用。
作者：蔡睿妍劉海燕胡家升韓睿單位：大連大學(xué)通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大連理工大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)部