靜止軌道衛(wèi)星通信論文范文
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靜止軌道衛(wèi)星通信資源－任務(wù)匹配就是根據(jù)通信任務(wù)需求，綜合考慮各種約束條件，按照一定規(guī)則對(duì)衛(wèi)星資源進(jìn)行優(yōu)化配置，制定出滿足衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)需求的資源分配調(diào)度方案［9］。衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方案的合理性和正確性直接關(guān)系到任務(wù)的完成效果［10］。因此，要實(shí)現(xiàn)規(guī)劃調(diào)度的目標(biāo)，必須對(duì)靜止軌道衛(wèi)星通信資源調(diào)度問(wèn)題中涉及到的約束條件進(jìn)行詳細(xì)分析。靜止軌道衛(wèi)星通信資源調(diào)度問(wèn)題的約束規(guī)則，可分為2大類(lèi)共6項(xiàng)，如圖2所示。
1．1靜止軌道衛(wèi)星通信資源－任務(wù)匹配的硬性約束硬性約束是指完成衛(wèi)星通信必須具備的最基本的條件。包括3項(xiàng)內(nèi)容，具體為:1)通信資源調(diào)度的范圍約束衛(wèi)星通信首先要求衛(wèi)星能被衛(wèi)星無(wú)線電通信使用終端“看到”，而這是由衛(wèi)星天線波束覆蓋范圍決定的，即當(dāng)衛(wèi)星無(wú)線電通信使用終端處于衛(wèi)星天線波束覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，才能進(jìn)行通信;否則無(wú)法達(dá)成通信。2)通信資源調(diào)度的時(shí)間約束①任務(wù)的時(shí)間約束。針對(duì)某一任務(wù)的資源調(diào)度時(shí)間不能晚于該任務(wù)的開(kāi)始時(shí)間，資源調(diào)度結(jié)束時(shí)間不能早于任務(wù)的結(jié)束時(shí)間，且任務(wù)對(duì)于資源的占用時(shí)間不能小于任務(wù)執(zhí)行的持續(xù)時(shí)間。②資源的時(shí)間約束。在春分和秋分期間，靜止軌道衛(wèi)星由于處在太陽(yáng)和地球之間，此時(shí)太陽(yáng)帶來(lái)的強(qiáng)噪聲將引起通信中斷，即日凌中斷。3)通信資源調(diào)度的頻段約束不同衛(wèi)星、衛(wèi)星使用終端的工作頻段通常是確定值，而只有處于同工作頻段的衛(wèi)星和使用終端之間才能建立通信鏈路，提供通信服務(wù)，這是衛(wèi)星通信資源調(diào)度問(wèn)題中的一個(gè)硬約束。
1．2靜止軌道衛(wèi)星通信資源－任務(wù)匹配的軟性約束軟性約束是指對(duì)衛(wèi)星通信的質(zhì)量、取得效益具有影響的約束條件。包括3項(xiàng)內(nèi)容，具體為:1)通信資源調(diào)度的能力約束資源具備的能力(比如帶寬等)必須達(dá)到完成任務(wù)的最低要求，才能被分配執(zhí)行任務(wù)。2)通信資源調(diào)度的質(zhì)量約束在衛(wèi)星通信中，無(wú)線電波要先后穿越對(duì)流層、平流層、電離層等，不可避免的會(huì)受到多種因素影響，產(chǎn)生自由空間傳播損耗、大氣吸收損耗和雨衰損耗等，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降，甚至出現(xiàn)通信中斷的現(xiàn)象，特別是降雨對(duì)Ku，Ka頻段信號(hào)產(chǎn)生衰耗較大［12］。而目前，實(shí)際應(yīng)用中的通信衛(wèi)星工作頻段大都在C，Ku和Ka頻段。因此，在調(diào)度過(guò)程中要考慮通信鏈路載噪比、損耗、誤碼率等的影響。3)通信資源調(diào)度的優(yōu)先級(jí)約束①任務(wù)的優(yōu)先級(jí)約束。任務(wù)的價(jià)值(重要程度)、緊迫度和執(zhí)行順序等屬性決定了每項(xiàng)任務(wù)具備不同的優(yōu)先級(jí)。②資源的優(yōu)先級(jí)約束。資源的價(jià)值、能力和稀缺程度等屬性決定了每個(gè)資源也具備不同的優(yōu)先級(jí)。
2靜止軌道衛(wèi)星通信資源－任務(wù)匹配問(wèn)題模型
在一個(gè)多任務(wù)的通信環(huán)境下，通信資源分配問(wèn)題可以描述為一個(gè)由通信資源和通信任務(wù)所構(gòu)成的數(shù)學(xué)規(guī)劃問(wèn)題。基于以上對(duì)靜止軌道衛(wèi)星通信資源－任務(wù)匹配的約束分析，建立數(shù)學(xué)模型如下。
2．1問(wèn)題假設(shè)為簡(jiǎn)化問(wèn)題，便于建立數(shù)學(xué)模型，在不改變問(wèn)題性質(zhì)的前提下，做出如下假設(shè):1)所有資源都絕對(duì)可靠，即不考慮出現(xiàn)資源性能降低或者故障的情況;2)一個(gè)通信資源某一時(shí)刻只能為一個(gè)通信任務(wù)提供服務(wù)。3)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器均為透明轉(zhuǎn)發(fā)器，不考慮衛(wèi)星具備星上處理功能;4)所有任務(wù)在進(jìn)行匹配調(diào)度前已經(jīng)確定，不考慮有新任務(wù)動(dòng)態(tài)更新的情況;5)任務(wù)一旦開(kāi)始就必須完成，不考慮自然或人為干涉的任務(wù)中斷;6)各個(gè)任務(wù)之間是相對(duì)獨(dú)立任務(wù)，不存在邏輯上的先后關(guān)系;7)匹配調(diào)度過(guò)程中不考慮決策者或者事件固有經(jīng)驗(yàn)的偏好因素。
2．2變量約束條件描述1)覆蓋范圍約束衛(wèi)星覆蓋區(qū)域d由波束決定，對(duì)于全球波束，覆蓋區(qū)域?yàn)榈厍蚰媳本?5°之間與以星下點(diǎn)為中心對(duì)地球邊緣張角17．34°所圍成的部分。對(duì)于點(diǎn)波束，覆蓋區(qū)域d可以通過(guò)模型計(jì)算得到。若任務(wù)區(qū)域?yàn)镈，任務(wù)區(qū)域必須在覆蓋范圍之內(nèi)。
2．3目標(biāo)函數(shù)衛(wèi)星資源調(diào)度相關(guān)研究中，通常根據(jù)任務(wù)完成情況確定目標(biāo)函數(shù)［17］。一般的資源－任務(wù)調(diào)度多數(shù)是以產(chǎn)生的綜合收益最大為目標(biāo)，本文從任務(wù)收益和衛(wèi)星資源使用兩方面考慮調(diào)度目標(biāo)。1)任務(wù)調(diào)度收益大。即任務(wù)收益之和盡可能高，不僅要盡可能調(diào)度高收益的任務(wù)，而且成功調(diào)度的任務(wù)數(shù)量要多。收益主要根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)確定。
3靜止軌道衛(wèi)星通信資源－任務(wù)匹配問(wèn)題求解思路
根據(jù)以上分析可知，靜止軌道衛(wèi)星通信資源－任務(wù)匹配是一個(gè)多目標(biāo)組合優(yōu)化問(wèn)題，結(jié)合靜止軌道衛(wèi)星通信資源－任務(wù)匹配規(guī)則，給出求解該問(wèn)題的思路，如圖3所示。匹配過(guò)程可以描述為:步驟1數(shù)據(jù)初始化。根據(jù)通信任務(wù)和衛(wèi)星資源的描述，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要是編號(hào)、計(jì)算資源覆蓋區(qū)域和可用時(shí)間，得到任務(wù)集合T和資源集合R，進(jìn)入步驟2;步驟2匹配可行性檢測(cè)。對(duì)照資源－任務(wù)匹配的“硬約束”條件，篩選出可調(diào)度任務(wù)集Tk。如果Tk為空，則無(wú)法進(jìn)行匹配，終止流程，否則進(jìn)入步驟3;步驟3選擇任務(wù)。從可調(diào)度任務(wù)集Tk中選出優(yōu)先級(jí)最大的任務(wù)Ti，并將Ti移出Tk，進(jìn)入步驟4。如果已完成的任務(wù)數(shù)量等于可調(diào)度任務(wù)總數(shù)，則結(jié)束整個(gè)流程;步驟4選擇資源。根據(jù)資源優(yōu)先級(jí)，為選定的任務(wù)Ti分配資源Rj，如果資源能夠滿足任務(wù)需求，進(jìn)入步驟5;否則進(jìn)入步驟6;步驟5資源分配。將資源Rj從R中移出，設(shè)置Rj狀態(tài)為已調(diào)用，并將Rj的處理任務(wù)結(jié)束時(shí)間設(shè)為tie，返回步驟3進(jìn)行循環(huán)操作;步驟6資源釋放。選擇剛完成的任務(wù)，將其占用的資源狀態(tài)設(shè)置為可調(diào)用，并放回R中，返回步驟4進(jìn)行循環(huán)操作。
4數(shù)據(jù)仿真
人工智能算法是求解多目標(biāo)組合優(yōu)化問(wèn)題的有效手段，本文采用蟻群算法進(jìn)行仿真分析。采用MatlabR2010a編程，在Win7系統(tǒng)(硬件配置Core二代2．2GHz，1G內(nèi)存)計(jì)算完成，調(diào)度總收益19，經(jīng)驗(yàn)證其結(jié)果正確，運(yùn)行時(shí)間2．775756s。運(yùn)行結(jié)果如表4所示。
5結(jié)束語(yǔ)
結(jié)合靜止軌道衛(wèi)星通信的工作過(guò)程和軌道特點(diǎn)，系統(tǒng)分析了在多衛(wèi)星和多任務(wù)通信環(huán)境背景下，靜止軌道衛(wèi)星通信資源與衛(wèi)星通信任務(wù)需求進(jìn)行匹配調(diào)度的約束規(guī)則，并提出了問(wèn)題的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，建立了靜止軌道衛(wèi)星通信資源－任務(wù)匹配調(diào)度的模型，最后，給出了求解該問(wèn)題的基本思路，進(jìn)行了實(shí)際仿真，為開(kāi)展靜止軌道衛(wèi)星通信資源分配調(diào)度算法研究奠定了基礎(chǔ)。
作者：賀寅張海勇任重單位：海軍大連艦艇學(xué)院通信系