[发明专利]面向任务时延约束的低轨卫星数据传输方法

权利要求书

1.一种面向任务时延约束的低轨卫星数据传输方法，其特征在于，包括如下：

(1)初始化卫星网络每条轨道上卫星的集合为Sa＝{Sa₁,Sa₂,…,Sa_n,…,Sa_M}，其中第i颗卫星记为Sa_i,i∈1,2,…,M，根据同轨道相邻卫星建链的规则，生成空间信息网络中每条轨道上卫星的拓扑关系，实现如下：

(1a)初始化卫星轨道高度为h，设M颗卫星在同一条卫星轨道上均匀分布，且每颗卫星的轨道周期为T_L；

(1b)初始化每轨道上卫星的排列顺序，即对卫星Sa_i的两颗相邻卫星分别进行标记：

将Sa_i移动方向上的第一颗卫星记为Sa_(i+M)％M+1；

将Sa_i移动相反方向上的第一颗卫星记为Sa_{(i+M-2)％M+1}；

(1c)在任意两颗相邻卫星之间建立全双工的星间链路；

(2)基于(1)生成的卫星网络，计算每条轨道下的地面站位置信息，获得地面站集合GS＝{GS₁,GS₂,…,GS_n,…,GS_M}，其中第i个地面站记为GS_i,i∈1,2,…,M，在地球表面部署该M个地面站并构建地面固定的时变星地连接关系；实现如下：

(2a)根据初始时刻的M颗卫星在轨道上的位置，获得任意两颗相邻卫星之间的弧的中点的位置；

(2b)将M条弧的中点与地心连线生成M条直线，该M条直线与地球表面的交点位置作为M个地面站的位置；

(2c)计算卫星与地面站发生同步切换的星地切换周期T_s＝T_L/M，其中T_L为卫星的轨道周期；

(2d)在初始时刻地面站GS_i∈GS与卫星Sa_i∈Sa建立连接，即GS₁与Sa₁，GS₂与Sa₂，…，GS_i与Sa_i…,GS_M与Sa_M建立M对全双工星地链路；

(2e)在后续过程中每经过T_s发生一次同步切换，切换的方式如下：

假设切换前GS_i与Sa_i建立连接；

则切换后GS_i与Sa_{(i+M-2)％M+1}建立连接；

(3)初始化空间信息网络的网络参数：星间链路传播时延星地链路传播时延星间链路传输速率R_SS＝25Mbps，星地链路传输速率R_SG＝50Mbps，星地切换周期T_s＝T_L/M＝6028/11＝548s和单星存储容量m＝40Gb；初始化每对地面站需要传输的数据包信息，即数据包产生时刻CT、数据包大小pm、源地面站GS_i∈GS、目的地面站GS_j∈GS，任务时延约束D和数据包传输跳数n＝(j+M-i)％M；

(4)根据数据包信息，确定该数据包的传输方式：

(4a)初始化数据包传输过程中的卫星携带时长τ_c，即初始携带时长τ_f和整数携带时长kT_s的和，其中k为整数携带跳数；

(4b)计算数据包的利用卫星携带和星间链路混合传输的时延约束的上界T₁和下界T₂；

(4c)将任务时延约束D与(4b)中上界T₁、下界T₂进行比较，得到三种不同的传输方式：

若D≥T₁，则数据包全部利用卫星携带传输，

若T₂≤D＜T₁，则数据包利用卫星携带和星间链路混合传输，即先用卫星携带，后用星间链路，

若0＜D＜T₂，则数据包无法在时延约束内完成传输；

(5)根据数据包的传输方式，计算数据包的传输切换时间T_c：

(5a)对卫星携带和星间链路混合传输情况的计算：

(5a1)计算其最大整数携带跳数k_max，最大的初始携带时长τ_fm和初始携带时长τ_f：

τ_f＝T_s-CT％T_s，

其中，将和化成整数进行取余运算，

将CT和T_s化成整数进行取余运算；

(5a2)将初始携带时长τ_f和最大初始携带时长τ_fm进行比较，计算数据包的整数携带跳数k和传输切换时间T_c；

若τ_f＜τ_fm，k＝k_max，则

若τ_f≥τ_fm，k＝k_max-1，则

(5b)对全部利用卫星携带传输的情况：计算公式为

(6)空间信息网络中每个节点根据自身存储和传输切换时间T_c，确定数据包的下一跳和转发模式：

(6a)源地面站根据初始化的数据包信息和(5)的计算结果为每个数据包添加包头信息，即源地面站GS_i，目的地面站GS_j，下一跳地址A₁和传输切换时间T_c；

(6b)源地面站计算数据包生成时刻CT与本地面站连接卫星Sa_f的编号f，将该卫星地址写入数据包头中的下一跳地址A₁并立即转发；

(6c)收到数据包的卫星根据读取的传输切换时间T_c，确定自身在数据包传输过程中的任务：

若T_c＜0，则收到数据包的卫星用于星间链路传输，执行(6d)；

若T_c≥0，则收到数据包的卫星用于卫星携带，执行(6e)；

(6d)收到数据包的卫星检测当前时刻CT₁是否与数据包的目的地面站GS_j建立连接，得到数据包下一跳A₁和发送模式：

若收到数据包的卫星在当前时刻CT₁与目的地面站GS_j建立连接，则A₁＝GS_j，收到数据包的卫星立即发送数据包到下一跳；

若收到数据包的卫星在当前时刻CT₁与目的地面站GS_j无法建立连接，则A₁＝Sa_(x+M)％M+1，其中x为收到数据包的卫星编号，Sa_x立即发送数据包到下一跳；

(6e)收到数据包的卫星根据自身存储情况计算该数据包的下一跳和转发模式：

如果收到数据包的卫星存储空间未满，则执行(6f)；

如果收到数据包的卫星存储空间已满，则执行(6g)；

(6f)收到数据包的卫星检查T_c时刻与目的地面站GS_j的连接状态，计算数据包的下一跳和传输模式：

若T_c时刻收到数据包的卫星自身与目的地面站建立连接，则A₁＝GS_j，收到数据包的卫星将在T_c时刻发送数据包到下一跳；

若T_c时刻收到数据包的卫星自身与目的地面站无法建立连接，则A₁＝Sa_(x+M)％M+1，其中x为收到数据包的卫星编号，记录传输切换时间的值T_c为发送时间T_r＝T_c，并将传输切换时间改变为T_c＝-1，收到数据包的卫星将在T_r时刻发送到下一跳；

(6g)更改传输切换时间的取值T_c＝-1，则A₁＝Sa_(x+M)％M+1，其中x为收到数据包的卫星编号，Sa_x立即发送数据包到下一跳。