[发明专利]面向任务时延约束的低轨卫星数据传输方法

说明书

本发明公开了一种基于任务时延约束的空间信息网络数据传输方法，主要解决现有技术无法根据不同的任务时延约束最优化利用卫星移动存储和星间链路资源的问题。其实现方案是：获取目标空间信息网络的卫星集合，并部署对应的地面站集合；根据卫星运动规律和地面站集合构建地面固定的时变星地连接关系；初始化空间信息网络的网络参数和任务信息；根据任务的产生时刻、任务时延约束和时变星地连接关系，计算每个数据包最优利用网络资源的传输切换时间；空间信息网络根据每个数据包的传输切换时间和网络状态转发数据包。本发明能最大化利用卫星移动存储资源，提升了网络吞吐量，缓解了网络拥塞，可用于传输具有不同时延约束的业务。

技术领域

本发明属于通信技术领域，是一种低轨卫星数据传输方法，可用于传输具有不同时延约束的业务，提升卫星网络吞吐量。

背景技术

空间信息网络由在轨运行的多颗卫星及卫星星座组成骨干通信网，具有覆盖面积广，组网灵活，建网快，不受地理环境的限制等突出特点。空间信息网络在国家安全、航空航天、环境监测、交通管理、工农业等领域发挥着日益重要的作用。随着空间无线通信技术的发展，卫星不止可以同地面站建立连接，卫星节点之间也可建立可靠的通信链路。因此卫星网络实现两个地面节点通信需要一条由源地面站到卫星网络，再从卫星网络到目的地面站的通信路径。具体而言，是将数据先通过星地链路从源地面站上传到可通信的卫星，再通过卫星网络的多跳中继到达在目的地面站通信范围内的卫星，最后通过星地链路成功回传至目的地面站。

空间信息网络存在着多种类型的传输任务，其端到端的时延约束有着较大差别。例如语音通话和高清视频业务的端到端时延要小于250ms，这属于时延敏感业务。而像气候数据和南北极科考数据的回传等这类对时延要求宽松的业务类型我们定性为时延容忍业务，此类业务的端到端时延要求往往为分钟或者小时级别。空间信息网络可能需要同时传输这两类业务，因此如果仅利用星间链路传输数据，大量的时延容忍业务传输会极大的占用星间链路无线资源，导致时延敏感业务的时延抖动从而影响用户体验。

传统的空间信息网络路由方法主要研究了如何在源节点和目的节点间找一条最短路径使得数据包传输的端到端时延最小，即最小跳数原则和最小费用原则。该类方法在时间扩展图的基础上，用存储弧连通不同时间切片的星间链路，并优先利用无线星间链路传输数据。但是卫星网络往往需要承载各种不同时延约束的业务。当网络存在大量时延容忍业务的传输需求时，依旧采用最小时延的路由方法将占用大量星间链路，并难以保证时延敏感任务的可靠传输，浪费了卫星存储资源，加剧网络拥塞并恶化了网络性能。

同时也存在一部分利用卫星存储资源提升网络的吞吐量的路由方法，其核心思想为：星间链路受天气和干扰等因素的影响无法提供可靠的传输机会时，卫星负责缓存数据并等待即将到来的传输机会。该方法有效提升了网络吞吐量并节省了星间链路资源，但是该方法存在两点问题。其一在于缺乏对任务时延约束的考虑，即没有考虑被卫星缓存的业务也需要在规定的时间内完成传输的情况，这将导致某些数据的端到端时延过大而失去其时效性；其二在于该方法只是引入卫星移动存储来提升网络吞吐量，并未获得卫星存储资源和星间链路资源最优协作方式，浪费了部分卫星无线链路资源。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提出一种面向任务时延约束的低轨卫星数据传输方法，以优化利用卫星移动存储和星间链路两种资源，提升卫星网络的性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤:

(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；