[发明专利]一种对地观测LEO卫星数据的博弈缓存多路径传输方法

权利要求书

1.一种对地观测LEO卫星数据的博弈缓存多路径传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用STK模拟LEO卫星网络，获得LEO卫星S_i＝{S₁,S₂,…,S_i-1,S_i}的与ES的联系窗口时间集合T＝{S_1s,S_2s,S_1e,S_3s,…，S_is,…，S_ie}，其中S_is和S_ie分别为LEO卫星S_i与ES联系窗口的开始时间和结束时间；

步骤2、对步骤1中的联系窗口时间集合T利用插入排序法升序排序，得到升序联系窗口时间集合T'；

步骤3、基于T'中的时间点，将升序联系窗口时间集合T'中的每两个相邻时间点之间定义为一个时间片段，LEO卫星与地面站的联系窗口时间线分成t_LEO＝{t₀,t₁,…,t_2i-1}个时间片段；

步骤4、利用ES Time Sharing Graph技术对步骤3生成的时间片段进行等分，每个时间片段由x个LEO卫星共享，则每个LEO卫星分得此时间片段的时长则为1/x，得到每个LEO卫星与地面站的联系时间长度TS_i；

步骤5、LEO卫星根据步骤4的联系时间长度TS_i和LEO-ES链路的信道带宽W预留数据，然后利用DS_i链路将下传数据DS_i下传到ES，所述数据为每个LEO卫星进入地面站联系窗口时进行下传数据DS_i，

步骤6、LEO卫星将剩余数据OS_i根据GEO节点的缓存策略缓存给GEO节点，再由GEO节点下传到地面站；然后利用OS_i链路将剩余数据OS_i下传到ES；

所述步骤6的缓存策略具体为GEO节点定价后，多个LEO以竞争方式获得GEO节点的缓存空间，提出Stackelberg博弈缓存方案；

所述Stackelberg博弈缓存方案是一个主从博弈模型，主为GEO节点，在保证GEO节点的缓存使用情况下，将剩余缓存通过定价的方式卖给从属节点LEO，GEO节点的缓存空间份额矩阵为CS＝{CS₁,…,CS_i}，多个从属LEO通过非合作形式竞争GEO节点的剩余缓存空间份额，从而实现GEO节点向LEO提供收费的数据缓存转发服务；

所述LEO卫星S_i效用函数为：

所述GEO节点的效用函数为：

GEO节点的缓存空间份额矩阵为CS＝{CS₁,…,CS_i}；

所述Stackelberg博弈缓存方案的目标函数为：

CS_i＞OS_i

CS_i＞0,OS_i＞0

式中，Q是GEO节点允许的最大缓存空间；

其中，所有LEO的缓存请求矩阵：

OS＝{OS₁,OS₂,…,OS_i}

式中OS_i是S_i缓存给GEO节点的数据量，计算式为：

OS_i＝{t,OS_i2t,…,OS_int}

式中，t为传输一个图像的时间；

目标函数的最优解根据拉格朗日乘子法和KKT条件求解；

ST是GEO节点转发任务的有序序列表，表达式如下：

ST＝{index₁,index₂,…,index_m}，ST≤Q

最佳情况下，每个LEO都获得了最大化缓存给GEO节点的数据量，同时GEO节点LEO卫星节点获得每一个LEO节点缓存数据量的均衡解所对应的定价，而此时的定价矩阵即为GEO节点为LEO提供缓存资源所获得的最大效益值；

步骤7、ES接受LEO和GEO节点传输的数据并做相应的处理，计算LEO卫星S_i的总下载量

下载到ES的总传输时间为

下载到地面站的能量消耗为

r_i是上行链路的传输数据速率，r_G下行链路的传输数据速率，r₀下行链路的传输数据速率，h是信道增益，ρ是LEO卫星的传输功率,d_sg,d_se,d_ge分别为LEO到GEO节点的距离，LEO到ES的距离，GEO节点到ES的距离，c为光速。