一种对地观测LEO卫星数据的博弈缓存多路径传输方法技术

本发明专利技术公开了本发明专利技术公开的一种对地观测LEO卫星数据博弈的缓存多路径传输方法，本发明专利技术通过以下技术方案予以实现：利用缓存节点GEO，当多个LEO同时与地面站(ES)建立联系时，通过利用ES Time Sharing Graph技术，计算每个LEO与ES的联系窗口时间TS

【技术实现步骤摘要】
一种对地观测LEO卫星数据的博弈缓存多路径传输方法


[0001]本专利技术属于LEO卫星网络传输
，涉及一种对地观测LEO卫星数据的博弈缓存多路径传输方法。

技术介绍

[0002]对地观测图像采集作为LEO卫星的主要应用之一，在环境科学、气象学、地球科学、军事侦察等领域发挥着重要作用。为了保证图像质量，对地观测LEO卫星通常需要较低的高度。由于轨道高度、频带和信道条件等原因，LEO卫星扫过地面站(ES)的持续时间有限，这使得一些LEO卫星不可能在接触时间内将收集到的数据全部传送到地面。由于一颗LEO卫星重新连接地面站的等待时间较长，无法保证延迟要求。
[0003]缓存已被证明是提高LEO卫星网络在服务质量(QoS)、时延和吞吐量方面的系统性能的一种有效方法。在多层LEO卫星网络结构中，利用GEO节点改进网络性，基于博弈论的单GEO节点为多LEO卫星内容缓存的方案，有效解决了因负载不均衡而导致的拥塞问题，进而提高系统吞吐量。现有的研究要么只考虑用GEO节点做缓存，研究了GEO节点的资源分配问题，要么考虑利用LEO卫星星间链路从路由的角度去提升吞吐量，忽略了LEO卫星与地面站之间可见时间的利用率以及LEO卫星能源问题。另外，由于缓存LEO卫星存储资源有限，当多个LEO卫星节点需要向缓存节点上传数据时，他们之间就会存在竞争。所以如何兼顾能源及遥感LEO卫星网络中星地图像传送输速率低和LEO卫星获取图像数据率高之间的矛盾，同时满足提高对地观测LEO卫星网络整体吞吐量的要求，是一个关键问题。
[0004]本专利技术综合考虑LEO卫星相对地面站的联系时间、GEO节点的能源成本、LEO卫星节点的利用率，针对对地观测LEO卫星网络的海量数据，提出一种利用中继节点及联系窗口时间的缓存多路径传输策略，充分利用星间链路，降低数据传输总体延迟，最大化LEO卫星到地面站的数据吞吐量。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种对地观测LEO卫星数据的博弈缓存多路径传输方法，提高了数据下载吞吐量、降低了系统整体的传输时延。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是，一种对地观测LEO卫星数据的博弈缓存多路径传输方法，包括以下步骤：
[0007]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；
[0008]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'；
[0009]步骤3、基于T'中的时间点，将升序联系窗口时间集合T'中的每两相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＝{t0，t1，
…
，t
2i
‑1}个时
间片段；
[0010]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
；
[0011]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
，
[0012]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；
[0013]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
[0014]下载到ES的总传输时间为
[0015]下载地地面站的能量消耗为
[0016]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。
[0017]本专利技术的特点还在于：
[0018]步骤5地面站的天线数量大于1，利用多路径传输技术进行星地数据传输。
[0019]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。
[0020]步骤3中针对时间点的排序算法的平均时间复杂度为O(2i
‑
1)2，空间复杂度为O(1)。
[0021]步骤5中下传数据DS
i
＝TS
i
＊W。
[0022]剩余数据OS
i
≤AS
i
‑
DS
i
。
[0023]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；
[0024]所述LEO卫星S
i
效用函数为：
[0025][0026]所述GEO节点的效用函数为：
[0027][0028]GEO节点的缓存空间份额矩阵为CS＝{CS1，
…
，CS
i
}；
[0029]Stackelberg博弈缓存方案的目标函数为：
[0030][0031][0032]CS
i
>OS
i
[0033]CS
i
>0，OS
i
>0
[0034]式中，Q是GEO节点允许的最大缓存空间；
[0035]其中，所有LEO的缓存请求矩阵：
[0036]OS＝{OS1，OS2，
…...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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
’
中的每两相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＝{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；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
的总下载量的总下载量下载到ES的总传输时间为下载到ES的总传输时间为下载地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。2.根据权利要求1所述的一种对地观测LEO卫星数据的博弈缓存多路径传输方法，其特征在于，所述步骤5地面站的天线数量大于1，利用多路径传输技术进行星地数据传输。3.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈静，底晓强，祁晖，从立钢，任维武，李锦青，田哲，许睿，王浩伟，朱德君，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：