緊急狀況下衛星網絡傳輸任務在軌實時規劃技術

汪路元 禹霽陽 程博文 劉偉偉 牛躍華

摘 要： 針對在緊急狀況下衛星網絡任務傳輸的需求，提出一種衛星網絡傳輸在軌實時規劃技術。通過對組網衛星當前鏈路通路參數的實時計算，規劃當前緊急信息能夠最快傳輸的路徑。首先，對衛星網絡進行模型建立，將星間鏈路的連接看作時變連接矩陣的拓撲模型；然后，通過各節點的參數規劃最小信息傳輸延遲下的數據通路；最后，緊急信息任務根據當前節點規劃結果選擇下一個節點的最佳傳輸路徑，從而使得傳輸延遲最短。采用在軌各節點實時動態規劃的方式，消除地面對衛星網絡狀態交互的延遲及誤判，減少對正常通信業務的影響。基于設計模型進行了硬件電路的實現及實驗，傳輸平均延遲均在秒級，能夠實時完成緊急信息傳輸的自主任務規劃。

關鍵詞： 衛星網絡； 在軌實時規劃； 時變連接矩陣； FPGA； 傳輸延遲； 緊急信息任務

中圖分類號： TN958?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）16?0123?04

Abstract： In allusion to the transmission requirement of the satellite network task in emergency circumstances， an on?orbit real?time planning technology for satellite network transmission is proposed. The fastest transmission path of the current urgent information is planned by means of the real?time calculation of the current link channel parameters of networking satellites. The satellite network model is built， and the inter?satellite link connection is regarded as the topological model of the time?varying connection matrix. The data path with the minimum information transmission delay is planned according to the parameters of each node. The best transmission path to next node is selected according to the planning result of the current node for emergency information tasks， so as to make the transmission delay shortest. The on?orbit real?time dynamic planning method for each node is adopted to eliminate satellite network status interaction delays and misjudgments from the ground， so as to reduce the influence on normal communication services. The implementation and experiment of the hardware circuit were carried out based on the designed model. The results show that the average transmission delay of the hardware circuit is in the second?level， and the hardware circuit can complete the autonomous task planning of urgent information transmission in real time.

Keywords： satellite network； on?orbit real?time planning； time?varying connection matrix； FPGA； transmission delay； emergency information task

0 引 言

衛星網絡能夠有效地完成災害預報、地面態勢評估及地理測繪，具備廣泛的覆蓋范圍和應用前景，在民用大數據社會需求下發揮著重要作用[1]。但目前衛星的任務完成，主要依靠地面設計，再通過指令上注的形式，這種方式交互效率低、對測控時間要求也較為嚴格，因此在使用過程中不免會產生非最優解的狀況。特別是在多載荷、任務量巨大的情況下，新任務的增加及舊任務的刪除也會導致整個任務執行的中斷或延遲[2?3]。因此，需要根據衛星網絡自身特點設計在軌實時任務規劃模塊，以保證在軌任務的有序完成，從而保證衛星的好用、易用。

任務規劃技術在衛星執行任務過程中，采用搜索的方式來完成一系列觀測任務的最優化指令生成。當距離地面站較遠導致無法直接通信的衛星之間不可能直接傳輸的數據[4]，需要考慮各個節點之間的數據傳輸可通信時刻、時間間隔、節點緩存以及傳輸速率，從而完成最佳路徑的規劃。傳統任務規劃方法把整個天基網絡看作是一個旅行商（TSP）優化問題，每條邊界代表了節點間的通路參數狀態，通過對最佳路徑搜索來得到最佳路徑[1]。文獻[2]通過把突發任務包含在計劃任務的中斷時隙中，設計了優化的規劃方法，以此來保證系統的容錯性。基于這一工作，文獻[3]進一步采用演化學習來保證任務執行時間的延遲最小。文獻[5]通過考慮任務之間的接口約束，給出一種任務規劃方法。文獻[6]采用傳統的啟發式搜索方式，設計多任務規劃機制、任務中斷機制和失效機制來提高執行效率。文獻[7]在文獻[6]的基礎上進行算法改進，并給出規劃的仿真分析。

無論如何，傳統的任務規劃設計主要以表格查詢方法作為最佳執行方式的基礎。但在實際使用過程中，特別是緊急情況下，衛星遭受重創時部分通信功能面臨失效或部分失效狀態，則傳統的表格查詢方法不再適用[8?9]。此外當前導航系統在傳輸緊急信息時，一般采用最高優先級的方式，但各個節點仍然按照中繼表格查詢，數據轉發延遲仍然可能高達分鐘級[10]。在這種情況下，顯然需要一種能夠自主在軌判決當前星座狀況，且能夠實時生成緊急信息傳輸路徑的功能。以往的設計主要集中在緩存、功耗的優化[2?7]，本設計側重于在緊急情況下組網星座最佳路徑的搜索。

針對在緊急狀況下衛星網絡任務傳輸的需求，本文提出一種緊急狀況下衛星網絡傳輸在軌實時規劃技術。通過對組網衛星當前鏈路通路參數的實時計算，規劃當前緊急信息能夠最快傳輸的路徑，從而實現緊急信息傳輸任務的實時完成。首先，對組網衛星網絡進行模型建立，將衛星間鏈路的連接看作時變連接矩陣的拓撲模型；然后，通過各節點的參數規劃最小信息傳輸延遲下的數據通路；最后，緊急信息任務根據當前節點規劃結果選擇下一個節點的最佳傳輸路徑，從而使得傳輸延遲最短。由于采用了在軌各節點實時動態規劃的方式，消除了地面對衛星網絡狀態交互的延遲及誤判，同時能夠靈活地采用各節點之間的空余信道，最大限度地減少對正常通信業務的影響。相比于以傳統衛星網絡分鐘級的數據傳輸延遲，本設計緊急信息的傳輸平均延遲均在秒級，有效地降低了轉發時間。基于設計模型進行了硬件電路的實現及實驗，整個設計在FPGA芯片中運行，能夠有效地完成緊急信息傳輸的自主任務規劃。

式中，[Δ]為最小間隔時間。

2 基于FPGA的任務規劃實時計算實現架構

在硬件實現過程中，綜合考慮體積、功耗、實時性的要求，采用Xilinx公司FPGA芯片Spartan?6 LX45實現整個緊急信息傳輸任務規劃計算功能。FPGA內部任務規劃處理設計包括內總線、狀態表、寄存器表、路徑表、內部塊緩存、處理單元組及狀態控制模塊。整個實現架構如圖1所示。

在緊急狀況下的信息傳輸任務規劃計算實現流程包括：搜索開始時，首先設定[T（X，Y，last）]為無窮大；然后，針對時變連接矩陣進行二維搜索計算，考慮FPGA內部計算單元的并行性，將可能發生的跳數下的傳輸時間、傳輸緩存占用計算進行并行計算；對于計算得到的各個跳數的傳輸時間和緩存占用進行整合，得到最終數據傳輸時間和緩存占用；最后，判斷數據傳輸時間和緩存占用是否滿足約束條件，如果滿足則將得到的[T（X，Y）]更新為[T（X，Y，last）]。最終得到的[T（X，Y）]即為最佳傳輸時間，依據該時間傳輸的路徑可以得到最佳傳輸路徑[ROptimum]，即為需要得到的結果。

3 實驗結果與比較分析

試驗過程中各個參數如下：星間鏈路通斷狀態[E（i，j）（t）=0或1]，在傳輸過程中通路時間占總時間的0.01，用來模擬緊急情況下的不穩定通路鏈接；傳輸速度[V（i，j）（t）]，范圍為0～1 Mbit/s，用來模擬緊急情況下的不穩定信道；需要傳輸的數據量為[L（i，j）（t）]，為5 kbit/s，用來模擬緊急狀況下的緊急信息；各個節點最大緩存量為[Bk（t）]，[k∈[0，M-1]]，范圍為0～1 MB，用來模擬緊急情況下絕對可用的緩存量；最大跳數為5。

圖2給出了五節點下某時刻數據傳輸最佳路徑選擇結果。當節點0產生遙測信息需要傳輸至節點4時，發現當前只有節點3可以鏈接成功，啟動數據傳輸[R（0，0）→R（0，3）]，節點3發現只有節點2可以傳輸，啟動數據傳輸[R（0，3）→R（3，2）]，節點2接收到數據后發現無節點可傳輸，該時刻數據在節點2保存[R（3，2）→R（2，2）]，下一時刻發現節點4可以鏈接，于是啟動[R（2，2）→R（2，4）]，結束。

試驗結果與文獻[7]進行了比較，比較了平均延遲的測試結果。平均延遲定義為遞交成功的所有數據包從源端到目的端的時間之和與總的數據包個數之比。圖3給出了與Spray和Wait Routing算法的平均延遲比較，在2 000 s后SWR的平均延遲可以達到35 s以上，本設計的平均延遲小于5 s。因此試驗結果表明，此設計本身能夠有效地提高系統在緊急狀況下的傳輸效率。

表1給出FPGA實現的資源占用，可以看到整個緊急狀況下衛星網絡任務傳輸規劃占用邏輯資源不超過58%，塊存儲資源不超過80%。

4 結 語

針對在緊急狀況下衛星網絡任務傳輸的需求，本文提出一種緊急狀況下衛星網絡傳輸在軌實時規劃技術。通過對組網衛星當前鏈路通路參數的實時計算，規劃當前緊急信息能夠最快傳輸的路徑，從而實現緊急信息傳輸任務的實時完成。首先，對組網衛星網絡進行模型建立，將星間鏈路的連接看作時變連接矩陣的拓撲模型；然后，通過各節點的參數規劃最小信息傳輸延遲下的數據通路；最后，緊急信息任務根據當前節點規劃結果選擇下一個節點的最佳傳輸路徑，從而使得傳輸延遲最短。由于采用了在軌各節點實時動態規劃的方式，消除了地面對衛星網絡狀態交互的延遲及誤判，同時能夠靈活地采用各節點之間的空余信道，最大限度地減少對正常通信業務的影響。相比于以傳統衛星網絡分鐘級的數據傳輸延遲，本設計緊急信息的傳輸平均延遲均在秒級，有效地降低了轉發時間。基于設計模型進行了硬件電路的實現及實驗，整個設計在FPGA芯片中運行，能夠有效地完成緊急信息傳輸的自主任務規劃。

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