多層衛星網絡資源混合優化策略

徐 炎，崔司千

(1.北京中網華通設計咨詢有限公司，北京 100070；2.中國電子科學研究院，北京 100041)

0 引言

多層衛星網絡是解決我國現有網絡覆蓋不全、信息難兼容、服務響應慢和安全有隱患等難題的必由之路，是國家戰略性公共信息基礎設施建設的重要方向。多層衛星網絡由高軌衛星、低軌衛星和地基基站網組成，并與地面互聯網、移動通信網融合互聯，為陸海空天各類用戶提供寬帶接入、移動通信以及天基物聯等全球網絡信息服務。

衛星頻率和軌位資源是世界各國競相爭奪的戰略性稀缺資源，也是多層衛星網絡建設的基礎性、先決性條件。國際規則中衛星頻率和軌位資源的主要分配形式為 “先申報先使用”的搶占方式，由于需求增長迅猛，衛星頻率和軌位資源獲取與使用的矛盾異常突出，世界各國對衛星頻率和軌位資源的爭奪趨于白熱化，已從單純的技術層面延伸至政治、經濟和外交等多個方面。為了進一步挖掘頻率資源潛力，采用平經度隔離、偏心率隔離及認知無線電等技術手段，有限的頻率和軌位資源優化使用問題已成為當前的研究熱點。同時，多層衛星網絡將由大量的低軌衛星和高軌衛星等各類空間節點組成，這些天基節點的發射功率也十分有限。因此，設計有效的MAC層鏈路調度策略，進而實現網絡頻率、功率資源的高效利用是多層衛星網絡建設過程中的一個重要研究方向。

1 系統模型

現有衛星網絡大多采用STDMA方式，本文研究目的主要是設計使各種分布式資源混合優化算法都可以嵌入到針對多層衛星網絡設計的STDMA MAC協議中去，進而設計出衛星時隙(Tslot)作為實現所需優化目標的共用策略。將多層衛星網絡劃分成一個個“資源競爭區域”，并假設資源競爭區域內的同頻傳輸是干擾的來源。假設節點1占用當前時隙，多層衛星網絡中節點1的局部競爭區域示意如圖1所示。

圖1 典型節點局部競爭區域示意Fig.1 Local competition area representing a typical network node

(1)

(2)

式中，θ為路徑損耗因子，取值范圍是根據不同的傳輸環境確定。文獻[4-6]給出了θ從直射環境到城市環境的取值。

2 功率效率最優的時隙共享策略設計

2.1 基于動態規劃的分布式功率控制算法

研究的主要目的是開發出可以實現以下3個目標的時隙共享策略：

① 在滿足時隙占有衛星傳輸需求的同時盡可能地增加同時使用空間頻率資源的衛星鏈路個數；

② 最大化地統一資源競爭區域內數據傳輸率和各個衛星功率效率；

③ 最小化地處理復雜度以降低對衛星處理資源的需求。

(3)

本文將利用連續動態規劃設計求解出所建立模型的功率控制最優算法。為了闡述方便，受限定義以下術語：

(4)

② 一個步驟的狀態。由式(4)可以看出，k階段的限制條件由集合Ci(1≤i≤k)共同決定。在階段k中，將限制條件Ci(1≤i≤k)除ai，kxk項外的所有項全部移動到不等式的右側，并稱其為限制條件Ci的“右端項”，記作Ri，k。定義所有1

Sk=(R1，k，R2，k，...，Ri，k，...，Rk，k) 。

(5)

在第k階段的決策所需要遵守的限制條件可表示為xk∈Sk，等價于：

ai，kxk≥Ri，k，i∈{1，2，...，k}，

(6)

狀態轉移方程可以進一步表示為：

Ri，k=Ri，k-1-ai，k-1xk-1，i∈{1，2，...，k}。

(7)

③ 理想求解函數。使用遞歸的方法求解，并用式(8)來代表n階段至k階段的最優解加和，既可支持鏈路{n，n-1，...，k}穩定并且同時傳輸的元素式最小功率的求和為：

(8)

理想目標函數可設計為：

(9)

當n=2時，理想目標函數變為：

(10)

k=2時，可以得到：

(11)

當k=1時，可以得到：

(12)

(13)

部分獲得至少一個解。顯然min(·)是x1的單調遞減min函數的上限等于下限時取得最小值，即

(14)

從而可得：

(15)

(16)

對于n條衛星鏈路的同時傳輸：

當k=n時，

(17)

由于：

(18)

則：

(19)

(20)

(21)

當k=n-1時，

(22)

由于：

Ri，n=Ri，n-1-ai，n-1xn-1，i∈{1，2，...，n} ，

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

i∈{1，2，...，n}。

(28)

2.2 功率效率最優的時隙共享策略

以Dynamic TDMA Slot Assignment(DTSA)協議為例說明本文所設計的算法的工作過程。現在定義2類控制信息包：

① RPs是多層衛星網絡時隙擁有衛星向同一資源競爭區域其他衛星的傳遞相對位置及鏈路傳輸速率的控制包。

② IPs是多層衛星網絡內時隙擁有衛星向統一資源競爭區域其他衛星的傳遞發送功率的控制包。

OPC衛星資源共享策略工作流程如表1所示。

表1 OPC衛星資源共享策略工作流程Tab.1 Steps of multi-layer satellite network slot sharing strategy

3 仿真和性能分析

為驗證多條衛星網絡性能應用所設計的算法后的性能，本文利用NS2開展了大量仿真。

在網絡業務飽和狀態時，多層衛星網絡吞吐量的性能在應用文本所設計算法后的表現如圖2所示。

圖2 業務飽和時多層衛星網絡吞吐量對比Fig.2 Comparison of throughput performance in saturated multi-layer satellite network

仿真結果表明，在路徑損耗因子θ≥2.5時，應用本文設計的算法后多層衛星網絡開始出現可同時傳輸鏈路情況，而且網絡吞吐量在原算法的2倍以上。進一步增大θ取值，多層衛星網絡吞吐量的增加更加明顯。這是因為，應用了本文所設計的算法后多層衛星網絡內的獨立資源競爭區域增大，同時傳輸的衛星鏈路隨之增多。

在網絡業務飽和狀態時，多層衛星網絡功率消耗的性能在應用本文所設計算法后的表現如圖3所示。

圖3 業務飽和時多層衛星網絡功率消耗對比Fig.3 Comparison of power consumption performance in saturated multi-layer satellite network

仿真結果表明，應用本文所設計算法后，雖然多層衛星網絡同時傳輸鏈路間存在干擾情況，但整個網絡的功率消耗情況卻顯著下降，說明設計的算法對于節省多層衛星網絡功耗效果十分顯著，可有效地解決多層衛星網絡節點功率受限的難題。

4 結束語

現有多層衛星網絡采用的STDMA時隙、功率分配策略多為固定方式，本文針對這一固有弊端，將其建模為資源混合優化數學問題。在保證統一資源區域內各個衛星鏈路傳輸鏈路的同時，兼顧各條衛星鏈路使用資源的公平性，提出了一種可以嵌入到現有STDMA協議的功率控制算法并據此設計了一種多層衛星網絡時隙共享策略。仿真結果證明，所提出的功率控制算法可有效地解決多層衛星網絡功率受限的固有難題，提高多層衛星網絡的工作效率。