基于网络演算的低轨卫星能量管理与低能耗动态路由方法

本申请涉及卫星通信，尤其涉及基于网络演算的低轨卫星能量管理与低能耗动态路由方法。

背景技术：

1、随着第六代移动通信网络的发展，低地球轨道卫星网络因其低延迟、广覆盖和高吞吐量的优势，成为构建全球互联网络的重要组成部分。然而，由于卫星的星载算力与电池能源受限，以及空间环境的复杂性，大规模低地球轨道卫星网络的路由调度面临着严峻的能量受限与网络拥塞挑战。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本申请实施例提供了基于网络演算的低轨卫星能量管理与低能耗动态路由方法，能够解决上述技术问题中的至少一种。

2、根据本申请实施例的一方面，提出了一种基于网络演算的低轨卫星能量管理与低能耗动态路由方法，所述方法包括：

3、确定低轨卫星在当前剩余电量下的电池直流内阻、电池开路电压以及通信载荷放电电流；

4、根据所述电池直流内阻、所述电池开路电压以及所述通信载荷放电电流确定电池实际输出电压；

5、根据所述电池实际输出电压确定所述低轨卫星的通信系统射频前端实际可用的发射功率；

6、确定所述通信系统的物理带宽和信道增益；

7、根据所述发射功率、所述物理带宽以及所述信道增益确定所述低轨卫星与其他低轨卫星之间的星间链路所能够提供的最大信道容量，所述最大信道容量随所述当前剩余电量的变化而变化；

8、确定所述星间链路的最大突发数据量和数据平均到达率，并根据所述最大突发数据量和所述数据平均到达率确定网络演算到达包络；

9、根据所述最大信道容量确定随时间和当前剩余电量变化的动态服务曲线；

10、将所述网络演算到达包络与所述动态服务曲线进行碰撞，得到最大瞬时排队积压量；

11、根据所述最大瞬时排队积压量和所述最大信道容量计算得到确定性网络演算时延上限；

12、根据所述网络演算时延上限和预设的基础防环路跳数惩罚，确定得到综合路由权值，以将所述综合路由权值输入至预设的最短路径规划算法中，得到累积时延最小的最优传输路径，以根据所述最优传输路径对所述星间链路的低轨卫星进行电量扣除。

13、在上述方案中，所述确定低轨卫星在当前剩余电量下的电池直流内阻，包括：

14、确定与所述低轨卫星的电池的底层电池特性相关的多项式系数，所述多项式系数包括第一系数、第二系数、第三系数、第四系数和第五系数；

15、根据所述第一系数、所述第二系数、所述第三系数、所述第四系数、所述第五系数以及所述当前剩余电量确定所述电池直流内阻；

16、其中，通过以下公式计算所述电池直流内阻；

17、 ；

18、式中，为所述电池直流内阻，为所述多项式系数，为所述第一系数，为所述第二系数，为所述第三系数，为所述第四系数，为所述第五系数。

19、在上述方案中，所述根据所述电池直流内阻、所述电池开路电压以及所述通信载荷放电电流确定电池实际输出电压，包括：

20、将所述电池直流内阻乘以所述通信载荷放电电流的积作为第一结果；

21、将所述电池开路电压作为第二结果，将所述第二结果减去所述第一结果的差值作为所述电池实际输出电压。

22、在上述方案中，所述根据所述电池实际输出电压确定所述低轨卫星的通信系统射频前端实际可用的发射功率，包括：

23、确定所述通信系统的功率放大器转换效率以及所述通信系统的天线等效负载阻抗；

24、根据所述电池实际输出电压、所述功率放大器转换效率以及所述天线等效负载阻抗确定所述发射功率。

25、在上述方案中，所述最大信道容量通过以下公式计算得出：

26、 ；

27、式中，为所述最大信道容量，为所述物理带宽，为所述信道增益，为所述发射功率，为噪声功率。

28、在上述方案中，所述网络演算到达包络通过以下公式确定：

29、 ；

30、式中，为所述网络演算到达包络，为所述数据平均到达率，b为所述最大突发数据量，t为当前时刻。

31、在上述方案中，所述最大瞬时排队积压量通过以下公式确定：

32、 ；

33、式中，为所述最大瞬时排队积压量，为所述网络演算到达包络，为所述动态服务曲线。

34、在上述方案中，所述根据所述最大瞬时排队积压量和所述最大信道容量计算得到确定性网络演算时延上限，包括：

35、确定所述通信系统的数据包总大小，以及确定所述低轨卫星与其他任一低轨卫星之间的物理距离；

36、将所述数据包总大小除以所述最大信道容量，得到用于表征数据包传输的传输时延；

37、将所述最大瞬时排队积压量除以所述最大信道容量，得到用于表征突发数据量所引起的排队时延；

38、将所述物理距离除以光速，得到所述物理距离带来的传播时延；

39、将所述传输时延、所述排队时延和所述传播时延进行叠加，得到所述确定性网络演算时延上限。

40、本申请的有益效果：本申请将发送端的低轨卫星的当前剩余电量转换为当前可支撑的发射功率（通信系统射频前端实际可用的发射功率），并由此推导出星间链路此刻可提供的最大信道容量（也即最大动态数据服务速率），该跨层映射机制使得星间链路的实际传输能力客观地随低轨卫星电量的消耗而实时衰减。随后，确定数据平均到达率以及最大突发数据量等流量特征参数，利用网络演算理论精确计算出网络演算到达包络与所述动态服务曲线进行碰撞所产生的最大瞬时排队积压量。基于该最大瞬时排队积压量，进一步推导出确定性网络演算时延上限。系统将该确定性时延上限与预设的基础防环路跳数惩罚相加，生成该星间链路当前的综合路由权值，并以流量源卫星为起点采用预设的最短路径规划算法进行拓扑寻径迭代。由于低电量会导致数据服务速率（最大信道容量）大幅缩小并引发排队时延非线性放大，该寻径过程自然规避了低电量与潜在拥塞链路，最终输出一条全局累积时延代价最小的最优传输路径。

1.一种基于网络演算的低轨卫星能量管理与低能耗动态路由方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的基于网络演算的低轨卫星能量管理与低能耗动态路由方法，其特征在于，所述确定低轨卫星在当前剩余电量下的电池直流内阻，包括：

3.根据权利要求1所述的基于网络演算的低轨卫星能量管理与低能耗动态路由方法，其特征在于，所述根据所述电池直流内阻、所述电池开路电压以及所述通信载荷放电电流确定电池实际输出电压，包括：

4.根据权利要求1所述的基于网络演算的低轨卫星能量管理与低能耗动态路由方法，其特征在于，所述根据所述电池实际输出电压确定所述低轨卫星的通信系统射频前端实际可用的发射功率，包括：

5.根据权利要求1所述的基于网络演算的低轨卫星能量管理与低能耗动态路由方法，其特征在于，所述最大信道容量通过以下公式计算得出：

6.根据权利要求1所述的基于网络演算的低轨卫星能量管理与低能耗动态路由方法，其特征在于，所述网络演算到达包络通过以下公式确定：

7.根据权利要求1所述的基于网络演算的低轨卫星能量管理与低能耗动态路由方法，其特征在于，所述最大瞬时排队积压量通过以下公式确定：

8.根据权利要求1所述的基于网络演算的低轨卫星能量管理与低能耗动态路由方法，其特征在于，所述根据所述最大瞬时排队积压量和所述最大信道容量计算得到确定性网络演算时延上限，包括：