一种对地观测LEO卫星数据的博弈缓存多路径传输方法与流程

一种对地观测leo卫星数据的博弈缓存多路径传输方法
技术领域
1.本发明属于leo卫星网络传输技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.本发明综合考虑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。


技术实现要素：

5.本发明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。
6.本发明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：
7.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；
8.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'；
9.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；
10.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
；
11.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
，
12.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；
13.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
14.下载到es的总传输时间为
15.下载地地面站的能量消耗为
16.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。
17.本发明的特点还在于：
18.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。
19.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。
20.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)。
21.步骤5中下传数据ds
i
＝ts
i
＊w。
22.剩余数据os
i
≤as
i
‑
ds
i
。
23.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；
24.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，
…
，os
i
}
[0037]
始终os
i
是s
i
缓存给geo节点的数据量，计算式为为：
[0038]
os
i
＝{t，os
i2t
，
…
，os
int
}
[0039]
式中，t为传输一个图像是时间；
[0040]
目标函数的最优解根据拉格朗日乘子法和kkt条件求解；
[0041]
st是geo节点转发任务的有序序列表，表达式如下：
[0042]
st＝{index1，index2，
…
，index
m
}，st≤q
[0043]
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。
[0044]
本发明的有益效果是：
[0045]
1、本发明在leo即将进入与es的联系窗口之前，根据leo卫星与es的联系时间预留下载到es的数据量，剩余数据通过缓存节点(geo节点)下载到es，这样可以充分利用leo
‑
es链路资源，在一定程度上降低了geo节点的能源消耗，同时使得数据整体传输时延最小，并且最大化系统吞吐量。
[0046]
2、本发明在最佳情况下，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。
附图说明
[0047]
图1是本发明的leo卫星在联系窗口内的多路径传输技术路线图；
[0048]
图2是本发明一个实施例的缓存多路径传输场景示意图；
[0049]
图3是本发明一个实施例的多路径传输模型图；
[0050]
图4是多个leo卫星共享一个es的1根天线时，es的时间分配图；
[0051]
图5是多个leo卫星共享一个es的2根天线时，es的时间分配图。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0053]
本发明一种对地观测数据的博弈缓存多路径传输方法，在leo即将进入与es的联
系窗口之前，根据leo卫星与es的联系时间预留下载到es的数据量，剩余数据os
i
通过缓存节点(geo节点)下载到es，这样可以充分利用leo
‑
es链路资源，在一定程度上降低了geo节点的能源消耗，同时使得数据整体传输时延最小，并且最大化系统吞吐量。leo卫星s
i
过顶时间为ts
i
，leo
‑
es链路带宽为w，预留数据量公式为：ds
i
＝ts
i
*w，缓存数据量，由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，leo卫星s
i
的效用函数为：的效用函数为：其中εln(1 os
i
)表示s
i
的满意度，ε表示对传输任务的满意度系数，p
i
*os
i
是s
i
支付的费用费用，是从s
i
到geo节点的能量消耗，α是leo能量消耗的系数因子。geo节点的效果函数为：到geo节点的能量消耗，α是leo能量消耗的系数因子。geo节点的效果函数为：其中是geo节点到es的能量消耗；博弈的目的就是使两个效用函数之差最大化，即:这里的leo卫星s
i
的下载量为ds
i
os
i
，下载到es的总传输时间为，下载到es的总传输时间为这里，r
i
是上行链路(leo
‑
geo节点)的传输数据速率，r
g
下行链路(geo节点
‑
es)的传输数据速率，r0下行链路(leo
‑
es)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。下载地地面站的能量消耗为实施例1
[0054]
步骤1、如图1所示，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。
[0055]
步骤2、对步骤一中的时间集合t利用插入排序法升序排序，得到t'。
[0056]
步骤3、基于t'中的时间点，将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。
[0057]
步骤4、利用如图4和图5所示的es time sharing graph技术对步骤三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
。如图4中，
[0058]
步骤5、leo卫星根据步骤四的时间长度ts
i
和leo
‑
es链路的信道带宽w0预留每个leo卫星进入地面站联系窗口时进行下传的数据量ds
i
＝ts
i
＊w0。然后利用图3中的ds
i
链路(绿色线)将数据下传到es。
[0059]
步骤6、leo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。然后利用图3中的os
i
链路(橙色线)将数据下传到es。缓存数据量，由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，leo卫星s
i
的效用函数为：geo节点的效果函数为：
[0060][0061]
博弈的目的就是使两个效用函数之差最大化，即目标函数为:
[0062][0063]
上述目标函数可根据拉格朗日乘子法和kkt条件求解。
[0064]
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
的总的下载量下载量下载到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(leo
‑
geo节点)的传输数据速率，r
g
下行链路(geo节点
‑
es)的传输数据速率，r0下行链路(leo
‑
es)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。