本發(fā)明涉及衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于資源預(yù)留的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)資源調(diào)度方法。

背景技術(shù)：

隨著航空航天領(lǐng)域中對地觀測、軍事偵察以及深空探測等技術(shù)的不斷發(fā)展,中繼衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸呈現(xiàn)了大容量、高速率以及多樣化中繼任務(wù)的特點,衛(wèi)星資源優(yōu)化調(diào)度問題愈凸顯迫切和重要。在眾多測控業(yè)務(wù)需求中，對快速響應(yīng)有著較高要求的突發(fā)業(yè)務(wù)占到很大比重，如何在保障大規(guī)模用戶航天器的跟蹤、測控與數(shù)據(jù)中繼需求的條件下同時保障突發(fā)業(yè)務(wù)的快速響應(yīng)要求對中繼衛(wèi)星系統(tǒng)合理且快速的資源調(diào)度提出了挑戰(zhàn)。

目前，根據(jù)國內(nèi)外文獻資料，現(xiàn)有中繼衛(wèi)星系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度研究的主要對象是預(yù)約式任務(wù)。有學(xué)者將約束規(guī)劃模型應(yīng)用于中繼衛(wèi)星任務(wù)調(diào)度，建立了約束滿足規(guī)劃(CSP)模型，在滿足任務(wù)之間邏輯約束條件下，采用優(yōu)先級高低作為資源競爭時的分配依據(jù)，但僅針對單個空間目標(biāo)的復(fù)雜任務(wù)調(diào)度。鄭偉等統(tǒng)籌考慮了中繼衛(wèi)星S和Ka頻段服務(wù)鏈路，利用時間窗口的沖突檢測分配鏈路資源，但由于遺傳算法求解問題的收斂速度慢，僅適用于任務(wù)數(shù)量較少的情況。有學(xué)者提出一種六元法對任務(wù)進行分解，利用優(yōu)先級高低作為資源分配依據(jù)，但僅解決單個中繼衛(wèi)星的任務(wù)調(diào)度。SW Cheng等提出一種任務(wù)調(diào)度框架，將中繼衛(wèi)星的任務(wù)進一步分解為持續(xù)時間更短的子任務(wù)集合，但僅針對單個空間目標(biāo)的可分解任務(wù)調(diào)度。上述預(yù)約式任務(wù)調(diào)度的研究均沒有考慮空間任務(wù)的突發(fā)特性，因此需要研發(fā)一種能夠及時調(diào)度突發(fā)業(yè)務(wù)且計算簡單的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)資源調(diào)度方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對中繼衛(wèi)星系統(tǒng)中的資源調(diào)度問題，本申請?zhí)峁┮环N基于資源預(yù)留的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)資源調(diào)度方法，包括步驟：

判斷待調(diào)度業(yè)務(wù)集是否為空；

若否，從待調(diào)度業(yè)務(wù)集中選取優(yōu)先級最高的業(yè)務(wù)，并判斷選定的業(yè)務(wù)是否為突發(fā)業(yè)務(wù)；

若選定的業(yè)務(wù)為突發(fā)業(yè)務(wù)，則對選定的業(yè)務(wù)進行調(diào)度，否則，判斷可用資源集占總資源集的比例是否大于預(yù)設(shè)的資源預(yù)留率，若大于，則對選定的業(yè)務(wù)進行調(diào)度，否則，對選定的業(yè)務(wù)進行降級處理，并返回待調(diào)度業(yè)務(wù)集中繼續(xù)選取優(yōu)先級最高的業(yè)務(wù)；

對調(diào)度的業(yè)務(wù)進行資源匹配。

一種實施例中，判斷選定的業(yè)務(wù)是否為突發(fā)業(yè)務(wù)的步驟是：判斷選定的業(yè)務(wù)的截止時間是否在預(yù)設(shè)的突發(fā)時間限內(nèi)，若是，選定的業(yè)務(wù)為突發(fā)業(yè)務(wù)，否則為常規(guī)業(yè)務(wù)。

一種實施例中，從待調(diào)度業(yè)務(wù)集中選取優(yōu)先級最高的業(yè)務(wù)之前，還包括判斷相同最高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)的個數(shù)是否為多個，若是，在多個相同最高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)中選取截止時間最早的業(yè)務(wù)。

一種實施例中，對調(diào)度的業(yè)務(wù)進行資源匹配的步驟是：

從可用資源集中選取出符合業(yè)務(wù)要求時間段及鏈路速率的擁有最早開始時間的資源匹配給調(diào)度的業(yè)務(wù)；

從可用資源集中移除該段資源并將其加入已占用資源集；

將調(diào)度的業(yè)務(wù)從待調(diào)度業(yè)務(wù)集中移除并加入已安排業(yè)務(wù)集。

一種實施例中，若對調(diào)度的業(yè)務(wù)進行資源匹配失敗，還包括步驟：根據(jù)優(yōu)先級低高的原則，對調(diào)度業(yè)務(wù)所需時間段上占用的業(yè)務(wù)進行資源的重新匹配，調(diào)整業(yè)務(wù)的資源占用情況，將調(diào)整后的空閑資源匹配給調(diào)度的業(yè)務(wù)。

依據(jù)上述實施例的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)資源調(diào)度方法，由于判斷待調(diào)度業(yè)務(wù)的執(zhí)行需求，劃分其是否為突發(fā)業(yè)務(wù)；對于非突發(fā)業(yè)務(wù)，首先判斷資源的使用情況，，在資源充足的情況下，根據(jù)優(yōu)先級與截止時間進行調(diào)度；對于突發(fā)業(yè)務(wù)，直接進行調(diào)度，保障調(diào)度的快速響應(yīng)。通過資源預(yù)留機制，為需要快速調(diào)度的突發(fā)業(yè)務(wù)提供了資源保障，解決了突發(fā)業(yè)務(wù)快速調(diào)度的問題，可用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模的動態(tài)資源調(diào)度問題，加快了調(diào)度的響應(yīng)速度，并提高了資源的有效利用率。

附圖說明

圖1為任務(wù)時間模型示意圖；

圖2為中繼衛(wèi)星系統(tǒng)資源調(diào)度流程圖。

具體實施方式

下面通過具體實施方式結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。

針對中繼衛(wèi)星系統(tǒng)中的中繼傳輸業(yè)務(wù)具有實時性和業(yè)務(wù)類型差異大的特點，主要考慮數(shù)據(jù)傳輸與測控業(yè)務(wù)的起始時間s(i)、截止時間e(i)、業(yè)務(wù)量T(i)、業(yè)務(wù)傳輸速率v(i)、優(yōu)先級p(i)五個方面的特征參數(shù)，本例提出了一種基于資源預(yù)留的資源調(diào)度方法，其基本思想是，通過設(shè)定突發(fā)時間限τ，業(yè)務(wù)截止時間在突發(fā)時間限內(nèi)的業(yè)務(wù)劃分為突發(fā)業(yè)務(wù)，突發(fā)任務(wù)直接進行調(diào)度，如無法調(diào)度可通過調(diào)整已安排業(yè)務(wù)進行插入。任務(wù)截止時間在突發(fā)時間限外的為常規(guī)業(yè)務(wù)，當(dāng)前剩余資源利用率大于給定的預(yù)留資源利用率α?xí)r，可直接對常規(guī)業(yè)務(wù)進行調(diào)度；當(dāng)剩余資源少于要求的預(yù)留資源時，對常規(guī)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級進行降級處理，等待下次調(diào)度。

當(dāng)中繼衛(wèi)星與用戶飛行器之間可視時，用戶飛行器上的數(shù)據(jù)或地面站的數(shù)據(jù)均可分別通過中繼衛(wèi)星的上下行鏈路進行中繼傳輸，一次數(shù)據(jù)傳輸過程執(zhí)行一項數(shù)據(jù)傳輸或測控任務(wù)。由于中繼衛(wèi)星資源調(diào)度問題總是會面臨一些突發(fā)業(yè)務(wù)需要調(diào)度，由于在現(xiàn)階段的研究中不可能考慮全部的細(xì)節(jié)和實際約束，需要做一些基本假設(shè)和簡化，本例的假設(shè)條件如下：

1、任何業(yè)務(wù)的執(zhí)行時間都必須在中繼衛(wèi)星與用戶飛行器間的可見時間窗口內(nèi)；

2、不考慮衛(wèi)星的故障和業(yè)務(wù)的切換時間；

3、每個任務(wù)的執(zhí)行時間必須滿足任務(wù)的時限性要求，且持續(xù)時間必須能夠完成要求的業(yè)務(wù)量并高于要求的業(yè)務(wù)傳輸速率；

4、中繼衛(wèi)星提供的最大鏈路數(shù)量不變，且區(qū)分上下行鏈路；

5、業(yè)務(wù)的初始優(yōu)先級由用戶給定，在調(diào)度過程中可對用于計算的優(yōu)先級進行調(diào)整。

6、中繼衛(wèi)星系統(tǒng)資源調(diào)度數(shù)學(xué)模型：

v(i)D(i)≥T(i),

st(i,j,k)≥ast(i,j,k),

st(i,j,k)+d_i,j,k≤aet(i,j,k),

i＝1,2,L,j＝1,2,3,k＝1,2,L；

優(yōu)化目標(biāo)為最大化業(yè)務(wù)的完成度即業(yè)務(wù)的加權(quán)優(yōu)先級之和最大，業(yè)務(wù)的完成度由業(yè)務(wù)的優(yōu)先級以及持續(xù)時間共同決定，以保障整體調(diào)度的高吞吐量及高優(yōu)先級。

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)資源調(diào)度數(shù)學(xué)模型中各參數(shù)的含義是：

d(i,j,k)：中繼星j將其第k條鏈路安排給業(yè)務(wù)i進行測控的時間；

p(i)：任務(wù)i的優(yōu)先級；

D(i)：完成業(yè)務(wù)i所需的持續(xù)時間，安排給業(yè)務(wù)i的調(diào)度時間需保證在此時間段內(nèi)鏈路的傳輸速率高于業(yè)務(wù)要求的傳輸速率v(i)且能夠保障業(yè)務(wù)量T(i)的完成，本例的業(yè)務(wù)量T(i)模型示意圖如圖1所示；

ast(i,j,k)：中繼星j的第k條鏈路可以提供給業(yè)務(wù)i進行測控的起始時間，其時間晚于業(yè)務(wù)i所要求的起始時間s(i)；

aet(i,j,k)：中繼星j的第k條鏈路可以提供給業(yè)務(wù)i進行測控的結(jié)束時間，其時間早于業(yè)務(wù)i所要求的截止時間e(i)；

st(i,j,k)：中繼星j的第k條鏈路實際安排給業(yè)務(wù)i進行測控的起始時間，調(diào)度結(jié)果需要保障實際安排的起止時間在可用的起止時間范圍之內(nèi)，并且實際調(diào)度的起止時間段不應(yīng)該有重疊；

τ：突發(fā)時間限，截止時間在當(dāng)前時間到突發(fā)時間限τ之間的業(yè)務(wù)規(guī)定為突發(fā)業(yè)務(wù)，在突發(fā)時間限之后的業(yè)務(wù)為常規(guī)業(yè)務(wù)；

α：資源預(yù)留率，在突發(fā)時間限之后的剩余資源占總資源的比例需大于資源預(yù)留率，以保障未來突發(fā)業(yè)務(wù)的可調(diào)度性；

其中i的取值范圍為參與調(diào)度的空間飛行器的數(shù)量，j為參與調(diào)度的中繼衛(wèi)星的數(shù)量，k為中繼星可提供的鏈路數(shù)量。

基于上述假設(shè)條件，本例的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)資源調(diào)度方法的流程圖如圖1所示，具體包括如下步驟。

S1：判斷待調(diào)度業(yè)務(wù)集是否為空。

確定所有發(fā)起申請的業(yè)務(wù)集合，根據(jù)當(dāng)前的調(diào)度情況將其分為已調(diào)度業(yè)務(wù)集、待調(diào)度業(yè)務(wù)集以及無法調(diào)度業(yè)務(wù)集三部分，從待調(diào)度業(yè)務(wù)集中選取業(yè)務(wù)之前，需要判斷待調(diào)度業(yè)務(wù)集是否為空，若為空，則調(diào)度結(jié)束，否則，進入步驟S2。

S2：從待調(diào)度業(yè)務(wù)集中選取優(yōu)先級最高的業(yè)務(wù)，并判斷選定的業(yè)務(wù)是突發(fā)業(yè)務(wù)還是常規(guī)業(yè)務(wù)。

在選取業(yè)務(wù)之前，需要將待調(diào)度業(yè)務(wù)集中的業(yè)務(wù)進行優(yōu)先級的高底排序，然后，再選取優(yōu)先級最高的業(yè)務(wù)，選定之后，還需要判定選定的業(yè)務(wù)是突發(fā)業(yè)務(wù)還是常規(guī)業(yè)務(wù)，具體為，判斷選定的業(yè)務(wù)的截止時間是否在預(yù)設(shè)的突發(fā)時間限內(nèi)，若是，選定的業(yè)務(wù)為突發(fā)業(yè)務(wù)，否則為常規(guī)業(yè)務(wù)。

進一步，從待調(diào)度業(yè)務(wù)集中選取優(yōu)先級最高的業(yè)務(wù)之前，還包括判斷相同最高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)的個數(shù)是否為多個，若是，在多個相同最高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)中選取截止時間最早的業(yè)務(wù)。

S3：若選定的業(yè)務(wù)為突發(fā)業(yè)務(wù)，則對選定的業(yè)務(wù)進行調(diào)度，若選定的業(yè)務(wù)為常規(guī)業(yè)務(wù)，判斷可用資源集占總資源集的比例是否大于預(yù)設(shè)的資源預(yù)留率，若大于，則對選定的業(yè)務(wù)進行調(diào)度，否則，對選定的業(yè)務(wù)進行降級處理，并返回待調(diào)度業(yè)務(wù)集中繼續(xù)選取優(yōu)先級最高的業(yè)務(wù)。

S4：對調(diào)度的業(yè)務(wù)進行資源匹配。

對調(diào)度的業(yè)務(wù)進行資源匹配的步驟為：從可用資源集中選取出符合業(yè)務(wù)要求時間段及鏈路速率的擁有最早開始時間的資源匹配給調(diào)度的業(yè)務(wù)；從可用資源集中移除該段資源并將其加入已占用資源集；將調(diào)度的業(yè)務(wù)從待調(diào)度業(yè)務(wù)集中移除并加入已安排業(yè)務(wù)集。

進一步，若對調(diào)度的業(yè)務(wù)進行資源匹配失敗，即無法匹配可用資源時，進入步驟S5。

S5：根據(jù)優(yōu)先級低高的原則，對調(diào)度業(yè)務(wù)所需時間段上占用的業(yè)務(wù)進行資源的重新匹配，調(diào)整業(yè)務(wù)的資源占用情況，將調(diào)整后的空閑資源匹配給調(diào)度的業(yè)務(wù)。

通過步驟S5可以將已安排業(yè)務(wù)集中的業(yè)務(wù)按優(yōu)先級低高的原則，從優(yōu)先級低的業(yè)務(wù)開始，直到找到可以調(diào)整的業(yè)務(wù)，調(diào)整其資源占用情況，將調(diào)整后的空閑資源匹配給調(diào)度的業(yè)務(wù)，資源匹配完成后，更新可用資源集、已占用資源集以及已調(diào)度業(yè)務(wù)集和待調(diào)度業(yè)務(wù)集，如果通過步驟S5還無法找到可調(diào)整的業(yè)務(wù)，則將該調(diào)度的業(yè)務(wù)加入無法調(diào)度業(yè)務(wù)集中。

最后，返回已調(diào)度業(yè)務(wù)集和無法調(diào)度業(yè)務(wù)集，通知相應(yīng)用戶業(yè)務(wù)的調(diào)度情況，并對無法調(diào)度的業(yè)務(wù)進行需求調(diào)整，整個調(diào)度過程結(jié)束。

以上應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明進行闡述，只是用于幫助理解本發(fā)明，并不用以限制本發(fā)明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，還可以做出若干簡單推演、變形或替換。