卫星网络信道分配算法范文

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1信道分配模型

卫星网络信道分配中，n颗低轨卫星的数据经同步轨道卫星转发，而同步轨道卫星的转发器较少，无法满足所有低轨卫星同时传输数据的需要，本文信道分配方法中的优先级取决于卫星剩余可通时间、剩余存储量、数传速率和卫星级别。

1.1可通时间对于星间链路，存在地球的遮挡现象，为了保证星间通信链路的畅通，应首先保证卫星间可视，然后对准天线，方可进行通信。星间能够进行通信的时间称为可通时间。设第k颗低轨卫星与同步轨道卫星的剩余可通时间（即本次通信中，低轨卫星距飞出同步轨道卫星覆盖区的时间）为vkt，该值越小，则低轨卫星的剩余可通时间越短，其优先级越高。

1.2卫星达到存储极限所需时间与地面站不同，星上存储容量有限，存储的信息较多又无法实时传回地面，当存储量达到极限时，将导致数据丢失。然而，各低轨卫星的平均采集数据速率不尽相同，为了合理分配，本文采用达到第k颗低轨卫星存储极限所需时间kst进行优先级权衡，即当前卫星剩余存储量与其采集数据速率之比。其中：skC是第k颗低轨卫星剩余存储量；kR是第k颗低轨卫星数据采集速率。二者的比值越小，其优先级越高。

1.3卫星级别本文设置了两种卫星级别，当突发自然灾害或者紧急军情时，能够覆盖该区域的某颗在轨的低轨卫星或者需要临时发射的低轨卫星执行紧急任务，级别最高，设为紧急星，其他卫星级别相同，为非紧急星。

1.4卫星优先级根据上述分析，采用无量纲表示方法，本文算法的低轨卫星优先级可表示为。

2卫星网络信道分配算法分析

2.1算法描述卫星网络信道分配中，假设低轨卫星运行至同步轨道卫星的可通范围内方可进行呼叫请求。当该低轨卫星为紧急星时，其优先级最高，优先为其分配信道，如果没有可用信道，则可抢占现有正在通信的非紧急星信道，保证重要数据实时传输；当该低轨卫星不是紧急星、且系统不存在空闲信道时，将按照呼叫卫星和在通卫星的优先级分配信道。为了避免频繁的信道抢占和高存储量卫星因无可用信道而丢弃数据，本算法规定了两个门限阈值1和2，当呼叫卫星的优先级超过门限阈值1、且与当前正在通信的优先级最低的卫星的差值超过门限阈值2时方可实施抢占，否则，继续处于数据采集状态。由于低轨卫星在同步轨道卫星覆盖区的飞行时间较长，当低轨卫星数据较少，还未飞出同步轨道卫星覆盖区时，其数据就已传输完毕，通信链路中断。低轨卫星继续采集数据，其存储量随之增大，为避免同步轨道卫星频繁地为其分配信道，本算法规定了第三个门限阈值3，仅当低轨卫星存储量高于门限阈值3时，卫星才发起呼叫，否则，卫星仍处于数据采集阶段。本算法卫星呼叫概率和抢占概率可描述为如下关系式。

2.2算法流程算法流程如图1所示，步骤如下。Step1:初始化，设定各颗卫星的轨道参数、存储容量、初始存储量、采集数据速率、传输数据速率、紧急星标记、仿真时间及各颗低轨卫星的可通时间；Step2:判断仿真时间是否结束，如果结束，转至Step12，否则，转至Step3；Step3:到达可通区域的低轨卫星的存储量大于门限阈值，发出呼叫请求，否则，转至Step11；Step4:判断同步轨道卫星是否有可用信道，如有可用信道，转至Step10，否则，转至Step5；Step5:判断呼叫卫星是否为紧急星，如果是，转至Step7，否则，转至Step6。Step6:计算呼叫卫星的优先级，大于门限阈值，转至Step7；否则，转至Step11；Step7:计算正在通信的其他卫星的优先级，呼叫星为紧急星，转至Step9，否则转至Step8；Step8:呼叫星的优先级与正在通信的卫星的最低优先级差值大于阈值，转至Step9，否则转至11；Step9:中断正在通信的优先级最小的卫星，转至Step10；Step10:分配信道给呼叫卫星，转至Step2；Step11:进行排队，采集数据，转至Step2；Step12:结束。

3仿真分析

3.1仿真环境为了验证算法性能，仿真中设计了4颗低轨卫星(LEO1~LEO4)通过1颗同步轨道卫星(GEO1)转发数据，卫星的仿真环境设置如表1所示。仿真中，4颗低轨卫星的存储容量相同，用C表示，低轨卫星的采集数据速率及向GEO1卫星传输数据速率如表1所示，仿真过程中低轨卫星始终采集数据。设GEO1卫星有两个转发器，同时可转发2颗低轨卫星的数据，GEO1卫星对地传输速率高于2颗低轨卫星向其转发数据速率之和。当存储量达到极限时，继续采集的数据将被丢弃，而低轨卫星与GEO1卫星不可通时还可以通过其他同步轨道卫星或地面站传输数据，因此，仿真中设计存储量的权重系数高于可通时间的权重系数，且紧急卫星的权重系数最高。的值分别设为2，1，3。门限阈值13~分别设为1.5，0.5，0.5*C。

3.2仿真结果由于现有的信道分配算法并不适用于本文卫星网络的信道分配，因此，对本文提出的卫星网络信道分配算法与“先来先服务FIFO”算法进行了仿真比较。图2是在两种方法下，4颗低轨卫星累计传输数据量的比较。仿真中假设LEO3为紧急星，根据仿真条件设置，LEO1和LEO2首先进入可通范围，GEO1卫星为其分配信道。第501s时LEO3进入可通范围，此时LEO1和LEO2数据并未传完，GEO1卫星没有空闲信道。本文算法中，通过计算此时正在通信的2颗低轨卫星的优先级，确定LEO1优先级较低，强制中断优先级较低的LEO1卫星信道，将该信道分配给LEO3，确保紧急卫星的数据实时传输，如图2(a)、图2(c)所示。运行至第801s时，LEO4进入可通范围，此时GEO1卫星仍然没有空闲信道，但由于其存储量较高，可通时间较短，按照本文算法其优先级较高，达到抢占信道的条件，因此，LEO4抢占信道，优先传输，如图2(b)、图2(d)所示。随着低轨卫星数据的不断传输，其优先级也不断变化。而FIFO算法中LEO1和LEO2首先进入可通范围，首先为其分配信道，直到其数据传输完毕，释放信道。这种方式未考虑紧急星对时延的要求，也未考虑低轨卫星存储容量的限制，因此，导致紧急星数据无法实时传输，存储量过高的卫星也无法优先传输。图3是在两种方法下，4颗低轨卫星存储量的比较。图中，可通时间内，存在可用信道时，低轨卫星传输数据，存储量降低，没有可用信道时，低轨卫星排队采集，存储量增加。按照本文算法，LEO3和LEO4分别抢占信道，传输数据，有效地避免了数据丢失。而FIFO算法中LEO3和LEO4均存在数据丢失(分别丢失1000Byte和2643Byte)，如图3(c)和图3(d)。本文算法中，图3(a)和图3(b)中的低轨卫星存储量高于FIFO算法，原因是2颗低轨卫星在通信过程中被高优先级卫星抢占信道，数据传输被迫中断，存储量增加，但增加的存储量远没有达到卫星存储极限，不存在数据丢失，且有效地缓解了其他卫星的存储压力。

4结论

在卫星网络中，本文提出了基于卫星可通时间、存储量和卫星级别的信道分配算法，并设计了三个门限阈值作为非紧急星抢占信道的约束条件。与FIFO算法比较表明，本文算法在重要数据的时敏性、可靠性等方面表现出了绝对优势，体现了卫星数据传输的有效性，避免了信道频繁抢占，满足卫星网络信道资源的合理、高效应用。

作者：蔡睿妍刘海燕胡家升韩睿单位：大连大学通信与网络重点实验室大连理工大学电子信息与电气工程学部