多层卫星网络资源混合优化策略

徐 炎，崔司千

(1.北京中网华通设计咨询有限公司，北京 100070；2.中国电子科学研究院，北京 100041)

0 引言

多层卫星网络是解决我国现有网络覆盖不全、信息难兼容、服务响应慢和安全有隐患等难题的必由之路，是国家战略性公共信息基础设施建设的重要方向。多层卫星网络由高轨卫星、低轨卫星和地基基站网组成，并与地面互联网、移动通信网融合互联，为陆海空天各类用户提供宽带接入、移动通信以及天基物联等全球网络信息服务。

卫星频率和轨位资源是世界各国竞相争夺的战略性稀缺资源，也是多层卫星网络建设的基础性、先决性条件。国际规则中卫星频率和轨位资源的主要分配形式为 “先申报先使用”的抢占方式，由于需求增长迅猛，卫星频率和轨位资源获取与使用的矛盾异常突出，世界各国对卫星频率和轨位资源的争夺趋于白热化，已从单纯的技术层面延伸至政治、经济和外交等多个方面。为了进一步挖掘频率资源潜力，采用平经度隔离、偏心率隔离及认知无线电等技术手段，有限的频率和轨位资源优化使用问题已成为当前的研究热点。同时，多层卫星网络将由大量的低轨卫星和高轨卫星等各类空间节点组成，这些天基节点的发射功率也十分有限。因此，设计有效的MAC层链路调度策略，进而实现网络频率、功率资源的高效利用是多层卫星网络建设过程中的一个重要研究方向。

1 系统模型

现有卫星网络大多采用STDMA方式，本文研究目的主要是设计使各种分布式资源混合优化算法都可以嵌入到针对多层卫星网络设计的STDMA MAC协议中去，进而设计出卫星时隙(Tslot)作为实现所需优化目标的共用策略。将多层卫星网络划分成一个个“资源竞争区域”，并假设资源竞争区域内的同频传输是干扰的来源。假设节点1占用当前时隙，多层卫星网络中节点1的局部竞争区域示意如图1所示。

图1 典型节点局部竞争区域示意Fig.1 Local competition area representing a typical network node

(1)

(2)

式中，θ为路径损耗因子，取值范围是根据不同的传输环境确定。文献[4-6]给出了θ从直射环境到城市环境的取值。

2 功率效率最优的时隙共享策略设计

2.1 基于动态规划的分布式功率控制算法

研究的主要目的是开发出可以实现以下3个目标的时隙共享策略：

① 在满足时隙占有卫星传输需求的同时尽可能地增加同时使用空间频率资源的卫星链路个数；

② 最大化地统一资源竞争区域内数据传输率和各个卫星功率效率；

③ 最小化地处理复杂度以降低对卫星处理资源的需求。

(3)

本文将利用连续动态规划设计求解出所建立模型的功率控制最优算法。为了阐述方便，受限定义以下术语：

(4)

② 一个步骤的状态。由式(4)可以看出，k阶段的限制条件由集合Ci(1≤i≤k)共同决定。在阶段k中，将限制条件Ci(1≤i≤k)除ai，kxk项外的所有项全部移动到不等式的右侧，并称其为限制条件Ci的“右端项”，记作Ri，k。定义所有1

Sk=(R1，k，R2，k，...，Ri，k，...，Rk，k) 。

(5)

在第k阶段的决策所需要遵守的限制条件可表示为xk∈Sk，等价于：

ai，kxk≥Ri，k，i∈{1，2，...，k}，

(6)

状态转移方程可以进一步表示为：

Ri，k=Ri，k-1-ai，k-1xk-1，i∈{1，2，...，k}。

(7)

③ 理想求解函数。使用递归的方法求解，并用式(8)来代表n阶段至k阶段的最优解加和，既可支持链路{n，n-1，...，k}稳定并且同时传输的元素式最小功率的求和为：

(8)

理想目标函数可设计为：

(9)

当n=2时，理想目标函数变为：

(10)

k=2时，可以得到：

(11)

当k=1时，可以得到：

(12)

(13)

部分获得至少一个解。显然min(·)是x1的单调递减min函数的上限等于下限时取得最小值，即

(14)

从而可得：

(15)

(16)

对于n条卫星链路的同时传输：

当k=n时，

(17)

由于：

(18)

则：

(19)

(20)

(21)

当k=n-1时，

(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 功率效率最优的时隙共享策略

以Dynamic TDMA Slot Assignment(DTSA)协议为例说明本文所设计的算法的工作过程。现在定义2类控制信息包：

① RPs是多层卫星网络时隙拥有卫星向同一资源竞争区域其他卫星的传递相对位置及链路传输速率的控制包。

② IPs是多层卫星网络内时隙拥有卫星向统一资源竞争区域其他卫星的传递发送功率的控制包。

OPC卫星资源共享策略工作流程如表1所示。

表1 OPC卫星资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

为验证多条卫星网络性能应用所设计的算法后的性能，本文利用NS2开展了大量仿真。

在网络业务饱和状态时，多层卫星网络吞吐量的性能在应用文本所设计算法后的表现如图2所示。

图2 业务饱和时多层卫星网络吞吐量对比Fig.2 Comparison of throughput performance in saturated multi-layer satellite network

仿真结果表明，在路径损耗因子θ≥2.5时，应用本文设计的算法后多层卫星网络开始出现可同时传输链路情况，而且网络吞吐量在原算法的2倍以上。进一步增大θ取值，多层卫星网络吞吐量的增加更加明显。这是因为，应用了本文所设计的算法后多层卫星网络内的独立资源竞争区域增大，同时传输的卫星链路随之增多。

在网络业务饱和状态时，多层卫星网络功率消耗的性能在应用本文所设计算法后的表现如图3所示。

图3 业务饱和时多层卫星网络功率消耗对比Fig.3 Comparison of power consumption performance in saturated multi-layer satellite network

仿真结果表明，应用本文所设计算法后，虽然多层卫星网络同时传输链路间存在干扰情况，但整个网络的功率消耗情况却显著下降，说明设计的算法对于节省多层卫星网络功耗效果十分显著，可有效地解决多层卫星网络节点功率受限的难题。

4 结束语

现有多层卫星网络采用的STDMA时隙、功率分配策略多为固定方式，本文针对这一固有弊端，将其建模为资源混合优化数学问题。在保证统一资源区域内各个卫星链路传输链路的同时，兼顾各条卫星链路使用资源的公平性，提出了一种可以嵌入到现有STDMA协议的功率控制算法并据此设计了一种多层卫星网络时隙共享策略。仿真结果证明，所提出的功率控制算法可有效地解决多层卫星网络功率受限的固有难题，提高多层卫星网络的工作效率。