一种多层卫星网络传输需求卸载方法及系统

本发明涉及一种多层卫星网络传输需求卸载方法及系统，属于信息通信。

背景技术：

1、卫星通信具有为任何位置的地面用户提供通信服务的能力，以低轨(leo)卫星、中轨(meo)卫星为主体构成的多层卫星网络结合了不同轨道卫星网络的优势，相比于单层网络具有更灵活的架构和更高的通信容量。多层卫星网络中的每一层卫星网络中，均有星间链路实现本层卫星的组网，通过星间链路，可以实现层内卫星间数据的转发。同时，不同层卫星之间还可以建立层间链路，通过层间链路，可以进行网络管理的信令和用户数据的传输。

2、现有的一些方法采用数据传输与网络管理解耦的方式，由上层卫星主要负责网络管理(移动性管理、路由管理等)，下层卫星主要负责用户数据传输，当下层卫星因传输需求过大造成拥塞时，采用绕行的方式进行拥塞避免。该方法虽然实现了网络的分布式管理，易于实现，但浪费了上层卫星上的传输资源，随着用户数据的增加，下层传输卫星的拥塞变得非常普遍。因此，本专利提出一种低复杂度的leo卫星与meo卫星层间链路建立方法，leo卫星以分布式的方式加入相应meo卫星的联盟，有效的卸载leo卫星上多余的传输需求，利用上层卫星上多余的传输能力，降低全网传输需求与传输能力错配度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种多层卫星网络传输需求卸载方法及系统，通过层间链路将超出自身传输能力的数据传输给meo卫星，从而使得leo卫星和meo卫星各自的传输需求和传输能力相匹配，避免传输资源的浪费和拥塞的发生。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种多层卫星网络传输需求卸载方法，包括：

4、leo卫星通过星地链路接收地面用户的数据包，通过leo星间链路将数据包传输给目的leo卫星；

5、在传输需求超过其能力时，leo卫星根据自身传输能力与传输需求的大小与相应的meo卫星建立层间链路并卸载多余的传输需求；

6、其中，每个leo卫星独立地选择meo卫星建立层间链路，并将leo卫星接入meo卫星问题建模为重叠联盟形成博弈。

7、进一步的，所述leo卫星还能够接收并转发来自相邻卫星的数据包，并以相同的概率发送给相邻卫星。

8、进一步的，所述将leo卫星接入meo卫星问题建模为重叠联盟形成博弈，包括：

9、定义leo卫星集合的非空子集合的集合，该集合被视为重叠的联盟结构；

10、在一个重叠的联盟结构中，允许每个leo卫星依据其策略独立地选择加入某个联盟；

11、设定偏好规则，使得对于任意leo卫星，该卫星具有离开原有联盟并加入另一个联盟的倾向；

12、确立联盟稳定性的判定条件，当任意leo卫星无法根据设定的偏好规则单方面改变其联盟选择以提高其收益时，判定联盟为稳定状态。

13、进一步的，所述leo卫星根据自身传输能力与传输需求的大小与相应的meo卫星建立层间链路，具体公式如下：

14、

15、

16、其中，集合中包括联盟中的meo卫星和leo卫星集合表示联盟j的传输能力和传输需求错配度，nm表示meo卫星的数量，a是leo卫星与meo卫星层间链路矩阵，dk(t)和ck(t)分别表示t时刻卫星k的传输需求和传输能力。

17、进一步的，所述在一个重叠的联盟结构中，允许每个leo卫星依据其策略独立地选择加入某个联盟，具体公式如下：

18、

19、其中，表示leo卫星形成一个新联盟，pi(t)和ni分别是leo卫星的发送功率和加入联盟的个数，leo卫星的发送功率平均分配给连接的每个meo卫星，和分别表示leo卫星与meo卫星和层间链路发送功率。

20、进一步的，所述设定偏好规则步骤中，对于任意leo卫星leo卫星偏向于离开原有联盟加入另一个联盟当且仅当下式成立：

21、

22、表示相比于联盟j1leo卫星偏好于联盟j2，和表示原来的联盟j2和j1中的leo卫星，表示leo卫星加入联盟j2，表示leo卫星离开联盟j1。表示原有j2联盟的传输能力与传输需求错配度，表示原有j1联盟的传输能力与传输需求错配度，表示leo卫星加入j2后联盟的传输能力与传输需求错配度，表示leo卫星离开j1后联盟的传输能力与传输需求错配度；

23、leo卫星的效用函数定义为：

24、

25、其中，表示leo卫星接入meo卫星时的效用函数，表示原有j1联盟的传输能力与传输需求错配度，表示leo卫星离开j1后联盟的传输能力与传输需求错配度。

26、进一步的，所述当任意leo卫星无法根据设定的偏好规则单方面改变其联盟选择以提高其收益时，判定联盟为稳定状态，表达式如下：

27、

28、其中，usk和usk′分别表示leo卫星原来的联盟选择和新的联盟选择，vi(usk,usk-)表示leo卫星在原来联盟的效用函数，vi(usk′,usk-)表示leo卫星在新联盟的效用函数，usk-表示除了leo卫星外的其他leo卫星的联盟选择。

29、第二方面，一种多层卫星网络传输需求卸载系统，其特征在于，包括：

30、多个leo卫星，用于通过星地链路接收地面用户的数据包，通过leo星间链路将数据包传输给目的leo卫星，并在传输需求超过其能力时，根据自身传输能力与传输需求的大小与相应的meo卫星建立层间链路并卸载多余的传输需求；其中，每个leo卫星能够独立地选择meo卫星建立层间链路，采用联盟形成博弈来实现这一过程；

31、至少一个meo卫星，用于接收来自leo卫星卸载的传输需求并进行传输。

32、进一步的，所述leo卫星还能够接收并转发来自相邻卫星的数据包，并以相同的概率发送给相邻卫星。

33、进一步的，所述leo卫星将需要卸载的数据平均传输给连接的meo卫星。

34、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

35、1.多层卫星网络联合拥塞避免：本方法提出借助多层卫星网络中meo层卫星的传输能力，将leo层卫星中剩余的传输能力卸载到meo卫星上传输，相比于多层卫星网络中仅利用meo层卫星进行网络管理和leo层流量绕行的拥塞避免方法，有效的利用了网络中的传输能力，有效避免了网络拥塞发生。

36、2.基于联盟形成博弈的分布式方案：本发明提出的方法为一种分布式方案，由leo卫星根据其当前传输能力和传输需求加入相应的联盟，无需进行额外的信令交互。

37、3.本方案设计了最小错配度准则，当新旧联盟的错配度之和减小时，leo卫星才会加入新的联盟，该准则相较于自私准则，帕累托准则等可以实现更低的全网错配度。

技术特征：

1.一种多层卫星网络传输需求卸载方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的多层卫星网络传输需求卸载方法，其特征在于，所述leo卫星还能够接收并转发来自相邻卫星的数据包，并以相同的概率发送给相邻卫星。

3.根据权利要求1所述的多层卫星网络传输需求卸载方法，其特征在于，所述将leo卫星接入meo卫星问题建模为重叠联盟形成博弈，包括：

4.根据权利要求1所述的多层卫星网络传输需求卸载方法，其特征在于，所述leo卫星根据自身传输能力与传输需求的大小与相应的meo卫星建立层间链路，具体公式如下：

5.根据权利要求3所述的多层卫星网络传输需求卸载方法，其特征在于，所述在一个重叠的联盟结构中，允许每个leo卫星依据其策略独立地选择加入某个联盟，具体公式如下：

6.根据权利要求3所述的多层卫星网络传输需求卸载方法，其特征在于，所述设定偏好规则步骤中，对于任意leo卫星leo卫星偏向于离开原有联盟加入另一个联盟当且仅当下式成立：

7.根据权利要求3所述的多层卫星网络传输需求卸载方法，其特征在于，所述当任意leo卫星无法根据设定的偏好规则单方面改变其联盟选择以提高其收益时，判定联盟为稳定状态，表达式如下：

8.一种多层卫星网络传输需求卸载系统，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的多层卫星网络传输需求卸载系统，其特征在于，所述leo卫星还能够接收并转发来自相邻卫星的数据包，并以相同的概率发送给相邻卫星。

10.根据权利要求8所述的多层卫星网络传输需求卸载系统，其特征在于，所述leo卫星将需要卸载的数据平均传输给连接的meo卫星。

技术总结本发明公开了一种多层卫星网络传输需求卸载方法及系统，属于信息通信技术领域，所述方法包括LEO卫星通过星地链路接收地面用户的数据包，通过LEO星间链路将数据包传输给目的LEO卫星；在传输需求超过其能力时，LEO卫星根据自身传输能力与传输需求的大小与相应的MEO卫星建立层间链路并卸载多余的传输需求；其中，每个LEO卫星独立地选择MEO卫星建立层间链路，并将LEO卫星接入MEO卫星问题建模为重叠联盟形成博弈；本发明通过层间链路将超出自身传输能力的数据传输给MEO卫星，从而使得LEO卫星和MEO卫星各自的传输需求和传输能力相匹配，避免传输资源的浪费和拥塞的发生。技术研发人员：张森柏,刘爱军,梁小虎,续欣,林鑫受保护的技术使用者：中国人民解放军陆军工程大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23