面向低轨星座网络的快速数据获取与编码数据放置方法

本发明涉及无线通信，特别涉及一种面向低轨星座网络的快速数据获取与编码数据放置方法。

背景技术：

1、近年来，卫星网络作为未来6g通信不可或缺的组成部分而备受关注。尤其是近地轨道(low eatrh orbit,leo)卫星星座，以其较小的空间传输损耗、地面终端小型化和低功耗等优势，成为研究热点。由低轨卫星组成的低轨卫星数据中心是未来全球信息融合和大数据分析的卫星互联网的关键应用范式。

2、低能耗、低时延的通信是未来低轨星座网络的发展方向，对于卫星来说，能源一直是一种稀缺资源，因此，在减少大数据获取时延的同时，必须考虑卫星的能源约束，即应该将提高能量效率作为研究的目标。

技术实现思路

1、本发明针对上述问题，提供了一种面向低轨星座网络的快速数据获取与编码数据放置方法，用于降低数据获取的时延和能耗。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种面向低轨星座网络的快速数据获取与编码数据放置方法，包括如下步骤：

4、构建低轨星座网络结构，包括卫星节点和星间链路；

5、基于所述低轨星座网络结构，制定基于rs编码冗余的快速数据获取策略，包括数据收集阶段、校验块放置阶段和数据获取阶段，其中，数据收集阶段包括选择计算节点，在所述计算节点上收集数据节点上的数据块并进行rs编码，得到对应的校验块；校验块放置阶段包括根据给定的校验节点位置，所述计算节点将生成的校验块传输到校验节点；数据获取阶段包括选取数据获取节点，连接距离数据获取节点最近的数据节点或校验节点，通过星间链路得到数据块或校验块，并基于rs码特性解码出原始数据；

6、基于所述低轨星座网络结构，以及制定的所述基于rs编码冗余的快速数据获取策略，对数据获取时延和能耗进行分析，得到数据获取时延和能耗开销的表达式；

7、以最小能耗成本为优化目标，以时延和能耗限制为约束条件，建立时延约束下的最小能耗成本优化问题p1；

8、利用基于遗传算法的校验块放置方法求解所述优化问题p1，找出能耗成本最小的最佳校验节点位置和最佳计算节点位置。

9、本发明的进一步技术方案是：所述低轨星座网络用图g(v,e)来表示卫星节点，其中v＝(v1,1,v1,2,...,vn,m)表示卫星节点集合，节点vi,j∈v表示第i条轨道平面里的第j颗卫星，e为图的边集合，每条边对应链路长度l和链路传输速率r。

10、本发明的进一步技术方案是：所述数据获取时延表达式如下：

11、

12、其中，节点vi,j∈v表示第i条轨道平面里的第j颗卫星，表示离节点vx,y最近的k个数据节点或校验节点的集合，z表示分包数量，两节点vi,j和vx,y之间的同轨跳数m为每条轨道平面的卫星数，n为轨道平面数，两节点vi,j和vx,y之间的跨轨跳数

13、本发明的进一步技术方案是：所述能耗开销的表达式如下：

14、

15、其中，点vi,j∈v表示第i条轨道平面里的第j颗卫星，表示离节点vx,y最近的k个数据节点或校验节点的集合，φ(i,j),(x,y)表示节点vi,j传输数据块到vx,y的能耗开销，ptinter表示跨轨传输的发射功率，ptintra为同轨传输的发射功率，m为每条轨道平面的卫星数，n为轨道平面数。

16、本发明的进一步技术方案是：所述最小能耗成本优化问题p1，具体包括：基于数据获取时延的表达式和节点vi,j传输数据块到vp,q的能耗开销表达式，获取节点收集k个数据节点的数据块的能耗开销表达式、节点传输所有校验块到校验节点的总能耗开销、地面终端通过节点vx,y获取各节点数据块的能耗开销表达式、所有节点平均获取能耗开销的表达式以及总能耗开销表达式，约束每次数据获取任务允许的最大时延τmax，最小化总能耗开销即可得到最小能耗成本优化问题p1表达式。

17、本发明的进一步技术方案是：利用遗传算法求解所述优化问题p1前，先将时延约束变为惩罚函数，使所述优化问题p1适应遗传算法的求解。

18、本发明的进一步技术方案是：所述方法具体实现步骤包括如下：

19、步骤1、输入星座网络参数，包括带宽、链路距离、载波频率、发射功率、天线收发增益以及表示网络结构的矩阵；

20、步骤2、计算同轨和跨轨的数据传输速率；

21、步骤3、基于遗传算法，初始化父代种群和最大迭代次数，即随机产生校验节点位置作为初始父代种群，并计算父代种群各个体的总能耗和惩罚函数；

22、步骤4、开始迭代，对父代进行选择、交叉、变异产生子代，并计算子代各个体的总能耗和惩罚函数。

23、步骤5、遍历父代和子代的各个体，按照优先选择惩罚函数小的个体，若惩罚函数相同则选择总能耗小的规则更新父代；

24、步骤6、判断是否达到最大迭代次数，若没有则返回步骤4，否则跳转到步骤7；

25、步骤7、得到最终父代，按照优先选择惩罚函数小的个体，若惩罚函数相同则选择总能耗小的规则从最终父代中选择最优个体；

26、步骤8、输出计算节点和校验节点的最佳位置；

27、步骤9、计算节点开始工作，负责收集数据节点上的所有数据，进行rs编码产生数据块和校验块，舍弃产生的数据块保留校验块；

28、步骤10、计算节点将所有的校验块输送到步骤8输出的最佳校验节点上；

29、步骤11、数据获取节点通过连接最近的数据节点或校验节点获取数据，并利用rs码特性解码出原始数据，重复步骤直到达到最大数据获取次数。

30、本发明提出一种面向低轨星座网络的快速数据获取与编码数据放置方法，对低轨星座中的数据使用rs(reed-solomon)编码冗余产生数据块和校验块，并将其存储在卫星节点中，通过对校验块的合理放置来减少数据获取时延和能耗。本发明提出了一种快速数据获取策略，包含数据收集、校验块放置和数据获取三个阶段。为了减少过程中的能耗，避免能源浪费，提出了一种基于遗传算法的校验块放置算法来寻找最佳的计算节点和校验节点位置。本发明的有益效果具体包括：对卫星数据应用rs编码，利用rs码的特性和校验块的合理放置来减少星间通信的跳数。提出的快速数据获取策略，包括数据收集、校验块放置和数据获取，数据获取卫星可以通过就近获取校验节点上的数据来恢复原始数据，从而降低了数据获取的时延和能耗；为了最小化总能耗，建立了一个时延约束下的最小化问题，并提出了一种基于遗传算法的校验块放置算法(parity block placement based on geneticalgorithm,pbp-ga)求解校验节点和计算节点的最优位置；仿真对比实验验证了本发明方法的优越性。

技术特征：

1.一种面向低轨星座网络的快速数据获取与编码数据放置方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的面向低轨星座网络的快速数据获取与编码数据放置方法，其特征在于，所述低轨星座网络用图g(v,e)来表示卫星节点，其中v＝(v1,1,v1,2,...,vn,m)表示卫星节点集合，节点vi,j∈v表示第i条轨道平面里的第j颗卫星，e为图的边集合，每条边对应链路长度l和链路传输速率r。

3.根据权利要求1所述的面向低轨星座网络的快速数据获取与编码数据放置方法，其特征在于，所述数据获取时延表达式如下：

4.根据权利要求3所述的面向低轨星座网络的快速数据获取与编码数据放置方法，其特征在于，所述能耗开销的表达式如下：

5.根据权利要求1所述的面向低轨星座网络的快速数据获取与编码数据放置方法，其特征在于，所述最小能耗成本优化问题p1，具体包括：基于数据获取时延的表达式和节点vi,j传输数据块到vp,q的能耗开销表达式，获取节点收集k个数据节点的数据块的能耗开销表达式、节点传输所有校验块到校验节点的总能耗开销、地面终端通过节点vx,y获取各节点数据块的能耗开销表达式、所有节点平均获取能耗开销的表达式以及总能耗开销表达式，约束每次数据获取任务允许的最大时延τmax，最小化总能耗开销即可得到最小能耗成本优化问题p1表达式。

6.根据权利要求5所述的面向低轨星座网络的快速数据获取与编码数据放置方法，其特征在于，利用遗传算法求解所述优化问题p1前，先将时延约束变为惩罚函数，使所述优化问题p1适应遗传算法的求解。

7.根据权利要1所述的面向低轨星座网络的快速数据获取与编码数据放置方法，其特征在于，所述方法具体实现步骤包括如下：

技术总结本发明公开了一种面向低轨星座网络的快速数据获取与编码数据放置方法，方法包括：构建低轨星座网络结构，并基于所述低轨星座网络结构，制定基于RS编码冗余的快速数据获取策略，包括数据收集阶段、校验块放置阶段和数据获取阶段，基于所述低轨星座网络结构，以及制定的所述基于RS编码冗余的快速数据获取策略，对数据获取时延进行分析，得到数据获取时延和能耗开销的表达式；以最小能耗成本为优化目标，以时延和能耗限制为约束条件，建立时延约束下的最小能耗成本优化问题P1；利用基于遗传算法的校验块放置方法求解所述优化问题P1，找出能耗成本最小的最佳校验节点位置和最佳计算节点位置。本发明方法有效降低了数据获取的时延和能耗。技术研发人员：顾术实,伍志能,张智凯,于书昂,张钦宇,高梓贺,张磊,石钰林,金怡丰受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）（哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院）技术研发日：技术公布日：2024/7/25