混合链路数据续传约束规划模型优化建议

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：1）问题描述星间链路的调度无法像地面网络一样频繁切换，一旦用户星接入某中继星天线进行数据中继传输，将较长时间占用该资源。由于中继卫星的天线资源有限，星间可见时间和数据有效时限的约束将导致大量重要的和紧急的数传任务因为冲突而无法完成。为提高中继卫星数传资源利用率和对用户的服务质量，本章建立可续传的数据续传约束规划模型，即允许任务分成多个片断在不同可见时间窗口或不同中继星链路上传输。

1）问题描述

星间链路的调度无法像地面网络一样频繁切换，一旦用户星接入某中继星天线进行数据中继传输，将较长时间占用该资源。由于中继卫星的天线资源有限，星间可见时间和数据有效时限的约束将导致大量重要的和紧急的数传任务因为冲突而无法完成。为提高中继卫星数传资源利用率和对用户的服务质量，本章建立可续传的数据续传约束规划模型，即允许任务分成多个片断在不同可见时间窗口或不同中继星链路上传输。数据续传属于多任务、多中继卫星资源、多时间窗口、多优化目标和多约束的组合优化问题，可用五元组Θ0=｛J，M，TW，C，F｝描述。其中J表示需中继的数传任务集（包括每个任务J i的优先级p i和数据量q i）；M为天线资源集合；TW为可见时间窗口集，TW∈［TW1，TW2，…，TWN J］，N J代表任务数量；C为约束集合；F为优化目标集，F=｛f 1，f 2，…，f｜obj｜｝，｜obj｜代表优化目标数。

2）调度目标

数据续传模型允许任务分成多个片断在不同可见时间窗口和不同中继星链路上传输，则调度的目标是在尽量少的续传次数下保证系统完成尽可能多的高优先级任务。因此模型的优化目标包括：

（1）最小化未调度任务的总优先级权值。

式中，y i为任务调度标识符，若任务J i被调度，则y i=1，否则y i=0；f 1为所有未规划任务优先级之和。

（2）最小化优先级加权续传次数（续传次数定义为任务传输片断数减1，完整传输的续传次数为0）。

式中，为任务续传标识符，若任务J i在资源M j的第k个可见时间窗口中续传任务片断，则=1，否则=0；N M为中继星天线资源数量，｜TWi，j｜为任务J i对资源M j的可见时间窗口总数。

（3）最小化资源负载失衡度。

式中，u j为资源M j的利用率，定义为在资源的使用时间与总时间之比；u a为所有中继星资源的平均利用率。最小化资源负载失衡，可增加系统鲁棒性，利于突发情况的处理和紧急任务的动态加入。

3）主要约束条件

数据续传模型所受的约束条件主要包括：

（1）任务传输约束。每个任务可续传多次，但只要有一次续传，就必须将整个任务续传完成，不允许某个任务在整个方案中只续传了一部分，即每个片断传输的数据量之和应为任务的总数据量。设为任务J i在资源M j的第k个可见时间窗口续传任务片断的传输时间长度，ri，j为对应的数据传输速率，则任务传输约束可表示为

（2）切换时间约束。中继星服务从一个用户星切换到另一颗用户星时，需要经过天线转动对准，建立稳定链路，还需要捕获、跟踪等过程，因此数传活动前需要给定充足的天线切换时间（设为T sj）。

式中，和分别为任务J i在资源M j的第k个可见时间窗口续传任务片断的开始和结束时刻。

（3）时间窗口约束和任务有效性约束。保证每个执行的任务都能在其可见时间窗口内和有效时间范围内执行，则约束可表示为

式中，为任务Ji在资源M j上的第k个可见时间窗口，［tsi，tei］为任务Ji的有效时间范围。

（4）中继星天线资源约束。假设中继星的能量能满足数传功耗需求，则在同一天线资源上的任务执行不能重叠，即任意两个任务J i1和J i2在同一资源上的执行时段没有交叉。

（5）用户星天线资源约束。假设用户星的能量能满足数传功耗需求，则用户星的一个天线资源在一个时刻只能与一个中继星天线建立链路，即用户星上的一个任务不能同时通过两个不同的中继星天线传输，同一个任务的不同片断的执行时段没有交叉。

（6）卫星存储容量约束。强制每个任务占用存储容量都不能超过卫星当前的剩余存储容量。

式中，Cj和Rj分别为中继星资源M j当前的剩余存储容量和对地的数据传输速率。

（7）调度周期约束。所有需中继传输的任务必须在给定的调度周期［T S，T E］内完成。

混合链路数据续传约束规划模型优化建议

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