靜止軌道衛星通信資源-任務匹配分析與建模研究*

賀 寅 張海勇 任 重

海軍大連艦艇學院通信系，大連116018

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靜止軌道衛星通信資源-任務匹配分析與建模研究*

賀 寅 張海勇 任 重

海軍大連艦艇學院通信系，大連116018

針對相對有限的靜止軌道衛星通信資源與不斷增多的通信任務需求之間的矛盾日益突出的問題，通過分析靜止軌道衛星通信的特點和工作過程，研究提出了多衛星、多任務通信環境背景下，靜止軌道衛星通信資源-任務匹配的約束規則，建立優化調度的目標函數，構建靜止軌道衛星通信資源-任務匹配問題的模型，給出解決該問題的基本思路，并進行了實際仿真。為探索靜止軌道衛星通信資源的調度管理方法提供了理論依據和基礎支撐。

靜止軌道衛星；資源任務匹配；分析建模

衛星通信由于具有傳輸容量大、抗干擾能力強、使用靈活、不受地理條件限制和可靠性高等優點[1]，已成為現代通信領域不可缺少的通信手段，在寬帶多媒體通信、移動通信、應急通信和軍事通信中得到廣泛應用。隨著衛星通信應用范圍的擴展，衛星通信資源相對有限與衛星通信任務需求不斷增多的矛盾日益突出，如何根據任務需求制定科學合理的衛星通信資源分配方案成為一個研究熱點。近年來，國內外學者對偵察衛星、對地觀測衛星、多星聯合調度問題進行了細致深入的研究[2-5]，但對于面向通信任務的靜止軌道衛星通信資源調度問題的研究相對較少。

本文以多衛星、多任務的通信環境為背景，研究提出靜止軌道衛星通信資源-任務匹配的約束規則，構建靜止軌道衛星通信資源-任務匹配問題的數學模型，建立優化調度的目標函數，給出解決該問題的基本思路，并進行實際仿真。

1 靜止軌道衛星通信特點分析

自1963年美國成功發射第一顆靜止軌道衛星SynCom-2以來，目前全世界有近300顆靜止軌道衛星，擔負著通信、導航和中繼等任務[6]。目前，多數通信衛星運行在地球同步軌道，該軌道特別適合在地球上2個或多個點間通過空間一個相對地球固定的“中繼點”進行信息傳輸[7]。

1顆靜止軌道通信衛星和2個地球站就能組成最簡單的衛星通信，如圖1所示。

圖1 單跳衛星通信鏈路

靜止軌道衛星通信的工作過程可以描述為：衛星無線電通信發信端(固定站或者移動站)使用發射天線發出上行載波信號，經過大氣傳輸，到達衛星，經過衛星轉發器處理(信號變頻和放大)后，利用衛星天線向地面發射下行載波信號，再經過大氣傳輸，由衛星無線電通信接收端(固定站或者移動站)天線接收，達成通信目的。靜止軌道衛星由于始終保持在相對地球空間中的固定位置，在衛星通信中具有巨大優勢[8]。

2 靜止軌道衛星通信資源-任務匹配約束分析

靜止軌道衛星通信資源-任務匹配就是根據通信任務需求，綜合考慮各種約束條件，按照一定規則對衛星資源進行優化配置，制定出滿足衛星應用任務需求的資源分配調度方案[9]。衛星任務規劃方案的合理性和正確性直接關系到任務的完成效果[10]。因此，要實現規劃調度的目標，必須對靜止軌道衛星通信資源調度問題中涉及到的約束條件進行詳細分析。

靜止軌道衛星通信資源調度問題的約束規則，可分為2大類共6項,如圖2所示。

圖2 靜止軌道衛星通信資源-任務匹配的約束規則

2.1 靜止軌道衛星通信資源-任務匹配的硬性約束

硬性約束是指完成衛星通信必須具備的最基本的條件。包括3項內容，具體為：

1)通信資源調度的范圍約束

衛星通信首先要求衛星能被衛星無線電通信使用終端“看到”，而這是由衛星天線波束覆蓋范圍決定的，即當衛星無線電通信使用終端處于衛星天線波束覆蓋范圍內時，才能進行通信；否則無法達成通信。

2)通信資源調度的時間約束

①任務的時間約束。針對某一任務的資源調度時間不能晚于該任務的開始時間，資源調度結束時間不能早于任務的結束時間，且任務對于資源的占用時間不能小于任務執行的持續時間。

②資源的時間約束。在春分和秋分期間，靜止軌道衛星由于處在太陽和地球之間，此時太陽帶來的強噪聲將引起通信中斷，即日凌中斷[11]。

3)通信資源調度的頻段約束

不同衛星、衛星使用終端的工作頻段通常是確定值，而只有處于同工作頻段的衛星和使用終端之間才能建立通信鏈路，提供通信服務，這是衛星通信資源調度問題中的一個硬約束。

2.2 靜止軌道衛星通信資源-任務匹配的軟性約束

軟性約束是指對衛星通信的質量、取得效益具有影響的約束條件。包括3項內容，具體為：

1)通信資源調度的能力約束

資源具備的能力(比如帶寬等)必須達到完成任務的最低要求，才能被分配執行任務。

2)通信資源調度的質量約束

在衛星通信中，無線電波要先后穿越對流層、平流層、電離層等，不可避免的會受到多種因素影響，產生自由空間傳播損耗、大氣吸收損耗和雨衰損耗等，導致通信質量下降，甚至出現通信中斷的現象，特別是降雨對Ku，Ka頻段信號產生衰耗較大[12]。而目前，實際應用中的通信衛星工作頻段大都在C，Ku和Ka頻段。因此，在調度過程中要考慮通信鏈路載噪比、損耗、誤碼率等的影響。

3)通信資源調度的優先級約束

①任務的優先級約束。任務的價值(重要程度)、緊迫度和執行順序等屬性決定了每項任務具備不同的優先級。

②資源的優先級約束。資源的價值、能力和稀缺程度等屬性決定了每個資源也具備不同的優先級。

3 靜止軌道衛星通信資源-任務匹配問題模型

在一個多任務的通信環境下，通信資源分配問題可以描述為一個由通信資源和通信任務所構成的數學規劃問題[13]。基于以上對靜止軌道衛星通信資源-任務匹配的約束分析，建立數學模型如下。

3.1 問題假設

為簡化問題，便于建立數學模型，在不改變問題性質的前提下，做出如下假設：

1)所有資源都絕對可靠，即不考慮出現資源性能降低或者故障的情況；

2)一個通信資源某一時刻只能為一個通信任務提供服務；

3)衛星轉發器均為透明轉發器，不考慮衛星具備星上處理功能；

4)所有任務在進行匹配調度前已經確定，不考慮有新任務動態更新的情況；

5)任務一旦開始就必須完成，不考慮自然或人為干涉的任務中斷；

6)各個任務之間是相對獨立任務，不存在邏輯上的先后關系；

7)匹配調度過程中不考慮決策者或者事件固有經驗的偏好因素。

3.2 問題要素定義

1)Ti為任務集合。若靜止軌道衛星通信系統要保障m個通信任務需求，則記Ti={Num,D,tib,tie,F,λ，NRi}，(i=1,2,···,m)；

Num為任務編號，Num=1,2,3,...,m；

D為任務區域，用經緯度范圍DJD和DWD表征；

tib為任務開始時刻；

tie為任務完成時刻；

F為任務工作頻段，如C頻段、Ku或者Ka頻段等；

λ為任務優先級；

NRi為任務的資源能力需求。

2)Rj為資源集合。若擁有n個通信資源，則記Rj={num,d,f,θ,tuj，Bj，tijb，tije}，(j=1,2,···,n)；

num為資源編號，其取值為num=1,2,3,...,n；

d為衛星覆蓋區域，用經緯度范圍dJD和dWD表征；

f為衛星工作頻段，如C頻段、Ku或者Ka頻段等；

θ為衛星資源優先級；

tuj為衛星資源Rj可用時間；

Bj為衛星資源具備的能力；

tijb為資源Rj執行任務Ti的起始時刻；

tije為資源Rj執行任務Ti的結束時刻。

3)ωij為資源-任務的分配變量

4)δilj為資源-任務的轉移變量

3.3 變量約束條件描述

1)覆蓋范圍約束

衛星覆蓋區域d由波束決定，對于全球波束，覆蓋區域為地球南北緯75°之間與以星下點為中心對地球邊緣張角17.34°所圍成的部分。對于點波束，覆蓋區域d可以通過模型計算得到[14-15]。若任務區域為D，任務區域必須在覆蓋范圍之內，即

(1)

2)工作頻段約束

衛星與地面站必須處于同一工作頻段，即

F=f

(2)

3)執行時間約束

資源調度起始時間不能晚于任務的開始時間，即

tijb≤tib

(3)

資源調度結束時間不能早于任務的結束時間，即

tije≥tie

(4)

任務持續時間必須在資源可用時間之內，即

(tie～tib)?tuj

(5)

其中，考慮日凌中斷的衛星資源可用時間tuj可通過計算得到[16]。

4)資源能力約束

衛星資源具備的能力不小于任務的資源能力需求，即

Bj≥NRi

(6)

5)分配過程約束

資源Rj每次只能處理一個任務，在完成后，只能被分配處理某一個任務，即

(7)

6)通信質量約束

載噪比C/N是衡量衛星通信鏈路性能的唯一重要參數，該值越大，則鏈路性能越好。一般通信鏈路的載噪比需要達到至少6～10dB，系統的性能才能接受[7]，即

(8)

3.4 目標函數

衛星資源調度相關研究中，通常根據任務完成情況確定目標函數[17]。一般的資源-任務調度多數是以產生的綜合收益最大為目標，本文從任務收益和衛星資源使用兩方面考慮調度目標。

(9)

(10)

記資源Rj承擔的任務數量為ERj，資源使用均衡度為E

(11)

minE

(12)

綜上所述，資源-任務匹配過程可以描述為

(13)

4 靜止軌道衛星通信資源-任務匹配問題求解思路

根據以上分析可知，靜止軌道衛星通信資源-任務匹配是一個多目標組合優化問題，結合靜止軌道衛星通信資源-任務匹配規則，給出求解該問題的思路，如圖3所示。

圖3 靜止軌道衛星通信資源-任務匹配流程圖

匹配過程可以描述為：

步驟1 數據初始化。根據通信任務和衛星資源的描述，進行數據預處理，主要是編號、計算資源覆蓋區域和可用時間，得到任務集合T和資源集合R，進入步驟2；

步驟2 匹配可行性檢測。對照資源-任務匹配的“硬約束”條件，篩選出可調度任務集Tk。如果Tk為空，則無法進行匹配，終止流程，否則進入步驟3；

步驟3 選擇任務。從可調度任務集Tk中選出優先級最大的任務Ti，并將Ti移出Tk，進入步驟4。如果已完成的任務數量等于可調度任務總數，則結束整個流程；

步驟4 選擇資源。根據資源優先級，為選定的任務Ti分配資源Rj，如果資源能夠滿足任務需求，進入步驟5；否則進入步驟6；

步驟5 資源分配。將資源Rj從R中移出，設置Rj狀態為已調用，并將Rj的處理任務結束時間設為tie，返回步驟3進行循環操作；

步驟6 資源釋放。選擇剛完成的任務，將其占用的資源狀態設置為可調用，并放回R中，返回步驟4進行循環操作。

5 數據仿真

人工智能算法是求解多目標組合優化問題的有效手段，本文采用蟻群算法進行仿真分析。

衛星資源與通信任務如表1和2所示。

表1 靜止軌道衛星通信資源

表2 待調度的衛星通信任務

蟻群算法基本參數取值如表3所示

表3 蟻群算法基本參數

采用Matlab R2010a編程，在Win7系統(硬件配置Core二代2.2GHz，1G內存)計算完成，調度總收益19，經驗證其結果正確，運行時間2.775756s。運行結果如表4所示。

表4 資源-任務匹配結果

6 結束語

結合靜止軌道衛星通信的工作過程和軌道特點，系統分析了在多衛星和多任務通信環境背景下，靜止軌道衛星通信資源與衛星通信任務需求進行匹配調度的約束規則，并提出了問題的優化目標函數，建立了靜止軌道衛星通信資源-任務匹配調度的模型，最后，給出了求解該問題的基本思路，進行了實際仿真，為開展靜止軌道衛星通信資源分配調度算法研究奠定了基礎。

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ResearchonGEOSatelliteCommunicationResources-TaskAnalysisandModelingMatch

HE Yin ZHANG Haiyong REN Zhong
Department of Communication, Dalian 116018, China

AimedattheincreasingprominentcontradictionbetweenGEOsatellitecommunicationresourcesrelativelylimitedandthedemandforincreasingcommunicationtasks,thefeaturesandoperationoftheGEOsatellitecommunicationsareanalysisedinthispaper.Withthemulti-satellitemulti-taskingcommunicationsenvironmentbackground,theGEOsatellitecommunicationresources-taskmatchingconstraintrulesaresystematicallypointedout,theobjectivefunctionoptimizationschedulingismaded,themodelofGEOsatellitecommunicationresources-taskmatchingisestablished,thebasicideaforsolvingthisproblemisprovidedandthesimulationisperformed.AtheoreticalbasisandfoundationsupportfortheschedulingmanagementofGEOsatellitecommunicationresourcesareprovided.

GEOsatellitecommunication;Resource-taskmatch;Analysisandmodeling

* 國家自然科學基金(No.11374001)

2013- 03- 12

賀寅(1986-)，男，甘肅莊浪人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向為信息與通信工程；張海勇(1966-)，男，遼寧朝陽人，博士后，教授，主要研究方向為軍事通信；任重(1982-)，男，江西九江人，碩士，講師，主要研究方向為通信與信息系統。

TN927+.2

： A

1006- 3242(2014)06- 0044- 06