賀 寅 張海勇 任 重

海軍大連艦艇學(xué)院通信系，大連116018

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靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務(wù)匹配分析與建模研究*

賀 寅 張海勇 任 重

海軍大連艦艇學(xué)院通信系，大連116018

針對(duì)相對(duì)有限的靜止軌道衛(wèi)星通信資源與不斷增多的通信任務(wù)需求之間的矛盾日益突出的問題，通過分析靜止軌道衛(wèi)星通信的特點(diǎn)和工作過程，研究提出了多衛(wèi)星、多任務(wù)通信環(huán)境背景下，靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務(wù)匹配的約束規(guī)則，建立優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務(wù)匹配問題的模型，給出解決該問題的基本思路，并進(jìn)行了實(shí)際仿真。為探索靜止軌道衛(wèi)星通信資源的調(diào)度管理方法提供了理論依據(jù)和基礎(chǔ)支撐。

靜止軌道衛(wèi)星；資源任務(wù)匹配；分析建模

衛(wèi)星通信由于具有傳輸容量大、抗干擾能力強(qiáng)、使用靈活、不受地理?xiàng)l件限制和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[1]，已成為現(xiàn)代通信領(lǐng)域不可缺少的通信手段，在寬帶多媒體通信、移動(dòng)通信、應(yīng)急通信和軍事通信中得到廣泛應(yīng)用。隨著衛(wèi)星通信應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，衛(wèi)星通信資源相對(duì)有限與衛(wèi)星通信任務(wù)需求不斷增多的矛盾日益突出，如何根據(jù)任務(wù)需求制定科學(xué)合理的衛(wèi)星通信資源分配方案成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)偵察衛(wèi)星、對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星、多星聯(lián)合調(diào)度問題進(jìn)行了細(xì)致深入的研究[2-5]，但對(duì)于面向通信任務(wù)的靜止軌道衛(wèi)星通信資源調(diào)度問題的研究相對(duì)較少。

本文以多衛(wèi)星、多任務(wù)的通信環(huán)境為背景，研究提出靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務(wù)匹配的約束規(guī)則，構(gòu)建靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務(wù)匹配問題的數(shù)學(xué)模型，建立優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)，給出解決該問題的基本思路，并進(jìn)行實(shí)際仿真。

1 靜止軌道衛(wèi)星通信特點(diǎn)分析

自1963年美國成功發(fā)射第一顆靜止軌道衛(wèi)星SynCom-2以來，目前全世界有近300顆靜止軌道衛(wèi)星，擔(dān)負(fù)著通信、導(dǎo)航和中繼等任務(wù)[6]。目前，多數(shù)通信衛(wèi)星運(yùn)行在地球同步軌道，該軌道特別適合在地球上2個(gè)或多個(gè)點(diǎn)間通過空間一個(gè)相對(duì)地球固定的“中繼點(diǎn)”進(jìn)行信息傳輸[7]。

1顆靜止軌道通信衛(wèi)星和2個(gè)地球站就能組成最簡(jiǎn)單的衛(wèi)星通信，如圖1所示。

圖1 單跳衛(wèi)星通信鏈路

靜止軌道衛(wèi)星通信的工作過程可以描述為：衛(wèi)星無線電通信發(fā)信端(固定站或者移動(dòng)站)使用發(fā)射天線發(fā)出上行載波信號(hào)，經(jīng)過大氣傳輸，到達(dá)衛(wèi)星，經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器處理(信號(hào)變頻和放大)后，利用衛(wèi)星天線向地面發(fā)射下行載波信號(hào)，再經(jīng)過大氣傳輸，由衛(wèi)星無線電通信接收端(固定站或者移動(dòng)站)天線接收，達(dá)成通信目的。靜止軌道衛(wèi)星由于始終保持在相對(duì)地球空間中的固定位置，在衛(wèi)星通信中具有巨大優(yōu)勢(shì)[8]。

2 靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務(wù)匹配約束分析

靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務(wù)匹配就是根據(jù)通信任務(wù)需求，綜合考慮各種約束條件，按照一定規(guī)則對(duì)衛(wèi)星資源進(jìn)行優(yōu)化配置，制定出滿足衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)需求的資源分配調(diào)度方案[9]。衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方案的合理性和正確性直接關(guān)系到任務(wù)的完成效果[10]。因此，要實(shí)現(xiàn)規(guī)劃調(diào)度的目標(biāo)，必須對(duì)靜止軌道衛(wèi)星通信資源調(diào)度問題中涉及到的約束條件進(jìn)行詳細(xì)分析。

靜止軌道衛(wèi)星通信資源調(diào)度問題的約束規(guī)則，可分為2大類共6項(xiàng),如圖2所示。

圖2 靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務(wù)匹配的約束規(guī)則

2.1 靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務(wù)匹配的硬性約束

硬性約束是指完成衛(wèi)星通信必須具備的最基本的條件。包括3項(xiàng)內(nèi)容，具體為：

1)通信資源調(diào)度的范圍約束

衛(wèi)星通信首先要求衛(wèi)星能被衛(wèi)星無線電通信使用終端“看到”，而這是由衛(wèi)星天線波束覆蓋范圍決定的，即當(dāng)衛(wèi)星無線電通信使用終端處于衛(wèi)星天線波束覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，才能進(jìn)行通信；否則無法達(dá)成通信。

2)通信資源調(diào)度的時(shí)間約束

①任務(wù)的時(shí)間約束。針對(duì)某一任務(wù)的資源調(diào)度時(shí)間不能晚于該任務(wù)的開始時(shí)間，資源調(diào)度結(jié)束時(shí)間不能早于任務(wù)的結(jié)束時(shí)間，且任務(wù)對(duì)于資源的占用時(shí)間不能小于任務(wù)執(zhí)行的持續(xù)時(shí)間。

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

3)通信資源調(diào)度的頻段約束

不同衛(wèi)星、衛(wèi)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(wèi)星和使用終端之間才能建立通信鏈路，提供通信服務(wù)，這是衛(wèi)星通信資源調(diào)度問題中的一個(gè)硬約束。

2.2 靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務(wù)匹配的軟性約束

軟性約束是指對(duì)衛(wèi)星通信的質(zhì)量、取得效益具有影響的約束條件。包括3項(xiàng)內(nèi)容，具體為：

1)通信資源調(diào)度的能力約束

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

2)通信資源調(diào)度的質(zhì)量約束

在衛(wèi)星通信中，無線電波要先后穿越對(duì)流層、平流層、電離層等，不可避免的會(huì)受到多種因素影響，產(chǎn)生自由空間傳播損耗、大氣吸收損耗和雨衰損耗等，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降，甚至出現(xiàn)通信中斷的現(xiàn)象，特別是降雨對(duì)Ku，Ka頻段信號(hào)產(chǎn)生衰耗較大[12]。而目前，實(shí)際應(yīng)用中的通信衛(wèi)星工作頻段大都在C，Ku和Ka頻段。因此，在調(diào)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(diào)度的優(yōu)先級(jí)約束

①任務(wù)的優(yōu)先級(jí)約束。任務(wù)的價(jià)值(重要程度)、緊迫度和執(zhí)行順序等屬性決定了每項(xiàng)任務(wù)具備不同的優(yōu)先級(jí)。

②資源的優(yōu)先級(jí)約束。資源的價(jià)值、能力和稀缺程度等屬性決定了每個(gè)資源也具備不同的優(yōu)先級(jí)。

3 靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務(wù)匹配問題模型

在一個(gè)多任務(wù)的通信環(huán)境下，通信資源分配問題可以描述為一個(gè)由通信資源和通信任務(wù)所構(gòu)成的數(shù)學(xué)規(guī)劃問題[13]?；谝陨蠈?duì)靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務(wù)匹配的約束分析，建立數(shù)學(xué)模型如下。

3.1 問題假設(shè)

為簡(jiǎn)化問題，便于建立數(shù)學(xué)模型，在不改變問題性質(zhì)的前提下，做出如下假設(shè)：

1)所有資源都絕對(duì)可靠，即不考慮出現(xiàn)資源性能降低或者故障的情況；

2)一個(gè)通信資源某一時(shí)刻只能為一個(gè)通信任務(wù)提供服務(wù)；

3)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器均為透明轉(zhuǎn)發(fā)器，不考慮衛(wèi)星具備星上處理功能；

4)所有任務(wù)在進(jìn)行匹配調(diào)度前已經(jīng)確定，不考慮有新任務(wù)動(dòng)態(tài)更新的情況；

5)任務(wù)一旦開始就必須完成，不考慮自然或人為干涉的任務(wù)中斷；

6)各個(gè)任務(wù)之間是相對(duì)獨(dú)立任務(wù)，不存在邏輯上的先后關(guān)系；

7)匹配調(diào)度過程中不考慮決策者或者事件固有經(jīng)驗(yàn)的偏好因素。

3.2 問題要素定義

1)Ti為任務(wù)集合。若靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)要保障m個(gè)通信任務(wù)需求，則記Ti={Num,D,tib,tie,F,λ，NRi}，(i=1,2,···,m)；

Num為任務(wù)編號(hào)，Num=1,2,3,...,m；

D為任務(wù)區(qū)域，用經(jīng)緯度范圍DJD和DWD表征；

tib為任務(wù)開始時(shí)刻；

tie為任務(wù)完成時(shí)刻；

F為任務(wù)工作頻段，如C頻段、Ku或者Ka頻段等；

λ為任務(wù)優(yōu)先級(jí)；

NRi為任務(wù)的資源能力需求。

2)Rj為資源集合。若擁有n個(gè)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(hào)，其取值為num=1,2,3,...,n；

d為衛(wèi)星覆蓋區(qū)域，用經(jīng)緯度范圍dJD和dWD表征；

f為衛(wèi)星工作頻段，如C頻段、Ku或者Ka頻段等；

θ為衛(wèi)星資源優(yōu)先級(jí)；

tuj為衛(wèi)星資源Rj可用時(shí)間；

Bj為衛(wèi)星資源具備的能力；

tijb為資源Rj執(zhí)行任務(wù)Ti的起始時(shí)刻；

tije為資源Rj執(zhí)行任務(wù)Ti的結(jié)束時(shí)刻。

3)ωij為資源-任務(wù)的分配變量

4)δilj為資源-任務(wù)的轉(zhuǎn)移變量

3.3 變量約束條件描述

1)覆蓋范圍約束

衛(wèi)星覆蓋區(qū)域d由波束決定，對(duì)于全球波束，覆蓋區(qū)域?yàn)榈厍蚰媳本?5°之間與以星下點(diǎn)為中心對(duì)地球邊緣張角17.34°所圍成的部分。對(duì)于點(diǎn)波束，覆蓋區(qū)域d可以通過模型計(jì)算得到[14-15]。若任務(wù)區(qū)域?yàn)镈，任務(wù)區(qū)域必須在覆蓋范圍之內(nèi)，即

(1)

2)工作頻段約束

衛(wèi)星與地面站必須處于同一工作頻段，即

F=f

(2)

3)執(zhí)行時(shí)間約束

資源調(diào)度起始時(shí)間不能晚于任務(wù)的開始時(shí)間，即

tijb≤tib

(3)

資源調(diào)度結(jié)束時(shí)間不能早于任務(wù)的結(jié)束時(shí)間，即

tije≥tie

(4)

任務(wù)持續(xù)時(shí)間必須在資源可用時(shí)間之內(nèi)，即

(tie～tib)?tuj

(5)

其中，考慮日凌中斷的衛(wèi)星資源可用時(shí)間tuj可通過計(jì)算得到[16]。

4)資源能力約束

衛(wèi)星資源具備的能力不小于任務(wù)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(gè)任務(wù)，在完成后，只能被分配處理某一個(gè)任務(wù)，即

(7)

6)通信質(zhì)量約束

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

(8)

3.4 目標(biāo)函數(shù)

衛(wèi)星資源調(diào)度相關(guān)研究中，通常根據(jù)任務(wù)完成情況確定目標(biāo)函數(shù)[17]。一般的資源-任務(wù)調(diào)度多數(shù)是以產(chǎn)生的綜合收益最大為目標(biāo)，本文從任務(wù)收益和衛(wèi)星資源使用兩方面考慮調(diào)度目標(biāo)。

(9)

(10)

記資源Rj承擔(dān)的任務(wù)數(shù)量為ERj，資源使用均衡度為E

(11)

minE

(12)

綜上所述，資源-任務(wù)匹配過程可以描述為

(13)

4 靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務(wù)匹配問題求解思路

根據(jù)以上分析可知，靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務(wù)匹配是一個(gè)多目標(biāo)組合優(yōu)化問題，結(jié)合靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務(wù)匹配規(guī)則，給出求解該問題的思路，如圖3所示。

圖3 靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務(wù)匹配流程圖

匹配過程可以描述為：

步驟1 數(shù)據(jù)初始化。根據(jù)通信任務(wù)和衛(wèi)星資源的描述，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要是編號(hào)、計(jì)算資源覆蓋區(qū)域和可用時(shí)間，得到任務(wù)集合T和資源集合R，進(jìn)入步驟2；

步驟2 匹配可行性檢測(cè)。對(duì)照資源-任務(wù)匹配的“硬約束”條件，篩選出可調(diào)度任務(wù)集Tk。如果Tk為空，則無法進(jìn)行匹配，終止流程，否則進(jìn)入步驟3；

步驟3 選擇任務(wù)。從可調(diào)度任務(wù)集Tk中選出優(yōu)先級(jí)最大的任務(wù)Ti，并將Ti移出Tk，進(jìn)入步驟4。如果已完成的任務(wù)數(shù)量等于可調(diào)度任務(wù)總數(shù)，則結(jié)束整個(gè)流程；

步驟4 選擇資源。根據(jù)資源優(yōu)先級(jí)，為選定的任務(wù)Ti分配資源Rj，如果資源能夠滿足任務(wù)需求，進(jìn)入步驟5；否則進(jìn)入步驟6；

步驟5 資源分配。將資源Rj從R中移出，設(shè)置Rj狀態(tài)為已調(diào)用，并將Rj的處理任務(wù)結(jié)束時(shí)間設(shè)為tie，返回步驟3進(jìn)行循環(huán)操作；

步驟6 資源釋放。選擇剛完成的任務(wù)，將其占用的資源狀態(tài)設(shè)置為可調(diào)用，并放回R中，返回步驟4進(jìn)行循環(huán)操作。

5 數(shù)據(jù)仿真

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

衛(wèi)星資源與通信任務(wù)如表1和2所示。

表1 靜止軌道衛(wèi)星通信資源

表2 待調(diào)度的衛(wèi)星通信任務(wù)

蟻群算法基本參數(shù)取值如表3所示

表3 蟻群算法基本參數(shù)

采用Matlab R2010a編程，在Win7系統(tǒng)(硬件配置Core二代2.2GHz，1G內(nèi)存)計(jì)算完成，調(diào)度總收益19，經(jīng)驗(yàn)證其結(jié)果正確，運(yùn)行時(shí)間2.775756s。運(yùn)行結(jié)果如表4所示。

表4 資源-任務(wù)匹配結(jié)果

6 結(jié)束語

結(jié)合靜止軌道衛(wèi)星通信的工作過程和軌道特點(diǎn)，系統(tǒng)分析了在多衛(wèi)星和多任務(wù)通信環(huán)境背景下，靜止軌道衛(wèi)星通信資源與衛(wèi)星通信任務(wù)需求進(jìn)行匹配調(diào)度的約束規(guī)則，并提出了問題的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，建立了靜止軌道衛(wèi)星通信資源-任務(wù)匹配調(diào)度的模型，最后，給出了求解該問題的基本思路，進(jìn)行了實(shí)際仿真，為開展靜止軌道衛(wèi)星通信資源分配調(diào)度算法研究奠定了基礎(chǔ)。

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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(xué)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?yàn)樾畔⑴c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?yàn)檐娛峦ㄐ牛蝗沃?1982-)，男，江西九江人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)。

TN927+.2

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