一种基于资源预留的中继卫星系统资源调度方法与流程

本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种基于资源预留的中继卫星系统资源调度方法。

背景技术：

随着航空航天领域中对地观测、军事侦察以及深空探测等技术的不断发展,中继卫星数据传输呈现了大容量、高速率以及多样化中继任务的特点,卫星资源优化调度问题愈凸显迫切和重要。在众多测控业务需求中，对快速响应有着较高要求的突发业务占到很大比重，如何在保障大规模用户航天器的跟踪、测控与数据中继需求的条件下同时保障突发业务的快速响应要求对中继卫星系统合理且快速的资源调度提出了挑战。

目前，根据国内外文献资料，现有中继卫星系统任务调度研究的主要对象是预约式任务。有学者将约束规划模型应用于中继卫星任务调度，建立了约束满足规划(CSP)模型，在满足任务之间逻辑约束条件下，采用优先级高低作为资源竞争时的分配依据，但仅针对单个空间目标的复杂任务调度。郑伟等统筹考虑了中继卫星S和Ka频段服务链路，利用时间窗口的冲突检测分配链路资源，但由于遗传算法求解问题的收敛速度慢，仅适用于任务数量较少的情况。有学者提出一种六元法对任务进行分解，利用优先级高低作为资源分配依据，但仅解决单个中继卫星的任务调度。SW Cheng等提出一种任务调度框架，将中继卫星的任务进一步分解为持续时间更短的子任务集合，但仅针对单个空间目标的可分解任务调度。上述预约式任务调度的研究均没有考虑空间任务的突发特性，因此需要研发一种能够及时调度突发业务且计算简单的中继卫星系统资源调度方法。

技术实现要素：

针对中继卫星系统中的资源调度问题，本申请提供一种基于资源预留的中继卫星系统资源调度方法，包括步骤：

判断待调度业务集是否为空；

若否，从待调度业务集中选取优先级最高的业务，并判断选定的业务是否为突发业务；

若选定的业务为突发业务，则对选定的业务进行调度，否则，判断可用资源集占总资源集的比例是否大于预设的资源预留率，若大于，则对选定的业务进行调度，否则，对选定的业务进行降级处理，并返回待调度业务集中继续选取优先级最高的业务；

对调度的业务进行资源匹配。

一种实施例中，判断选定的业务是否为突发业务的步骤是：判断选定的业务的截止时间是否在预设的突发时间限内，若是，选定的业务为突发业务，否则为常规业务。

一种实施例中，从待调度业务集中选取优先级最高的业务之前，还包括判断相同最高优先级的业务的个数是否为多个，若是，在多个相同最高优先级的业务中选取截止时间最早的业务。

一种实施例中，对调度的业务进行资源匹配的步骤是：

从可用资源集中选取出符合业务要求时间段及链路速率的拥有最早开始时间的资源匹配给调度的业务；

从可用资源集中移除该段资源并将其加入已占用资源集；

将调度的业务从待调度业务集中移除并加入已安排业务集。

一种实施例中，若对调度的业务进行资源匹配失败，还包括步骤：根据优先级低高的原则，对调度业务所需时间段上占用的业务进行资源的重新匹配，调整业务的资源占用情况，将调整后的空闲资源匹配给调度的业务。

依据上述实施例的中继卫星系统资源调度方法，由于判断待调度业务的执行需求，划分其是否为突发业务；对于非突发业务，首先判断资源的使用情况，，在资源充足的情况下，根据优先级与截止时间进行调度；对于突发业务，直接进行调度，保障调度的快速响应。通过资源预留机制，为需要快速调度的突发业务提供了资源保障，解决了突发业务快速调度的问题，可用于卫星网络中大规模的动态资源调度问题，加快了调度的响应速度，并提高了资源的有效利用率。

附图说明

图1为任务时间模型示意图；

图2为中继卫星系统资源调度流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

针对中继卫星系统中的中继传输业务具有实时性和业务类型差异大的特点，主要考虑数据传输与测控业务的起始时间s(i)、截止时间e(i)、业务量T(i)、业务传输速率v(i)、优先级p(i)五个方面的特征参数，本例提出了一种基于资源预留的资源调度方法，其基本思想是，通过设定突发时间限τ，业务截止时间在突发时间限内的业务划分为突发业务，突发任务直接进行调度，如无法调度可通过调整已安排业务进行插入。任务截止时间在突发时间限外的为常规业务，当前剩余资源利用率大于给定的预留资源利用率α时，可直接对常规业务进行调度；当剩余资源少于要求的预留资源时，对常规业务的优先级进行降级处理，等待下次调度。

当中继卫星与用户飞行器之间可视时，用户飞行器上的数据或地面站的数据均可分别通过中继卫星的上下行链路进行中继传输，一次数据传输过程执行一项数据传输或测控任务。由于中继卫星资源调度问题总是会面临一些突发业务需要调度，由于在现阶段的研究中不可能考虑全部的细节和实际约束，需要做一些基本假设和简化，本例的假设条件如下：

1、任何业务的执行时间都必须在中继卫星与用户飞行器间的可见时间窗口内；

2、不考虑卫星的故障和业务的切换时间；

3、每个任务的执行时间必须满足任务的时限性要求，且持续时间必须能够完成要求的业务量并高于要求的业务传输速率；

4、中继卫星提供的最大链路数量不变，且区分上下行链路；

5、业务的初始优先级由用户给定，在调度过程中可对用于计算的优先级进行调整。

6、中继卫星系统资源调度数学模型：

v(i)D(i)≥T(i),

st(i,j,k)≥ast(i,j,k),

st(i,j,k)+d_i,j,k≤aet(i,j,k),

i＝1,2,L,j＝1,2,3,k＝1,2,L；

优化目标为最大化业务的完成度即业务的加权优先级之和最大，业务的完成度由业务的优先级以及持续时间共同决定，以保障整体调度的高吞吐量及高优先级。

中继卫星系统资源调度数学模型中各参数的含义是：

d(i,j,k)：中继星j将其第k条链路安排给业务i进行测控的时间；

p(i)：任务i的优先级；

D(i)：完成业务i所需的持续时间，安排给业务i的调度时间需保证在此时间段内链路的传输速率高于业务要求的传输速率v(i)且能够保障业务量T(i)的完成，本例的业务量T(i)模型示意图如图1所示；

ast(i,j,k)：中继星j的第k条链路可以提供给业务i进行测控的起始时间，其时间晚于业务i所要求的起始时间s(i)；

aet(i,j,k)：中继星j的第k条链路可以提供给业务i进行测控的结束时间，其时间早于业务i所要求的截止时间e(i)；

st(i,j,k)：中继星j的第k条链路实际安排给业务i进行测控的起始时间，调度结果需要保障实际安排的起止时间在可用的起止时间范围之内，并且实际调度的起止时间段不应该有重叠；

τ：突发时间限，截止时间在当前时间到突发时间限τ之间的业务规定为突发业务，在突发时间限之后的业务为常规业务；

α：资源预留率，在突发时间限之后的剩余资源占总资源的比例需大于资源预留率，以保障未来突发业务的可调度性；

其中i的取值范围为参与调度的空间飞行器的数量，j为参与调度的中继卫星的数量，k为中继星可提供的链路数量。

基于上述假设条件，本例的中继卫星系统资源调度方法的流程图如图1所示，具体包括如下步骤。

S1：判断待调度业务集是否为空。

确定所有发起申请的业务集合，根据当前的调度情况将其分为已调度业务集、待调度业务集以及无法调度业务集三部分，从待调度业务集中选取业务之前，需要判断待调度业务集是否为空，若为空，则调度结束，否则，进入步骤S2。

S2：从待调度业务集中选取优先级最高的业务，并判断选定的业务是突发业务还是常规业务。

在选取业务之前，需要将待调度业务集中的业务进行优先级的高底排序，然后，再选取优先级最高的业务，选定之后，还需要判定选定的业务是突发业务还是常规业务，具体为，判断选定的业务的截止时间是否在预设的突发时间限内，若是，选定的业务为突发业务，否则为常规业务。

进一步，从待调度业务集中选取优先级最高的业务之前，还包括判断相同最高优先级的业务的个数是否为多个，若是，在多个相同最高优先级的业务中选取截止时间最早的业务。

S3：若选定的业务为突发业务，则对选定的业务进行调度，若选定的业务为常规业务，判断可用资源集占总资源集的比例是否大于预设的资源预留率，若大于，则对选定的业务进行调度，否则，对选定的业务进行降级处理，并返回待调度业务集中继续选取优先级最高的业务。

S4：对调度的业务进行资源匹配。

对调度的业务进行资源匹配的步骤为：从可用资源集中选取出符合业务要求时间段及链路速率的拥有最早开始时间的资源匹配给调度的业务；从可用资源集中移除该段资源并将其加入已占用资源集；将调度的业务从待调度业务集中移除并加入已安排业务集。

进一步，若对调度的业务进行资源匹配失败，即无法匹配可用资源时，进入步骤S5。

S5：根据优先级低高的原则，对调度业务所需时间段上占用的业务进行资源的重新匹配，调整业务的资源占用情况，将调整后的空闲资源匹配给调度的业务。

通过步骤S5可以将已安排业务集中的业务按优先级低高的原则，从优先级低的业务开始，直到找到可以调整的业务，调整其资源占用情况，将调整后的空闲资源匹配给调度的业务，资源匹配完成后，更新可用资源集、已占用资源集以及已调度业务集和待调度业务集，如果通过步骤S5还无法找到可调整的业务，则将该调度的业务加入无法调度业务集中。

最后，返回已调度业务集和无法调度业务集，通知相应用户业务的调度情况，并对无法调度的业务进行需求调整，整个调度过程结束。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。