静止轨道卫星通信资源-任务匹配分析与建模研究*

贺 寅 张海勇 任 重

海军大连舰艇学院通信系，大连116018



静止轨道卫星通信资源-任务匹配分析与建模研究*

贺 寅 张海勇 任 重

海军大连舰艇学院通信系，大连116018

针对相对有限的静止轨道卫星通信资源与不断增多的通信任务需求之间的矛盾日益突出的问题，通过分析静止轨道卫星通信的特点和工作过程，研究提出了多卫星、多任务通信环境背景下，静止轨道卫星通信资源-任务匹配的约束规则，建立优化调度的目标函数，构建静止轨道卫星通信资源-任务匹配问题的模型，给出解决该问题的基本思路，并进行了实际仿真。为探索静止轨道卫星通信资源的调度管理方法提供了理论依据和基础支撑。

静止轨道卫星；资源任务匹配；分析建模

卫星通信由于具有传输容量大、抗干扰能力强、使用灵活、不受地理条件限制和可靠性高等优点[1]，已成为现代通信领域不可缺少的通信手段，在宽带多媒体通信、移动通信、应急通信和军事通信中得到广泛应用。随着卫星通信应用范围的扩展，卫星通信资源相对有限与卫星通信任务需求不断增多的矛盾日益突出，如何根据任务需求制定科学合理的卫星通信资源分配方案成为一个研究热点。近年来，国内外学者对侦察卫星、对地观测卫星、多星联合调度问题进行了细致深入的研究[2-5]，但对于面向通信任务的静止轨道卫星通信资源调度问题的研究相对较少。

本文以多卫星、多任务的通信环境为背景，研究提出静止轨道卫星通信资源-任务匹配的约束规则，构建静止轨道卫星通信资源-任务匹配问题的数学模型，建立优化调度的目标函数，给出解决该问题的基本思路，并进行实际仿真。

1 静止轨道卫星通信特点分析

自1963年美国成功发射第一颗静止轨道卫星SynCom-2以来，目前全世界有近300颗静止轨道卫星，担负着通信、导航和中继等任务[6]。目前，多数通信卫星运行在地球同步轨道，该轨道特别适合在地球上2个或多个点间通过空间一个相对地球固定的“中继点”进行信息传输[7]。

1颗静止轨道通信卫星和2个地球站就能组成最简单的卫星通信，如图1所示。

图1 单跳卫星通信链路

静止轨道卫星通信的工作过程可以描述为：卫星无线电通信发信端(固定站或者移动站)使用发射天线发出上行载波信号，经过大气传输，到达卫星，经过卫星转发器处理(信号变频和放大)后，利用卫星天线向地面发射下行载波信号，再经过大气传输，由卫星无线电通信接收端(固定站或者移动站)天线接收，达成通信目的。静止轨道卫星由于始终保持在相对地球空间中的固定位置，在卫星通信中具有巨大优势[8]。

2 静止轨道卫星通信资源-任务匹配约束分析

静止轨道卫星通信资源-任务匹配就是根据通信任务需求，综合考虑各种约束条件，按照一定规则对卫星资源进行优化配置，制定出满足卫星应用任务需求的资源分配调度方案[9]。卫星任务规划方案的合理性和正确性直接关系到任务的完成效果[10]。因此，要实现规划调度的目标，必须对静止轨道卫星通信资源调度问题中涉及到的约束条件进行详细分析。

静止轨道卫星通信资源调度问题的约束规则，可分为2大类共6项,如图2所示。

图2 静止轨道卫星通信资源-任务匹配的约束规则

2.1 静止轨道卫星通信资源-任务匹配的硬性约束

硬性约束是指完成卫星通信必须具备的最基本的条件。包括3项内容，具体为：

1)通信资源调度的范围约束

卫星通信首先要求卫星能被卫星无线电通信使用终端“看到”，而这是由卫星天线波束覆盖范围决定的，即当卫星无线电通信使用终端处于卫星天线波束覆盖范围内时，才能进行通信；否则无法达成通信。

2)通信资源调度的时间约束

①任务的时间约束。针对某一任务的资源调度时间不能晚于该任务的开始时间，资源调度结束时间不能早于任务的结束时间，且任务对于资源的占用时间不能小于任务执行的持续时间。

②资源的时间约束。在春分和秋分期间，静止轨道卫星由于处在太阳和地球之间，此时太阳带来的强噪声将引起通信中断，即日凌中断[11]。

3)通信资源调度的频段约束

不同卫星、卫星使用终端的工作频段通常是确定值，而只有处于同工作频段的卫星和使用终端之间才能建立通信链路，提供通信服务，这是卫星通信资源调度问题中的一个硬约束。

2.2 静止轨道卫星通信资源-任务匹配的软性约束

软性约束是指对卫星通信的质量、取得效益具有影响的约束条件。包括3项内容，具体为：

1)通信资源调度的能力约束

资源具备的能力(比如带宽等)必须达到完成任务的最低要求，才能被分配执行任务。

2)通信资源调度的质量约束

在卫星通信中，无线电波要先后穿越对流层、平流层、电离层等，不可避免的会受到多种因素影响，产生自由空间传播损耗、大气吸收损耗和雨衰损耗等，导致通信质量下降，甚至出现通信中断的现象，特别是降雨对Ku，Ka频段信号产生衰耗较大[12]。而目前，实际应用中的通信卫星工作频段大都在C，Ku和Ka频段。因此，在调度过程中要考虑通信链路载噪比、损耗、误码率等的影响。

3)通信资源调度的优先级约束

①任务的优先级约束。任务的价值(重要程度)、紧迫度和执行顺序等属性决定了每项任务具备不同的优先级。

②资源的优先级约束。资源的价值、能力和稀缺程度等属性决定了每个资源也具备不同的优先级。

3 静止轨道卫星通信资源-任务匹配问题模型

在一个多任务的通信环境下，通信资源分配问题可以描述为一个由通信资源和通信任务所构成的数学规划问题[13]。基于以上对静止轨道卫星通信资源-任务匹配的约束分析，建立数学模型如下。

3.1 问题假设

为简化问题，便于建立数学模型，在不改变问题性质的前提下，做出如下假设：

1)所有资源都绝对可靠，即不考虑出现资源性能降低或者故障的情况；

2)一个通信资源某一时刻只能为一个通信任务提供服务；

3)卫星转发器均为透明转发器，不考虑卫星具备星上处理功能；

4)所有任务在进行匹配调度前已经确定，不考虑有新任务动态更新的情况；

5)任务一旦开始就必须完成，不考虑自然或人为干涉的任务中断；

6)各个任务之间是相对独立任务，不存在逻辑上的先后关系；

7)匹配调度过程中不考虑决策者或者事件固有经验的偏好因素。

3.2 问题要素定义

1)Ti为任务集合。若静止轨道卫星通信系统要保障m个通信任务需求，则记Ti={Num,D,tib,tie,F,λ，NRi}，(i=1,2,···,m)；

Num为任务编号，Num=1,2,3,...,m；

D为任务区域，用经纬度范围DJD和DWD表征；

tib为任务开始时刻；

tie为任务完成时刻；

F为任务工作频段，如C频段、Ku或者Ka频段等；

λ为任务优先级；

NRi为任务的资源能力需求。

2)Rj为资源集合。若拥有n个通信资源，则记Rj={num,d,f,θ,tuj，Bj，tijb，tije}，(j=1,2,···,n)；

num为资源编号，其取值为num=1,2,3,...,n；

d为卫星覆盖区域，用经纬度范围dJD和dWD表征；

f为卫星工作频段，如C频段、Ku或者Ka频段等；

θ为卫星资源优先级；

tuj为卫星资源Rj可用时间；

Bj为卫星资源具备的能力；

tijb为资源Rj执行任务Ti的起始时刻；

tije为资源Rj执行任务Ti的结束时刻。

3)ωij为资源-任务的分配变量

4)δilj为资源-任务的转移变量

3.3 变量约束条件描述

1)覆盖范围约束

卫星覆盖区域d由波束决定，对于全球波束，覆盖区域为地球南北纬75°之间与以星下点为中心对地球边缘张角17.34°所围成的部分。对于点波束，覆盖区域d可以通过模型计算得到[14-15]。若任务区域为D，任务区域必须在覆盖范围之内，即

(1)

2)工作频段约束

卫星与地面站必须处于同一工作频段，即

F=f

(2)

3)执行时间约束

资源调度起始时间不能晚于任务的开始时间，即

tijb≤tib

(3)

资源调度结束时间不能早于任务的结束时间，即

tije≥tie

(4)

任务持续时间必须在资源可用时间之内，即

(tie～tib)⊆tuj

(5)

其中，考虑日凌中断的卫星资源可用时间tuj可通过计算得到[16]。

4)资源能力约束

卫星资源具备的能力不小于任务的资源能力需求，即

Bj≥NRi

(6)

5)分配过程约束

资源Rj每次只能处理一个任务，在完成后，只能被分配处理某一个任务，即

(7)

6)通信质量约束

载噪比C/N是衡量卫星通信链路性能的唯一重要参数，该值越大，则链路性能越好。一般通信链路的载噪比需要达到至少6～10dB，系统的性能才能接受[7]，即

(8)

3.4 目标函数

卫星资源调度相关研究中，通常根据任务完成情况确定目标函数[17]。一般的资源-任务调度多数是以产生的综合收益最大为目标，本文从任务收益和卫星资源使用两方面考虑调度目标。

(9)

(10)

记资源Rj承担的任务数量为ERj，资源使用均衡度为E

(11)

minE

(12)

综上所述，资源-任务匹配过程可以描述为

(13)

4 静止轨道卫星通信资源-任务匹配问题求解思路

根据以上分析可知，静止轨道卫星通信资源-任务匹配是一个多目标组合优化问题，结合静止轨道卫星通信资源-任务匹配规则，给出求解该问题的思路，如图3所示。

图3 静止轨道卫星通信资源-任务匹配流程图

匹配过程可以描述为：

步骤1 数据初始化。根据通信任务和卫星资源的描述，进行数据预处理，主要是编号、计算资源覆盖区域和可用时间，得到任务集合T和资源集合R，进入步骤2；

步骤2 匹配可行性检测。对照资源-任务匹配的“硬约束”条件，筛选出可调度任务集Tk。如果Tk为空，则无法进行匹配，终止流程，否则进入步骤3；

步骤3 选择任务。从可调度任务集Tk中选出优先级最大的任务Ti，并将Ti移出Tk，进入步骤4。如果已完成的任务数量等于可调度任务总数，则结束整个流程；

步骤4 选择资源。根据资源优先级，为选定的任务Ti分配资源Rj，如果资源能够满足任务需求，进入步骤5；否则进入步骤6；

步骤5 资源分配。将资源Rj从R中移出，设置Rj状态为已调用，并将Rj的处理任务结束时间设为tie，返回步骤3进行循环操作；

步骤6 资源释放。选择刚完成的任务，将其占用的资源状态设置为可调用，并放回R中，返回步骤4进行循环操作。

5 数据仿真

人工智能算法是求解多目标组合优化问题的有效手段，本文采用蚁群算法进行仿真分析。

卫星资源与通信任务如表1和2所示。

表1 静止轨道卫星通信资源

表2 待调度的卫星通信任务

蚁群算法基本参数取值如表3所示

表3 蚁群算法基本参数

采用Matlab R2010a编程，在Win7系统(硬件配置Core二代2.2GHz，1G内存)计算完成，调度总收益19，经验证其结果正确，运行时间2.775756s。运行结果如表4所示。

表4 资源-任务匹配结果

6 结束语

结合静止轨道卫星通信的工作过程和轨道特点，系统分析了在多卫星和多任务通信环境背景下，静止轨道卫星通信资源与卫星通信任务需求进行匹配调度的约束规则，并提出了问题的优化目标函数，建立了静止轨道卫星通信资源-任务匹配调度的模型，最后，给出了求解该问题的基本思路，进行了实际仿真，为开展静止轨道卫星通信资源分配调度算法研究奠定了基础。

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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

* 国家自然科学基金(No.11374001)

2013- 03- 12

贺寅(1986-)，男，甘肃庄浪人，硕士研究生，助理工程师，主要研究方向为信息与通信工程；张海勇(1966-)，男，辽宁朝阳人，博士后，教授，主要研究方向为军事通信；任重(1982-)，男，江西九江人，硕士，讲师，主要研究方向为通信与信息系统。

TN927+.2

： A

1006- 3242(2014)06- 0044- 06