一种天基时变拓扑的组网通信方法、系统及存储介质与流程

本发明涉及卫星移动通信，更具体的说是涉及一种天基时变拓扑的组网通信方法、系统及存储介质。

背景技术：

1、随着宽带通信卫星的高密度发射及在轨应用，结合低轨巨星座形成高、中、低轨卫星的多层次化组网已经成为未来实时通信交互的关键；而随着巨星座的出现和不断发展，天基通信路由技术已经不再局限于单一的路由性能指标提升，一方面是由于组网星座的拓扑结构持续变化且随着节点的持续增多越来越复杂，另一方面巨星座组网通信着重解决在特定网络场景约束条件下实现网络整体性能例如时延、丢包率、吞吐量等指标的优化。

2、目前巨星座天基组网过程，主要存在以下问题：

3、（1）传统的网络架构是以中、高轨卫星为主控节点，低轨卫星作为数据转发的主要通道，地面接收站协助控制转发，与用户终端形成完整的网络交换服务传输节点，但是随着节点数量的不断增加，运行过程中必然会发生某些节点失效的情况，这种随机偶发的节点故障虽然可以通过地面对各个节点通信状态遥测的自主判读实时确认，但星地延迟以及随之带来的路由路径的重规划生成势必会对整个星座运行带来负担，同时，上万颗低轨卫星依靠高轨道卫星监控、规划、运营管理，发生局部失效时难以实现与高轨卫星的实时建链。

4、（2）在时变拓扑通信结构下，往往会出现通信短暂中断及重复中断现象，需要在预测过程中保留中断信息、保障数据的恢复及连续，但是传统长短期记忆网络lstm一个神经元细胞中的遗忘门中的输入数据经过激活函数后进行一级乘、加计算，这种架构具有一定的记忆和存储能力，但对于随机中断序列适应性较差。

5、（3）在时变拓扑网络中由于整体架构的不断变化，给预测带来了极大的不确定性，同时路由搜索随着卫星数量、通信载荷数量得增加而急遽增加。

6、因此，如何解决大规模组网卫星通信拓扑结构不固定、信道类型多样不稳定和卫星链路失效与否不确定问题，克服在测算通信链路的传输速率、丢包率过程中实时建链问题，以及如何提升在长时间交互路由过程，巨星座数据传输的在轨实时最优解算效率，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种天基时变拓扑的组网通信方法、系统及存储介质以解决背景技术中提到的部分技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种天基时变拓扑的组网通信方法，包括以下步骤：

4、s1.面向全域轨道卫星设计通用通信模型，包括时变拓扑结构网络和局部固定拓扑结构子网络；

5、s2.引入历史数据形成随时间变化的信道速率函数，建立信道属性预测模型，测算传输时间内通信链路的传输速率，实现通信链路的状态自感知；

6、s3.在固定拓扑子网络中采用传统的预先规划搜索得到局部最优路径，在时变拓扑结构中采用随机搜索方法得到固定拓扑子网络之间的最优通路，根据通信链路自感知状态，结合分域搜索算法考虑长时间交互路由过程的最大概率最优解，获得巨星座数据传输的在轨实时最优解算。

7、优选的，步骤s1中：固定拓扑子网络为在运行过程中保持相对位置稳定的一簇星群，时变拓扑结构为不能保持相对位置固定的星群；

8、固定拓扑子网络集合标记为，两个不同固定拓扑子网络和之间通信交互记为和，则数据通路关系为：

9、

10、其中，为并运算，，，，，，m为组网系统包含的卫星数量，为任意两个链路之间的通信通道。

11、优选的，信道属性预测模型具体为:

12、

13、

14、其中，、和分别表示输入门、遗忘门和输出门的滤波函数，均采用n阶fir滤波器,表示sigmoid激活函数；、、分别为细胞结构的三类门的加权系数，、、分别为输入门、遗忘门和输出门的偏置系数,为第个时间步的输入向量，为通信速率函数,表示第个卫星的第个通道在时间时刻与第个卫星的第个通道的通信速率,和分别表示历史速率数据的起始和结束时间,作为预测输出结果，表示的预测信息。

15、优选的，固定拓扑子网络内的最优路径根据查表获得。

16、优选的，步骤s3中得到固定拓扑子网络之间的最优通路的具体内容包括：

17、s31.根据卫星轨道预测结果，搜索任务周期时间内子网络与所能够建链的子网络集合，对得到的子网络集合中的每个子网络再次搜索任务周期时间内能够建链的子网络集合并把两次搜索结果合并，一直到没有新增子网络，标记任务周期内所能够建链的子网络集合，获得单次任务内有效的可建链子网络集合；

18、s32.根据单次任务内有效的可建链子网络集合，随机抽取一组前后关联的路由序列；

19、s33.获得路由序列中的单个通信交互标记；

20、s34.利用信道属性预测模型由历史数据预测任务周期时间内各时刻的对于任意两个可建链子网络路由通信速率，并判断是否满足链路传输过程中最小通信速率条件，如果不符合则返回步骤s32；

21、s35.以最大路由延迟时间约束求最大概率最优解，获得单次任务内最优建链子网络。

22、优选的，前后关联的路由序列满足：

23、

24、

25、

26、

27、

28、其中，为路由任务开始卫星的子网络，为路由任务结束卫星的子网络，为跳数，为最大路由跳数约束。

29、优选的，路由序列中的单个通信交互标记为：

30、

31、其中，为任务周期时间内各时刻，为有效搜索时间。

32、优选的，最大路由延迟时间的约束条件为：

33、

34、

35、

36、其中，和分别表示历史速率数据的起始和结束时间，为第个卫星与第个卫星之间的距离，为通信速率预测结果，为最大路由延迟时间约束。

37、一种天基时变拓扑的组网通信系统，基于所述的一种天基时变拓扑的组网通信方法，包括通用通信模型、信道属性预测模型和分级阈值路由搜索模块。

38、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的一种天基时变拓扑的组网通信方法。

39、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种天基时变拓扑的组网通信方法、系统及存储介质，面向大规模组网卫星通信拓扑结构不固定、信道类型多样不稳定、卫星链路失效与否不确定等难点，对星间通信传输建立基于历史数据预测的概率模型，不局限于能源、存储、载荷老化带来的瞬态故障；同时，在测算通信链路的传输速率、丢包率过程中，引入历史数据形成随时间变化的信道速率函数，用于实现传输时间内的通信预测，实现通信链路的状态自感知；根据通信链路自感知状态，结合分阈随机搜索算法考虑长时间交互路由过程的最大概率最优解，实现巨星座数据传输的在轨实时最优解算，具有较好的稳定度，降低了链路负载量明显较低，在大量路由申请的条件下减少业务延迟，保证了星座群时变拓扑结构下的路由通信。

技术特征：

1.一种天基时变拓扑的组网通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种天基时变拓扑的组网通信方法，其特征在于，步骤s1中：固定拓扑子网络为在运行过程中保持相对位置稳定的一簇星群，时变拓扑结构为不能保持相对位置固定的星群；

3.根据权利要求1所述的一种天基时变拓扑的组网通信方法，其特征在于，信道属性预测模型具体为:

4.根据权利要求1所述的一种天基时变拓扑的组网通信方法，其特征在于，固定拓扑子网络内的最优路径根据查表获得。

5.根据权利要求1所述的一种天基时变拓扑的组网通信方法，其特征在于，步骤s3中得到固定拓扑子网络之间的最优通路的具体内容包括：

6.根据权利要求5所述的一种天基时变拓扑的组网通信方法，其特征在于，前后关联的路由序列满足：

7.根据权利要求6所述的一种天基时变拓扑的组网通信方法，其特征在于，路由序列中的单个通信交互标记为：

8.根据权利要求7所述的一种天基时变拓扑的组网通信方法，其特征在于，最大路由延迟时间的约束条件为：

9.一种天基时变拓扑的组网通信系统，其特征在于，基于权利要求1-8任意一项所述的一种天基时变拓扑的组网通信方法，包括通用通信模型、信道属性预测模型和分级阈值路由搜索模块。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8任意一项所述的一种天基时变拓扑的组网通信方法。

技术总结
本发明公开了一种天基时变拓扑的组网通信方法、系统及存储介质，面向全域轨道卫星设计通用通信模型，包括时变拓扑结构网络和局部固定拓扑结构子网络；结合改进LSTM算法引入历史数据形成随时间变化的信道速率函数，建立信道属性预测模型，测算传输时间内通信链路的传输速率，实现通信链路的状态自感知；在固定拓扑子网络中采用预先规划搜索得到局部最优路径，在时变拓扑结构中采用随机搜索方法得到固定拓扑子网络之间的最优通路，根据通信链路自感知状态，结合分域搜索算法考虑长时间交互路由过程的最大概率最优解，获得巨星座数据传输在轨实时最优解算，具有较好的稳定度，降低了链路负载量，减少业务延迟，保证了星座群时变拓扑结构下的路由通信。

技术研发人员：禹霁阳,黄丹,卢玲
受保护的技术使用者：中国兵器科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15