空間信息網絡中帶寬資源的配置方法和裝置與流程

本發明涉及衛星通信的技術領域，尤其是涉及一種空間信息網絡中帶寬資源的配置方法和裝置。

背景技術：

目前對地觀測衛星的部署，特別是環境、資源衛星，主要是部署低軌衛星，其軌道高度在三百到兩千公里范圍。部署在這一高度范圍的主要優點就是能夠獲得較高分辨率的地球表面或大氣數據。但是，該部署方法也存在很多弊端。一個方面，由于我國地面站部署范圍有限，因此，不能全球布站，衛星獲取數據后不能及時回傳至地面；另一個方面，由于地面站接收范圍有限，而低軌衛星飛行速度高、重返周期長，以300到400公里軌道高度的衛星為例，過境時間一般在十幾分鐘范圍，重返周期達數天。這些因素必然導致低軌衛星無法與地面站建立連續穩定的回傳連接。針對這一問題，現有技術中的一個有效的解決手段是引入數據中繼星協作傳輸。目前，數據中繼衛星主要部署在地球同步軌道，例如，美國的追蹤與數據中繼通信衛星TDRS。同步軌三萬多公里的軌道高度，能夠極大程度擴大與低軌衛星的連接范圍，而且能夠和地面站建立連續穩定的全天候連接。

目前針對協作通信和資源配置已有很多研究，然而，大多數研究討論對等網絡場景，并且傳輸鏈路相對穩定，而在空間網絡中，中繼衛星特別是同步軌中繼衛星傳輸能力強大，星間、星地鏈路特性存在差異，而且，空間網絡屬于機會通信網絡，鏈路通斷頻繁，因此需要針對空間網絡中節點和傳輸鏈路特性，重新設計應用于空間網絡的協作協議和網絡資源配置策略。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種空間信息網絡中帶寬資源的配置方法和裝置，以緩解現有技術中無法對中繼衛星的傳輸帶寬進行動態分配的技術問題。

根據本發明的一個方面，提供了一種空間信息網絡中帶寬資源的配置方法，包括：確定接入中繼衛星的至少一個信源衛星；在所述至少一個信源衛星中檢測空閑傳輸帶寬，其中，所述空閑傳輸帶寬為預先分配的為目標信源衛星傳輸數據的帶寬資源，所述目標信源衛星為所述至少一個信源衛星中與所述中繼衛星之間的通信信道為空閑信道的信源衛星；在檢測到所述空閑傳輸帶寬的情況下，對當前時刻接入所述中繼衛星的至少一個信源衛星進行更新，并為更新之后的所述至少一個信源衛星重新分配帶寬資源；通過重新分配之后帶寬資源向地面服務站傳輸目標數據，其中，所述目標數據為更新之后的每個所述信源衛星的待傳輸數據隊列中位于隊列最前端的數據，其中，所述待傳輸數據隊列用于存儲從所述信源衛星獲取到的待傳輸數據。

進一步地，在所述至少一個信源衛星中檢測空閑傳輸帶寬包括：檢測當前信源衛星和所述中繼衛星之間的連接狀態，并根據所述連接狀態確定所述當前信源衛星是否為所述目標信源衛星，其中，如果確定出是所述目標信源衛星，則確定預先為所述目標信源衛星分配的帶寬資源為所述空閑傳輸帶寬，所述當前信源衛星為所述至少一個信源衛星中任一個信源衛星；或者，檢測所述當前信源衛星的數據傳輸隊列中是否包含待傳輸數據，其中，如果檢測出所述當前信源衛星的數據傳輸隊列中不包含待傳輸數據，則確定預先為所述當前信源衛星分配的帶寬資源為所述空閑傳輸帶寬。

進一步地，檢測當前信源衛星和所述中繼衛星之間的連接狀態，并根據所述連接狀態確定所述當前信源衛星是否為所述目標信源衛星包括：通過第一信道模型確定是否已建立所述當前信源衛星與所述中繼衛星之間的通信鏈路，以及通過所述第一信道模型確定是否已建立所述當前信源衛星與所述地面服務站之間的通信鏈路，其中，所述第一信道模型為預先通過ON/OFF模型建立的信道模型；如果確定出所述中繼衛星與所述當前信源衛星之間的通信鏈路已建立，并且確定出所述當前信源衛星與所述地面服務站之間的通信鏈路未建立，則通過第二信道模型確定所述當前信源衛星與所述中繼衛星是否能夠正常通信，其中，所述第二信道模型為預先通過萊斯信道建立的信道模型；如果確定出所述當前信源衛星與所述中繼衛星不能正常通信，則確定所述當前信源衛星為所述目標信源衛星；如果確定出所述當前信源衛星與所述中繼衛星能夠正常通信，則確定所述當前信源衛星不是所述目標信源衛星。

進一步地，在通過第一信道模型確定是否已建立所述當前信源衛星與所述中繼衛星之間的通信鏈路，以及通過所述第一信道模型確定是否已建立所述當前信源衛星與所述地面服務站之間的通信鏈路之后，所述方法還包括：如果確定出所述中繼衛星與所述當前信源衛星之間的通信鏈路未建立，并且確定出所述當前信源衛星與所述地面服務站之間的通信鏈路已建立，則通過所述第二信道模型確定所述當前信源衛星與所述地面服務站是否能夠正常通信；如果確定出所述當前信源衛星與所述地面服務站能夠正常通信，則確定所述當前信源衛星是所述目標信源衛星。

進一步地，在通過重新分配之后帶寬資源向地面服務站傳輸目標數據之后，所述方法還包括：判斷所述地面服務站是否成功接收到所述目標數據；如果判斷出成功接收到所述目標數據，則刪除所述目標數據；如果判斷出未成功接收到所述目標數據，則將所述目標數據保存在所述待傳輸數據隊列的隊尾。

進一步地，為更新之后的所述至少一個信源衛星重新分配帶寬資源包括：確定更新之后的所述至少一個信源衛星的數量；按照所述數量對所述中繼衛星的全部帶寬資源進行平均分配，并將平均分配之后得到的子帶寬資源用于為更新之后的每個所述信源衛星進行數據傳輸；或者，確定更新之后的所述至少一個信源衛星的數量，以及更新之后每個所述信源衛星的待傳輸數據隊列中的數據總量；根據所述數量和所述數據總量為更新之后的每個所述信源衛星分配相同或者不相同的帶寬資源。

根據本發明的另一個方面，還提供了一種空間信息網絡中帶寬資源的配置裝置，包括：確定單元，用于確定接入中繼衛星的至少一個信源衛星；檢測單元，用于在所述至少一個信源衛星中檢測空閑傳輸帶寬，其中，所述空閑傳輸帶寬為預先分配的為目標信源衛星傳輸數據的帶寬資源，所述目標信源衛星為所述至少一個信源衛星中與所述中繼衛星之間的通信信道為空閑信道的信源衛星；分配單元，用于在檢測到所述空閑傳輸帶寬的情況下，對當前時刻接入所述中繼衛星的至少一個信源衛星進行更新，并為更新之后的所述至少一個信源衛星重新分配帶寬資源；發送單元，用于通過重新分配之后帶寬資源向地面服務站傳輸目標數據，其中，所述目標數據為更新之后的每個所述信源衛星的待傳輸數據隊列中位于隊列最前端的數據，其中，所述待傳輸數據隊列用于存儲從所述信源衛星獲取到的待傳輸數據。

進一步地，所述檢測單元包括：第一檢測子模塊，用于檢測當前信源衛星和所述中繼衛星之間的連接狀態，并根據所述連接狀態確定所述當前信源衛星是否為所述目標信源衛星，其中，如果確定出是所述目標信源衛星，則確定預先為所述目標信源衛星分配的帶寬資源為所述空閑傳輸帶寬，所述當前信源衛星為所述至少一個信源衛星中任一個信源衛星；或者，第二檢測子模塊，用于檢測所述當前信源衛星的數據傳輸隊列中是否包含待傳輸數據，其中，如果檢測出所述當前信源衛星的數據傳輸隊列中不包含待傳輸數據，則確定預先為所述當前信源衛星分配的帶寬資源為所述空閑傳輸帶寬。

進一步地，所述第一檢測子模塊用于：通過第一信道模型確定是否已建立所述當前信源衛星與所述中繼衛星之間的通信鏈路，以及通過所述第一信道模型確定是否已建立所述當前信源衛星與所述地面服務站之間的通信鏈路，其中，所述第一信道模型為預先通過ON/OFF模型建立的信道模型；在確定出所述中繼衛星與所述當前信源衛星之間的通信鏈路已建立，并且確定出所述當前信源衛星與所述地面服務站之間的通信鏈路未建立的情況下，通過第二信道模型確定所述當前信源衛星與所述中繼衛星是否能夠正常通信，其中，所述第二信道模型為預先通過萊斯信道建立的信道模型；在確定出所述當前信源衛星與所述中繼衛星不能正常通信的情況下，確定所述當前信源衛星為所述目標信源衛星；在確定出所述當前信源衛星與所述中繼衛星能夠正常通信的情況下，確定所述當前信源衛星不是所述目標信源衛星。

進一步地，所述第一檢測子模塊用于：在通過第一信道模型確定是否已建立所述當前信源衛星與所述中繼衛星之間的通信鏈路，以及通過所述第一信道模型確定是否已建立所述當前信源衛星與所述地面服務站之間的通信鏈路之后，在確定出所述中繼衛星與所述當前信源衛星之間的通信鏈路未建立，并且確定出所述當前信源衛星與所述地面服務站之間的通信鏈路已建立的情況下，通過所述第二信道模型確定所述當前信源衛星與所述地面服務站是否能夠正常通信；在確定出所述當前信源衛星與所述地面服務站能夠正常通信的情況下，確定所述當前信源衛星是所述目標信源衛星。

在本發明實施例中，首先確定接入中繼衛星的至少一個信源衛星，然后，在至少一個信源衛星中檢測空閑傳輸帶寬，在檢測到空閑傳輸帶寬的情況下，對當前時刻接入中繼衛星的至少一個信源衛星進行更新，并為更新之后的至少一個信源衛星重新分配帶寬資源，以通過重新分配之后帶寬資源向地面服務站傳輸目標數據。在本發明實施例中，相對于現有技術中固定傳輸帶寬的分配方式下，本發明實施例達到了對傳輸帶寬的動態分配的目的，緩解了現有技術中無法對中繼衛星的傳輸帶寬進行動態分配的技術問題，從而實現了合理分配中繼衛星的傳輸帶寬的技術效果。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施方式，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是根據本發明實施例的一種空間信息網絡中帶寬資源的配置方法的流程圖；

圖2是根據本發明實施例的一種可選地ON/OFF模型的示意圖；

圖3是根據本發明實施例的一種低軌中繼衛星系統最大吞吐量隨信噪比閾值與地面站接收仰角的變化的示意圖；

圖4是根據本發明實施例的一種平均最大吞吐量隨軌道高度變化的示意圖；

圖5是根據本發明實施例的一種空間信息網絡中帶寬資源的配置裝置的示意圖；

圖6是根據本發明實施例的一種可選地空間信息網絡中帶寬資源的配置裝置的示意圖；

圖7是根據本發明實施例的一種可選地空間信息網絡中帶寬資源的配置裝置的示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

實施例1

根據本發明實施例，提供了一種空間信息網絡中帶寬資源的配置方法的實施例，需要說明的是，在附圖的流程圖示出的步驟可以在諸如一組計算機可執行指令的計算機系統中執行，并且，雖然在流程圖中示出了邏輯順序，但是在某些情況下，可以以不同于此處的順序執行所示出或描述的步驟。

圖1是根據本發明實施例的一種空間信息網絡中帶寬資源的配置方法的流程圖，如圖1所示，該方法包括如下步驟：

步驟S102，確定接入中繼衛星的至少一個信源衛星；

在本發明實施例中，中繼衛星具有認知能力，能夠感知當前時刻，接入中繼衛星的信源衛星的數量，以及信源衛星的接入狀態，以及信源衛星是否具有數據傳輸任務。

步驟S104，在至少一個信源衛星中檢測空閑傳輸帶寬，其中，空閑傳輸帶寬為預先分配的為目標信源衛星傳輸數據的帶寬資源，目標信源衛星為至少一個信源衛星中與中繼衛星之間的通信信道為空閑信道的信源衛星；

當低軌道信源衛星能夠建立與地面服務站的連接時，即使此時低軌道信源衛星能夠與同步軌中繼衛星建立連接，也僅向地面服務站直接傳輸數據，不向中繼衛星傳輸。也就是說，只有當地面服務站對信源衛星不可見，且該信源衛星能夠與同步軌中繼衛星鏈路可見時，該信源衛星使用中繼衛星傳輸數據。

因此，在本發明實施例中，中繼衛星會實時在已接入的至少一個信源衛星中檢測目標信源衛星，其中，目標信源衛星與中繼衛星之間的通信信道到空閑信道。也就是說，當前時刻，目標信源衛星與地面服務站之間的鏈路可見，并與中繼衛星之間的鏈路不可見，或者，當前時刻目標信源衛星無數據需要傳輸，此時，確定目標信源衛星與中繼衛星之間的通信信道為空閑信道。

在確定空閑信道之后，就可以確定中繼衛星預先為該目標信源衛星分配帶寬資源為空閑傳輸帶寬。

步驟S106，在檢測到空閑傳輸帶寬的情況下，對當前時刻接入中繼衛星的至少一個信源衛星進行更新，并為更新之后的至少一個信源衛星重新分配帶寬資源；

在本發明實施例中，當中繼衛星在感知到有信源衛星與地面服務站的連接狀態由不可見變為可見時，即該信源衛星不再使用中繼衛星資源，則將原本分配到它的傳輸資源分配給其他滿足無法與地面服務站建立連接的信源衛星。此外，當中繼衛星發現某刻接入信源衛星的傳輸隊列為零時，也將原本分配到它的傳輸資源分配給其他對地面站不可見的衛星。

也就是說，中繼衛星在感知到目標信源衛星的情況下，將預先為目標信源衛星分配的傳輸資源(例如，上述目標傳輸帶寬)確定為空閑傳輸帶寬。進而，對當前時刻接入中繼衛星的至少一個信源衛星進行更新，并為更新之后的至少一個信源衛星重新分配帶寬資源。

具體地，在本發明實施例中，當中繼衛星感知到空閑傳輸帶寬時，中繼衛星可以根據矩陣Ω＝{ω₁,...,ω_i,…,ω_N}對帶寬資源進行重新分配，其中，ω_i表示分配給第i顆低軌信源衛星的帶寬，N為可接入同步軌中繼衛星的信源衛星的數量。

步驟S108，通過重新分配之后帶寬資源向地面服務站傳輸目標數據，其中，目標數據為更新之后的每個信源衛星的待傳輸數據隊列中位于隊列最前端的數據，其中，待傳輸數據隊列用于存儲從信源衛星獲取到的待傳輸數據。

在本發明實施例中，中繼衛星在感知到空閑傳輸帶寬之后，就可以通過空閑傳輸帶寬將更新之后的每個信源衛星的待傳輸數據隊列中位于隊列最前端的數據向地面服務站傳輸。

需要說明的是，上述步驟S102至步驟S108的執行主體可以為中繼衛星，但不限于此。

在本發明實施例中，首先確定接入中繼衛星的至少一個信源衛星，然后，在至少一個信源衛星中檢測空閑傳輸帶寬，在檢測到空閑傳輸帶寬的情況下，對當前時刻接入中繼衛星的至少一個信源衛星進行更新，并為更新之后的至少一個信源衛星重新分配帶寬資源，以通過重新分配之后帶寬資源向地面服務站傳輸目標數據。在本發明實施例中，相對于現有技術中固定傳輸帶寬的分配方式下，本發明實施例達到了對傳輸帶寬的動態分配的目的，緩解了現有技術中無法對中繼衛星的傳輸帶寬進行動態分配的技術問題，從而實現了合理分配中繼衛星的傳輸帶寬的技術效果。

在本發明實施例的一個可選實施方式中，為更新之后的所述至少一個信源衛星重新分配帶寬資源包括如下兩種方式：

方式一

確定更新之后的至少一個信源衛星的數量；按照數量對中繼衛星的全部帶寬資源進行平均分配，并將平均分配之后得到的子帶寬資源用于為更新之后的每個信源衛星進行數據傳輸。

在本發明實施例中，在檢測到空閑傳輸帶寬之后，可以確定更新之后至少一個信源衛星的數量。例如，初始時刻，至少一個信源衛星的數量為5個，那么在某一時刻在5個信源衛星中檢測到一個目標信源衛星，也就是說，此時，有4個信源衛星接入該中繼衛星。但是檢測到下一時刻有2個新的信源衛星要接入該中繼衛星，也就是說，此時，有6個信源衛星接入到該中繼衛星。此時，該中繼衛星可以將全部的帶寬資源進行重新分配，例如，將全部的帶寬資源平均分配給6個信源衛星。

需要說明的是，除此之外，如果在某一時刻檢測到初始的5個信源衛星中有一個信源衛星A與中繼衛星之間的信道空閑，并檢測到下一時刻將有一個新的信源衛星B接入該中繼衛星，此時，可以將預先為給信源衛星A進行傳輸服務的帶寬資源直接分配給信源衛星B，而對其它信源衛星的帶寬資源不進行調整。

方式二

確定更新之后的至少一個信源衛星的數量，以及更新之后每個信源衛星的待傳輸數據隊列中的數據總量；根據數量和數據總量為更新之后的每個信源衛星分配相同或者不相同的帶寬資源。

在本發明實施例中，如果檢測到空閑傳輸帶寬，那么可以確定更新之后的至少一個信源衛星的數量，例如，確定出更新之后至少一個信源衛星的數量為6個，那么此時，還可以確定該6個信源衛星的待傳輸隊列中的數據總量，進而，可以根據數據總量智能地為其分配帶寬資源。例如，可以為數據總量較多的信源衛星分配較大的帶寬，可以為數據總量較少的信源衛星分配較小的帶寬，以實現帶寬資源的合理分配。

在至少一個信源衛星中檢測目標信源衛星的方式有很多種，在本發明實施例的一個可選實施方式中，在至少一個信源衛星中檢測目標信源衛星時，可以采用以下兩種方式進行檢測：

方式一

檢測當前信源衛星和中繼衛星之間的連接狀態，并根據連接狀態確定當前信源衛星是否為目標信源衛星，其中，如果確定出是目標信源衛星，則確定預先為目標信源衛星分配的帶寬資源為空閑傳輸帶寬，當前信源衛星為至少一個信源衛星中任一個信源衛星；或者

當低軌道信源衛星能夠建立與地面服務站的連接時，即使信源衛星能夠與同步軌中繼衛星建立連接，也僅向地面服務站直接傳輸數據，不向中繼衛星傳輸。這就是說，只有當地面服務站對信源衛星不可見，并且該信源衛星能夠與低軌中繼衛星鏈路可見時，該信源使用中繼衛星進行通信。

因此，在本發明實施例中，在檢測目標中繼衛星時，可以實時檢測當前信源衛星與中繼衛星之間鏈路的連接狀態，以及，檢測當前信源衛星與地面服務站之間鏈路的連接狀態。進而，根據上述連接狀態確定當前信源衛星是否為目標信源衛星。如果確定出是目標信源衛星，則確定預先為目標信源衛星分配的帶寬資源為空閑傳輸帶寬。

方式二

檢測當前信源衛星的數據傳輸隊列中是否包含待傳輸數據，其中，如果檢測出當前信源衛星的數據傳輸隊列中不包含待傳輸數據，則確定預先為當前信源衛星分配的帶寬資源為空閑傳輸帶寬。

另一種確定目標信源衛星的方式，是檢測當前信源衛星的數據傳輸隊列中是否包含待傳輸數據。即，檢測傳輸帶寬原本分配的信源衛星的數據隊列中是否包含待傳輸數據，其中，如果該數據傳輸隊列中不包含待傳輸數據，那么確定預先為當前信源衛星分配的帶寬資源為空閑傳輸帶寬。

進一步地，在上述方式一中，檢測當前信源衛星和中繼衛星之間的連接狀態，并根據連接狀態確定當前信源衛星是否為目標信源衛星包括如下步驟：

步驟S11，通過第一信道模型確定是否已建立當前信源衛星與中繼衛星之間的通信鏈路，以及通過第一信道模型確定是否已建立當前信源衛星與地面服務站之間的通信鏈路，其中，第一信道模型為預先通過ON/OFF模型建立的信道模型；

步驟S12，如果確定出中繼衛星與當前信源衛星之間的通信鏈路已建立，并且確定出當前信源衛星與地面服務站之間的通信鏈路未建立，則通過第二信道模型確定當前信源衛星與中繼衛星是否能夠正常通信，其中，第二信道模型為預先通過萊斯信道建立的信道模型；

步驟S13，如果確定出當前信源衛星與中繼衛星不能正常通信，則確定當前信源衛星為目標信源衛星；

步驟S14，如果確定出當前信源衛星與中繼衛星能夠正常通信，則確定當前信源衛星不是目標信源衛星。

具體地，在本發明實施例中，可以選取物理傳輸信道(即，上述第二信道模型)及基于可見性的ON/OFF模型(即，上述第一信道模型)對星間及星地鏈路連接情況進行刻畫。

物理傳輸信道：由于空間信號傳輸遮擋物少，以視距傳輸為主，因此在信道模型上選擇使用萊斯信道進行建模。具體地，通過信噪比來判斷星間和星地之間的物理傳輸信道是否建立，其中，當信噪比大于閾值時，則判斷星間和星地之間的物理傳輸信道已建立，也即是說，當信噪比大于閾值時，表明地面服務站或者中繼衛星能后成功接收信源衛星發送的數據，反之則不能。

假設，在t時隙衛星j接收到來自衛星i的信號，那么萊斯信道的數學模型可以表示為：其中，x_i表示衛星i的發射信號，G為發射功率，d_ij為衛星i和衛星j之間的距離，γ為路徑衰落因子，n_ij為衛星i和衛星j之間的加性高斯噪聲，j_ij＝X₁+jX₂為信道衰落系數，建模為循環對稱復高斯隨機變量，則|h_ij|分布為：

假設當信噪比大于閾值β時，能夠成功接收，則成功接收到信號的概率為：

ON/OFF模型：由于衛星運動和地球遮擋，空間網絡中無法建立連續的星間和星地鏈路，因此，通過對衛星運行軌道分析，設計了信道通斷模型(即，ON/OFF模型)。該信道通斷模型主要通過軌道參數計算信源衛星的通信覆蓋范圍來確定鏈路的通斷，其中，可以分別用1和0表示鏈路的通斷狀態。

針對低軌衛星與中繼衛星、地面站的連接通斷，當L_jk＝1時，表示衛星j與k可以連接，當L_jk＝0時，表示不滿足連接條件，即可以整理為公式：如圖2所示的即為一種ON/OFF模型的示意圖。

根據圖(a)，可以確定衛星i在一個運行周期內能夠與中繼衛星連接的概率，該概率用p_1(i)表示，其中，其中，R_i表示衛星i的軌道半徑，R_E表示地球半徑，R_r表示中繼衛星的軌道半徑。也就是說，衛星i在一個運行周期內能夠與中繼衛星連接的比率為0.5(1+cosα₁)。

根據圖(b)，可以確定衛星i在一個運行周期內與地面站連接的概率，該概率用p_2(i)表示，其中該概率可以表示為下述公式：

其中，α₂為地面站雷達捕獲仰角，ρ_i＝R_i/R_E。也就是說，衛星i在一個運行周期內能夠與地面站(也即，地面服務站)連接的比率為可以描述為公式：其中，α₂為地面站雷達捕獲仰角，ρ＝R/R_E。

在確定p_1(i)和p_2(i)之后，就可以根據p_1(i)和p_2(i)確定衛星i能夠與中繼衛星建立連接時，該衛星i還能夠與地面站建立連接的概率p_3(i)，其中，該概率p_3(i)可以表述為：

具體地，基于上述第一信道模型和第二信道模型，確定目標信源衛星的過程描述如下：

首先，通過第一信道模型確定是否已建立當前信源衛星與中繼衛星之間的通信鏈路，以及確定是否已建立當前信源衛星與地面服務站之間的通信鏈路，也就是說，通過第一信道模型，確定當前信源衛星與中繼衛星之間的鏈路是否可見，并通過第一信道模型，確定當前信源衛星與地面服務站之間的鏈路是否可見。其中，如果確定出當前信源衛星與中繼衛星之間的通信鏈路可見，并確定出當前信源衛星與地面服務站之間的通信鏈路不可見，進一步地，根據第二信道模型確定當前信源衛星與中繼衛星是否能夠正常通信。具體地，通過上述描述可知，可以根據當前時刻當前信源衛星與中繼衛星之間的物理傳輸信道的信噪比來確定當前信源衛星與中繼衛星是否能夠正常通信。

如果確定出當前信源衛星與中繼衛星能夠正常通信，則當前信源衛星不是目標信源衛星；如果通過信噪比確定出當前信源衛星與中繼衛星之間不能正常通信，那么確定當前信源衛星即為目標信源衛星。

進一步地，在通過第一信道模型確定是否已建立當前信源衛星與中繼衛星之間的通信鏈路，以及通過第一信道模型確定是否已建立當前信源衛星與地面服務站之間的通信鏈路之后，如果確定出中繼衛星與當前信源衛星之間的通信鏈路未建立，并且確定出當前信源衛星與地面服務站之間的通信鏈路已建立，則通過第二信道模型確定當前信源衛星與地面服務站是否能夠正常通信；如果確定出當前信源衛星與地面服務站能夠正常通信，則確定當前信源衛星是目標信源衛星。

通過上述描述可知，當有多顆低軌道信源衛星(即，上述至少一個信源衛星)同時接入低軌中繼衛星時，中繼衛星的傳輸帶寬資源依據Ω＝{ω₁,...,ω_i,…,ω_N}資源分配矩陣進行分配，其中，ω_i表示當前傳輸帶寬分配給低軌衛星i的概率，N為可接入同步軌中繼衛星的地軌衛星數量。那么當中繼衛星感知到目標信源衛星時，即感知到至少一個信源衛星中有一個或者多個衛星與中繼衛星之間的通信鏈路不可見，或者，感知到某個信源衛星無數據傳輸時，預先分配給該信源衛星的傳輸帶寬將處于空間狀態，然后，將空閑出的傳輸帶寬再分配給其他接入的信源衛星。

因此，在本發明實施例中，設置中繼衛星具有動態分配傳輸帶寬資源的能力，當有信源衛星不再接入時，中繼衛星改變原分配向量，動態改變分配策略，利用空閑出的傳輸帶寬轉發隊列最前端的接收數據。

在本發明實施例的一個可選實施方式中，在通過重新分配之后帶寬資源向地面服務站傳輸目標數據之后，該方法還包括如下步驟：

步驟S21，判斷地面服務站是否成功接收到目標數據；

步驟S22，如果判斷出成功接收到目標數據，則刪除目標數據；

步驟S23，如果判斷出未成功接收到目標數據，則將目標數據保存在待傳輸數據隊列的隊尾。

具體地，在本發明實施例中，中繼衛星在通過空閑傳輸帶寬向地面服務站傳輸目標數據之后，判斷地面服務站是否成功接收到該目標數據。具體地，當地面服務站成功接收到目標數據時，將發送ACK確認信號到中繼衛星，并由中繼衛星轉發到相應信源衛星。也就是說，中繼衛星可以通過判斷是否接收到確認信號來判斷地面服務站是否接收到該目標數據。

當地面服務站成功接收到目標數據時，中繼衛星和信源衛星都將其隊首已發送成功的數據包刪除，如果地面服務站沒有成功接收，而中繼衛星成功接收到數據包，中繼衛星和相應的信源衛星將該包分別保存在各自的隊列尾和隊列首。

本發明實施例提供的空間信息網絡中帶寬資源的配置方法，考慮同步軌中繼衛星是專門部署的數據中繼衛星，具有非常強的存儲轉發能力。假設同步軌中繼衛星可以在一個時隙內同時接收來自低軌衛星的數據，并將數據轉發到地面站，這兩個過程使分別使用星間和星地鏈路，為不同的信道類型，因此這兩個傳輸過程可以在同一時隙進行。

本發明實施例提供的空間信息網絡中帶寬資源的配置方法，為了保證每顆接入的低軌信源衛星都能充分利用信道及鏈路條件進行傳輸，同時充分利用同步軌道中繼衛星的傳輸資源，當低軌信源衛星能夠與地面站建立連接時，即使可以與同步軌中繼衛星連接，也不使用星間鏈路，而采用其專用的星地鏈路傳輸數據，從而使空余出來的中繼衛星傳輸資源(例如，傳輸帶寬)可以用于其他有傳輸需求、且無法向地面站直接傳輸的低軌信源衛星。

本發明實施例提供的空間信息網絡中帶寬資源的配置方法，為了保證中繼資源充分利用，采用認知技術，使中繼衛星具有感知信道空閑狀態的能力，感知接入衛星的傳輸數據情況及接入狀態，及時發現網絡中的空閑資源，并利用空閑的傳輸帶寬為其他有傳輸需求的衛星提供協作傳輸服務。

在本發明實施例中，進一步通過仿真，來驗證本發明實施例提供的空間網絡中時隙的配置方法的性能，具體如下：

設置同步軌中繼衛星軌道高度為42164km，兩顆接入低軌信源衛星分為部署在高度為645km和785km的軌道。設星間鏈路和星地鏈路的衰落因子分別為γ₁＝2.1和γ₂＝2.8，傳輸功率為G＝10watt，星間與星地鏈路的高斯白噪聲平均功率N₀分別為10^-11和10^-12，視距與其它路徑的功率比K分別為7.78dB和6.99dB，令Ω＝1+K。

首先，分析應用本發明提出的協作傳輸協議，不同的信噪比閾值β和地面站雷達最大接收仰角α₂對傳輸性能的影響。β在0到50之間變化，α₂設置為30°、60°和80°。星間與星地鏈路的通斷情況由ON/OFF模型和信道物理模型決定，使用協作資源分配協議對低軌中繼衛星的帶寬資源進行分配，兩顆衛星的平均最大吞吐量圖3所示。由圖3可以看出，系統平均最大吞吐量隨β增大而減小，隨α₂增大而增大。

接下來，仿真分析衛星軌道高度對系統平均吞吐量的影響。將兩個低軌接入信源衛星的軌道高度在300km到10000km之間變化，設置信噪比閾值為β＝10，其它參數與之前仿真設置相同，仿真結果圖4所示。可以發現，系統最大吞吐量出現在軌道高度為2200km附近。

綜上，利用本發明提供的方法在對于多接入協作通信衛星網絡中進行通信，具有以下優點：

1、在本發明實施例中，中繼衛星能夠感知空閑信道狀態，并利用空閑傳輸資源為有傳輸任務的接入衛星進行中繼，解決了傳統固定時隙分配方式下空余傳輸時隙資源浪費的情況；

2、在本發明實施例中，采用萊斯信道對星間鏈路及星地鏈路的物理信道進行建模，能夠有效刻畫傳輸鏈路中遮擋物少、視距傳輸為主的情況；

3、在本發明實施例中，采用基于可見性、雷達捕獲角的ON/OFF模型對星間及星地鏈路進行建模，能夠有效刻畫傳輸鏈路的通斷情況；

4、在本發明實施例中，采用時隙劃分的方式，由于衛星運行軌道周期具有可預測性，因此時隙劃分方式便于協議實現和實施。

本發明實施例還提供了一種空間信息網絡中帶寬資源的配置裝置，該空間信息網絡中帶寬資源的配置裝置主要用于執行本發明實施例上述內容所提供的空間信息網絡中帶寬資源的配置方法，以下對本發明實施例提供的空間信息網絡中帶寬資源的配置裝置做具體介紹。

實施例2

圖5是根據本發明實施例的一種空間信息網絡中帶寬資源的配置裝置的示意圖，如圖5所示，該空間信息網絡中帶寬資源的配置裝置主要包括確定單元51，檢測單元52，分配單元53和發送單元54，其中：

確定單元，用于確定接入中繼衛星的至少一個信源衛星；

檢測單元，用于在至少一個信源衛星中檢測目標信源衛星，其中，目標信源衛星與中繼衛星之間的通信信道為空閑信道；

分配單元，用于在檢測到目標信源衛星的情況下，將中繼衛星的多個傳輸帶寬中的目標傳輸帶寬確定為空閑傳輸帶寬，其中，目標傳輸帶寬為用于傳輸目標信源衛星的待傳輸數據的帶寬資源；

發送單元，用于通過空閑傳輸帶寬向地面服務站傳輸目標數據，其中，目標數據為待傳輸數據隊列中位于隊列最前端的數據，其中，待傳輸數據隊列用于存儲從信源衛星獲取到的待傳輸數據。

需要說明的是，上述確定單元51，檢測單元52，分配單元53和發送單元54的執行主體可以為中繼衛星，但不限于此。

在本發明實施例中，首先確定接入中繼衛星的至少一個信源衛星，然后，在至少一個信源衛星中檢測空閑傳輸帶寬，在檢測到空閑傳輸帶寬的情況下，對當前時刻接入中繼衛星的至少一個信源衛星進行更新，并為更新之后的至少一個信源衛星重新分配帶寬資源，以通過重新分配之后帶寬資源向地面服務站傳輸目標數據。在本發明實施例中，相對于現有技術中固定傳輸帶寬的分配方式下，本發明實施例達到了對傳輸帶寬的動態分配的目的，緩解了現有技術中無法對中繼衛星的傳輸帶寬進行動態分配的技術問題，從而實現了合理分配中繼衛星的傳輸帶寬的技術效果。

圖6是根據本發明實施例的一種可選地空間信息網絡中帶寬資源的配置裝置的示意圖，如圖6所示，檢測單元51包括：第一檢測子模塊61和第二檢測子模塊62，其中，第一檢測子模塊61，用于檢測當前信源衛星和中繼衛星之間的連接狀態，并根據連接狀態確定當前信源衛星是否為目標信源衛星，其中，如果確定出是目標信源衛星，則確定預先為目標信源衛星分配的帶寬資源為空閑傳輸帶寬，當前信源衛星為至少一個信源衛星中任一個信源衛星；或者，第二檢測子模塊62，用于檢測當前信源衛星的數據傳輸隊列中是否包含待傳輸數據，其中，如果檢測出當前信源衛星的數據傳輸隊列中不包含待傳輸數據，則確定預先為當前信源衛星分配的帶寬資源為空閑傳輸帶寬。

可選地，第一檢測子模塊用于：通過第一信道模型確定是否已建立當前信源衛星與中繼衛星之間的通信鏈路，以及通過第一信道模型確定是否已建立當前信源衛星與地面服務站之間的通信鏈路，其中，第一信道模型為預先通過ON/OFF模型建立的信道模型；在確定出中繼衛星與當前信源衛星之間的通信鏈路已建立，并且確定出當前信源衛星與地面服務站之間的通信鏈路未建立的情況下，通過第二信道模型確定當前信源衛星與中繼衛星是否能夠正常通信，其中，第二信道模型為預先通過萊斯信道建立的信道模型；在確定出當前信源衛星與中繼衛星不能正常通信的情況下，確定當前信源衛星為目標信源衛星；在確定出當前信源衛星與中繼衛星能夠正常通信的情況下，確定當前信源衛星不是目標信源衛星。

可選地，第一檢測子模塊用于：在通過第一信道模型確定是否已建立當前信源衛星與中繼衛星之間的通信鏈路，以及通過第一信道模型確定是否已建立當前信源衛星與地面服務站之間的通信鏈路之后，在確定出中繼衛星與當前信源衛星之間的通信鏈路未建立，并且確定出當前信源衛星與地面服務站之間的通信鏈路已建立的情況下，通過第二信道模型確定當前信源衛星與地面服務站是否能夠正常通信；在確定出當前信源衛星與地面服務站能夠正常通信的情況下，確定當前信源衛星是目標信源衛星。

圖7是根據本發明實施例的一種可選地空間信息網絡中帶寬資源的配置裝置的示意圖，如圖7所示，該裝置還包括：判斷單元71，第一刪除單元72，保存單元73，其中，

判斷單元71，用于判斷地面服務站是否成功接收到目標數據；

第一刪除單元72，用于在判斷出成功接收到目標數據的情況下，刪除目標數據；

保存單元73，用于在判斷出未成功接收到目標數據的情況下，將目標數據保存在待傳輸數據隊列的隊尾。

可選地，分配單元用于：確定更新之后的至少一個信源衛星的數量；按照數量對中繼衛星的全部帶寬資源進行平均分配，并將平均分配之后得到的子帶寬資源用于為更新之后的每個信源衛星進行數據傳輸；或者，確定更新之后的至少一個信源衛星的數量，以及更新之后每個信源衛星的待傳輸數據隊列中的數據總量；根據數量和數據總量為更新之后的每個信源衛星分配相同或者不相同的帶寬資源。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。