紧急状况下卫星网络传输任务在轨实时规划技术

汪路元 禹霁阳 程博文 刘伟伟 牛跃华

摘 要： 针对在紧急状况下卫星网络任务传输的需求，提出一种卫星网络传输在轨实时规划技术。通过对组网卫星当前链路通路参数的实时计算，规划当前紧急信息能够最快传输的路径。首先，对卫星网络进行模型建立，将星间链路的连接看作时变连接矩阵的拓扑模型；然后，通过各节点的参数规划最小信息传输延迟下的数据通路；最后，紧急信息任务根据当前节点规划结果选择下一个节点的最佳传输路径，从而使得传输延迟最短。采用在轨各节点实时动态规划的方式，消除地面对卫星网络状态交互的延迟及误判，减少对正常通信业务的影响。基于设计模型进行了硬件电路的实现及实验，传输平均延迟均在秒级，能够实时完成紧急信息传输的自主任务规划。

关键词： 卫星网络； 在轨实时规划； 时变连接矩阵； FPGA； 传输延迟； 紧急信息任务

中图分类号： TN958?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）16?0123?04

Abstract： In allusion to the transmission requirement of the satellite network task in emergency circumstances， an on?orbit real?time planning technology for satellite network transmission is proposed. The fastest transmission path of the current urgent information is planned by means of the real?time calculation of the current link channel parameters of networking satellites. The satellite network model is built， and the inter?satellite link connection is regarded as the topological model of the time?varying connection matrix. The data path with the minimum information transmission delay is planned according to the parameters of each node. The best transmission path to next node is selected according to the planning result of the current node for emergency information tasks， so as to make the transmission delay shortest. The on?orbit real?time dynamic planning method for each node is adopted to eliminate satellite network status interaction delays and misjudgments from the ground， so as to reduce the influence on normal communication services. The implementation and experiment of the hardware circuit were carried out based on the designed model. The results show that the average transmission delay of the hardware circuit is in the second?level， and the hardware circuit can complete the autonomous task planning of urgent information transmission in real time.

Keywords： satellite network； on?orbit real?time planning； time?varying connection matrix； FPGA； transmission delay； emergency information task

0 引 言

卫星网络能够有效地完成灾害预报、地面态势评估及地理测绘，具备广泛的覆盖范围和应用前景，在民用大数据社会需求下发挥着重要作用[1]。但目前卫星的任务完成，主要依靠地面设计，再通过指令上注的形式，这种方式交互效率低、对测控时间要求也较为严格，因此在使用过程中不免会产生非最优解的状况。特别是在多载荷、任务量巨大的情况下，新任务的增加及旧任务的删除也会导致整个任务执行的中断或延迟[2?3]。因此，需要根据卫星网络自身特点设计在轨实时任务规划模块，以保证在轨任务的有序完成，从而保证卫星的好用、易用。

任务规划技术在卫星执行任务过程中，采用搜索的方式来完成一系列观测任务的最优化指令生成。当距离地面站较远导致无法直接通信的卫星之间不可能直接传输的数据[4]，需要考虑各个节点之间的数据传输可通信时刻、时间间隔、节点缓存以及传输速率，从而完成最佳路径的规划。传统任务规划方法把整个天基网络看作是一个旅行商（TSP）优化问题，每条边界代表了节点间的通路参数状态，通过对最佳路径搜索来得到最佳路径[1]。文献[2]通过把突发任务包含在计划任务的中断时隙中，设计了优化的规划方法，以此来保证系统的容错性。基于这一工作，文献[3]进一步采用演化学习来保证任务执行时间的延迟最小。文献[5]通过考虑任务之间的接口约束，给出一种任务规划方法。文献[6]采用传统的启发式搜索方式，设计多任务规划机制、任务中断机制和失效机制来提高执行效率。文献[7]在文献[6]的基础上进行算法改进，并给出规划的仿真分析。

无论如何，传统的任务规划设计主要以表格查询方法作为最佳执行方式的基础。但在实际使用过程中，特别是紧急情况下，卫星遭受重创时部分通信功能面临失效或部分失效状态，则传统的表格查询方法不再适用[8?9]。此外当前导航系统在传输紧急信息时，一般采用最高优先级的方式，但各个节点仍然按照中继表格查询，数据转发延迟仍然可能高达分钟级[10]。在这种情况下，显然需要一种能够自主在轨判决当前星座状况，且能够实时生成紧急信息传输路径的功能。以往的设计主要集中在缓存、功耗的优化[2?7]，本设计侧重于在紧急情况下组网星座最佳路径的搜索。

针对在紧急状况下卫星网络任务传输的需求，本文提出一种紧急状况下卫星网络传输在轨实时规划技术。通过对组网卫星当前链路通路参数的实时计算，规划当前紧急信息能够最快传输的路径，从而实现紧急信息传输任务的实时完成。首先，对组网卫星网络进行模型建立，将卫星间链路的连接看作时变连接矩阵的拓扑模型；然后，通过各节点的参数规划最小信息传输延迟下的数据通路；最后，紧急信息任务根据当前节点规划结果选择下一个节点的最佳传输路径，从而使得传输延迟最短。由于采用了在轨各节点实时动态规划的方式，消除了地面对卫星网络状态交互的延迟及误判，同时能够灵活地采用各节点之间的空余信道，最大限度地减少对正常通信业务的影响。相比于以传统卫星网络分钟级的数据传输延迟，本设计紧急信息的传输平均延迟均在秒级，有效地降低了转发时间。基于设计模型进行了硬件电路的实现及实验，整个设计在FPGA芯片中运行，能够有效地完成紧急信息传输的自主任务规划。

式中，[Δ]为最小间隔时间。

2 基于FPGA的任务规划实时计算实现架构

在硬件实现过程中，综合考虑体积、功耗、实时性的要求，采用Xilinx公司FPGA芯片Spartan?6 LX45实现整个紧急信息传输任务规划计算功能。FPGA内部任务规划处理设计包括内总线、状态表、寄存器表、路径表、内部块缓存、处理单元组及状态控制模块。整个实现架构如图1所示。

在紧急状况下的信息传输任务规划计算实现流程包括：搜索开始时，首先设定[T（X，Y，last）]为无穷大；然后，针对时变连接矩阵进行二维搜索计算，考虑FPGA内部计算单元的并行性，将可能发生的跳数下的传输时间、传输缓存占用计算进行并行计算；对于计算得到的各个跳数的传输时间和缓存占用进行整合，得到最终数据传输时间和缓存占用；最后，判断数据传输时间和缓存占用是否满足约束条件，如果满足则将得到的[T（X，Y）]更新为[T（X，Y，last）]。最终得到的[T（X，Y）]即为最佳传输时间，依据该时间传输的路径可以得到最佳传输路径[ROptimum]，即为需要得到的结果。

3 实验结果与比较分析

试验过程中各个参数如下：星间链路通断状态[E（i，j）（t）=0或1]，在传输过程中通路时间占总时间的0.01，用来模拟紧急情况下的不稳定通路链接；传输速度[V（i，j）（t）]，范围为0～1 Mbit/s，用来模拟紧急情况下的不稳定信道；需要传输的数据量为[L（i，j）（t）]，为5 kbit/s，用来模拟紧急状况下的紧急信息；各个节点最大缓存量为[Bk（t）]，[k∈[0，M-1]]，范围为0～1 MB，用来模拟紧急情况下绝对可用的缓存量；最大跳数为5。

图2给出了五节点下某时刻数据传输最佳路径选择结果。当节点0产生遥测信息需要传输至节点4时，发现当前只有节点3可以链接成功，启动数据传输[R（0，0）→R（0，3）]，节点3发现只有节点2可以传输，启动数据传输[R（0，3）→R（3，2）]，节点2接收到数据后发现无节点可传输，该时刻数据在节点2保存[R（3，2）→R（2，2）]，下一时刻发现节点4可以链接，于是启动[R（2，2）→R（2，4）]，结束。

试验结果与文献[7]进行了比较，比较了平均延迟的测试结果。平均延迟定义为递交成功的所有数据包从源端到目的端的时间之和与总的数据包个数之比。图3给出了与Spray和Wait Routing算法的平均延迟比较，在2 000 s后SWR的平均延迟可以达到35 s以上，本设计的平均延迟小于5 s。因此试验结果表明，此设计本身能够有效地提高系统在紧急状况下的传输效率。

表1给出FPGA实现的资源占用，可以看到整个紧急状况下卫星网络任务传输规划占用逻辑资源不超过58%，块存储资源不超过80%。

4 结 语

针对在紧急状况下卫星网络任务传输的需求，本文提出一种紧急状况下卫星网络传输在轨实时规划技术。通过对组网卫星当前链路通路参数的实时计算，规划当前紧急信息能够最快传输的路径，从而實现紧急信息传输任务的实时完成。首先，对组网卫星网络进行模型建立，将星间链路的连接看作时变连接矩阵的拓扑模型；然后，通过各节点的参数规划最小信息传输延迟下的数据通路；最后，紧急信息任务根据当前节点规划结果选择下一个节点的最佳传输路径，从而使得传输延迟最短。由于采用了在轨各节点实时动态规划的方式，消除了地面对卫星网络状态交互的延迟及误判，同时能够灵活地采用各节点之间的空余信道，最大限度地减少对正常通信业务的影响。相比于以传统卫星网络分钟级的数据传输延迟，本设计紧急信息的传输平均延迟均在秒级，有效地降低了转发时间。基于设计模型进行了硬件电路的实现及实验，整个设计在FPGA芯片中运行，能够有效地完成紧急信息传输的自主任务规划。

参考文献

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