CN112423346A

CN112423346A - 一种中继多址接入调度方法、装置、电子设备及存储介质

Info

Publication number: CN112423346A
Application number: CN202011162717.8A
Authority: CN
Inventors: 詹亚锋; 万鹏; 任淑倩
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2020-10-27
Filing date: 2020-10-27
Publication date: 2021-02-26

Abstract

本发明提供一种中继多址接入调度方法、装置、电子设备及存储介质。所述中继多址接入调度方法，包括：在轨道器对地外行星方向，实现多个用户同时接入；在轨道器对地球方向，利用预设多址接入调度算法进行时分多址令牌的动态分配；其中，所述预设多址接入调度算法是以轨道器缓存队列负载均衡为目标的接入调度算法。本发明能够在兼容原有邻近空间协议的基础上，提升地外行星中继通信的使用效益，实现了多用户数据中继业务的灵活接入与高效转发，以及轨道器输出端对地球方向时分多址令牌的动态分配，能更好地实现地外行星中继通信多用户接入的公平性、高吞吐量与队列均衡性。

Description

一种中继多址接入调度方法、装置、电子设备及存储介质

技术领域

本发明涉及多址接入技术领域，具体涉及一种中继多址接入调度方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术

随着中国探月工程“绕、落、回”三步走战略的有序推进，自主火星探测等太阳系行星际探测任务也已提上了议事日程。与当前国际上主要航天机构，如美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)、欧洲航天局(EuropeanSpace Agency，ESA)等所采取的方法相同，如Mars Odyssey(ODY)、Mars Express(MEX)、Mars Reconnaissance Orbiter(MRO)、Mars Atmosphere and Volatile EvolutioNMission(MAVEN)、ExoMars trace gas orbiter(ExoMars/TGO)，中国地外行星表面探测任务也将使用轨道器作为地球与着陆器/用户之间通信的中继节点，以CCSDS Proximity-1协议(简称邻近空间协议)系列标准作为通信协议规范，为用户、着陆器等地外行星表面设施提供前返向数据中继通信服务。地外行星中继通信体制可以进一步增加用户与地面深空站之间的通信弧段，部分克服用户与地球之间无法长时间通视的局限。

当前国际上在轨提供中继服务的轨道器的轨道参数与服务能力见表1所示，中继通信的拓扑结构示意图如图1所示。

表1NASA、ESA典型火星轨道器轨道参数与服务能力

通过对邻近空间协议及其在中继任务中的应用进行分析可知，现有地外行星中继通信服务属于“单用户单星”通信模式，其中：轨道器为主控制器、用户为从属，各用户单址接入；多用户有同时接入需求采用竞争接入方式，先到先得、随机退避；传输技术能够自适应动态信道状态，传输速率分档可调。

邻近空间协议的优点在于实现简单、可变速率，但仍存在一些缺点：

(1)缺乏公平性：当存在多个用户(用户A、用户B)被同一个轨道器(如轨道器1)覆盖时，只有一个用户(用户A)能够接入轨道器1完成数据中继转发任务，如图1中代表公平性的曲线所示，其他用户无法利用该轨道器完成数据接入，缺乏多用户服务的公平性。

(2)缺乏选择性：当存在多个轨道器(轨道器2、轨道器N)覆盖同一个用户(用户M)时，只有一个轨道器可以被选择为接入点执行用户M的数据转发服务，如图1中代表选择性的曲线所示，在二者通信期间，即使存在后续过顶的轨道器N具有更好的信道条件，用户M也无法进行选切，缺乏用户对于资源的选择性。

随着未来深空探测任务的不断演进深入，地外行星表面将会有越来越多的深空探测器开展科学探索活动。对于工作于同一地区的用户或地外行星表面设施而言，当前采用的邻近空间协议无法提供多址接入服务，将限制深空探测任务的科学应用效益有效提升。

发明内容

本发明针对地外行星中继通信场景下的多用户-单轨道器接入优化问题，提供了一种中继多址接入调度方法、装置、电子设备及存储介质，弥补了现有协议在公平性方面的不足。

第一方面，本发明提供一种中继多址接入调度方法，包括：

在轨道器对地外行星方向，实现多个用户同时接入；

在轨道器对地球方向，利用预设多址接入调度算法进行时分多址令牌的动态分配；其中，所述预设多址接入调度算法是以轨道器缓存队列负载均衡为目标的接入调度算法。

根据本发明的实施例，可选地，所述在轨道器对地球方向，利用预设多址接入调度算法进行时分多址令牌的动态分配，包括：

利用以轨道器缓存队列负载均衡为目标的预设多址接入调度算法，确定每个时隙被调度的用户；

控制每个时隙被调度的用户的动态接入速率；

根据确定的每个时隙被调度的用户，使每个时隙仅有一个用户获得时分多址令牌以传输数据。

根据本发明的实施例，可选地，所述预设多址接入调度算法，包括如下计算式：

其中，j表示当前时隙内被调度的用户；

w_i表示第i个用户的队列权重因子，取值为1/N，N表示用户数目；

表示N个用户在第k个时隙的加权平均队列长度；

q_i(k)表示第i个用户在第k个时隙的队列长度；

表示时间窗口[k-ΔT,k-1]内的平均吞吐量，ΔT用来表征时间窗口尺寸，v_i(m)表示第i个用户在第m个时隙的信息传输速率。

根据本发明的实施例，可选地，所述预设多址接入调度算法的建立方法如下：

基于预设衡量指标对多个接入调度算法进行多属性决策，确定最优接入调度算法；其中，所述预设衡量指标包括：公平性指标、吞吐量、队列均衡性指标；所述多个接入调度算法包括：最大速率调度算法、时间轮询调度算法、比例公平调度算法；

将队列长度及队列权重因子引入所确定的最优接入调度算法，建立预设多址接入调度算法。

根据本发明的实施例，可选地，所述公平性指标，计算式如下：

其中，FF表示公平性指标；N表示用户数目；η_i＝T_i ^(P)/T表示当前跟踪弧段内第i个用户的有效调度时隙占比，T表示当前跟踪弧段内的调度时隙总数，T_i ^(P)表示当前跟踪弧段内接入调度算法为第i个用户分配的调度时隙数目；χ₁为随机变量η＝{η_i}的一阶矩，χ₂为随机变量η＝{η_i}的二阶矩，在所述公平性指标FF最大时T_i ^(P)＝T/N。

根据本发明的实施例，可选地，所述吞吐量，采用如下方式计算：

作如下假设：单位时间用秒表示，时隙大小取值为单位时间，统计区间为当前跟踪弧段进站时隙至出站时隙；地外行星中继全链路的发送端为地外行星表面各用户、接收端为地球深空站，作为转发节点的轨道器在对地外行星方向为数据接收端、在对地球方向为数据发送端；各用户发送数据的传输帧长均相同，则信息量可以数据帧数目表示；则所述吞吐量的计算式如下：

其中，TP_i(m)表示用户i在当前时隙m的吞吐量；

为用户i在第k个时隙分配得到允许传输的有效数据帧数目。

根据本发明的实施例，可选地，所述队列均衡性指标，计算式如下：

QE(k)＝std{q_i(k)},i＝1,2,…,N

其中，QE(k)表示第k个时隙的队列均衡性指标，q_i(k)表示用户i在第k个时隙的队列长度，N表示用户数目。

第二方面，本发明提供一种中继多址接入调度装置，包括：

接入模块，用于在轨道器对地外行星方向，实现多个用户同时接入；

调度模块，用于在轨道器对地球方向，利用预设多址接入调度算法进行时分多址令牌的动态分配；其中，所述预设多址接入调度算法是以轨道器缓存队列负载均衡为目标的接入调度算法。

根据本发明的实施例，可选地，所述调度模块，包括：

调度器，用于利用以轨道器缓存队列负载均衡为目标的预设多址接入调度算法，确定每个时隙被调度的用户，以调控漏桶的输出速率和令牌分配机制；

与每个用户分别对应的多个漏桶，用于控制轨道器对地外行星方向各用户的动态接入速率，该动态接入速率由调度器所确定的每个时隙被调度的用户确定；

令牌桶，作为轨道器对地球方向传输信道，用于控制时变信道之间的匹配性；

令牌提取器，根据所述调度器确定的每个时隙被调度的用户，使每个时隙仅有一个用户获得令牌以传输数据，以实现时分多址。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如第一方面所述的中继多址接入调度方法。

第四方面，本发明提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被一个或多个处理器执行时，实现如第一方面所述的中继多址接入调度方法。

与现有技术相比，本发明的技术方案至少具有如下有益效果：

本发明能够在兼容原有邻近空间协议的基础上，通过在比例公平调度算法基础上引入队列长度及队列权重因子作为约束条件优化***综合性能，进一步提升地外行星中继通信的使用效益。同时，提出了“多漏桶+令牌桶”的分布式串行数据调度结构，将轨道器对地外行星方向的短期动态信道频分多址接入与轨道器对地球方向的长期动态信道时分多址接入进行了分布式串联，在邻近空间物理层协议基础上实现了多用户数据中继业务的灵活接入与高效转发，实现轨道器输出端对地球方向时分多址令牌的动态分配，能更好地实现地外行星中继通信多用户接入的公平性、高吞吐量与队列均衡性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是中继通信的拓扑结构示意图；

图2是单星单用户场景下的地外行星中继通信模型；

图3是单星双用户场景下的地外行星中继通信模型‘

图4是本发明实施例一提供的一种中继多址接入调度方法流程图；

图5是本发明实施例一提供的用户与轨道器之间信息交互关系示意图；

图6是本发明实施例一提供的常规申请提交与计划生成过程示意图；

图7是本发明实施例一提供的常规申请提交与计划生成阶段轨道器与用户信息互操作示意图；

图8是本发明实施例一提供的用户与轨道器之间的信息互操作流程示意图；

图9是本发明实施例一提供的全程链路的基本工作过程示意图；

图10是本发明实施例一提供的地外行星中继通信任务场景的单星双用户接入速率；

图11A～图11D分别是本发明实施例一提供的算法1、算法2、算法3、本发明的预设多址接入调度算法进行多址接入调度结果(单跟踪弧段工况)；

图12是本发明实施例一提供的引入机构间权重后本发明的算法工作性能比较示意图；

图13是本发明实施例二提供的中继多址接入调度装置框图；

图14是本发明实施例二提供的‘多漏桶+令牌桶’分布式串行调度结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

申请人着重针对现有协议在公平性方面的不足，研究地外行星中继通信场景下的多用户-单轨道器接入优化问题，通过对当前空间信息网络领域多用户接入技术的研究现状进行梳理，得到典型的多用户的接纳控制技术及其特点，见表2所示。

表2典型接纳控制技术及其特点

通过分析可知，以CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with CollisionAvoid，即带有冲突避免的载波侦听多路访问)为代表的分布式竞争协议具有***有效吞吐量较低的缺点；以TDMA(时分多址，Time division multiple access)为代表的集中式非竞争协议具有网络动态适应性不足的缺点；DAMA(Demand Assigned Multiple Access，按需分配多址接入)协议综合考虑了分布式竞争协议与集中式非竞争协议的优点，信道利用率有所提高，然而该方式采用的信令与数据共享信道的工作方式增加了***开销，对于动态信道容量适应性也有所不足，对于地外行星中继近距无线链路场景而言并不具有优势。

申请人开展了多用户接入单轨道器完成科学数据中继传输的研究工作，通过构建多用户接入单轨道器的数学模型，将多用户观测问题等效转换为单轨道器观测问题，有效简化了问题求解难度。

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，所述双用户与单轨道器(简称“双用户单星”或“单星双用户”)的接入调度场景仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明适用用户数目的限制，也不能理解为对本发明仅适用于火星表面的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“轨道器”、“用户”、“队列均衡性”、“多漏桶”、“令牌桶”等，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在地外行星中继场景中，以火星中继场景为例，轨道器以火星第一宇宙速度相对火星表面飞行。考虑到用户相对火星表面运行速度远远低于轨道器的速度(可忽略不计)，本发明的实施例中选择以轨道器为中心视角观测用户，整个跟踪通信行为可等效为用户以第一宇宙速度穿越轨道器对火方向的波束覆盖区域。

首先，从单用户单星场景出发，建立地外行星中继通信的数学模型。

具体地，单星单用户场景下的地外行星中继通信模型如图2所示：

其中：

H：卫星轨道高度，km；

α：卫星半波束角，°，通常取72°；

D：卫星波束覆盖半径，D＝H×tanα，km；

r₁：用户运行轨迹与轨道器星下点的最短截距，km；

v：用户运行时速的绝对值，km/s；说明：此处以卫星视角观察，则用户以火星第一宇宙速度运行，约为3.53km/s；

r：用户当前位置距离卫星星下点的长度，km；

R：用户当前位置距离卫星的斜距，km；

t：过境时间，sec，即从进站时刻开始记为起始时刻(t＝0)，至航捷时刻记为半程结束时刻

然后，引入双车相对矢量夹角将地外行星中继通信扩展至双车单星场景，多用户(N≥3)单星场景可等效为多个(N-1)单星双用户场景。

通过引入用户相对矢量夹角构建单星双用户场景下的地外行星中继通信模型，以火星车A、B作为接入用户为例(用户A为火星车A、用户B为火星车B)，如图3所示：

其中：

D：卫星波束覆盖半径，km；

r_1A：用户A运行轨迹与轨道器星下点的最短截距，km，距离星下点较近；

r_1B：用户B运行轨迹与轨道器星下点的最短截距，km，距离星下点较远；

v：用户运行时速的绝对值，说明：此处以卫星视角观察，则用户以火星第一宇宙速度运行，约为3.53km/s；

β：用户B与用户A相对矢量与速度方向夹角，此图范例取值为60°；

用户B进站点时刻延迟于用户A进站点时刻的时间差表达式如下式所示：

单星多用户(N≥3)场景可等效为(N-1)个单星双用户场景，其描述如下：

用户编号记为i，取值范围为0,1,2,…,N-1；

在N个用户中选择进入轨道器覆盖区最早的用户作为参考对象，将其编号赋值为0；

其他N-1个用户按照进入轨道器覆盖区先后顺序依次编号为1,2,…,N-1，并将各用户与用户0之间的相对矢量夹角依次记为β₁,β₂,…,β_N-1；

其他N-1个用户相对用户0的进站点时间差表达式如下式所示：

从上式可以看出，各用户之间进站时间差不仅与轨道器当前轨道高度有关，还与用户之间的相对位置关系有关。

再次，给出中继多址接入调度的如下约束与假设：

(1)跟踪事件

单星双用户是地外行星中继通信多用户接入的常见场景，因此本发明的实施例主要针对轨道器与两个用户同时可见条件下的接入调度问题，用户数目n>2的情况(单星双用户情况)可参考使用。跟踪弧段时长可用

表示，其中i’表示轨道器序号，j表示用户序号(j＝1,2,…,n)，seq_j表示第j个用户跟踪弧段序号。在单星双用户场景中，单个轨道器标记为orb，双用户标记为1、2，决策空间可表示为

在用户数目n>2的情况下，决策空间可表示为

(2)信息速率

对于直接对地通信链路，天体之间的相对运动属于长期缓慢变化，以地球与火星之间距离变化为例，虽然从整个任务周期来看，轨道器直接对地信道属于时变信道，信道容量具有时变性。但对于某个用户与轨道器跟踪弧段来说，可以将其信道容量设定为常数。若要对长期通信性能进行分析，则可以考虑采用3档制对地球-地外行星之间的深空信道进行划分，如地球与火星之间单向时长约为8min～20min，单向距离变化范围约为R_min～2.5R_min，通信速率约为v_min～6.25v_min，则可划分为v_min/2v_min/4v_min。

对于近距无线链路，与直接对地通信链路相比，基于邻近空间协议的地外行星中继通信的一个明显特点是在用户接入信道上采用了自适应编码调制技术。数据传输速率根据信道状态进行自适应调节，取值满足rate＝2ⁿ[kbps]，n＝0,1,2,…,12，即当传输距离较远时采用低速率、距离较近时切换为高速率，遵从平方反比定律。在本发明的近距无线链路分析中，由于轨道器与其覆盖范围内的多个用户之间的距离存在差异性，因此需要考虑空间距离动态变化引起的信息速率变化，同时还要根据多址接入调度结果对各用户发送速率进行反馈调整，以确保多址接入的***效益。本发明不考虑不同用户之间通信机物理参数的差异，也不涉及不同信道噪声模式对于数据传输性能的影响。

通常情况下轨道器还兼顾科学观测任务，观测数据的产生与轨道器任务规划以及科学载荷的工作特性有关，属于较为复杂的任务规划问题。由于本发明所涉及的多用户中继通信共用同一个存储空间，观测数据量的变化只是带来中继通信存储空间的整体变化，因此可暂不考虑观测任务对中继通信多址接入调度结果的影响。

(3)数据量与存储空间

对于用户而言，假定用户是一个具有海量待传应用数据的信息源，在跟踪过程中可以源源不断地提供返向传输数据。

对于轨道器而言，由于在轨存储资源受限且为多类科学观测任务以及中继通信所共享，因此存储空间往往会设定一个最大使用量，这一约束需要在进行接入调度时予以考虑，既要确保各用户队列负载的均衡性，也要确保可用存储空间不溢出。

(4)机构间权重与评价倾向性

在实际工程任务中，不同航天机构的轨道器在为本机构或其他机构的用户提供服务时往往具有一定倾向性，因此有必要考虑机构间权重，即在机构间协同工作期间对各用户进行加权调度。

此外，每个航天机构对于公平性、吞吐量、队列均衡性等评价指标往往具有一定倾向性，因此有必要考虑评价指标权重，即轨道器在对各用户进行加权调度时应充分考虑不同用户应用需求对于评估指标的倾向性，选择当前场景下综合评估指标最优的调度算法。

(5)通信状态切换时间开销

在实际工程任务中，轨道器与用户之间的通信状态切换将带来时间开销，为准确评估接入调度方法在地外行星探测工程应用中所能带来的实际使用效益，因此需要将切换时间开销纳入调度过程。

实施例一

图4示出了一种中继多址接入调度方法流程图，如图4所示，本实施例提供一种中继多址接入调度方法，包括如下步骤：

步骤S110、在轨道器对地外行星方向，实现多个用户同时接入。

步骤S120、在轨道器对地球方向，利用预设多址接入调度算法进行时分多址令牌的动态分配；其中，预设多址接入调度算法是以轨道器缓存队列负载均衡为目标的接入调度算法。

进一步地，步骤S120中在轨道器对地球方向，利用预设多址接入调度算法进行时分多址令牌的动态分配，可以包括如下子步骤：

步骤S120-1、利用以轨道器缓存队列负载均衡为目标的预设多址接入调度算法，确定每个时隙被调度的用户。

步骤S120-2、控制每个时隙被调度的用户的动态接入速率。

步骤S120-3、根据确定的每个时隙被调度的用户，使每个时隙仅有一个用户获得时分多址令牌以传输数据。

其中，预设多址接入调度算法的建立方法如下：

首先，基于预设衡量指标对多个接入调度算法进行多属性决策，确定最优接入调度算法；其中，多个接入调度算法包括：最大速率调度算法、时间轮询调度算法、比例公平调度算法；预设衡量指标包括：公平性指标、吞吐量、队列均衡性指标。

由于地外行星中继通信的动态性主要体现在信道容量随着用户与轨道器之间的通信距离变化而改变，因此可采用基于速率的多用户接入调度算法，现有常用调度算法包括最大速率调度算法、时间轮询调度算法、比例公平调度算法，以多个接入调度算法包括：最大速率调度算法、时间轮询调度算法、比例公平调度算法为例，本实施例可对此三个调度算法进行多属性决策，以确定最优接入调度算法。

算法1：最大速率调度算法

根据多用户最大载噪比(C/I)调度算法，可以设计最大速率调度算法的用户选择规则，如公式(3)所示，即当前时隙内被调度的用户为：

其中，k表示轨道器中继通信弧段的第k个调度时隙；v_i(k)表示第i个用户在第k个时隙内的信息速率，即当前时隙内待传输的数据帧数；j表示第k个调度时隙中授权接入轨道器的用户。

算法2：时间轮询调度算法

设计时间轮询调度算法的用户选择规则，如公式(4)所示，即当前时隙内被调度的用户为：

j＝mod((k-1),N)+1 (4)

其中，k表示轨道器中继通信弧段的第k个调度时隙；N表示用户数目。

算法3：比例公平调度算法

设计给出比例公平调度算法的用户选择规则，如公式(5)所示，即当前时隙内被调度的用户为：

其中，

表示截至第k个时隙之前的ΔT个时隙的平均吞吐量，即在时间窗口[k-ΔT,k-1]内对信息传输速率求平均；参数ΔT用来表征时间窗口尺寸，可以根据不同任务背景或仿真条件调整。

在对上述三个调度算法进行多属性决策，以确定最优接入调度算法时，需要考虑的预设衡量指标包括：公平性指标、吞吐量、队列均衡性指标。

a)公平性指标

根据公平性指数的定义，本实施例以第i个用户的有效调度时隙数占比η_i作为变量，用来衡量时分多址(TDMA)条件下多用户调度的公平性指标FF(Fairness Factor)，该指标越接近1越好，其计算式如下：

其中，FF表示公平性指标；N表示用户数目；η_i＝T_i ^(P)/T表示当前跟踪弧段内第i个用户的有效调度时隙占比，T表示当前跟踪弧段内的调度时隙总数，T_i ^(P)表示当前跟踪弧段内接入调度算法为第i个用户分配的调度时隙数目；χ₁为随机变量η＝{η_i}的一阶矩，χ₂为随机变量η＝{η_i}的二阶矩，在公平性指标FF最大时T_i ^(P)＝T/N。

根据Jensen不等式，对于下凸函数f(·)(凸向原点)有f(∑λ_iη_i)≤∑λ_if(η_i)，因此可以得到公平性指标FF的数学特性如下：

等号成立条件为：

(对于

均成立，原因：方差取值为平方的均值减去均值的平方，若等号成立，则方差为0，因此各随机变量相同)，即各用户(i＝1,2,…,N)具有相同的调度时隙占比，此时：

由

推知：

则在公平性指标最大条件下，用户i的有效调度时隙占比为：T_i ^(P)＝T/N。

b)吞吐量

吞吐量(TP)通常是指接收端在单位时间内获取发送端传输的有效信息量，该指标越大越好，在本实施例中做如下假设：

单位时间用秒表示，时隙大小取值为单位时间，统计区间为当前跟踪弧段进站时隙1至出站时隙n，即[1,…,k,…,n]调度时隙；

地外行星中继全链路的发送端为地外行星表面各用户、接收端为地球深空站，作为转发节点的轨道器在对地外行星方向为数据接收端、在对地球方向为数据发送端；

假定各用户发送数据的传输帧长均相同，则信息量可以数据帧数目表示。

因此，本实施例中，用户i的吞吐量指的是在当前跟踪弧段内截至当前时隙m，接收端在单位时隙内获得发送端传输的平均数据帧数，吞吐量采用如下方式计算：

其中，TP_i(m)表示用户i在当前时隙m的吞吐量；

为用户i在第k个时隙分配得到可以(允许)传输的有效数据帧数目。

c)队列均衡性

队列均衡性(QE)指的是轨道器上面向多个用户的数据转发队列长度之间的相对比例关系，采用轨道器上的多个用户队列长度序列的统计方差表示，该指标越接近0越好，其表达式为：

QE(k)＝std{q_i(k)},i＝1,2,…,N (10)

由于不同的调度算法在某些指标方面具有优势，但在另一些指标方面可能存在不足，而衡量一个调度算法的好坏往往存在多个评价指标，因此需要采用一种合理有效的手段对各个算法的效能进行评估。在调度问题具有多个属性的条件下，如公平性、吞吐量、队列均衡性等多维度指标，可采用多属性决策(MADM，Multiple Attribute DecisionMaking)进行优化。

常用的多属性决策方法见下表所示，

表3常用的多属性决策方法

其中，TOPSIS方法具有易于实现、评价合理等优点，可作为开展单星多用户资源调度多属性决策的首选方法。

TOPSIS方法的基本计算过程如下所述：

(1)输入条件：

m_s个评价目标：m_s＝4个调度算法

n_s个评价指标：n_s＝3个决策属性(公平性、吞吐量、队列均衡性)

m_s×n_s维特征矩阵：由m_s个评价目标和n_s个评价指标组成的特征矩阵见公式(11)，

其中，

表示第i_s个调度算法的第j_s个评价指标。

(2)计算步骤

步骤1：计算得到规范化决策矩阵

步骤2：构造加权规范化决策矩阵

其中，w_js表示第j_s个评价指标的加权向量。在本实施例中，为了实现不同评价指标之间的平衡，加权向量中各元素取值均相同，即w_js＝[1/n_s,…,1/n_s]。在其他情况下，可以根据自己的倾向性或使用需求对加权向量w_js的各元素分别赋值。

步骤3：确定正理想解A^*和负理想解A^-

其中，J₁表示收益指标集，即第i_s个目标(调度算法)上的最优值；J₂表示损失指标集，即在第i_s个目标(调度算法)上的最劣值。多属性决策评估性能与J₁、J₂的具体取值相关，收益指标J₁越大、损失指标J₂越小，对评估结果越有利。反之，则对评估结果不利。

步骤4：计算各调度算法与正/负理想解的距离，即分别计算第i_s个评价目标(调度算法)与正理想解的距离

第i_s个评价目标(调度算法)与负理想解的距离

步骤5：将各调度算法按接近程度

由大至小排列优劣次序，C*数值最大者最优

其中，若

则有

代表该调度算法实现了***最劣目标；若

则有

代表该调度算法实现了***最优目标。在实际工程背景下，多属性决策计算结果中存在最优目标和最劣目标的概率很小，C*的数值范围一般为(0,1)。

本实施例以TOPSIS多属性决策计算过程的步骤5得到接近程度C*的作为各调度算法综合性评价指标。对于参与比较的调度算法而言，接近程度C*数值最接近于1的算法即被认为是最优算法。本例中，比例公平调度算法为决策出的最优调度算法。

其次，将队列长度及队列权重因子引入所确定的最优接入调度算法，建立预设多址接入调度算法。

相关技术中，提出了多用户接入调度改进算法，引入了排队时延以及队列长度作为权衡因子，主要用于时延敏感类业务场景的公平性调度，其用户选择规则分别为式(19)、式(20)：

其中，w_i表示第i个用户的调度权重，w表示全部N个用户的调度权重矢量，d_i(k)表示第i个用户在第k个时隙产生的数据帧得到调度所要经历的排队时延，

表示全部N个用户在第k个时隙的加权平均排队时延，q_i(k)表示第i个用户在第k个时隙的队列长度，

表示全部N个用户在第k个时隙的平均队列长度。

在地外行星中继通信场景中，以火星中继场景为例，轨道器对地球方向的传输时延达到数十分钟量级，毫秒乃至秒量级的排队时延几乎可以忽略不计，该调度问题对于时延不敏感，此时决定轨道器设计所需队列缓存使用的缓存区大小就提升为重要的考量指标，可将队列长度参数作为强权衡因子纳入调度算法。此外，深空探测器的存储单元要求非常苛刻、较为昂贵，轨道器在轨存储空间非常珍贵，要求不同队列长度之间尽可能保持均衡：

每个用户的接入时机具有不确定性，轨道器分配给用户的可用队列也具有一定的随机性，因此在队列长度{L_i}设计时就应该兼顾不同情况的使用需求，确保所有队列长度相同，即有L₁＝L₂＝…＝L_N。

为了确保中继通信期间不存在队列数据溢出，队列可用长度最小值L_min应不小于队列等待长度最大值Q_max(以数据帧数目统一表示)，即应有L_min≥Q_max，进而可以得到为完成数据中继任务，轨道器所需存储空间的数学表达式BS≥N×L_min，其下边界为N×Q_max。

在相同或近似的业务输入与输出条件下，采用具有最佳队列均衡性的调度算法可以最小化轨道器队列等待长度最大值Q_max，并能使存储空间BS接近下边界N×Q_max，确保轨道器存储资源的高效实用。

为此，本实施例提出了基于队列均衡的比例公平调度算法，作为预设多址接入调度算法进行时分多址令牌的动态分配，取消了作为弱权衡因子的排队时延参数，并在队列长度因子中增加了队列权重因子。

具体而言，将队列长度及队列权重因子引入比例公平调度算法，得到预设多址接入调度算法，包括如下用户选择规则即当前时隙内被调度的用户：

其中，j表示当前时隙内被调度的用户；

表示N个用户在第k个时隙的加权平均队列长度；

q_i(k)表示第i个用户在第k个时隙的队列长度；

本实施例还提供一种面向工程化的地外行星中继多用户接入调度与数据传输交互流程，交互内容包括：服务申请计划类信息、轨道轨迹姿态类信息、空间链路建立类信息、过程控制状态类信息、数据中继业务类信息，其中，前4类信息的交互途径为Hailing信道，第5类信息的交互途径为Working信道。数据中继业务的实施分为两个阶段：业务协调阶段和业务服务阶段，主要信息交互关系如图5所示。值得说明的是，图5体现的是轨道器与用户之间的信息交换关系，没有时间先后的必然关联，实际使用时可根据需要进行相应的操作。

首先，在业务协调阶段，单星双用户任务场景中，轨道器支持的用户中继通信服务申请包括常规申请和临时申请，具体协调过程描述如下。值得说明的是，在本实施例设定的工作模式下，轨道器负责发布轨道器工作时段，提供中继资源接入服务，并承担资源管理的职责，包括：

(1)轨道器服务资源信息发布

a)轨道器空闲窗口

<轨道器空闲窗口>是轨道器可以向各用户提供地外行星中继通信服务的时间段，发布途径为Hailing信道。<轨道器空闲窗口>包括公共空闲窗口和定向空闲窗口，其中：

公共空闲窗口：指未被其他在轨任务占用的空闲时段；

定向空闲窗口：指已被其他在轨任务占用的时段，但该时段还可以为特定用户提供地外行星中继服务，因此该时段对于特定用户是“空闲窗口”。

空闲窗口发布方式主要包括：

定期发布：轨道器在当日最后一圈出站前，向各用户发布次日<轨道器空闲窗口>，作为用户进行次日中继服务申请的输入参考。

实时发布：轨道器向各用户发布服务计划后，轨道器一旦出现资源调整，即实时更新轨道器空闲窗口并向用户发布，便于用户根据任务需求，更新服务申请。

b)轨道器服务计划

<轨道器服务计划>是根据<轨道器服务申请>(包括常规申请、临时申请)，经多址接入调度计算后生成的正式服务计划，该时段内轨道器与用户之间进行地外行星中继数据传输。轨道器通过Hailing信道向各用户发布的<轨道器服务计划>，并根据情况实时发布更新后的<轨道器服务计划>。

(2)服务申请提交与计划发布

a)常规申请提交与计划生成

在申请被判为合法的基础上，用户提交的常规服务申请是指：提交时间在次日空闲窗口发布之后、当日最后一圈出站前，且申请中所有服务窗口的“最早开始时间”与“最晚结束时间”均在次日时间范围内。

以轨道器为观测点，常规申请的提交及服务计划生成与发布的基本过程分为三个子阶段：接收申请子阶段、计划生成子阶段、计划发布子阶段。服务申请提交与计划生成阶段，其过程时间关系如图6所示，用户与轨道器之间的信息互操作如图7所示。

接收申请子阶段：当日末圈出站前，轨道器接收用户提交的次日服务申请，对其进行合法性检查，通过检查的服务申请被受理并等待博弈计算，对不合法的服务申请将被直接拒绝(如该用户未授权可以向轨道器申请中继接入服务)。

在用户提交服务申请前，用户需要向轨道器提供最新的预定轨迹/运动区域，轨道器需向用户提供最新的轨道根数空闲窗口。

轨道器对接收的服务申请进行正确性检查，包括语法合法性检查，并复核服务申请时段轨道器对用户是否可见。复核规则为：该轨道器任意一个服务窗口的时段内轨道器对用户可见则为复核通过。

计划生成子阶段：当日末圈出站后至次日首圈进站前，为计划生成子阶段。该阶段，轨道器对复核通过的服务申请进行接入调度计算，并生成各用户的服务计划。

计划发布子阶段：次日首圈进站后，为计划发布子阶段。该阶段，轨道器根据任务规划情况向各用户采用码分多址方式广播发送当日中继服务计划。

由于多址接入调度原因没有复核通过的服务申请，各用户可采用临时申请的方式进行中继通信服务申请，轨道器根据服务计划情况进行适当补充。

b)临时申请提交与计划生成

在申请被判为合法的基础上，除常规申请之外的申请为用户提交的临时申请。

用户提交的临时申请应尽量安排在空闲窗口内，并综合利用<轨道器服务申请>中的“轨道器标识”、“最早可以开始时间”、“最晚必须结束时间”、“备选窗口”、“最短服务弧段”等弹性选项，来提高申请被满足的概率。

轨道器在对临时申请进行多址接入调度计算时，首先按照机构优先级进行处理(与轨道器归属同一航天机构的用户具有较高的优先级，在通信条件基本相当的情况下可优先选作中继接入点)，若该临时申请需要抢占正在执行或已制定的服务计划，则需要轨道器进行二次调度计算，对于相同优先级的任务采用“先到先得”的处理原则。

说明：临时申请一般出现在某航天机构的用户出现故障或紧急事务需要占用轨道器现有资源的条件下。

临时申请提交与计划生成阶段，用户与轨道器之间的信息互操作流程如图8所示。

若用户运行轨迹发生变化，则用户在提交<轨道器服务申请(临时)>信息时，需至少提前1秒向轨道器提供最新的运行轨迹。

轨道器对收到的临时申请信息进行正确性检查，包括语法合法性检查，复核服务申请时段轨道器对用户是否可见。

其次，在业务服务阶段，说明如下：

(1)基本过程

在业务服务阶段，全程链路的基本工作过程如图9所示。根据发布的轨道器服务计划，轨道器与用户在规定的服务窗口内实施地外行星中继业务活动。此阶段的核心业务是通过轨道器建立用户与轨道器之间的数据传输通道，完成地外行星中继任务。

a)在存储转发工作模式下，直接对地链路与近距无线链路为两个独立的工作阶段，本章节主要涉及近距无线链路业务服务过程。

b)在弯管转发工作模式下，某一服务窗口内全程链路的建立包括直接对地链路建立和近距无线链路建立两个阶段。在轨道器服务计划中的直接对地链路服务申请发送时间，轨道器与深空站建立通信链路，并传递轨道器状态信息；当近距无线链路建立成功后，轨道器与用户即可交换轨道器状态、用户状态、前返向用户数据及其传输状态控制等信息；中继通信任务结束后，轨道器与用户先关闭近距无线链路通道，退出输出相应进程，随后释放轨道器与深空站通信链路。

(2)空间链路管理与状态监视

轨道器与用户之间数据传输链路采用动态建链接入方式，即：在Working信道数据传输开始前，需要通过Hailing信道接入交互信息，完成轨道器与用户之间的近距无线链路的建立；在Working信道数据传输开始后，根据任务需要，进行空间数传链路切换或用户速率切换交互流程。

a)空间数传链路服务申请与应答

在空间数传链路建立过程中，用户根据<轨道器服务计划>信息中明确的空间数传链路服务申请发送时间，向轨道器发送<空间数传链路服务申请>信息，轨道器收到该信息后返回<空间数传链路服务申请应答>信息，双方建立空间数传链路。

b)空间数传链路切换申请与应答

在进行数据中继任务时，用户或轨道器出于某种原因(设备故障，自适应调制编码方案调整，或者其他观测任务带来的临时资源申请等)需要切换数据传输状态时，由发起方进行状态切换并发送<空间数传链路切换申请>信息，接收方收到切换申请后进行合法性检查并返回<空间数传链路切换申请应答>。数传链路切换过程中会导致部分数据丢失，用户可设置相应的数据缓存进行断点续传。

(3)用户速率切换

在业务服务阶段，在符合链路预算与邻近空间协议速率档位约束前提下，用户根据业务需要向轨道器发送<用户速率切换>，明确用户速率切换的时间以及切换前后的数据速率；轨道器收到该命令后，根据速率切换要求完成相关设备状态切换。此外，轨道器还可以根据多址接入调度结果向各用户发送<用户速率切换>，明确用户速率切换的时间以及切换前后的数据速率；用户收到该命令后，根据速率切换要求完成相关设备状态切换。

(4)数传链路服务停止与应答

在业务服务阶段，在当前服务时段约定停止服务时刻，轨道器通过Hailing信道向当前用户发送<数传链路服务停止>命令关闭Working信道，用户接收命令并关闭Working信道通过Hailing信道向轨道器发送<数传链路服务停止应答>。此外，轨道器还可根据服务计划按需完成空间数传链路切换操作，为其他合法用户提供中继接入服务。

进一步地，对本实施例提供的方法的服务性能进行分析如下：

以火星中继通信场景为例，通过数学仿真程序对地外行星中继各类调度算法的工作性能进行验证，利用多属性决策方法将本方法与最大速率算法、公平时间轮询算法、标准比例公平算法进行了综合性能比较。

首先，仿真条件如下：

以“单星双用户”任务场景地外行星中继通信为例，仿真条件如下：

双用户：巡视器A表示用户A、巡视器B表示用户B；

用户接入速率：符合CCSDS Proximity-1信息传输速率分档约束2ⁿ kbps(n＝0,1,…,12)；

轨道器对地球方向信息速率：跟踪期间数值固定，不小于所有用户接入速率的最大值；

轨道器轨道高度：跟踪期间数值固定，H＝300km；

用户A星下点截距：即用户A运行轨迹与轨道器星下点的最短截距，r_1A＝100km；

用户B星下点截距：即用户B运行轨迹与轨道器星下点的最短截距，r_1B＝200km；

两车矢量夹角：即用户B与用户A相对矢量与速度方向夹角，β＝60°。

利用轨道器与用户之间的跟踪几何分析，可以得到地外行星中继通信任务场景下各时隙用户速率如图10所示，共计564个时隙，其中用户A从第1个时隙开始接入轨道器至第520个时隙结束，用户B延迟至第53个时隙接入轨道器至第564个时隙结束。

为了更为清晰地展示两个用户之间信息传输性能方面的不同，图10对仿真结果进行了降采样显示，不影响信息传输性能仿真结果与分析结论，后续仿真图片也做了相应的显示处理。

仿真结果如下：

(1)不同算法多址接入调度结果

不同调度算法的多址接入调度结果如图11所示，参与比较的调度算法包括：

算法1：最大速率调度

算法2：时间轮询调度

算法3：比例公平调度。通过多次多属性决策迭代计算，获得了轨道高度H＝300km条件下的最优窗口尺寸ΔT＝71

本发明的预设多址接入调度算法：基于队列均衡的比例公平调度算法。

(2)多属性决策分析结果

表4所示为地外行星中继通信任务场景下各算法多属性决策分析结果，在各项评估指标中，公平性指标越接近1越好，总吞吐量越大越好，各队列长度越接近均衡越好。综合评估MADM指标越接近1越好，由表2可知，本发明的预设多址接入调度算法的该指标数值最大，可视为最优调度算法，综合评估MADM指标，相比于其他算法分别具有约57.24％、45.82％、52.36％的性能优势。

表4地外行星中继通信任务场景的各算法多属性决策分析结果

(3)引入机构间权重后本发明的算法工作性能比较

前述仿真假设两个用户属于同一个航天机构，其接入调度权重相同，用户A(接近轨道器星下点)与用户B(远离轨道器星下点)之间的权重比例取值为0.5:0.5＝1。

说明：权重比例表示用户A与用户B接入调度权重比例关系，当权重比例大于表示用户A占优，当权重比例小于1时表示用户B占优。

在实际工程任务中，火星表面探测往往需要机构间协作实现探测数据共享，即归属于不同航天机构的用户A与用户B在火星表面同一区域开展探测活动时均需要由某个机构的轨道器提供中继通信服务。轨道器在选择接入用户时，往往也会根据当前用户所属机构，有倾向性地选择接入用户(如为同一机构的用户赋予更高权重)，即用户A权重与用户B权重不同。

图12所示为引入机构间权重后本发明的算法工作性能比较示意图，仿真中用户A权重与用户B权重之间的权重比例取值分别为0.1：0.9(用户B绝对占优)、0.3：0.7(用户B占优)、0.5：0.5(同权重)、0.7：0.3(用户A占优)、0.9：0.1(用户A绝对占优)。从图12可以看出：

在用户A、B权重比例均衡的情况下，算法综合评估结果最佳，验证了本发明的算法对于公平性的保障；

权重比例0.3:0.7与0.7:0.3的综合评估结果优于0.1:0.9与0.9:0.1，说明本发明的算法倾向于实现机构间权重均衡；

在用户B绝对占优的情况下(权重比例0.1：0.9)，算法综合评估结果最劣，说明在用户接入条件不佳的条件下(远离轨道器星下点)，轨道器优先调度该用户将降低***整体效益。

因此，在工程应用中在保障机构间权重基本公平的条件下，可优先选择星下点更近的用户提供接入服务。

实施例二

图13示出了一种中继多址接入调度装置框图，如图13所示，本实施例提供一种中继多址接入调度装置，包括：

接入模块210，用于在轨道器对地外行星方向，实现多个用户同时接入。

调度模块220，用于在轨道器对地球方向，利用预设多址接入调度算法进行时分多址令牌的动态分配；其中，预设多址接入调度算法是以轨道器缓存队列负载均衡为目标的接入调度算法。

其中，调度模块220，包括：

显然本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这一本发明不限制于任何限定的硬件和软件结合。

以轨道器来说，采用上述“多漏桶+令牌桶”的分布式串行调度结构，如图14所示，进行动态中继信道多用户接纳控制，其中：调度器是中继多址接入调度装置的核心部件，用来调控漏桶的输出速率和令牌分配机制；多漏桶：每个接入用户对应一个漏桶，用于控制轨道器对地外行星方向各用户的动态接入速率，该速率来自于调度器的调度；令牌桶：多信源共用轨道器对地球方向传输信道，用于控制时变信道之间的匹配性(令牌桶具有应对数据量突发变化的能力，可以为调度器提供缓冲时间)。令牌提取器：受控于调度器的时分调度，即每个时隙仅有一个用户获得令牌以传输数据，用于实现时分多址。

该调度结构可实现轨道器对地外行星方向的短期动态信道频分多址机制与轨道器对地球方向的长期动态信道时分多址机制的分布式串联，有利于多用户灵活接入轨道器以及中继业务的高效转发。

实施例三

本实施例提供一种电子设备，包括存储器和处理器，该存储器上存储有计算机程序，该计算机程序被该处理器执行时实现实施例一的中继多址接入调度方法。

本实施例中，处理器可以是专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，简称ASIC)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、数字信号处理设备(Digital Signal Processing Device，简称DSPD)、可编程逻辑器件(ProgrammableLogic Device，简称PLD)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述实施例中的中继多址接入调度方法。在处理器上运行的计算机程序被执行时所实现的方法可参照本发明实施例一提供的中继多址接入调度方法的具体实施例，此处不再赘述。

实施例四

本实施例提供一种存储介质，该存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被一个或多个处理器执行时，实现实施例一的中继多址接入调度方法。

本实施例中，存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，简称PROM)，只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，上述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

需要说明的是，在本发明中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但上述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。