低軌星座網(wǎng)絡(luò)的空天地一體化無線光通信資源調(diào)度方法

摘 要：研究基于低軌星座網(wǎng)絡(luò)的空天地一體化無線光通信資源動(dòng)態(tài)調(diào)度方法，高效精準(zhǔn)分配其通信資源，保障資源利用率與通信效率。結(jié)合軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｄｅｆｉｎｅｄ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＳＤＮ），設(shè)計(jì)空天地一體化無線光通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建包含數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面與控制平面的低軌星座網(wǎng)絡(luò)，通過轉(zhuǎn)發(fā)平面?zhèn)鬏斖ㄐ艠I(yè)務(wù)，由控制平面結(jié)合遺傳－粒子群算法，動(dòng)態(tài)調(diào)度空天地一體化無線光通信網(wǎng)絡(luò)的通信資源。結(jié)果表明，該方法可實(shí)現(xiàn)空天地一體化無線光通信網(wǎng)絡(luò)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度，資源的綜合利用率較高、通信時(shí)延較低，調(diào)度效果顯著，可為網(wǎng)絡(luò)的整體通信質(zhì)量提升提供保障。

關(guān)鍵詞：低軌星座網(wǎng)絡(luò)；空天地一體化；無線光通信；資源動(dòng)態(tài)調(diào)度；軟件定義網(wǎng)絡(luò)；粒子群算法

中圖分類號(hào)：ＴＰ３９３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號(hào)：１００３－３１０６（２０２４）０５－１３２８－０７

０ 引言

空天地一體化無線光通信網(wǎng)絡(luò)具有較為復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且其網(wǎng)絡(luò)規(guī)模通常較為龐大，導(dǎo)致其通信過程中發(fā)生局部傳輸路徑通信業(yè)務(wù)堵塞或者過載等問題的可能性較高，容易因此出現(xiàn)其余部分傳輸路徑資源未利用的情況，造成整體通信資源的利用率低、通信質(zhì)量下降等問題［１］。目前已有的對(duì)于空天地一體化無線光通信網(wǎng)絡(luò)的控制主要通過地面完成，因?qū)嶋H控制時(shí)受到控制過程與體系架構(gòu)的制約，通常均以人工配置的方式完成該網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度工作。此種方式不僅效率不高，且調(diào)度效果也不理想，無法有效保障網(wǎng)絡(luò)通信資源的利用率與通信質(zhì)量［２－３］。為解決此類問題，需為此類網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)出科學(xué)可靠的通信資源分配調(diào)度方法，提升整體資源利用率，避免網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)過載與堵塞等問題，保障網(wǎng)絡(luò)的通信效率與質(zhì)量。

當(dāng)前，專門用于此類網(wǎng)絡(luò)資源分配調(diào)度的方法甚少，大部分研究是針對(duì)其他類型網(wǎng)絡(luò)資源的分配調(diào)度方法。如謝添等［４］針對(duì)定向無線通信網(wǎng)絡(luò)所研究的資源調(diào)度算法，主要是運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)通信路徑損耗模型獲得卷積核，通過該卷積核卷積網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度矩陣，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾網(wǎng)絡(luò)鏈路強(qiáng)度的權(quán)衡，并引入強(qiáng)化學(xué)習(xí)構(gòu)建鏈路調(diào)度模型，獲得最優(yōu)調(diào)度結(jié)果，該算法可實(shí)現(xiàn)定向無線網(wǎng)絡(luò)的鏈路抗干擾資源的有效調(diào)度，提高鏈路的資源利用率，但無法保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。陳發(fā)堂等［５］針對(duì)８０２． １１ａｘ 系統(tǒng)提出一種基于傳輸延遲的資源分配算法，此算法選取傳輸延遲作為目標(biāo)函數(shù)實(shí)施優(yōu)化調(diào)度，結(jié)合傳輸機(jī)會(huì)總時(shí)間中數(shù)據(jù)塊匹配原理與通信路徑利用率上限目標(biāo)，最終完成該系統(tǒng)內(nèi)的資源合理分配。該算法可提升通信效率，但易遺漏資源分配，不利于保障整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率與整體通信質(zhì)量。

低軌星座網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣、擴(kuò)展功能強(qiáng)、傳輸效率高及資源量龐大等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)全球化通信服務(wù)，是保障各類通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全覆蓋全球化通信的重要措施［６－７］。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Ｓｏｆｔｗａｒｅ ＤｅｆｉｎｅｄＮｅｔｗｏｒｋ，ＳＤＮ）通過解耦低軌星座網(wǎng)絡(luò)的傳輸功能與控制功能，將應(yīng)用接口連接于其控制平面外，以軟件定義控制其整體功能，實(shí)現(xiàn)低軌星座網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度的靈活性與動(dòng)態(tài)性，防止因通信業(yè)務(wù)堵塞與過載等導(dǎo)致通信效率低與資源利用率低等問題［８］。遺傳算法可實(shí)現(xiàn)問題的優(yōu)化求解，其求解過程主要包括編碼、個(gè)體適應(yīng)度函數(shù)運(yùn)算、幅值、交叉及變異等操作［９］。粒子群算法屬于一類隨機(jī)搜尋算法，通過對(duì)鳥群尋找食物過程的仿真，獲得最優(yōu)解［１０－１１］。

綜合上述分析，本文研究一種基于低軌星座網(wǎng)絡(luò)的空天地一體化無線光通信資源動(dòng)態(tài)調(diào)度方法，通過ＳＤＮ 構(gòu)建低軌星座網(wǎng)絡(luò)，并將遺傳－粒子群算法融入其控制平面內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空天地一體化無線光通信網(wǎng)絡(luò)通信資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度，保障其整體通信質(zhì)量與通信資源利用率。

１ 空天地一體化無線光通信資源動(dòng)態(tài)調(diào)度方法

１． １ 空天地一體化無線光通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

空天地一體化無線光通信網(wǎng)絡(luò)主要由地面子網(wǎng)絡(luò)層、平流子網(wǎng)絡(luò)層和衛(wèi)星骨干子網(wǎng)絡(luò)層３ 層子網(wǎng)絡(luò)與各子網(wǎng)絡(luò)間信息傳輸鏈路等構(gòu)成［１２］。衛(wèi)星骨干子網(wǎng)絡(luò)層包括近地軌道（Ｌｏｗ Ｅａｒｔｈ Ｏｒｂｉｔ，ＬＥＯ）、中地球軌道（Ｍｅｄｉｕｍ Ｅａｒｔｈ Ｏｒｂｉｔ，ＭＥＯ）及地球同步軌道（Ｇｅｏｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｏｒｂｉｔ，ＧＥＯ ）三部分，其中，ＬＥＯ 運(yùn)動(dòng)速度較高，可視各衛(wèi)星之間的光通信信道為自由空間?？仗斓匾惑w化無線光通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖１ 所示。

地面子網(wǎng)絡(luò)層為得到信息服務(wù)，需與空天地一體化網(wǎng)絡(luò)之間形成連接，此連接需經(jīng)由衛(wèi)星骨干子網(wǎng)絡(luò)層或者平流子網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)。平流子網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)主要為不同類型的飛行器，如飛艇、飛機(jī)以及無人機(jī)等，當(dāng)?shù)孛孀泳W(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)擁堵或者存在故障時(shí)，該層能夠通過組網(wǎng)編隊(duì)，完成此狀況下的應(yīng)急通信；另外，在戰(zhàn)時(shí)該層還能夠高效準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)監(jiān)控導(dǎo)彈與飛行器。衛(wèi)星骨干子網(wǎng)絡(luò)層包含各個(gè)軌道上遍布的若干顆衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)及星間通信鏈路，主要功能有通信網(wǎng)、管理網(wǎng)及數(shù)據(jù)網(wǎng)，可傳送、交互、存儲(chǔ)及處理不同類型數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)空天地一體化網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同子網(wǎng)絡(luò)的有效管控，達(dá)到各個(gè)子網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)通信的目的［１３］。為保障空天地一體化無線光通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸效果，需對(duì)其通信資源實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)通信業(yè)務(wù)的有效傳輸與優(yōu)化資源分配的目的。

１． ２ 基于ＳＤＮ 的低軌星座網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在此選用ＳＤＮ 設(shè)計(jì)低軌星座網(wǎng)絡(luò)［１４］，控制空天地一體化無線光通信網(wǎng)絡(luò)的通信資源調(diào)度，達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)度資源的目的。所構(gòu)建的低軌星座網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包含轉(zhuǎn)發(fā)平面與控制平面，其中，轉(zhuǎn)發(fā)平面負(fù)責(zé)空天地一體化無線光通信網(wǎng)絡(luò)的通信業(yè)務(wù)傳輸工作，主要通過數(shù)顆低軌傳輸衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)［１５－１６］；控制平面管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信資源，結(jié)合低軌控制衛(wèi)星與資源動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化的資源動(dòng)態(tài)調(diào)度，提高整個(gè)光通信網(wǎng)絡(luò)的資源使用率。所構(gòu)建的低軌星座網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖２ 所示。

基于ＳＤＮ 的低軌星座網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)內(nèi)，低軌衛(wèi)星包含多個(gè)軌道面，且各軌道面均由數(shù)顆低軌傳輸衛(wèi)星及一顆低軌控制衛(wèi)星構(gòu)成，相同軌道面內(nèi)通過星間鏈路實(shí)現(xiàn)鄰近衛(wèi)星的銜接。通過由低軌控制衛(wèi)星所形成的低軌控制平面結(jié)合資源動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，完成網(wǎng)絡(luò)的通信資源動(dòng)態(tài)調(diào)度，保障其通信效率與資源利用率。

１． ３ 基于遺傳算法與粒子群算法的資源動(dòng)態(tài)調(diào)度算法

在此選用遺傳－粒子群算法，作為低軌星座網(wǎng)絡(luò)內(nèi)控制平面的資源動(dòng)態(tài)調(diào)度算法。無線光通信網(wǎng)絡(luò)通信資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度問題屬于一類煩瑣的非線性最優(yōu)化問題，即綜合函數(shù)優(yōu)化與組合優(yōu)化的一類問題，所涉及的維度包括時(shí)間、數(shù)據(jù)資源目標(biāo)及低軌控制衛(wèi)星傳感器。若僅通過一種算法很難有效地處理此類綜合性問題，故選用遺傳－粒子群算法，有效處理此類綜合問題，完成通信資源的動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度，保障空天地一體化無線光通信網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸效果。

遺傳算法適用于函數(shù)優(yōu)化問題，通過該算法調(diào)度光通信網(wǎng)絡(luò)通信資源時(shí)，先對(duì)傳輸路徑實(shí)施編碼，以染色體呈現(xiàn)；再任意生成一組原始個(gè)體（傳輸路徑），同時(shí)對(duì)不同個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)實(shí)施運(yùn)算；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合復(fù)制、交叉及變異操作，得出最優(yōu)適應(yīng)度函數(shù)個(gè)體，以此得到資源的最優(yōu)傳輸路徑。其中，第ｊ 個(gè)個(gè)體被選擇的概率為：

式中：ｆ （ａｊ ）表示第ｊ 條傳輸路徑的適應(yīng)度函數(shù)［１７－１８］，ｍ 表示總體路徑數(shù)量。通過該式可看出，個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)值越高，則其被選擇的概率越高。

粒子群算法適用于組合優(yōu)化問題，在該算法調(diào)度通信資源過程中，其全部粒子均以各自的最優(yōu)值與群體最優(yōu)值為依據(jù)，實(shí)時(shí)更新各自的位置與速度，具體更新方程式為：

式中：Ｘｔ、Ｖｔ 表示ｔ 時(shí)刻下粒子的位置與速度，Ｘｔ－１ 、Ｖｔ－１ 表示前一刻此粒子的位置與速度，ｕ１ 、ｕ２ 表示隨機(jī)數(shù)，且二者的取值為（０，１）；ｈｔ－１ 表示前一刻的群體最優(yōu)值，ｂ２ 、ｂ１ 表示全局與個(gè)體學(xué)習(xí)因子，ｑｔ－１ 表示前一刻該粒子的最優(yōu)值，ｗ 表示慣性權(quán)重系數(shù)。為了令算法的個(gè)體尋優(yōu)與全局尋優(yōu)性能達(dá)到均衡，為慣性權(quán)重系數(shù)ｗ 選用線性遞減形式，即：

式中：ｋ 表示當(dāng)前所處迭代次數(shù)，Ｋ 表示整體迭代次數(shù)，ｗｍａｘ、ｗｍｉｎ 分別表示最高與最低慣性權(quán)重系數(shù)值。

融合上述２ 種算法，獲得遺傳－粒子群算法，通過該算法，在上述過程的基礎(chǔ)上，結(jié)合粒子編碼、解空間確定、目標(biāo)函數(shù)設(shè)定及粒子動(dòng)態(tài)更新等過程，動(dòng)態(tài)調(diào)度無線光通信網(wǎng)絡(luò)的通信資源。

① 粒子編碼與解空間的確定：遺傳－粒子群算法內(nèi)的各個(gè)粒子均包含數(shù)個(gè)元素，它的解空間是各個(gè)元素的解空間。將各個(gè)粒子內(nèi)元素設(shè)定成具備跟蹤沖突的通信資源，元素的解空間設(shè)定成對(duì)應(yīng)元素能夠跟蹤不同通信資源目標(biāo)的全部時(shí)間范圍，粒子的元素解空間如圖３ 所示。

圖中，Ｔｍｉｎ 表示連續(xù)跟蹤時(shí)間下限，Ｔｃ 表示低軌控制衛(wèi)星傳感器的指向轉(zhuǎn)動(dòng)延遲時(shí)長(zhǎng)。

② 目標(biāo)函數(shù)的設(shè)定：對(duì)于資源調(diào)度性能的好壞而言，可選擇恰當(dāng)?shù)哪繕?biāo)函數(shù)實(shí)施評(píng)價(jià)，所選取的目標(biāo)函數(shù)為多步預(yù)測(cè)跟蹤精度增益δ，計(jì)算如下：

式中：δｉ 表示通信資源目標(biāo)ｉ 的增益。

式中：σ（ｔｓ ｔｓ）１ ∶ ３，１ ∶ ３ 表示通信資源調(diào)度周期起始時(shí)的通信資源目標(biāo)位置預(yù)估協(xié)方差，σ（ｔｅ ｔｅ）１ ∶ ３，１ ∶ ３表示結(jié)束時(shí)的通信資源目標(biāo)位置預(yù)估協(xié)方差，ｔｒａｃｅ表示Ｔｒａｃｅ 函數(shù)。只有在每個(gè)通信資源目標(biāo)的δｉ 值都較高的情況下，方可獲得理想的整體目標(biāo)函數(shù)δ 值，故在此將低軌控制衛(wèi)星對(duì)每個(gè)通信資源目標(biāo)的調(diào)度服務(wù)均充分考慮在內(nèi)，保障最終調(diào)度結(jié)果的合理性。

③ 粒子的動(dòng)態(tài)更新：為尋得最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)通信資源的最優(yōu)動(dòng)態(tài)調(diào)度，在算法迭代過程中需實(shí)時(shí)更新粒子的位置與速度，令粒子向最佳解運(yùn)動(dòng)。遺傳－粒子群算法通過將遺傳算法內(nèi)的要點(diǎn)引入，實(shí)現(xiàn)跟蹤通信資源目標(biāo)數(shù)量與次序的隨機(jī)調(diào)整，同時(shí)以粒子群算法為依據(jù)，對(duì)粒子內(nèi)不同元素服務(wù)通信資源目標(biāo)的時(shí)間實(shí)施微調(diào)，以逐步提高粒子群內(nèi)最佳粒子的目標(biāo)函數(shù)。此運(yùn)算過程可描述為：① 由群體最優(yōu)值的粒子內(nèi)提取出不同通信資源目標(biāo)的增益δｉ；② 對(duì)不同粒子內(nèi)元素實(shí)施更新過程中，對(duì)群體最優(yōu)值內(nèi)２ 個(gè)鄰近跟蹤通信資源目標(biāo)的δ 實(shí)施對(duì)比，按照一定的運(yùn)動(dòng)速度令跟蹤轉(zhuǎn)換時(shí)刻移動(dòng)至具有較高δ 值的通信資源目標(biāo)方向；③ 將跟蹤δ 值較低通信資源目標(biāo)的時(shí)間延長(zhǎng)，以提高最終所得目標(biāo)函數(shù)值，實(shí)現(xiàn)無線光通信網(wǎng)絡(luò)中通信資源的最優(yōu)化動(dòng)態(tài)調(diào)度。

２ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以典型的空天地一體化無線光通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為例進(jìn)行仿真，構(gòu)建簡(jiǎn)易拓?fù)鋱D，將本文方法運(yùn)用于此網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，動(dòng)態(tài)調(diào)度其通信資源，檢驗(yàn)本文方法的調(diào)度性能。所構(gòu)建的仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖４ 所示。

該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由各類節(jié)點(diǎn)與鏈路構(gòu)成，其中，鏈路主要包括層內(nèi)網(wǎng)絡(luò)激光鏈路與層間網(wǎng)絡(luò)激光鏈路；節(jié)點(diǎn)主要包括地面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、平流網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、ＬＥＯ 衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)、ＭＥＯ 衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)及ＧＥＯ 衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，各類節(jié)點(diǎn)的數(shù)目依次為８、８、８、４、２。實(shí)驗(yàn)中所涉及的主要參數(shù)設(shè)定為：粒子總數(shù)目為１２０，粒子元素的速度為２． ５ ｓ，Ｔｃ 為７． ５ ｓ，Ｔｍｉｎ 為７． ５ ｓ，Ｔｍａｘ 為３７． ５ ｓ。

在上述設(shè)定下，運(yùn)用本文方法對(duì)仿真網(wǎng)絡(luò)通信資源實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)度，檢驗(yàn)本文方法的動(dòng)態(tài)調(diào)度效果。實(shí)驗(yàn)中，在用戶分布均勻和不均勻２ 種情況下，各隨機(jī)抽取不同用戶的１ ６８０、１ ８５６ 條通信業(yè)務(wù)，并分別隨機(jī)組成１５９、１８０ 個(gè)資源調(diào)度任務(wù)，通過本文方法分別實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)度，結(jié)果如圖５ 所示。

由圖５ 可以看出，在用戶分布均勻和不均勻２ 種情況下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，本文方法動(dòng)態(tài)調(diào)度的網(wǎng)絡(luò)資源均呈現(xiàn)逐步上升趨勢(shì)，其中，在用戶分布均勻情況下，當(dāng)時(shí)間到達(dá)６０ ｓ 時(shí)，所完成的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度任務(wù)數(shù)為１５２，能夠達(dá)到總體調(diào)度任務(wù)數(shù)的９５％ 以上；在用戶分布不均勻情況下，當(dāng)時(shí)間到達(dá)７０ ｓ 時(shí)，所完成的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度任務(wù)數(shù)為１７１，能夠達(dá)到總體資源調(diào)度任務(wù)數(shù)的９５％ 。由此可見，當(dāng)用戶分布不均勻時(shí)，本文方法完成資源動(dòng)態(tài)調(diào)度任務(wù)的用時(shí)較長(zhǎng)，但整體完成度均較高，動(dòng)態(tài)調(diào)度效果理想。

選取歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量、鏈路資源利用率、節(jié)點(diǎn)資源利用率以及數(shù)據(jù)包的總時(shí)延作為客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)本文方法的綜合調(diào)度性能實(shí)施評(píng)價(jià)。各評(píng)價(jià)指標(biāo)的運(yùn)算方式如下。

式中：Ｌ 表示網(wǎng)絡(luò)內(nèi)全部物理節(jié)點(diǎn)的集合，且Ｌ ＝｛ｌ１ ，ｌ２ ，…，ｌｉ｝；Ｇφｌｉ 與ＧΦｌ ｉ 表示節(jié)點(diǎn)ｌｉ 上的運(yùn)算負(fù)載與運(yùn)算資源容量。

③ 節(jié)點(diǎn)資源利用率：

式中：Ｇμｏｉ，ｊ 與Ｇηｏｉ，ｊ 表示空天地一體化無線光通信網(wǎng)絡(luò)中鏈路ｏｉ，ｊ 上所占用的帶寬資源與整體帶寬資源，Ｏ 表示網(wǎng)絡(luò)中全部鏈路的集合，且Ｏ ＝ ｛ｏ１，１ ，ｏ１，２ ，…，ｏｉ，ｊ｝。

④ 數(shù)據(jù)包的總時(shí)延：數(shù)據(jù)包總時(shí)延可有效評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)的通信時(shí)效性，以此分析本文方法的調(diào)度效果。該指標(biāo)值越高，說明網(wǎng)絡(luò)的通信時(shí)效性越差，通信過程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)緩存、擁堵等情況越多；反之則代表網(wǎng)絡(luò)的通信時(shí)效性越好，通信效率越高，即本文方法的調(diào)度性能越好。將通信隊(duì)列時(shí)延視作網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延性能，延時(shí)推導(dǎo)第ｒ 條通信路徑的第ｙ 個(gè)數(shù)據(jù)包。

設(shè)ｔ～ｒ 表示數(shù)據(jù)包的停留時(shí)長(zhǎng)，計(jì)算如下：

ｔ～ｒ ＝ ｔｒ（ｙ）－ ｔ·ｒ（ｙ）， （９）

式中：ｔ·ｒ（ｙ）與ｔｒ（ｙ）分別表示第ｙ 個(gè)數(shù)據(jù)包抵達(dá)與離開第ｒ 條通信路徑的時(shí)間。通信路徑內(nèi)數(shù)據(jù)包所停留總時(shí)長(zhǎng)的均值是平均排隊(duì)時(shí)延τ（ｔ～ｒ ），其同時(shí)為平均包停留時(shí)長(zhǎng)，可以通過計(jì)算平均包的服務(wù)時(shí)間與排隊(duì)時(shí)長(zhǎng)的總和得出：

式中：τ（ｔ″ｒ ）與τ（ｔ′ｒ ）表示第ｒ 條通信路徑的平均包服務(wù)時(shí)長(zhǎng)與排隊(duì)時(shí)長(zhǎng)，Ｙ 表示各通信路徑所能服務(wù)的數(shù)據(jù)包最大數(shù)量，Δ 表示通信路徑的最高τ（ｔ～ｒ ）限值，若實(shí)際通信時(shí)高于此值，那么該通信路徑需重新傳輸數(shù)據(jù)包。

在本文方法的應(yīng)用下，實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的通信資源利用率３ 個(gè)指標(biāo)值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表１ 所示。

分析表１ 可知，經(jīng)本文方法動(dòng)態(tài)調(diào)度后，實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)在用戶分布均勻與不均勻２ 種情況下，隨著通信業(yè)務(wù)量的增長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)資源利用率、鏈路資源利用率以及歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并于后期逐步趨于平穩(wěn)；其中，在相同的通信業(yè)務(wù)量下，用戶分布均勻時(shí)網(wǎng)絡(luò)的各指標(biāo)值稍高于用戶分布不均勻時(shí)，且在通信業(yè)務(wù)量達(dá)到５ ０００ 條時(shí)其歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量即可到達(dá)１，而用戶分布不均勻情況下通信業(yè)務(wù)量達(dá)到６ ０００ 條，歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量指標(biāo)方可達(dá)到１。綜上可得出，在一定的通信業(yè)務(wù)量下，業(yè)務(wù)量越高，本文方法動(dòng)態(tài)調(diào)度后的網(wǎng)絡(luò)資源綜合利用率越高，即本文方法的通信資源動(dòng)態(tài)調(diào)度效果越理想，而用戶分布是否均勻?qū)Ρ疚姆椒ǖ耐ㄐ刨Y源動(dòng)態(tài)調(diào)度效果影響不大。整體看來，本文方法通信資源利用率與吞吐性能均表現(xiàn)較好，調(diào)度效果理想可靠。

在本文方法的動(dòng)態(tài)調(diào)度下，仿真網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)包的總時(shí)延，如圖６ 所示。

由圖６ 可知，本文方法的通信數(shù)據(jù)包總時(shí)延不高，無論用戶分布是否均勻，總時(shí)延值均與通信業(yè)務(wù)量成正比關(guān)系；當(dāng)通信業(yè)務(wù)量低于５ ０００ 時(shí)，總時(shí)延上升幅度緩慢，當(dāng)通信業(yè)務(wù)量達(dá)到６ ０００ 以上時(shí)，總時(shí)延的上升幅度增大，且用戶分布不均勻情況下的總時(shí)延低于分布均勻情況?？梢?，本文方法的調(diào)度效果顯著。

３ 結(jié)束語

對(duì)于空天地一體化無線光通信網(wǎng)絡(luò)而言，其通信資源的高效精準(zhǔn)分配是保障資源整體利用率與網(wǎng)絡(luò)吞吐量的關(guān)鍵，為此，本文針對(duì)一種基于低軌星座網(wǎng)絡(luò)的空天地一體化無線光通信資源動(dòng)態(tài)調(diào)度方法展開研究。該方法通過結(jié)合ＳＤＮ，設(shè)計(jì)包含數(shù)據(jù)傳輸平面與控制平面的低軌星座網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并通過融合遺傳算法與粒子群算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體空天地一體化無線光通信資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文方法的資源動(dòng)態(tài)調(diào)度完成度較高，算法整體效果較理想，能夠有效保證空天地一體化無線光通信網(wǎng)絡(luò)的資源利用率與通信效率，提高整體通信質(zhì)量。

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作者簡(jiǎn)介

肖云杰 男，（１９８８—），碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、衛(wèi)星通信技術(shù)。

陳毅龍 男，（１９８８—），碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：無線光通信技術(shù)。

李 楠 女，（１９９４—），碩士，助理工程師。主要研究方向：電力應(yīng)急通信技術(shù)。