一种基于通信性能约束的大规模低轨卫星网络拓扑优化方法

摘要

基于通信性能约束的大规模低轨卫星网络拓扑优化方法，步骤1：通过带权重无向图表示卫星通信系统拓扑；步骤2：根据基于可重复单元(motif)进行卫星网络拓扑设计；步骤3：根据通信时延、容量、抗毁性以及可靠性对系统的通信性能进行分析评估；步骤4：在步骤3的基础上获取基于通信性能约束的卫星网络拓扑优化模型；步骤5：根据优化模型筛选最优的卫星网络拓扑结构。

权利要求

1.一种基于通信性能约束的大规模低轨卫星网络拓扑优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：通过带权重无向图表示卫星通信系统拓扑；

步骤2：根据基于可重复单元(motif)进行卫星网络拓扑设计；

步骤3：根据通信时延、容量、抗毁性以及可靠性对系统的通信性能进行分析评估；

步骤4：在步骤3的基础上获取基于通信性能约束的卫星网络拓扑优化模型；

步骤5：根据优化模型筛选最优的卫星网络拓扑结构；

步骤1通过带权重无向图G＝{V,E}表示卫星通信系统拓扑，其中V＝{Sats,City}表示节点集合，由卫星节点集合Sats以及地面城市终端节点集合City组成；E＝{Eisl,Eudl}表示边集合，由星间链路集合Eisl以及星地链路集合Eudl组成，边的权重表示链路的距离长度；用无向图U＝{Sats,Eisl}表示卫星网络拓扑，则对应与卫星通信系统中卫星星座、地面城市终端以及星地链路三个部分，卫星通信系统拓扑被表示为G＝{V,E}＝{U,City,Eudl}；

步骤2包括如下子步骤：

步骤2‑1：根据星地可视性筛选出所有可重复单元motif，组成motif集合Motifs；

步骤2‑2：将集合Motifs中的所有元素填充满星座，组成卫星网络拓扑候选集合UMotifs：UMotifs＝{Umotif|motif∈Motifs}其中Umotif表示motif对星座进行填充后对应的卫星网络拓扑；

步骤3‑1：根据卫星通信系统拓扑Gmotif＝{Umotif,City,Eudl}获取所有地面城市终端之间的传输路径，任意两个城市A,B∈City之间的路径表示为Path(A,B)＝{l1(A,B),l2(A,B),…,lK(A,B)}其中lk(A,B),(k＝1,2,…,K)表示城市对(A,B)之间路径所经过的第K条链路；

步骤3‑2中，通过星地链路路径的距离拉伸以及传输跳数均值对系统的通信时延性能τmotif进行评估：τmotif＝Smotif+Hmotif

其中Smotif,Hmotif分别表示端到端路径的距离拉伸均值以及传输跳数均值，表示如下其中Path(A,B)表示任意城市对(A,B)之间的传输路径，Ncity_pairs表示地面城市集合City中任意两个城市组成的城市对个数，S(Path(A,B))表示城市对(A,B)之间的传输路径的距离拉伸，即城市对之间传输路径总距离与大圆距离的比值；H(Path(A,B))表示城市对(A,B)之间的传输跳数；

步骤3‑3中，通过当所有地面城市之间均存在通信需求时传输路径的总带宽对通信系统容量Imotif进行评估：其中I(A,B)表示城市对(A,B)之间的传输路径带宽，由组成路径的所有链路被分到的带宽资源最小值确定，即where

lk(A,B)∈Path(A,B)

其中 表示链路lk(A,B)被分配到用于城市对(A,B)之间通信的最大带宽；

步骤3‑4中，通过卫星节点被传输路径经过次数的分布均匀程度来对系统的抗毁性Qmotif进行评估：其中 表示卫星节点被传输路径经过次数的方差， 表示 的减函数；

步骤3‑5中，通过传输路径的可靠性均值对系统的可靠性Rmotif进行评估，即其中R(A,B)表示路径的可靠性，为路径中所有链路的可靠性的乘积；即其中 表示链路lk(A,B)的可靠性，由距离可靠性以及俯仰角可靠性确定，链路l的距离可靠性Rl(d)根据星间链路距离d获取其中disl_max表示星间链路的最大距离，链路l的俯仰角可靠性Rl(β)根据卫星间的俯仰角β获取其中βmax其表示卫星天线最大扫描范围；链路l的可靠性根据距离可靠性以及俯仰角可靠性获取其中m为权重系数，在0‑1之间；

步骤4将通信时延指标作为目标代价函数，系统的容量、抗毁性、可靠性作为约束条件，获取卫星网络拓扑设计的优化模型：其中δI,δQ,δR分别表示系统容量、抗毁性以及可靠性的约束阈值，所设计出的卫星网络拓扑结构所对应的系统容量、抗毁性以及可靠性分别不低于δI,δQ,δR，并且同时具有最小的通信时延。

2.根据权利要求1所述的基于通信性能约束的大规模低轨卫星网络拓扑优化方法，其特征在于：步骤5包括如下步骤：步骤5‑1：在步骤2所获取的集合UMotifs中，剔除系统性能不满足步骤4中约束条件的拓扑结构，得到新集合U'Motifs；

步骤5‑2：在新集合U'Motifs中，选取具有最小通信时延的拓扑结构 实现卫星网络拓扑设计。

说明书

一种基于通信性能约束的大规模低轨卫星网络拓扑优化方法

技术领域

[0001] 本发明属于卫星通信领域，具体涉及一种基于通信性能约束的大规模低轨卫星网络拓扑优化方法。

背景技术

[0002] 相比于传统的地面通信系统，卫星通信系统具有覆盖面广、不受地形因素影响等优点，能够成为地面通信系统的有效补充。随着微卫星网络的兴起，低轨卫星星座有望在全球范围内提供低时延、高容量的通信服务，因此低轨卫星通信系统成为研究与发展的热点。

[0003] 当前，低轨卫星星座规模呈扩大趋势，例如SpaceX公司的Starlink星座预计部署完成后星座中卫星数量将达到上万颗。而在大规模低轨卫星通信系统中，卫星网络拓扑结构设计具有十分重要的研究意义。首先，卫星网络拓扑的星间链路连接方式将会对卫星系统的通信性能存在重要影响；其次，星间链路的频繁切换和维护将会增加系统开销；最后，星座规模的扩大使得星座网络设计。

[0004] 经过对现有文献的检索发现，基于Grid栅格模型的卫星网络拓扑被广泛用于卫星网络拓扑结构设计中，在该模型中，每颗卫星仅与同轨道面间相邻的两颗卫星以及异轨道面间相邻的两颗卫星建立链路。然而，在大规模低轨卫星星座中，由于每颗卫星的可视卫星数目增加，基于Grid模型的卫星网络设计方案并不能保证系统在传输跳数上的最优性。

[0005] 经过检索还发现，Debopam等人在文献《A.Networktopology design at27,000km/hour》中，通过将可重复单元(motif)填充满卫星星座的方法形成卫星网络拓扑，并且根据端到端路径距离拉伸与传输跳数的评估选取最优motif实现卫星网络拓扑设计。该方案改善了基于Grid模型的拓扑设计方法在系统传输跳数性能上的局限性，然而缺乏对系统其他性能的考虑以及分析。

[0006] 上述技术主要存在的问题有以下几点：当多个地面终端同时存在通信需求时，未通过拓扑结构设实现链路带宽资源的合理分配，系统容量难以保证；当卫星节点出现故障时，未通过拓扑结构设计尽可能降低故障节点对系统通信质量的影响，系统抗毁性难以保证；当卫星运动时卫星之间的距离以及俯仰角也随之改变，相应的星间链路的稳定程度也随其距离长度以及俯仰角的变化而变化，现有的拓扑设计方法未充分考虑星间链路的稳定程度对于系统传输路径可靠性的影响。因此，提出基于通信性能约束的卫星网络拓扑优化方法，对于系统容量、抗毁性以及可靠性的改善具有重要意义。

发明内容

[0007] 针对现有技术存在的问题，本发明目的是，提供了一种基于通信性能约束的大规模低轨卫星网络拓扑优化方法。旨在通过拓扑结构优化实现系统通信性能的改善。

[0008] 本发明目的是这样实现的，一种基于通信性能约束的大规模低轨卫星网络拓扑优化方法，所包括以下步骤：

[0009] 步骤1：通过带权重无向图表示卫星通信系统拓扑。

[0010] 步骤2：根据基于可重复单元(motif)进行卫星网络拓扑设计。

[0011] 步骤3：根据通信时延、容量、抗毁性以及可靠性对系统的通信性能进行分析评估。

[0012] 步骤4：在步骤3的基础上获取基于通信性能约束的卫星网络拓扑优化模型。

[0013] 步骤5：根据优化模型筛选最优的卫星网络拓扑结构。

[0014] 本发明步骤1包括：

[0015] 通过带权重无向图G＝{V,E}表示卫星通信系统拓扑，其中V＝{Sats,City}表示节点集合，由卫星节点集合Sats以及地面城市终端节点集合City组成；E＝{Eisl,Eudl}表示边集合，由星间链路集合Eisl以及星地链路集合Eudl组成，边的权重表示链路的距离长度。

[0016] 用无向图U＝{Sats,Eisl}表示卫星网络拓扑，则对应与卫星通信系统中卫星星座、地面城市终端以及星地链路三个部分，卫星通信系统拓扑被表示为

[0017] G＝{V,E}＝{U,City,Eudl}

[0018] 本发明步骤2包括如下步骤：

[0019] 步骤2‑1：根据星地可视性筛选出所有可重复单元motif，组成motif集合Motifs[0020] 步骤2‑2：将集合Motifs中的所有元素填充满星座，组成卫星网络拓扑候选集合UMotifs：

[0021] UMotifs＝{Umotif|motif∈Motifs}

[0022] 其中Umotif表示motif对星座进行填充后对应的卫星网络拓扑。

[0023] 本发明步骤3对于步骤2中不同的卫星网络拓扑结构Umotif∈UMotifs，按照以下步骤对系统性能进行评估：

[0024] 步骤3‑1：根据卫星通信系统拓扑Gmotif＝{Umotif,City,Eudl}获取所有地面城市终端之间的传输路径，任意两个城市A,B∈City之间的路径表示为

[0025] Path(A,B)＝{l1(A,B),l2(A,B),…,lK(A,B)}

[0026] 其中lk(A,B),(k＝1,2,…,K)表示城市对(A,B)之间路径所经过的第K条链路。

[0027] 步骤3‑2：通过路径的距离拉伸以及传输跳数均值对系统的通信时延性能τmotif进行评估：

[0028] τmotif＝Smotif+Hmotif

[0029] 其中Smotif,Hmotif分别表示端到端路径的距离拉伸均值以及传输跳数均值，即[0030]

[0031] 其中Path(A,B)表示任意城市对(A,B)之间的传输路径，Ncity_pairs表示地面城市集合City中任意两个城市组成的城市对个数，S(Path(A,B))表示城市对(A,B)之间的传输路径的距离拉伸，即城市对之间传输路径总距离与大圆距离的比值，拉伸越大表明传输路径距离越长，所需的传播时延越大；H(Path(A,B))表示城市对(A,B)之间的传输跳数，跳数越多则所需的星上数据处理时延越长。

[0032] 步骤3‑3：当所有地面城市之间均存在通信需求时，通过所有传输路径的总带宽对通信系统容量Imotif进行评估：

[0033]

[0034] 其中I(A,B)表示城市对(A,B)之间的传输路径带宽，由组成路径的所有链路被分到的带宽资源最小值确定，即

[0035]

[0036] where

[0037] lk(A,B)∈Path(A,B)

[0038] 其中 表示链路lk(A,B)被分配到用于城市对(A,B)之间通信的最大带宽。

[0039] 步骤3‑4：通过卫星节点被传输路径经过次数的分布均匀程度来对系统的抗毁性Qmotif进行评估：

[0040]

[0041] 其中 表示卫星节点被传输路径经过次数的方差， 表示 的减函数。如果卫星s被过多城市对之间的最短路径经过，当该节点发生故障时，将会影响到所有经过该节点的城市对之间的通信质量。因此当 越小，卫星节点被传输路径经过次数越均匀，在卫星故障的越少的城市对之间的通信质量会受到影响，系统的抗毁性也就越强。

[0042] 步骤3‑5：通过传输路径的可靠性均值对系统的可靠性Rmotif进行评估，即[0043]

[0044] 其中R(A,B)表示路径的可靠性，为路径中所有链路的可靠性的乘积，即[0045]

[0046] 其中 表示链路lk(A,B)的可靠性，由距离可靠性以及俯仰角可靠性确定，链路l的距离可靠性Rl(d)根据星间链路距离d获取

[0047]

[0048] 其中disl_max表示星间链路的最大距离，链路l的俯仰角可靠性Rl(β)根据卫星间的俯仰角β获取

[0049]

[0050] 其中βmax其表示卫星天线最大扫描范围。链路l的可靠性根据距离可靠性以及俯仰角可靠性获取

[0051]

[0052] 其中m为权重系数，在0‑1之间。

[0053] 本发明步骤4包括：

[0054] 将通信时延指标作为目标代价函数，系统的容量、抗毁性、可靠性作为约束条件，获取卫星网络拓扑设计的优化模型：

[0055]

[0056] 其中δI,δQ,δR分别表示系统容量、抗毁性以及可靠性的约束阈值，所设计出的卫星网络拓扑结构所对应的系统容量、抗毁性以及可靠性分别不低于δI,δQ,δR，并且同时具有最小的通信时延。

[0057] 本发明步骤5包括如下步骤：

[0058] 步骤5‑1：在步骤2所获取的集合UMotifs中，剔除系统性能不满足步骤4中约束条件的拓扑结构，得到新集合U'Motifs。

[0059] 步骤5‑2：在新集合U'Motifs中，选取具有最小通信时延的拓扑结构 实现卫星网络拓扑设计。

[0060] 综上所述，本发明的有益效果为：通过motif的选取实现静态拓扑设计，有效降低了系统对于星间链路的切换成本；在拓扑优化的过程中，从系统通信时延、容量、抗毁性以及可靠性四个方面对卫星通信系统性能进行分析与评估，并且更具上述指标对卫星网络拓扑结构进行分析和优选。相对于现有技术，本发明可以通过对通信性能的约束进行卫星网络拓扑结构的优化，从而改善卫星通信系统的容量、抗毁性以及可靠性等相关性能。

附图说明

[0061] 图1是基于通信性能约束的大规模低轨卫星网络拓扑优化流程图。

[0062] 图2是大规模低轨卫星通信系统场景框图。

[0063] 图3是motif结构示意图。

[0064] 图4是motif结构选取流程图。

[0065] 图5是基于motif的卫星网络拓扑设计流程图。

[0066] 图6是系统路径距离拉伸的评估结果图。

[0067] 图7是系统路径传输跳数的评估结果图。

[0068] 图8是系统容量的评估结果图。

[0069] 图9是卫星节点被路径经过次数的方差统计图。

[0070] 图10是系统可靠性的评估结果图。

[0071] 图11是最优拓扑所对应的motif结构示意图

[0072] 图12是不同拓扑方案下卫星系统性能对比图。

具体实施方式

[0073] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0074] 本发明通过对系统的分析和评估，提出了基于通信性能约束的大规模低轨卫星网络拓扑优化方法，该方法可以通过卫星网络拓扑结构设计改善系统的容量、抗毁性以及可靠性。

[0075] 如图1所示，一种基于通信性能约束的大规模低轨卫星网络拓扑优化方法包括以下步骤：

[0076] S101：通过带权重无向图表示卫星通信系统拓扑。

[0077] S102：根据基于可重复单元(motif)进行卫星网络拓扑设计。

[0078] S103：根据通信时延、容量、抗毁性以及可靠性对系统的通信性能进行分析评估。

[0079] S104：在步骤3的基础上获取基于通信性能约束的卫星网络拓扑优化模型。

[0080] S105：根据优化模型筛选最优的卫星网络拓扑结构。

[0081] 下面结合附图及实例对本发明的应用原理作详细的描述。

[0082] 如图2所示，本发明实施实例的应用场景为基于大规模低轨星座的卫星通信系统，系统由卫星星座、城市地面站以及星地链路三个部分组成，卫星星座设置为Starlink第一阶段部署的卫星星座，星座共有24个轨道面，每个轨道面具有66颗卫星，轨道倾角为53°，轨道高度为550km，相位因子为1。地面城市站设置为根据全球人口最多的前100个城市。星地链路根据星地可视性确定，在满足星地可视性的前提下，每个城市选取与其星地距离最短的卫星建立星间链路，每颗卫星在满足星间可视性的前提下，允许建立的最大星间链路数目为4。当存在通信需求时系统数据发送流程如下，1)城市首先将数据通过星地链路传输至其接入星；2)发送城市接入星通过星间链路将数据发送到接收城市接入卫星；3)接收城市接入卫星将数据传输给接收城市。

[0083] 本发明实施例提供的一种基于通信性能约束的大规模低轨卫星网络拓扑优化方法包括以下步骤：

[0084] 步骤1：通过带权重无向图G＝{V,E}＝{U,City,Eudl}表示卫星通信系统拓扑，其中V＝{Sats,City}表示节点集合，由卫星节点集合Sats以及地面城市终端节点集合City组成，根据卫星星座的轨道数以及轨道面卫星个数，卫星节点集合表示为

[0085] Sats＝{(m,n)|m＝1,…,24；n＝1,…,66}

[0086] 其中(m,n)分别表示第m个轨道内的第n个卫星节点，城市集合表示为[0087] City＝{city|city＝1,…,100}

[0088] 其中city表示城市编号。E＝{Eisl,Eudl}表示边集合，星间链路集合Eisl通过卫星网络拓扑设计获取，星地链路集合Eudl根据星地可视性确定，在满足星地可视性的前提下，每个城市选取与其星地距离最短的卫星建立星间链路，边的权重表示链路的距离长度。U表示卫星网络拓扑。

[0089] 步骤2：基于星间可视性关系选取可重复单元集合Motifs，并根据可重复单元获取卫星网络拓扑设计方案集合UMotifs：

[0090] 步骤2‑1：根据星地可视性筛选出所有可重复单元motif，组成motif集合Motifs。

[0091] 参考图3，motif结构由三颗卫星以及两条星间链路组成在motif结构中，卫星A为基准卫星，卫星B与卫星C则是与卫星A的任意两颗可视卫星，且卫星A与这两颗可见卫星之间存在星间链路。因此用卫星B以及卫星C的轨道相对偏移以及轨道面上相对偏移即可表示motif，

[0092] motif＝{(xB,yB),(xC,yC)}

[0093] 其中(x·,y·)表示卫星·的轨道相对偏移量以及轨道面上卫星相对偏移。

[0094] 参考图4，在选取motif时，首先选取赤道附近的一颗卫星A作为基准卫星，然后获取卫星A的所有可见卫星；最后在可见卫星中选取卫星B与卫星C建立星间链路，组成motif拓扑结构，并且在选取过程中需确保三颗不能处于同一轨道面内。在Starlink场景中，根据可视性分析星间链路的最大距离为5014km。

[0095] 由于赤道附近卫星距离最大，因此根据上述流程所获取motif中的星间链路在卫星运行周期内始终满足星间可视性关系。根据图4所述方法选取的所有motif组成可重复单元集合Motifs，在本发明实例中集合Motifs共包含632种motif。

[0096] 步骤2‑2：将集合Motifs中的所有元素填充满星座，组成卫星网络拓扑候选集合UMotifs：

[0097] UMotifs＝{Umotif|motif∈Motifs}

[0098] 其中Umotif表示motif对星座进行填充后对应的卫星网络拓扑。

[0099] 基于motif的卫星网络拓扑设计流程参考图5，具体流程为将星座中的每颗卫星依次作为基准卫星，并且按照拓扑结构建立星间链路，并且在建立卫星A与卫星B的星间链路之前，首先对卫星A的链路数目进行判断，若卫星A或卫星B已具有4条星间链路，则跳过卫星A与卫星B的链路建立过程，同样在建立卫星A与卫星C的星间链路之前，首先对卫星A的链路数目进行判断，若卫星A或卫星C已具有4条星间链路，则跳过卫星A与卫星C的链路建立过程。

[0100] 步骤3：对于步骤2中不同的卫星网络拓扑结构Umotif∈UMotifs，对系统的通信时延、容量、抗毁灭性以及可靠性进行评估：

[0101] 步骤3‑1：根据卫星通信系统拓扑Gmotif＝{Umotif,City,Eudl},通过Dijsktra算法获取所有地面城市终端之间的最短路径，任意两个城市A,B∈City之间的路径表示为[0102] Path(A,B)＝{l1(A,B),l2(A,B),…,lK(A,B)}

[0103] 其中lk(A,B),(k＝1,2,…,K)表示城市对(A,B)之间路径所经过的第K条链路。

[0104] 步骤3‑2：通过路径的距离拉伸以及传输跳数均值对系统的通信时延性能τmotif进行评估：

[0105] τmotif＝Smotif+Hmotif

[0106] 其中Smotif,Hmotif分别表示端到端路径的距离拉伸均值以及传输跳数均值，即[0107]

[0108] 其中Ncity_pairs表示地面城市集合City中任意两个城市组成的城市对个数，S(Path(A,B))表示城市对(A,B)之间的传输路径的距离拉伸；H(Path(A,B))表示城市对(A,B)之间的传输跳数。

[0109] 系统传输路径的距离拉伸评估结果参考图6，图6横轴范围为1,2,……,632,对应集合Motifs中的motif个数，横轴取值i表示集合Motifs中的第i个motif，纵轴取值表示该motif填充形成卫星网络拓扑Umotif时系统传输路径的距离拉伸评估指标Smotif。

[0110] 系统传输路径的传输跳数评估结果参考图7，图7横轴范围为1,2,……,632,对应集合Motifs中的motif个数，横轴取值i表示集合Motifs中的第i个motif，纵轴取值表示该motif填充形成卫星网络拓扑Umotif时系统传输路径的跳数评估指标Hmotif。

[0111] 步骤3‑3：当所有地面城市之间均存在通信需求时，通过所有传输路径的总带宽对通信系统容量Imotif进行评估：

[0112]

[0113] 其中I(A,B)表示城市对(A,B)之间的传输路径带宽，由组成路径的所有链路被分到的带宽资源最小值确定，即

[0114]

[0115] where

[0116] lk(A,B)∈Path(A,B)

[0117] 其中 表示链路lk(A,B)被分配到用于城市对(A,B)之间通信的最大带宽，实施方案中每条链路所能提供的传输带宽为5Gbps。

[0118] 系统容量评估结果参考图8，图8横轴范围为1,2,……,632,对应集合Motifs中的motif个数，横轴取值i表示集合Motifs中的第i个motif，纵轴取值表示该motif填充形成卫星网络拓扑Umotif时系统的容量指标Imotif。

[0119] 步骤3‑4：通过卫星节点被传输路径经过次数的分布均匀程度来对系统的抗毁性Qmotif进行评估：

[0120]

[0121] 其中 表示卫星节点被传输路径经过次数的方差。当 越小，卫星节点被传输路径经过次数越均匀，在卫星故障的越少的城市对之间的通信质量会受到影响，系统的抗毁性也就越强。

[0122] 系统抗毁性评估依据 的计算结果参考图9，图9横轴范围为1,2,……,632,对应集合Motifs中的motif个数，横轴取值i表示集合Motifs中的第i个motif，纵轴取值表示该motif填充形成卫星网络拓扑Umotif时卫星节点被传输路径经过次数的方差。

[0123] 步骤3‑5：通过传输路径的可靠性均值对系统的可靠性Rmotif进行评估，即[0124]

[0125] 其中R(A,B)表示路径的可靠性，为路径中所有链路的可靠性的乘积，即[0126]

[0127] 其中 表示链路lk(A,B)的可靠性，由距离可靠性以及俯仰角可靠性确定，链路l的距离可靠性Rl(d)根据星间链路距离d获取

[0128]

[0129] 其中disl_max表示星间链路的最大距离，链路l的俯仰角可靠性Rl(β)根据卫星间的俯仰角β获取

[0130]

[0131] 其中βmax其表示卫星天线最大扫描范围。链路l的可靠性根据距离可靠性以及俯仰角可靠性获取

[0132]

[0133] 系统可靠性评估结果参考图10，图10横轴范围为1,2,……,632,对应集合Motifs中的motif个数，横轴取值i表示集合Motifs中的第i个motif，纵轴取值表示该motif填充形成卫星网络拓扑Umotif时系统的可靠性指标Rmotif。

[0134] 将通信时延指标作为目标代价函数，系统的容量、抗毁性、可靠性作为约束条件，获取卫星网络拓扑设计的优化模型：

[0135]

[0136]

[0137] 其中δI,δQ,δR分别表示系统容量、抗毁性以及可靠性的约束阈值，取值分别为1600Gbps、‑500以及0.8。

[0138] 步骤5：根据优化模型筛选最优的卫星网络拓扑结构。

[0139] 步骤5‑1：在步骤2所获取的集合UMotifs中，剔除系统性能不满足步骤4中约束条件的拓扑结构，得到新集合U'Motifs。

[0140] 步骤5‑2：在新集合U'Motifs中，选取具有最小通信时延的拓扑结构 实现卫星网络拓扑设计。

[0141] 步骤5.2所获取的卫星网络拓扑 对应的motif*可重复单元结构参考如图11所示，其结构表示为

[0142] motif*＝{(1,‑6),(2,2)}

[0143] 图12对比了基于Grid模型的卫星网络拓扑设计(方案1)，Debopam等人提出的基于Motif的拓扑设计(方案2)以及本专利提供的基于通信性能约束的大规模低轨卫星网络拓扑优化(方案3)这三种方案的拓扑结构对于通信性能的影响。参考图12，相比于方案1，方案3除了系统可靠性和时延拉伸性能有所恶化，其他通信性能指标均有大幅度优化；相比于方案2，方案3虽然在时延性能恶化了1.3％，但是系统容量优化了24.4％，系统的抗毁性优化了25.5％，可靠性优化了6.25％。该节过验证了基于通信性能约束的大规模低轨卫星网络拓扑优化可以有效提高卫星通信系统的容量、抗毁性以及可靠性。

[0144] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。