卫星网络实时分组调度问题研究

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近年来,卫星系统技术日趋成熟,卫星系统的运行管理越发变得重要,而卫星系统运行管理的最主要任务是在地面站与卫星间进行数据通信的调度。对卫星网络的通信调度问题我们主要采取建模的方式。传统的SRS(Satellite Range Scheduling)调度模型:特点是利用整数规划技术实现自动调度,它的调度周期通常以天为单位,并且卫星系统的服务主要是简单的“弯管”模式。随着卫星系统技术的不断发展,星座网络已成为下一代卫星系统的突出技术,而星座维护的一个关键问题是卫星系统之间的通信调度。星座网络的发展使得卫星网络有了新的需求。星座网络在地面站-卫星通信数据调度中引入了星间链路的转发能力,使得卫星系统运营控制中对地面站的依赖度大为降低;同时为满足二代卫星系统实时控制信息刷新频繁的需求,提高卫星系统的自适应能力,需要实现分钟级短周期实时调度。由于传统的SRS调度模型没有考虑星间链路,并存在周期过长等一系列问题,因此它的通信任务的调度已不再适用于最新的星座网络,所以我们必须重新发掘一种新的星间链路调度模型,于是我们提出了SNRS(Satellite Network Range Scheduling)调度模型,其优点是在星间链路的使用,卫星网络通信模型和传统卫星系统大不相同情况下,能够实现星座网络对其控制任务的一些新的通信需求。在SNRS调度模型中,卫星通信任务已不再是简单的在目标星和地面站之间进行,各目标星之间可以实现通信任务的调度。为了保障链路任务的调度可行性以及对卫星系统的控制,我们需要设计好的算法来保证任务调度的时限问题。这就是我们将要研究的卫星网络实时分组调度问题。主要研究内容如下:(1)针对星座网络的新需求,即实现实时信息控制和提高星间链路的转发能力,建立星座网络的新调度模型SNRS。(2)通过将整数等划分问题多项式时间归约到SNRS,从而证明了SNRS问题是NP完全的。(3)通过将Three-Partitioning问题多项式时间归约到周期任务调度问题,从而证明周期任务调度问题是NP完全的。(4)通过对固定优先级的周期任务调度问题进行证明,得出如下结论:①周期不同的两个简单任务进行不可抢占调度,在固定优先级中采用短周期任务优先策略调度为最优;②周期相同的两个简单任务进行不可抢占调度,在固定优先级中采用执行时间长任务优先调度策略为最优;③相位不同、周期不同的两个简单任务进行不可抢占调度,在固定优先级中采用短周期任务优先调度策略为最优;④相位不同、周期相同的两个简单任务进行不可抢占调度,在固定优先级中采用执行时间长任务优先调度策略为最优;⑤周期不同的多个任务进行不可抢占调度,在固定优先级中采用短周期任务优先调度策略为最优;⑥周期相同的多个任务进行不可抢占调度,在固定优先级中采用执行时间长任务优先调度策略为最优。(5)通过对静态优先级、动态优先级以及SNRS进行仿真,得出如下结论:①静态优先级调度下的三种情况:即相位为零、时限等于周期,相位不为零、时限等于周期,以及相位为零、时限不等于周期,这三种情况都采用短周期优先调度策略为最优;②动态优先级调度下EDF(Earliest-Deadline-First,最早时限优先)调度策略比LST(Least-Slack-Time-First,最小空闲时间优先)调度策略相对较优;③EDF在决定任务命令阶段胜过随机策略且最小距离路径比随机路径要好;④任务命令比路径选择有更重要有效的调度表现;⑤EDF-最小距离算法和EDF-随机算法在任何负载下都有50%以上的正常吞吐量。
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