低地球轨道卫星网络节能方法*

天地一体化网络信息系统中，天基网络系统的有效性非常重要，作为天基网络节点的星载网络设备的工作状态则是一个非常关键的决定因素。在卫星整体设计中，能耗指标非常紧张，能够留给网络设备的空间往往十分有限。与对地静止轨道(GEosynchronous Orbit, GEO)卫星长期被太阳照射相比，低地球轨道(Low Earth Orbit, LEO)卫星在几乎每一轮自转周期内都会移动到地球的阴暗面，在此期间卫星只能依靠太阳能电池供电。因此，对于LEO卫星网络而言，采用合理的路由方法，合理分配网络流量，尽可能地关闭空闲的星载网络设备和星间、星地链路，折中选择路由跳数与处理开销，将成为降低能耗的有效途径。

本文采用经典的快照路由算法[1]，将网络周期划分为多个连续的时间片，在每个时间片内确保网络的拓扑结构保持不变，从而隐藏卫星网络的动态性。通过借鉴链路容量受限的最小代价多商品流模型思想[2]，针对卫星网络这一特殊应用环境的特点进行了修改和扩展，提出了新的卫星节点流量启发式算法。在满足星间、星地链路容量的限制条件下，通过尽可能地关闭不必要的卫星网络节点、星地和星间链路，调整卫星网络的流量分布，有效降低卫星网络的总能耗。

1 相关研究

从Gupta等[3]引入单个网络设备节能的概念后，Barford等[4]从特定的拓扑出发，提出通过打开必需的网络设备来减少整个网络能耗的方法，并采用标准的容量受限的最小代价多商品流(Capacitated Multi-commodity minimum Cost Flow, CMCF)模型来描述该问题，随着设备的增加，算法的复杂性快速增加。而Chiaraviglio等[5]以更

当今服装品牌想要生存发展，一定要借助时代的趋势，更应该抓住现在良好的机遇。随着移动互联网的发展，微信开始借势崛起，逐渐在企业的发展和成长中扮演着越来越重要的角色。那么，怎样才能更好地利用微信营销，让其更好地发挥服装品牌价值呢？ “沐春风而思飞扬，凌秋云而思浩荡”，中国文化的 “天人合一”在节序如流中呈现出缤纷从容之美，服饰是季节的名片，也是顺天应物的表达。在这个互联网的时代，时尚一定不再是一个独立的存在，不再是画几张图纸，做几件衣服那么简单。传统的服装品牌应该从自身出发，选择合理的转型战略，同时还要根据自身的能力在转型过程中不断进行调整。

为普遍实用的骨干网络模型为基础，将该问题归结为链路容量受限的最小代价多商品流模型问题，即NP-hard问题，并提出了启发式算法求解近似最优解，测试结果表明节点和链路的关闭比例分别能达到30%和50%。Fisher等[6]提出了一种简单的启发式算法来关闭主干网络中的一束链路。Cianfrani等[2]对开放式最短路径优先(Open Shortest Path First, OSPF)协议进行了修改以减少链路的使用，并发现真实的网络中有超过60%的链路可以关闭。

上述方法均是针对地面有线和无线网络采取的节能措施，而对于卫星网络这一特定的网络场景，由于通信链路以及网络拓扑的特殊性，直接应用上述方法均不能获得较好的节能效果。

在卫星网络领域，Fu等[7]分析了单颗卫星的最优能量分配和准入控制问题，通过动态规划的方法获得最优策略来选择服务哪个传输请求以获得最大的系统收益。Hefeeda等[8]将卫星的多媒体广播流以高比特率的burst的形式发送，而不是持续的低速模式发送，从而在发送的空闲时间关闭射频(Radio Frequency, RF)以节约能源；通过选择不同信道速率的burst时间片的长度和起始时间调度(同样为NP-complete问题)，提出了多项式时间可解的次优化方法来最大化网络范围内的节能效果。然而，上述方法大多针对单颗卫星的能源分配进行优化，没有考虑到整个卫星网络或卫星星座的节能性能。

张同波：为使公司持续健康发展，必须运用现代管理理念，提升公司的品牌和实力。2008年下半年，尤其是第四季度，受国际金融危机的影响，钢材需求大幅度萎缩，价格暴跌，资源、产品、物流市场价格剧烈震荡，整个钢铁行业陷入大面积亏损状态，许多企业纷纷被迫限产、停产，新兴铸管同样面临极其严峻的挑战。公司认真贯彻落实董事会和监事会的指示，开始探索试行模拟法人经济实体运行、产供销运用快速联动机制。

  

图1 卫星平台及其子系统示意图[9]Fig.1 Satellite platform and its main subsystems[9]

卫星平台及其子系统如图1所示，其中电池能源子系统为产能部件，其余推进、遥测、姿态控制、指控、星上处理、通信等子系统均为耗能部件。对于在固定轨道稳定运行的LEO网络通信卫星而言，通信子系统所占的能耗比例应远高于其余子系统。因此，在卫星网络中作为网络节点的卫星，其耗能部件主要包括上下行链路转发器、星间链路转发器、星上处理器以及平台控制和维护部件等[9]，其中上下行链路转发器和星间链路转发器由于使用频繁，耗能比重最大。因而对于全球多重覆盖的LEO卫星网络而言，通过关闭卫星节点和链路转发器来节约能源的方法，将具有很好的节能应用前景。

2 卫星网络模型

2.1 问题描述

在此，卫星网络模型采用类似铱星的极轨道全球覆盖星座，卫星具有星间链路和星上路由功能，网络结构类似Manhattan网络结构[10]。通过采用虚拟拓扑[1]的方法，假设卫星网络拓扑在一个快照内是固定不变的。根据卫星运动的周期性和可预测性，每个快照内的卫星网络拓扑也是可预知的。

卫星网络作为通信骨干网络，通过上下行链路汇聚地面终端节点的数据流量，并通过卫星网络路由转发。铱星系统星地覆盖在任何时刻，地面固定节点同时被1颗以上的铱星卫星节点覆盖，因此可以通过将流量引入相邻的多重覆盖卫星上，关闭冗余的星地链路。LEO卫星星间链路网络本身的冗余链路使得星间链路(Inter-Satellite Links, ISLs)的关闭成为可能。因此，覆盖区域内有活跃地面站的卫星节点也可以被关闭以达到节能效果。

其中，α为链路容量系数，即要求链路流量不超过链路最大容量的比例。

4) 设为卫星节点i的UDL链路转发器通过的总流量值，设卫星节点i覆盖的地面终端节点集合为Ci，NCi=|Ci|，可得

在通信接口未关闭之前，考虑到通信部件总是处于工作模式，因此假设设备的能耗与传输次数相互独立。

2.2 链路容量设计

由于网络模型采用网络流的形式，对链路设定一个实际网络中的链路容量值并不能有效地反映卫星网络的链路拥塞状况，因而在已知最小跳数路由流量分布的情况下，选用UDL和ISL最高流量值的β(β=3)倍作为UDL和ISL链路最大容量。设在最小跳数路由时的流量分布情况下，所有卫星的UDL、ISL链路流量最大值为从而UDL、ISL的链路最大容量为：

 

(1)

 

(2)

显而易见，现有的网络容量能够满足网络的流量需求。但当关闭空间网络的部分UDL、ISL后，剩余的ISL链路容量会成为限制其流量汇聚的因素之一。

2.3 网络流量设计

假设地面节点统一为地面终端节点，而不考虑卫星网络管理等节点，只有地面节点之间存在数据流量，该流量通过卫星网络中转传输。由于近期未出现关于卫星网络流量分布的资料，本文仍基于Voilet等给出的关于2005年的卫星网络电话流量预测[11]来模拟当前的卫星网络流量，该预测将全球分为24×12个经纬度二维等分的区域，假定每个区域(cell)会产生的电话流量(单位为：百万分钟/年)为fcell。采用该数据流量的比例来产生卫星网络流量。设每个cell中的端到端流量参数为tsd，tsd与cell流量值fcell成正比，与cell间距离distance(s,d)成反比，即：

此外,MMSPEED和QAGOR路由随空洞尺寸增加而数据包传递率迅速下降,而DG-SHGR路由仍保持稳定。原因在于:DG-SHGR路由引用雷区概念。从图7可知,即使在D=0.2 s时,DG-SHGR路由仍保持75%的数据包传递率,而在D=0.5 s和D=0.8 s时,数据包传递率保持95%以上。相反,在最糟糕的情况下(Topologies 18),MMSPEED路由在D=0.2 s、D=0.5 s和D=0.8 s 3种条件下的数据包传递率下降至30%、55%和61%。

∀s，d∈Vsat

(3)

式中，Vsat表示卫星节点集合，γ=U[0,1]为0、1之间均匀分布的随机数，用于增加网络流量的随机性。因此，通过合理设定参数值δ，cell中的终端主要与其附近的cell进行通信，较远的流量仅存在于流量较高的cell。distance(s,d)表示cell s与cell d中心点之间的地面距离：

 

(4)

式中，θsd为cell s与cell d之间的地心角，R·θsd为cell s与cell d之间的地球表面距离。当cell s内部存在数据流量时，该distance(s,d)选用cell s和右侧临近的cell s+1之间距离的一半表示。

为了使流量模型更接近现代宽带移动卫星网络的真实流量，本文使用流量参数tsd作为比例参数，计算cell s与cell d之间的流量Tsd为：

 

(5)

式中，Nsat表示卫星节点的数目，Ttotal表示网络的总流量值(单位：Mbit/s)。

3 建模分析

假设卫星网络结构为有向图G = (V, E)。边集合E表示网络链路，顶点集合V表示网络节点，其中的地面节点用Vground表示，卫星节点用Vsat表示。节点数目为N=|V|，Nground=|Vground|，Nsat=|Vsat|，链路数目为L=|E|。cUDL为卫星节点的星地链路容量，cISL为卫星节点的星间链路容量。

房屋建设中的桩基工程是房屋建筑工程体系中的重要组成部分，通常由桩群、桩端承载台共同组成，分预制桩与灌注桩两种施工方法，用于改善房屋建筑施工环境，提升地基承载力，支撑房屋建筑整体结构[1]。因此，提升与保证桩基工程质量是增强建筑稳定性、安全性、可靠性的关键，对推动房屋建筑优化发展具有重要现实意义。基于工作经验总结与归纳，下面就现阶段房屋建设中常用的桩基施工技术进行了介绍。

在考虑关闭节点和链路以降低能耗的同时，也需要考虑节点和链路关闭对路由路径长度的影响，假设hoprouting表示当前卫星网络中点到点路由路径的总跳数的增长比例，hopflow表示网络流量部署过程中所流经的路由路径总跳数的增长比例。假设η为流量所经过路由跳数增长比例的最大值，并满足hopflow≤η。

流量相关参数定义：

比如说，在讲授《赵州桥》这篇课文的时候，老师可以利用微课把赵州桥的图片展现给学生，让学生通过观看赵州桥的图片来总结其的结构特点，在学完这篇课文以后，老师可以要求学生结合课文充分发挥自己的想象力来设计一座桥，提升学生的创造能力以及想象力。在教学过程中对于一些积极回答问题的学生要及时给予鼓励，这样还可以把学生学习的积极性彻底激发出来，进而使语文教学效率得到一定程度上的提升。

1) 设Tsd(s，d=1，…，Nground)表示从源节点s到目的节点d的总流量；

2) 设为终端源节点s到目的节点d之间的流量从链路Eij上流过的流量值；

假设表示卫星节点i到卫星节点j的星间链路是否打开，为1则打开，为0则关闭；设表示卫星节点i的星地链路是否打开；设yi∈{0,1}来表示卫星节点i是否打开表示星间链路ISLij的能耗值；表示星地链路UDLi的能耗值；PNi表示卫星节点i的能耗值，包括ISL、UDL和星上处理(On-Board Processing, OBP)部件三部分。

3) 设fij(i，j=1，…，Nsat)表示星间链路Eij上流过的总的流量值，则有

 

(6)

此外，由于卫星的测控需要，卫星节点并不能完全断电，文中所说的关闭卫星节点是指关闭卫星的通信模块，包括上下行链路、星间链路和星上处理模块。关闭卫星节点和链路会导致大量的最短路径断开，增加平均路由长度、路由延时和计算开销。

 

(7)

本文所关注的问题，即在保证网络连通性和数据传输服务质量的条件下，最大限度地关闭卫星网络中的卫星和链路，可采用整数线性规划方法表示如下：

最小化目标函数：

 

 

(8)

约束条件包括：

1)经典流守恒约束：

 

(9)

 

(10)

 

(11)

2)链路容量约束：

 

(12)

 

(13)

需要说明的是，与地面骨干网络节能问题[5]比较而言，卫星将网络链路分为上下行链路(Up-Down Links, UDLs)和ISLs，其中ISLs与骨干网络[5]中链路具有相同的属性，而具有广播覆盖属性的UDLs则是卫星网络所特有的。为了简化分析，假设卫星采用单波束转发器，一颗卫星上有一个UDL转发器和多个ISL转发器，而地面节点只有一副天线，一次只接入一颗卫星。卫星的星地链路是一对多的关系，一条星地链路包含多个信道，可以同时给多个地面节点服务，只有关闭UDL转发器即关闭所有星地链路信道时，才能实现节能的目的。

科技是第一生产力这个论断，同样适用于高校的食品卫生安全管理。饮食总公司分别对食堂进行了“明厨亮灶”和“视频门禁”两个专项建设。其中，学校通过两期的“明厨亮灶”建设，共投入121万元，在12个楼面食堂共安装286个红外摄像头，实现了对2万多平方米的食堂所有加工区域进行全方位、全时段的实时监控，而且所有视频汇集到总公司中心监控室。而通过“视频门禁”建设，总公司对学校所有食堂的后厨出入通道实现全面刷卡管理。通过这种升级管理手段的办法，师生们对食堂生产加工安全方面的疑虑减少了，总公司对食堂食品安全生产内控的能力增强了。

3)节点关闭的条件是该节点的所有链路都关闭：

 

(14)

4)路由总跳数增长比例约束：

1.2.2 确定合理采光屋面角：采光屋面角，即温室最高透光点到前底角的直线与地面间的夹角。合理时段采光设计，即前屋面采光角为当地地理纬度减去6.5度。

hopflow≤η

(15)

根据上述表达式，该问题可归结为链路容量受限的最小代价多商品流问题[12]，由于多商品流问题是NP-hard问题，无法在多项式时间内求解，本文提出简单的启发式算法来求解。

（四）应交税金。1—8月，国有企业应交税金30069.2亿元，增长8.6%。中央企业21474.6亿元，增长6.6%。地方国有企业8594.6亿元，增长13.9%。

卫星网络的节能效果如图2所示。由于多重覆盖的原因，在预处理时即有45%的星地链路可以关闭，并且网络流量已通过星间链路分布到整个卫星网络，此时没有节点可以直接关闭，只有2%的ISL可以关闭。通过采用UDLorder启发式算法，卫星网络的节能效果较采用ISLorder启发式算法的更为明显，其关闭的卫星节点、UDL和ISL分别为59%、61%和72%，均为所提启发式算法的最佳节能效果。假设每个卫星节点、UDL和ISL有相同的功耗值，即则总的节能比例能达到65%。

4 启发式算法

对地面骨干网络节能方法[5]中提出的启发式算法进行了修改和完善，考虑了卫星网络上下行链路特殊的广播属性，即在卫星节点关闭过程中均要检查地面站的全面覆盖，并在卫星节点和链路的排序选择上也加强了贪心算法的渐进效果。具体的算法机制如算法1所示。

1.3统计学方法 本次实验数据采用SPSS12.0软件进行统计学分析,其中,计量资料采用均数±标准差(±s)来表示,组间对比采用t检验,计数资料对比采用X2检验,以P<0.05为差异有统计学意义。

 

算法1 启发式算法

 

Alg.1 Heuristic algorithm

  

初始化:采用最小跳数路由算法计算卫星节点间的点到点路由,并将所有的网络流量按照该路由路径部署到整个卫星网络中。/*预处理阶段*/1. 关闭UDL、ISL流量均为0的卫星节点2. iffUDLi==0then关闭卫星i的UDL链路endif3. iffISLij==0then关闭卫星i和卫星j间的ISL链路endif/*卫星节点关闭阶段*/4. 将所有卫星以UDL或ISL链路流量升序排序5. fori=0to卫星总数Nsat(按流量排序选取卫星)6. if卫星i的UDL覆盖范围存在多重覆盖then7. 关闭卫星i及其所有链路8. endif9. 计算卫星网络新的最短路径路由和流量分布10. if卫星网络无法计算最短路径路由‖网络流量分布超过某一链路容量then11. 打开卫星i及其所有链路12. endif13.endfor/*卫星链路关闭阶段*/14.将所有卫星以UDL(ISL)链路流量升序排序15.fori=0to剩余卫星数目(按流量排序选取卫星)16. 关闭卫星i的UDL(ISL)链路17. 计算卫星网络新的最短路径路由和流量分布18. if卫星网络无法计算最短路径路由‖网络流量分布超过某一链路容量then19. 打开卫星i的UDL(ISL)链路20. endif21.endfor/*最终检查阶段*/22.关闭UDL、ISL流量均为0的卫星节点

初始状态：首先假设所有卫星节点、星地链路和星间链路均处于开启状态，即然后使用最小跳数路由算法计算卫星节点间的点到点路由，并将已知区域流量分布按照该路由路径部署到整个卫星网络中。

算法主体主要包括预处理阶段、卫星节点关闭阶段、卫星链路关闭阶段和最终检查阶段，由于卫星节点的关闭包含星间链路和星地链路的关闭，因此算法中先考虑卫星节点的关闭。

预处理阶段：算法首先关闭UDL和ISL流量同时为0的卫星节点，因为此类卫星节点并没有参与网络流量的转发。然后，关闭所有流量为0的星地链路和星间链路。

卫星节点关闭阶段：算法首先将卫星节点按链路的流量排序，如UDL流量值升序排列(UDLorder)或ISL流量值升序排列(ISLorder)，然后按照该顺序依次尝试关闭卫星节点，并将网络流量在全网范围内进行重新部署。若关闭该节点后的网络流仍能够满足流量守恒约束式(9)～(11)、链路容量约束式(12)～(13)和路由总跳数增长比例约束式(15)，则确认关闭该节点；若网络流无法满足上述约束，则恢复打开该节点，并按照排序依次选择下一节点进行关闭。

UDLorder排列方法是按照式(10)中的进行排列，而ISLorder则是按照流经该卫星节点的所有星间链路的流量之和进行排列，即：

我国气电装机以5大发电集团为主，其气电发电量占全国的50%，其中华电集团、华能集团气电装机规模较大，2017年分别达到1432万千瓦和1042万千瓦。中国海油依托上游天然气产业的优势，开发建设了较多气电项目，装机总量达到846万千瓦。另外，京能、深能源、浙能和粤电等地方发电企业的气电装机总量也分别达到478、318、236和234万千瓦。国电、神华合并后，气电装机总量达到199万千瓦（见图3）。

 

(16)

卫星链路关闭阶段：与卫星节点关闭阶段采用的方法类似，依然采用试探性关闭的方法，首先将链路按照一定的顺序排序，然后依次在每次迭代中关闭一条链路，若此时的网络流仍能满足流量守恒约束式(9)～(11)、链路容量约束式(12)～(13)和路由总跳数增长比例约束式(15)，则关闭该链路，否则恢复打开该链路。由于卫星节点必须覆盖地面所有的流量需求，因此即使存在双重覆盖，部分卫星的UDL也是不能关闭的。基于上述原因，本算法首先考虑关闭UDL，其次考虑关闭ISL。

最终检查阶段：算法再次检查是否存在UDL和ISL流量都为0的卫星节点，若存在，则直接关闭该卫星节点。

5 算法节能性能分析

通过仿真模拟实验，完成了启发式算法在卫星拓扑快照路由情况下的节能性能分析，即关闭的卫星节点比例、UDL比例和ISL比例。算法程序在五种不同时间的卫星网络拓扑快照中采用随机的网络流量进行测试，参数默认值设定为α=0.5，β=3，δ=1，η=1.6。由于文章篇幅限制，未加入参数设置对实验性能影响部分内容。

1.家长教育方法不当。有些语文“学困生”在幼儿时期就缺少父母的启蒙教育，孩子形成了不善言辞，不善交流的习惯。当然，也有些语文“学困生”与此情况正好相反，在幼儿时期受到了良好的教育，语言发展很好，但由于过分依赖父母，进了小学之后，学习的压力增加了，父母的帮助少了，不能自然跨越“拼音识字关”“阅读写作关”，逐渐产生畏难情绪。

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图2 卫星网络节能比例Fig.2 Energy-saving ratio of satellite network

6 结论

本文讨论了基于快照路由的卫星网络节能问题，即如何在保证网络连通性和满足一定的链路带宽限制的条件约束下，达到最大化节能效果。将该问题归结为链路容量受限的最小代价多商品流问题，并采用整数线性规划方法对该问题进行了描述。基于卫星的多重覆盖机制，提出了启发式算法将分布在多个卫星上的流量汇聚到单颗卫星上，从而关闭部分不需要的卫星节点、星地链路和星间链路。实验证明，在链路利用率α=0.5和路由跳数增加比例η=1.6的参数设置下，卫星网络的总节能比例为65%，算法关闭卫星节点、星地链路和星间链路的比例分别可达59%、61%和72%。

参考文献(References)

[1] Gounder V V, Prakash R, Abu-Amara H.Routing in LEO-based satellite networks[C]//Proceedings of IEEE Emerging Technologies Symposium on Wireless Communications and Systems, 1999: 91-96.

[2] Cianfrani A, Eramo V, Listanti M, et al.An energy saving routing algorithm for a green OSPF protocol[C]//Proceedings of IEEE Conference on Computer Communications Workshops, 2010: 1-5.

[3] Gupta M, Singh S.Greening of the internet[C]// Proceedings of ACM Special Interest Group on Data Communication, 2003: 19-26.

[4] Barford P, Chabarek J, Estan C, et al. Power awareness in network design and routing[C]//Proceedings of the 27th Conference on Computer Communications, 2008: 457-465.

[5] Chiaraviglio L, Mellia M,Neri F. Reducing power consumption in backbone networks[C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Communications, 2009: 1-6.

[6] Fisher W, Suchara M,Rexford J. Greening backbone networks: reducing energy consumption by shutting off cables in bundled links[C]//Proceedings of the First ACM SIGCOMM Workshop on Green Networking, 2010: 29-34.

[7] Fu A C, Modiano E, Tsitsiklis J N. Optimal energy allocation and admission control for communications satellites[J]. IEEE/ACM Transactions on Networking, 2003, 11(3): 488-500.

[8] Hefeeda M, Hsu C H. On burst transmission scheduling in mobile TV broadcast networks[J]. IEEE/ACM Transactions on Networking, 2010, 18(2): 610-623.

[9] Alagoz F, Gur G. Energy efficiency and satellite networking: a holistic overview[J]. Proceedings of the IEEE, 2011, 99(11): 1954-1979.

[10] Stephen R P, Richard A R, Carl E, et al. An operational and performance overview of the iridium low earth orbit satellite system[J]. IEEE Communications Surveys, 1999, 2(2): 2-10.

[11] Voilet M D. The development and application of a cost per minute metric of the evaluation of mobile satellite systems in a limited-growth voice communications market[D]. Cambridge, MA, USA: Massachusetts Institute of Technology, 1995.

[12] Crainic T G, Gendreau M, Ghamlouche I. Cycle-based neighbourhoods for fixed-charge capacitated multicommodity network design[J]. Operations Research, 2003, 51(4): 655-667.