基於衛星軌道信息輔助最佳加權信噪比的中繼選擇方法與流程

2023-05-16 07:55:17 1

本發明屬於通信技術領域，涉及一種基於衛星軌道信息輔助最佳加權信噪比的中繼選擇方法，可用於在低軌衛星協作通信。

背景技術：

協作通信是對抗衰落的有效途徑，其應用最為廣泛的場景為經典的三點中繼模型，其中包括源節點、中繼節點和目的節點，其傳輸過程可分為兩個階段，第一階段，源節點廣播數據，第二階段，僅中繼節點給目的節點發送數據。近些年來，低軌衛星通信由於組網靈活，運行軌道低，星地鏈路傳輸時延較小等特點引起了學者們的廣泛關注。但星地鏈路存在的深度衰落一直是制約衛星通信發展的因素之一，而協作通信技術可以很好的對抗衰落，因此最近幾年學者們開始考慮將協作技術應用到衛星通信中，根據選取協作對象的類型分為兩大類：星地協作通信和星間協作通信，其中星地協作通信是源節點是衛星，中繼節點是地面站，目的節點地面站，星間協作通信是源節點是衛星，中繼節點是衛星，目的節點是地面站。目前現有的中繼選擇方法集中在星地協作通信中，如：S.Sreng在2013年ICC會議上提出一種最大信噪比算法，選取中繼到目的節點鏈路質量最好的中繼節點作為中繼。相比較星地協作通信，星間協作通信中繼節點與目的節點存在較遠的距離和極高的相對運動的特點，導致中繼節點和目的節點之間信道存在反饋時延較大，都卜勒效應顯著，此外，衛星還具有能量受限的特點，這些特點會給中繼選擇帶來一定的挑戰。現有的技術在星間協作通信下會存在以下不足：採用實時信道狀態信息反饋會帶來很大的系統開銷；頻繁選擇性能最優的節點會導致節點能量消耗過快，而系統中信道質量較差的節點，由於被選擇次數少，得不到有效的利用，也就是中繼節點機會公平性低。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服上述存在的缺陷，提出了一種基於衛星軌道信息輔助最佳加權信噪比的中繼選擇方法，用於解決現有中繼選擇方法存在的系統開銷大和衛星中繼節點機會公平性低的技術問題。

為實現上述目的，本發明採取的技術方案包括如下步驟：

(1)從低軌衛星通信系統中選取一顆主星，並獲取該主星在24小時內與地面站通信的起始時刻t0和終止時刻t1；

(2)利用主星通信的起始時刻t0和終止時刻t1，選取低軌衛星通信系統中與地面站可通信除主星外的其他衛星，得到衛星中繼備選集合，實現步驟為：

(2a)以秒為單位，對主星通信的起始時刻t0和終止時刻t1取整化簡，得到取整後主星通信的起始時刻t′0和終止時刻t1'；

(2b)獲取低軌衛星通信系統中除主星以外所有衛星通信的起始時刻toj和終止時刻t1j，其中j＝1,2,3…N，N是低軌衛星通信系統中除主星以外其他衛星的個數，同時以秒為單位，對低軌衛星通信系統中除主星以外所有衛星通信的起始時刻toj和終止時刻t1j取整化簡，得到取整後低軌衛星通信系統中除主星以外所有衛星通信的起始時刻toj'和終止時刻t1j'；

(2c)選取除主星以外的衛星的通信起始時刻toj'和終止時刻t1j'在主星的通信起始時刻t0'和終止時刻t1'時間段內的所有衛星，作為衛星備選中繼集合；

(3)初始化系統時刻t＝t0'，並初始化衛星中繼備選集合中各衛星的收益函數ui＝1，i＝1,2,3,…,n，其中n是衛星中繼備選集合中衛星的個數；

(4)獲取系統時刻t時主星和衛星中繼備選集合中各衛星的軌道信息，並利用這些軌道信息計算衛星備選中繼集合中各衛星對地面站的接收端信噪比γi，實現步驟為：

(4a)在系統時刻t時，分別獲取主星、衛星中繼備選集合中各衛星和地面站的經緯度坐標，並分別計算笛卡爾坐標系下主星、衛星中繼備選集合中各衛星和地面站的坐標；

(4b)根據笛卡爾坐標系下主星的坐標、衛星中繼備選集合中各衛星的坐標和地面站的坐標，分別計算主星對地面站的距離dSD、衛星中繼備選集合中各衛星對地面站的距離和主星對衛星中繼備選集合中各衛星的距離

(4c)根據主星對地面站的距離dSD、衛星中繼備選集合中各衛星對地面站的距離和主星對衛星中繼備選集合中各衛星的距離分別計算主星對地面站的路徑損耗PLSD、衛星中繼備選集合中各衛星對地面站的路徑損耗和主星對衛星備選中繼集合中各衛星的路徑損耗

(4d)根據主星對地面站的路徑損耗PLSD、衛星中繼備選集合中各衛星對地面站的路徑損耗和主星對衛星備選中繼集合中各衛星的路徑損耗分別計算主星對地面站的接收端平均信噪比γSD、衛星中繼備選集合中各衛星對地面站的接收端平均信噪比和主星對衛星備選中繼集合中各衛星的接收端平均信噪比

(4e)根據主星對地面站的接收端平均信噪比γSD、衛星中繼備選集合中各衛星對地面站的接收端平均信噪比和主星對衛星備選中繼集合中各衛星的接收端平均信噪比計算衛星中繼備選集合中各衛星對地面站的接收端信噪比γi；

(5)利用收益函數ui計算衛星備選中繼集合中各衛星的權重因子wi；

(6)計算加權信噪比wiγi，並選取加權信噪比wiγi中最大值對應的衛星作為系統時刻t時的中繼衛星；

(7)輸出系統時刻t時中繼衛星的編號；

(8)判斷系統時刻t是否大於主星與地面站通信的終止時刻t1'，若是，主星與地面站通信的起始時刻t0'和終止時刻t1'內中繼選擇結束，否則，更新收益函數ui，同時令系統時刻t＝t+1，並執行步驟(4)。

本發明與現有技術相比，具有以下優點：

本發明在獲取衛星備選中繼集合中各衛星對地面站的接收端信噪比時，是根據衛星運行軌道信息計算統計信道狀態信息來實現，消除了採用實時信道狀態信息引入的反饋機制，減少了系統開銷；同時採用衛星備選中繼集合中各衛星對地面站的接收端信噪比和權重因子計算加權信噪比，通過選取加權信噪比最大的衛星中繼節點作為中繼，在選擇中繼的時候同時考慮了各衛星中繼節點的傳輸性能和機會公平性，提高了衛星中繼節點的公平性。

附圖說明

圖1為本發明的實現流程框圖；

圖2為本發明與現有技術的誤比特率性能對比圖；

圖3為本發明與現有技術的機會公平性性能對比圖。

具體實施方式

以下結合附圖，對本發明作進一步詳細說明：

參照圖1，本發明的實現步驟為：

步驟1：從低軌衛星通信系統中選取一顆主星，並獲取該主星在24小時內與地面站通信的起始時刻t0和終止時刻t1；

步驟2：利用主星通信的起始時刻t0和終止時刻t1，選取低軌衛星通信系統中與地面站可通信除主星外的其他衛星，得到衛星中繼備選集合，實現步驟為：

步驟2a：以秒為單位，對主星通信的起始時刻t0和終止時刻t1取整化簡，得到取整後主星通信的起始時刻t′0和終止時刻t1'；

步驟2b：獲取低軌衛星通信系統中除主星以外所有衛星通信的起始時刻toj和終止時刻t1j，其中j＝1,2,3…N，N是低軌衛星通信系統中除主星以外其他衛星的個數，同時以秒為單位，對低軌衛星通信系統中除主星以外所有衛星通信的起始時刻toj和終止時刻t1j取整化簡，得到取整後低軌衛星通信系統中除主星以外所有衛星通信的起始時刻toj'和終止時刻t1j'；

步驟2c：選取除主星以外的衛星的通信起始時刻toj'和終止時刻t1j'在主星的通信起始時刻t0'和終止時刻t1'時間段內的所有衛星，作為衛星備選中繼集合；

步驟3：初始化系統時刻t＝t0'，並初始化衛星中繼備選集合中各衛星的收益函數ui＝1，i＝1,2,3,…,n，其中n是衛星中繼備選集合中衛星的個數；

步驟4：獲取系統時刻t時主星和衛星中繼備選集合中各衛星的軌道信息，並利用這些軌道信息計算衛星備選中繼集合中各衛星對地面站的接收端信噪比γi，實現步驟為：

步驟4a：在系統時刻t時，分別獲取主星、衛星中繼備選集合中各衛星和地面站的經緯度坐標，並分別計算笛卡爾坐標系下主星、衛星中繼備選集合中各衛星和地面站的坐標，其計算公式為：

xs＝(R+h)cosθSlat cosθSlon

ys＝(R+h)cosθSlat sinθSlon

zs＝(R+h)sinθSlat

xD＝Rcosθglat cosθglon

yD＝Rcosθglat sinθglon

zD＝Rsinθglat

其中，(θSlon,θSlat)是主星的經緯度坐標，(θglon,θglon)是地面站的經緯度坐標，是備選中繼衛星集合中各衛星的經緯度坐標，(xs,ys,zs)是笛卡兒坐標系下主星坐標，是笛卡爾坐標系下衛星中繼備選集合中各衛星的坐標，(xD,yD,zD)是笛卡爾坐標系下地面站的坐標，R是地球半徑，h是低軌衛星通信系統中衛星運行軌道的高度；

步驟4b：根據笛卡爾坐標系下主星的坐標、衛星中繼備選集合中各衛星的坐標和地面站的坐標，分別計算主星對地面站的距離dSD、衛星中繼備選集合中各衛星對地面站的距離和主星對衛星中繼備選集合中各衛星的距離其計算公式為：

步驟4c：根據主星對地面站的距離dSD、衛星中繼備選集合中各衛星對地面站的距離和主星對衛星中繼備選集合中各衛星的距離分別計算主星對地面站的路徑損耗PLSD、衛星中繼備選集合中各衛星對地面站的路徑損耗和主星對衛星備選中繼集合中各衛星的路徑損耗其計算公式為：

其中，式中k0是一個依賴於天線特性和平均信道損耗的常係數，n0為路徑損耗指數，計算時no＝2，計算和PLSD時n0＝2.5，d0為參考距離，本方法中d0＝1km；

步驟4d：根據主星對地面站的路徑損耗PLSD、衛星中繼備選集合中各衛星對地面站的路徑損耗和主星對衛星備選中繼集合中各衛星的路徑損耗分別計算主星對地面站的接收端平均信噪比γSD、衛星中繼備選集合中各衛星對地面站的接收端平均信噪比和主星對衛星備選中繼集合中各衛星的接收端平均信噪比其計算公式為：

γSD＝EIRP+G/T-PLSD-PN

其中，EIRP表示發射端的有效全向輻射功率，G/T表示接收端的品質因數，PN表示噪聲功率值，PN計算公式：

PN＝10log(k×B)

其中，k為玻爾茲曼常數，B為等效噪聲帶寬；

步驟4e：根據主星對地面站的接收端平均信噪比γSD、衛星中繼備選集合中各衛星對地面站的接收端平均信噪比和主星對衛星備選中繼集合中各衛星的接收端平均信噪比計算衛星中繼備選集合中各衛星對地面站的接收端信噪比γi，其計算公式為：

步驟5：利用收益函數ui計算衛星備選中繼集合中各衛星的權重因子wi，其計算公式為：

wi＝ui-α

其中，α為正常量，經過仿真驗證，本方法中α＝4；

步驟6：計算加權信噪比wiγi，並選取加權信噪比wiγi中最大值對應的衛星作為系統時刻t時的中繼衛星；

步驟7：輸出系統時刻t時中繼衛星的編號；

步驟8：判斷系統時刻t是否大於主星與地面站通信的終止時刻t1'，若是，主星與地面站通信的起始時刻t0'和終止時刻t1'內中繼選擇結束，否則，更新收益函數ui，同時令系統時刻t＝t+1，並執行步驟(4)，其更新公式為：

其中T0為主星通信時間長度，p是此次通信中繼節點消耗的功率。

從以上步驟可以看出，衛星中繼節點協作的次數越多，消耗的能量越多，收益函數ui也越大，其權重因子wi會隨之減少，在後續中繼選擇的時候被選擇的概率不斷降低，也就說，即使一個衛星中繼節點的信道質量非常好，當被多次選用之後，它的收益函數的值將不斷增大，相應的權重因子不斷減小，在以後的中繼選擇中選擇它的概率就會減小。對於信道質量非常差的衛星中繼節點，由於一直沒有被利用，收益函數值相對較小，相應的權重因子較大，在後面的協作中，被選擇的概率將不斷增加，藉此實現在主星通信的時間段內衛星中繼備選中繼集合中各衛星被選擇次數近似相等的目標，即實現了各中繼節點的機會公平性。

以下結合仿真實驗，對本發明的效果作進一步說明：

仿真條件和內容：

依據仿真條件：選取銥星通信系統中的編號為10的衛星作為主星與北京地球站進行通信；根據STK軟體提供衛星軌道模擬效果和各衛星通信時間的起始時刻和終止時刻；系統帶寬10MHz；星地鏈路信道衰落模型採用萊斯信道，星間鏈路信道衰落模型採用高斯信道；地面站接受天線增益22.9dB/K，協作衛星天線增益10dB/K，仿真次數為1000000次；仿真對比方案為基於接收端信噪比的最大信噪比方法，採用業界應用廣泛的Jain’s Index公式衡量機會公平性，對誤比特率性能和機會公平性性能分別進行仿真，其結果如圖2和圖3所示。

參照圖2，是本發明與現有技術的誤比特率性能對比圖，橫坐標時衛星有效全向輻射功率(Effective Isotropic Radiated Power，EIRP)，單位是dBW，縱坐標是誤比特率。從圖中我們可以看出，誤比特率性能上，最大信噪比算法性能優於本方法，但性能差異很小，本發明方法較最大信噪比方法性能下降約5％。

參照圖3，是本發明與現有技術的機會公平性性能對比圖，橫坐標時中繼選擇方法類型，縱坐標是機會公平性指數。從圖中我們可以看出，在機會公平性性能上，本發明方法性能優於最大信噪比方法，其可顯著提升約50％。

綜上所述，本發明的方法可保證近似較優的性能的同時使系統中各衛星中繼節點的機會公平性保持在一個比較高的水平。

對於本領域的技術人員來說，可以根據以上的技術方案和構思，做出各種相應的改變和變形，而所有的這些改變和變形都應該包括在本發明權利要求的保護範圍之內。