专利名称：一种基于星体中继的星群协作大容量全天候通信方法
技术领域：
本发明涉及一种基于星体中继的星群协作大容量全天候通信方法，属于星际通信、行星际通信及相关信号处理技术领域。
背景技术：
星球探测是二十一世纪空间探测的重点，随着我国经济和科技实力的不断增强， 载人登月、在月球建立永久基地，展开对月球的科学、资源探测已经成为我国未来深空探测的重点。未来，地外星球探测及星际间行星与其他相邻星球，或任两星球间通信是大势所趋。星际通信可采用包括电磁波、辐射或实物粒子来进行收发而实现星际沟通。电磁波较易被星际尘埃干扰和吸收，从而偏离原来的方向，另外一个问题就是星球间距离遥远，路径损耗大，信噪比低，雨衰等大尺度衰落导致到达接收端的信号强度弱，因此往往需要非常强大的天线。因此，构建大容量通信系统是星际通信发展的瓶颈问题之一。以地月通信为例， 地月间距离长达38万公里，路径损耗大，信噪比很低，难以构建大容量通信系统。在地月之间建立中继卫星进行地月通信可以显著提高信号强度，提高信噪比，保证地月之间全天候全覆盖的稳定高速通信连接。我国的“天链”中继卫星系统虽可实现地球的全天候信号覆盖，但“天链”系统没有指向太空的天线及星间链路，目前也还没有月球中继卫星，因此，利用“天链”系统难以直接实现地月之间的全天候全覆盖通信。目前，采用星体中继方式建立全天候全覆盖大容量月地通信系统面临诸多挑战， 首先，月球基地与地球之间距离遥远，信号传输延时大，在大容量通信链路中的时延带宽积很大，导致采用反馈重传机制的通信协议不仅难以满足实时通信的要求，还提高了通信双方的缓冲容量要求，因此，需要研究无反馈差错控制网络协议。其次，地球、月球及中继卫星间存在高速相对运动，导致通信链路高速动态变化，因此，需要研究大动态网络的组网及路由问题。同时，由于中继卫星的功率严格受限，必须研究低功耗通信技术。在很多应用情况下，星际网络中，节点通信的可靠性、准确性和安全性要求很高， 而对数据传输的有效性、实时性等要求可适当放宽。现有对星际协作卫星通信模型的研究，仅适用于距离相对较近的卫星，而对于恒星间通信没有给出解决办法，同时协作模式单一且未给出具体协作通信的方法。2010 ^ Rui Sun, Jian Guo, Eberhard K. A. Gill ^ Λ； $ “CharacteriζingNetwork Architecture for Inter-satellite Communication and Relative Navigation inPrecise Formation Flying” 中叙述了典型通信模式在星际空间应用(Preciseformation flying任务)的一个实例，基于格式捕获与保持的要求，该文指出联合不同多址技术，采用半双工CDMA模式，配合宇宙飞船转动模式已被验证是更适合和有效的通信模式。该文没有脱离传统通信模式，以此为基础探索恒星间有效通信存在很大的弊端，比如大尺度衰减的克服，以及星际尘埃导致的通信电磁波轨道偏移等问题，依然很棘手。Yuri Labrador, Masoumeh Karimi, Deng Pan, Jerry Miller 的"An Approach
4toCooperative Satellite Communications in 4G Mobile Systems”叙述了 DF禾口 AF两禾中协作模式应用于卫星协作通信中，文中对误符号率，功率分配及从卫星到一个地面网络中的移动节点，提出了协议联合选择及增量中继来优化协作性能，由于文中没有涉及更复杂的星群协作通信，同时协作模式及协作方式单一，具体的数据传输方式即物理层之上的路由协议也没有提及，只适合短距离星际通信及数据传输。
发明内容
本发明的目的在于解决星体中继通信的范围及传输速率低的现状，提出了采用星群中任两颗星经过星体中继协同，结合渗流技术实现恒星间、恒星与行星间及行星与卫星间的全天候、全覆盖大容量通信问题。本发明的技术方案包含两部分(1)星体中继节点组建星群，星群中各相关节点实现通信覆盖；( 在星群中进行基于并行路由的渗流数据传输。(1)本发明所述的星群指在深空不断运动着的具有通信功能(即含通信设备)的中继星体组成的通信网络。本发明所述的星体中继为参与某两颗星体通信的具有通信功能的若干星体或中继星体；所述的中继星体是人造天体或安装在自然天体上的通信设备；其中参与通信的具有通信功能的星体或中继星体定义为一个节点。每个节点和通信网络中一个或多个节点连接(通常所连接节点是围绕该节点转的具有通信功能的卫星)。此节点周围可以有若干直接通信的节点，称为当前节点的近邻节点，这种直接通信关系定义为连接。当两节点间具有上述直接连接关系时，二者互为近邻，此种节点间的直接连接关系定义为链路，近邻节点完成对此节点的通信覆盖。一个节点和其所有近邻节点构成一个星体簇，同时每个节点也可属于其他星体簇。若干星体簇的通信范围互相交叠，构成一个星体通信的网络，组成了星群，星群中单个网络节点的设备的功率、传输速率及容量可能都很小，网络节点之间大多通过无线连接，节点设备的功率、处理能力都非常有限，网络规模动态变化。所述星群中，当任两节点不为近邻关系时，其近邻节点可作为中继节点，与其所在的星体簇中的所有近邻节点直接通信，按此原则，则每个节点可通过若干个中继节点的多条并行、有限次探针包传输，完成源节点与目标节点间的通信覆盖；基于此种方式进行通信范围扩展，当两颗星体不能实现直接通信的星体欲实现通信时，可通过其近邻节点进行中继转发到近邻节点的近邻节点，直至完成任意两星体间的通信覆盖。(2)步骤一，星群中某星体作为源节点向任意一个作为目标节点的星体发送数据， 源节点端将欲发送的数据进行喷泉编码；步骤二，将步骤一中喷泉编码后的数据，进行“高效数据拆分”为多份；步骤三，建立路由；定义星群中任两节点间的有限次转接构成的链路为此二节点之间的一条路由；如果通路是单向的，则为单向路由；如果通路是双向的，则为双向路由。按照六度空间理论，在星群中，由于每个节点随机地与网络中若干节点关联，任意两个节点之间经过少数几次转接就可以以非常高的概率建立连接关系，这样任两星体间在基于星体中继的基础上组成了灵活网络，构建了多条并行路由，为实现可靠、大容量通信奠定基石出。
建立路由所遵循的渗流方法具体如下源节点发送多个探针包给“最可能”能将自己的数据转给目标节点的一个或多个近邻节点；探针包到达“受托近邻”后按照同样的原则将探针包数据进行转发；在转发过程中一部分探针包因为转发次数超过门限、无可用转发链路等原因无法达到目标节点而终止；而每一个从源节点发出的探针包，从发送节点到终止节点传输所经过的通路，称为一条渗流通路。上述“最可能”将自己的数据转给目标节点的一个或多个近邻节点可采用路径最短方法，或者按功率比例进行分配的方法，或者按最大后验概率准则来确定。三种确定方法各有利弊路径最短方法容易造成网络拥堵；按功率比例进行分配的方法和按最大后验概率准则易增加网络时延。实际通信中，根据通信网络实时数据流量来选择相应原则。按照这种方式，网络中任意二节点可建立多条并行的渗流路由。所述星群中每一个节点除了传送自己的数据，同时作为数据转发器参与选路，可在星群中为任意两节点建立多条并行路由。步骤四，将步骤二拆分后的数据按步骤三建立的多条并行路由转发；源节点将步骤二得到的数据交给多个近邻转发，每一受托近邻代转其中若干份； 这样，每一条路由都传送全部数据的一部分。步骤五，在目标节点的接收端，进行基于喷泉码的“高效数据恢复”；当各路由传送过来的数据包数足够接收机解码源数据包的数据时，接收端向源节点的发送端反馈停止发送数据的信号；星群中任意二星体间在基于“六度空间”和“渗流”原理建立的多条并行路由的基础上，接收机只要接收到足够可解码源数据包的数据即可，部分数据包的丢失不影响接收机的数据恢复。步骤六，步骤五的停止信号经由步骤三建立的路由，反馈回源节点，发送端即停止发送喷泉编码后的数据包。上述步骤二中的“高效数据拆分”和步骤五中的“高效数据恢复”可使用目前已经研究比较成功、应用比较广泛的LT码或Raptor码等喷泉编码，喷泉码可解决反馈重传带来的吞吐量下降问题和大时间延迟问题，实现高速、可靠的并行数据传送能力。有益效果1.深空探测设备及各星基站设备与其它星体之间距离遥远，深空探测设备到达相应星体时信号非常微弱，采用星体中继及星群协作的方法可以提高信噪比，大大增加信息传输容量；2.在本发明中，采用星体中继巧妙选择通信覆盖范围内的若干中继节点构成完备的星体中继群，系统按照一定原则建立路由结合渗流原理共同构成全天候、全覆盖大容量深空通信；3.本发明通过采用基于渗流的通信传输方法，高效地使用了全天候全覆盖大容量星际通信系统中的通信链路，保证单条和部分链路中断、以及部分中继星失效情况下实现星体间持续、可靠的通信；4.本发明中采用的“渗流”路由协议，正如水源通过多孔的材质进行“渗流”，每一渗流孔可能很小，但涓涓细流汇成江河，最终可实现高速的并行数据传送能力。“渗流”网络协议具有如下优点(1)网络数据传送可靠性很高，无需反馈重传。源端将数据采用适当的编码再进行传送，目的节点只要收到足够的数据就可以恢复源数据，网络中部分分组丢失、部分渗流节点损毁造成中断都不会造成数据无法恢复，不需要采用反馈重传的方式保证数据可靠性， 减少了网络带宽开销，降低了网络协议的实现复杂度。(2)网络数据安全性得到根本保障。源数据经编码后拆分，除源节点和目的节点外，其它任何中间节点都只有源数据的部分编码分组，即便中间节点完全掌握编码方法，也因为得到的数据量不够因而从物理上无法恢复源数据，因此无法窃取发送信息；由于数据信息经过编码，编码数据是可以校验的，不满足校验方程的数据将被抛弃，因此只要编码方法设计合理，可以防止有效防止非法节点混入网络。5.本发明中的“渗流”技术具有自适应选路能力。因为，星体中继和各节点和链路构成的网络尽管节点数量比较固定，但由于深空探测设备、行星及卫星的快速运动，各通信节点之间的相对位置具有很高的动态性，本发明中的“渗流”技术可以很好的适应动态变化的各通信节点。
图1是本发明“一种基于星体中继的星群协作大容量全天候通信方法”实施例1的星群协作总体实施示意图；图2是本发明“一种基于星体中继的星群协作大容量全天候通信方法”实施例2的基于星体中继的协同月地通信实施示意图；图3是本发明“一种基于星体中继的星群协作大容量全天候通信方法”实施例2中的基于星体中继的全天候全覆盖月地大容量通信系统的“绕地中继卫星和月球中继卫星星间”链路仿真预算图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明和详细描述实施例1图1是本发明实施例1“一种基于星体中继的星群协作大容量全天候通信方法”的星群协作总体实施示意图；此星群结构为包含A、B、C、……M、N、0共15个节点，各节点的近邻关系，如图1所示，网络中链路是单向链路。星群中节点具有若干近邻，每一个节点的近邻对其实现了通信覆盖，即当前节点可以与其近邻节点通信；节点F有3个近邻，节点 P有一个近邻，意即从其他节点发给节点P的探针包或者数据包，只要P不是目的节点，这些探针包和数据包都将被节点P丢弃。假设不能实现直接通信的两个星体F(称为节点1)欲与星体N(称为节点2)通信，节点1和其近邻节点(节点C、G、L)构成一个星体簇(簇1)； 节点2和其近邻节点(节点K、J、P、M)构成另一个星体簇(簇2)；节点I和B、H、J构成簇 3 ；节点A与C、D、B构成簇4。各个簇若干星体簇的通信范围互相交叠，构成一个星群。星群中任意两个节点可能存在直达路由，或者经过其他节点经过有限次转接可连通，例如节点，F和节点N没有直接的连接关系，但二者之间具有F-G-K-N和F-C-E-M-N等多条通路；星群中节点F欲传送到节点N的源数据经喷泉编码后在网络中按渗流方式传送，其中R1, &和R3通路的数据包到达了目的节点，如图1所示；R3a支路(即F — G — D通路) 的数据包在到达D节点后，D节点没有近邻，数据包被抛弃，此路径终止。由于发送节点对源数据进行了喷泉编码，即便部分数据包丢失，目的节点N节点通过喷泉码译码正确地恢复源数据。实施例2由于地缘关系以及月基设备存储容量等原因，ARQ通信协议已无法实现月地实时通信。随着深空通信的日益快速发展，月地之间建立全天候、全覆盖大容量通信系统势在必行。本实施例以月地之间建立全天候、全覆盖大容量通信系统为例，详细阐述本发明 “一种基于星体中继的星群协作大容量全天候通信方法”在基于星座的协同大容量月地通信的实施方框图；由图2可见，基于星体中继的月地通信系统包含3颗地球同步卫星和2颗月球中继卫星。3颗绕地中继卫星完成全地球覆盖，可在我国“天链一号”与“天链二号”中继卫星系统上扩展；2颗月球中继卫星分别位于地月系Ll与L2点，完成全月球覆盖，与绕地卫星共同构成全天候的星-星链路，其中位于L2点的月球中继卫星运行于HALO轨道。L2 点HALO轨道上的3个图标表示同一颗卫星在轨道的不同位置。从图2可以看出，存在3种通信链路，即绕地中继卫星与地面站之间的通信链路、 绕地中继卫星与月球中继卫星之间的通信链路、月球中继卫星与月球基地之间的通信链路。这些链路结合渗流通信协议共同构成全天候全覆盖大容量地月通信系统。地球欲传送到月球的源数据经喷泉编码后在网络中按渗流方式传送，源数据经过札和&两条通路的数据包到达了目的节点，如图2所示；R3a支路的数据包在到达节点后，节点没有近邻，数据包被抛弃，此路径终止。由于发送节点对源数据进行了喷泉编码，即便部分数据包丢失，目的节点月球通过喷泉码译码仍然能正确地恢复源数据。现有技术条件下，单条星间链路可以提供地-月间2Mbps及月-地间8Mbps的数据率。在Ll与L2点放置多颗卫星， 可以实现对通信速率的线性扩展。实施例3图3是本发明“一种基于星体中继的星群协作大容量全天候通信方法”实施例3中的基于星体中继的全天候全覆盖月地大容量通信系统的“绕地中继卫星和月球中继卫星星间”链路仿真预算图；其中，链路计算参数为卫星发射功率IOW ；卫星发射天线口径1. 5m，效率0. 6 ；卫星接收天线口径1. 5m，效率0. 6 ；载波频率10GHz。链路噪声等效为加性高斯白噪声，等效噪声温度300K。地月中继星之间38万公里(Li点卫星和绕地卫星之间的大致距离)，噪声为基底热噪声，单颗卫星发射功率限制在10W。从图3中可以看出，星-星链路信道带宽很小(IOMHz以内)时，信道容量随着带宽增加快速增加，可以达到16Mbps，满足月地间共 IOMbps的通信速率要求，并为对抗突发噪声等留出了裕量。当带宽增加到一定程度后，容量增加缓慢。实验表明，分别在Ll点和L2点放置10个卫星，构成星群。每个星占用IMHz带宽，每个星可发送IOW功率，则能保证星群实现地月和月地之间40Mbps的大容量通信，只要接收卫星处理能力足够，一个卫星就能满足接收要求。另外，若带宽足够，通信容量随发射星群的卫星数量增加线性增加。以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1.一种基于星体中继的星群协作大容量全天候通信方法，其特征在于包含以下两部分内容(1)星体中继节点组建星群，星群中各相关节点实现通信覆盖；( 在星群中进行基于并行路由的渗流数据传输；(1)所述的星群指在深空不断运动的具有通信功能的中继星体组成的通信网络；所述的星体中继为参与某两颗星体通信的具有通信功能的若干星体或中继星体；其中参与通信的具有通信功能的星体或中继星体为一个节点；每个节点和通信网络中一个或多个节点连接；节点周围有若干直接通信的近邻节点， 这种直接通信关系为连接；两个直接连接的节点形成链路，近邻节点完成对此节点的通信覆盖；一个节点和其所有近邻节点构成一个星体簇，若干星体簇的通信范围互相交叠，构成一个星体通信的网络，组成星群；所述星群中，当任两节点不为近邻关系时，其近邻节点可作为中继节点，与其所在的星体簇中的所有近邻节点直接通信，按此原则，则每个节点可通过若干个中继节点的多条并行、有限次探针包传输，完成源节点与目标节点间的通信覆盖；基于此种方式进行通信范围扩展，当两颗星体不能实现直接通信的星体欲实现通信时，可通过其近邻节点进行中继转发到近邻节点的近邻节点，直至完成任意两星体间的通信覆盖；(2)所述基于并行路由的渗流数据传输具体包括如下步骤步骤一，星群中某星体作为源节点向任意一个作为目标节点的星体发送数据，源节点端将欲发送的数据进行喷泉编码；步骤二，将步骤一中喷泉编码后的数据，进行“高效数据拆分”为多份；步骤三，建立路由；定义星群中任两节点间的有限次转接构成的链路为此二节点之间的一条路由；任两星体间在基于星体中继的基础上组成灵活网络，构建多条并行路由； 建立路由所遵循的渗流方法具体如下源节点发送多个探针包给“最可能”能将自己的数据转给目标节点的一个或多个近邻节点；探针包到达“受托近邻”后按照同样的原则将探针包数据进行转发；在转发过程中一部分探针包因为转发次数超过门限、无可用转发链路等原因无法达到目标节点而终止；按照这种方式，网络中任意二节点可建立多条并行的渗流路由；步骤四，将步骤二拆分后的数据按步骤三建立的多条并行路由转发； 源节点将步骤二得到的数据交给多个近邻转发，每一受托近邻代转其中若干份；每一条路由都传送全部数据的一部分；步骤五，在目标节点的接收端，进行基于喷泉码的“高效数据恢复”； 接收机只要接收到足够可解码源数据包的数据即可恢复数据； 当各路由传送过来的数据包数足够接收机解码源数据包的数据时，接收端向源节点的发送端反馈停止发送数据的信号；步骤六，步骤五的停止信号经由步骤三建立的路由，反馈回源节点，发送端即停止发送喷泉编码后的数据包。
2.根据权利要求1所述的一种基于星体中继的星群协作大容量全天候通信方法，其特征在于所述的“最可能”将自己的数据转给目标节点的一个或多个近邻节点可采用路径最短方法，或者按功率比例进行分配的方法，或者按最大后验概率准则来确定；实际通信中，根据通信网络实时数据流量来选择相应原则。
3.根据权利要求1所述的一种基于星体中继的星群协作大容量全天候通信方法，其特征在于所述步骤二中的“高效数据拆分”和步骤五中的“高效数据恢复”以使用LT码或 Raptor码进行喷泉编码为佳。
4.根据权利要求1所述的一种基于星体中继的星群协作大容量全天候通信方法，其特征在于所述星群中每一个节点除了传送自己的数据，同时作为数据转发器参与选路，在星群中为任意两节点建立多条并行路由。
全文摘要
本发明涉及一种基于星体中继的星群协作大容量全天候通信方法，属于星际通信、行星际通信及相关信号处理技术领域。包含(1)星体中继节点组建星群，星群中各相关节点实现通信覆盖；(2)在星群中进行基于并行路由的渗流数据传输。本发明通过采用基于渗流的通信传输方法，高效地使用了全天候全覆盖大容量星际通信系统中的通信链路，保证单条和部分链路中断、以及部分中继星失效情况下实现星体间持续、可靠的通信。星体中继和各节点和链路构成的网络尽管节点数量比较固定，但由于深空探测设备、行星及卫星的快速运动，各通信节点之间的相对位置具有很高的动态性，本发明中的“渗流”技术可以很好的适应动态变化的各通信节点。
文档编号H04W84/06GK102413483SQ20111034139
公开日2012年4月11日 申请日期2011年11月2日 优先权日2011年11月2日
发明者刘珩, 卜祥元, 卢继华, 安建平, 李祥明, 杨雷 申请人:北京理工大学