基于卫星轨道信息辅助最佳加权信噪比的中继选择方法与流程

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于卫星轨道信息辅助最佳加权信噪比的中继选择方法，可用于在低轨卫星协作通信。

背景技术：

协作通信是对抗衰落的有效途径，其应用最为广泛的场景为经典的三点中继模型，其中包括源节点、中继节点和目的节点，其传输过程可分为两个阶段，第一阶段，源节点广播数据，第二阶段，仅中继节点给目的节点发送数据。近些年来，低轨卫星通信由于组网灵活，运行轨道低，星地链路传输时延较小等特点引起了学者们的广泛关注。但星地链路存在的深度衰落一直是制约卫星通信发展的因素之一，而协作通信技术可以很好的对抗衰落，因此最近几年学者们开始考虑将协作技术应用到卫星通信中，根据选取协作对象的类型分为两大类：星地协作通信和星间协作通信，其中星地协作通信是源节点是卫星，中继节点是地面站，目的节点地面站，星间协作通信是源节点是卫星，中继节点是卫星，目的节点是地面站。目前现有的中继选择方法集中在星地协作通信中，如：S.Sreng在2013年ICC会议上提出一种最大信噪比算法，选取中继到目的节点链路质量最好的中继节点作为中继。相比较星地协作通信，星间协作通信中继节点与目的节点存在较远的距离和极高的相对运动的特点，导致中继节点和目的节点之间信道存在反馈时延较大，多普勒效应显著，此外，卫星还具有能量受限的特点，这些特点会给中继选择带来一定的挑战。现有的技术在星间协作通信下会存在以下不足：采用实时信道状态信息反馈会带来很大的系统开销；频繁选择性能最优的节点会导致节点能量消耗过快，而系统中信道质量较差的节点，由于被选择次数少，得不到有效的利用，也就是中继节点机会公平性低。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述存在的缺陷，提出了一种基于卫星轨道信息辅助最佳加权信噪比的中继选择方法，用于解决现有中继选择方法存在的系统开销大和卫星中继节点机会公平性低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：

(1)从低轨卫星通信系统中选取一颗主星，并获取该主星在24小时内与地面站通信的起始时刻t₀和终止时刻t₁；

(2)利用主星通信的起始时刻t₀和终止时刻t₁，选取低轨卫星通信系统中与地面站可通信除主星外的其他卫星，得到卫星中继备选集合，实现步骤为：

(2a)以秒为单位，对主星通信的起始时刻t₀和终止时刻t₁取整化简，得到取整后主星通信的起始时刻t′₀和终止时刻t₁'；

(2b)获取低轨卫星通信系统中除主星以外所有卫星通信的起始时刻t_oj和终止时刻t_1j，其中j＝1,2,3…N，N是低轨卫星通信系统中除主星以外其他卫星的个数，同时以秒为单位，对低轨卫星通信系统中除主星以外所有卫星通信的起始时刻t_oj和终止时刻t_1j取整化简，得到取整后低轨卫星通信系统中除主星以外所有卫星通信的起始时刻t_oj'和终止时刻t_1j'；

(2c)选取除主星以外的卫星的通信起始时刻t_oj'和终止时刻t_1j'在主星的通信起始时刻t₀'和终止时刻t₁'时间段内的所有卫星，作为卫星备选中继集合；

(3)初始化系统时刻t＝t₀'，并初始化卫星中继备选集合中各卫星的收益函数u_i＝1，i＝1,2,3,…,n，其中n是卫星中继备选集合中卫星的个数；

(4)获取系统时刻t时主星和卫星中继备选集合中各卫星的轨道信息，并利用这些轨道信息计算卫星备选中继集合中各卫星对地面站的接收端信噪比γ_i，实现步骤为：

(4a)在系统时刻t时，分别获取主星、卫星中继备选集合中各卫星和地面站的经纬度坐标，并分别计算笛卡尔坐标系下主星、卫星中继备选集合中各卫星和地面站的坐标；

(4b)根据笛卡尔坐标系下主星的坐标、卫星中继备选集合中各卫星的坐标和地面站的坐标，分别计算主星对地面站的距离d_SD、卫星中继备选集合中各卫星对地面站的距离和主星对卫星中继备选集合中各卫星的距离

(4c)根据主星对地面站的距离d_SD、卫星中继备选集合中各卫星对地面站的距离和主星对卫星中继备选集合中各卫星的距离分别计算主星对地面站的路径损耗PL_SD、卫星中继备选集合中各卫星对地面站的路径损耗和主星对卫星备选中继集合中各卫星的路径损耗

(4d)根据主星对地面站的路径损耗PL_SD、卫星中继备选集合中各卫星对地面站的路径损耗和主星对卫星备选中继集合中各卫星的路径损耗分别计算主星对地面站的接收端平均信噪比γ_SD、卫星中继备选集合中各卫星对地面站的接收端平均信噪比和主星对卫星备选中继集合中各卫星的接收端平均信噪比

(4e)根据主星对地面站的接收端平均信噪比γ_SD、卫星中继备选集合中各卫星对地面站的接收端平均信噪比和主星对卫星备选中继集合中各卫星的接收端平均信噪比计算卫星中继备选集合中各卫星对地面站的接收端信噪比γ_i；

(5)利用收益函数u_i计算卫星备选中继集合中各卫星的权重因子w_i；

(6)计算加权信噪比w_iγ_i，并选取加权信噪比w_iγ_i中最大值对应的卫星作为系统时刻t时的中继卫星；

(7)输出系统时刻t时中继卫星的编号；

(8)判断系统时刻t是否大于主星与地面站通信的终止时刻t₁'，若是，主星与地面站通信的起始时刻t₀'和终止时刻t₁'内中继选择结束，否则，更新收益函数u_i，同时令系统时刻t＝t+1，并执行步骤(4)。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明在获取卫星备选中继集合中各卫星对地面站的接收端信噪比时，是根据卫星运行轨道信息计算统计信道状态信息来实现，消除了采用实时信道状态信息引入的反馈机制，减少了系统开销；同时采用卫星备选中继集合中各卫星对地面站的接收端信噪比和权重因子计算加权信噪比，通过选取加权信噪比最大的卫星中继节点作为中继，在选择中继的时候同时考虑了各卫星中继节点的传输性能和机会公平性，提高了卫星中继节点的公平性。

附图说明

图1为本发明的实现流程框图；

图2为本发明与现有技术的误比特率性能对比图；

图3为本发明与现有技术的机会公平性性能对比图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步详细说明：

参照图1，本发明的实现步骤为：

步骤1：从低轨卫星通信系统中选取一颗主星，并获取该主星在24小时内与地面站通信的起始时刻t₀和终止时刻t₁；

步骤2：利用主星通信的起始时刻t₀和终止时刻t₁，选取低轨卫星通信系统中与地面站可通信除主星外的其他卫星，得到卫星中继备选集合，实现步骤为：

步骤2a：以秒为单位，对主星通信的起始时刻t₀和终止时刻t₁取整化简，得到取整后主星通信的起始时刻t′₀和终止时刻t₁'；

步骤2b：获取低轨卫星通信系统中除主星以外所有卫星通信的起始时刻t_oj和终止时刻t_1j，其中j＝1,2,3…N，N是低轨卫星通信系统中除主星以外其他卫星的个数，同时以秒为单位，对低轨卫星通信系统中除主星以外所有卫星通信的起始时刻t_oj和终止时刻t_1j取整化简，得到取整后低轨卫星通信系统中除主星以外所有卫星通信的起始时刻t_oj'和终止时刻t_1j'；

步骤2c：选取除主星以外的卫星的通信起始时刻t_oj'和终止时刻t_1j'在主星的通信起始时刻t₀'和终止时刻t₁'时间段内的所有卫星，作为卫星备选中继集合；

步骤3：初始化系统时刻t＝t₀'，并初始化卫星中继备选集合中各卫星的收益函数u_i＝1，i＝1,2,3,…,n，其中n是卫星中继备选集合中卫星的个数；

步骤4：获取系统时刻t时主星和卫星中继备选集合中各卫星的轨道信息，并利用这些轨道信息计算卫星备选中继集合中各卫星对地面站的接收端信噪比γ_i，实现步骤为：

步骤4a：在系统时刻t时，分别获取主星、卫星中继备选集合中各卫星和地面站的经纬度坐标，并分别计算笛卡尔坐标系下主星、卫星中继备选集合中各卫星和地面站的坐标，其计算公式为：

x_s＝(R+h)cosθ_Slat cosθ_Slon

y_s＝(R+h)cosθ_Slat sinθ_Slon

z_s＝(R+h)sinθ_Slat

x_D＝Rcosθ_glat cosθ_glon

y_D＝Rcosθ_glat sinθ_glon

z_D＝Rsinθ_glat

其中，(θ_Slon,θ_Slat)是主星的经纬度坐标，(θ_glon,θ_glon)是地面站的经纬度坐标，是备选中继卫星集合中各卫星的经纬度坐标，(x_s,y_s,z_s)是笛卡儿坐标系下主星坐标，是笛卡尔坐标系下卫星中继备选集合中各卫星的坐标，(x_D,y_D,z_D)是笛卡尔坐标系下地面站的坐标，R是地球半径，h是低轨卫星通信系统中卫星运行轨道的高度；

步骤4b：根据笛卡尔坐标系下主星的坐标、卫星中继备选集合中各卫星的坐标和地面站的坐标，分别计算主星对地面站的距离d_SD、卫星中继备选集合中各卫星对地面站的距离和主星对卫星中继备选集合中各卫星的距离其计算公式为：

步骤4c：根据主星对地面站的距离d_SD、卫星中继备选集合中各卫星对地面站的距离和主星对卫星中继备选集合中各卫星的距离分别计算主星对地面站的路径损耗PL_SD、卫星中继备选集合中各卫星对地面站的路径损耗和主星对卫星备选中继集合中各卫星的路径损耗其计算公式为：

其中，式中k₀是一个依赖于天线特性和平均信道损耗的常系数，n₀为路径损耗指数，计算时no＝2，计算和PL_SD时n₀＝2.5，d₀为参考距离，本方法中d₀＝1km；

步骤4d：根据主星对地面站的路径损耗PL_SD、卫星中继备选集合中各卫星对地面站的路径损耗和主星对卫星备选中继集合中各卫星的路径损耗分别计算主星对地面站的接收端平均信噪比γ_SD、卫星中继备选集合中各卫星对地面站的接收端平均信噪比和主星对卫星备选中继集合中各卫星的接收端平均信噪比其计算公式为：

γ_SD＝EIRP+G/T-PL_SD-PN

其中，EIRP表示发射端的有效全向辐射功率，G/T表示接收端的品质因数，PN表示噪声功率值，PN计算公式：

PN＝10log(k×B)

其中，k为玻尔兹曼常数，B为等效噪声带宽；

步骤4e：根据主星对地面站的接收端平均信噪比γ_SD、卫星中继备选集合中各卫星对地面站的接收端平均信噪比和主星对卫星备选中继集合中各卫星的接收端平均信噪比计算卫星中继备选集合中各卫星对地面站的接收端信噪比γ_i，其计算公式为：

步骤5：利用收益函数u_i计算卫星备选中继集合中各卫星的权重因子w_i，其计算公式为：

w_i＝u_i^-α

其中，α为正常量，经过仿真验证，本方法中α＝4；

步骤6：计算加权信噪比w_iγ_i，并选取加权信噪比w_iγ_i中最大值对应的卫星作为系统时刻t时的中继卫星；

步骤7：输出系统时刻t时中继卫星的编号；

步骤8：判断系统时刻t是否大于主星与地面站通信的终止时刻t₁'，若是，主星与地面站通信的起始时刻t₀'和终止时刻t₁'内中继选择结束，否则，更新收益函数u_i，同时令系统时刻t＝t+1，并执行步骤(4)，其更新公式为：

其中T₀为主星通信时间长度，p是此次通信中继节点消耗的功率。

从以上步骤可以看出，卫星中继节点协作的次数越多，消耗的能量越多，收益函数u_i也越大，其权重因子w_i会随之减少，在后续中继选择的时候被选择的概率不断降低，也就说，即使一个卫星中继节点的信道质量非常好，当被多次选用之后，它的收益函数的值将不断增大，相应的权重因子不断减小，在以后的中继选择中选择它的概率就会减小。对于信道质量非常差的卫星中继节点，由于一直没有被利用，收益函数值相对较小，相应的权重因子较大，在后面的协作中，被选择的概率将不断增加，借此实现在主星通信的时间段内卫星中继备选中继集合中各卫星被选择次数近似相等的目标，即实现了各中继节点的机会公平性。

以下结合仿真实验，对本发明的效果作进一步说明：

仿真条件和内容：

依据仿真条件：选取铱星通信系统中的编号为10的卫星作为主星与北京地球站进行通信；根据STK软件提供卫星轨道模拟效果和各卫星通信时间的起始时刻和终止时刻；系统带宽10MHz；星地链路信道衰落模型采用莱斯信道，星间链路信道衰落模型采用高斯信道；地面站接受天线增益22.9dB/K，协作卫星天线增益10dB/K，仿真次数为1000000次；仿真对比方案为基于接收端信噪比的最大信噪比方法，采用业界应用广泛的Jain’s Index公式衡量机会公平性，对误比特率性能和机会公平性性能分别进行仿真，其结果如图2和图3所示。

参照图2，是本发明与现有技术的误比特率性能对比图，横坐标时卫星有效全向辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power，EIRP)，单位是dBW，纵坐标是误比特率。从图中我们可以看出，误比特率性能上，最大信噪比算法性能优于本方法，但性能差异很小，本发明方法较最大信噪比方法性能下降约5％。

参照图3，是本发明与现有技术的机会公平性性能对比图，横坐标时中继选择方法类型，纵坐标是机会公平性指数。从图中我们可以看出，在机会公平性性能上，本发明方法性能优于最大信噪比方法，其可显著提升约50％。

综上所述，本发明的方法可保证近似较优的性能的同时使系统中各卫星中继节点的机会公平性保持在一个比较高的水平。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，做出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。