一种认知卫星网络系统频谱切换优化方法与流程

本申请涉及无线电网络技术领域，尤其涉及一种认知卫星网络系统频谱切换优化方法。

背景技术：

无线互联网服务的快速扩展，使得无线通信系统用户数量呈指数级增长，这种快速增长需要更多的频谱和连续带宽。当前频谱管理缺乏灵活性，为了满足不断在增长的频谱需求，对频谱分配、利用和管理需要新的监管方法和技术手段，实现更加灵活的频谱共享和动态频谱访问，满足日益增长的频谱危机的需求。

由于各种限制，无线电频谱利用率低。为了提高无线电频谱的利用率，认知卫星网络系统是解决无线电频谱利用率低的有效途径。在认知卫星网络系统中，有两种类型的卫星，分别为主卫星和从卫星。对应有两种类型的终端：一种是主卫星的终端，另一种是从卫星的终端。主卫星的终端可以随时随地访问卫星网络资源。从卫星的终端配备了认知无线电，可以机会主义地获取主卫星的终端不使用的频谱。当一个主卫星的终端回收卫星无线电频谱资源时，从卫星的终端检测到回收情况，并立即将当前的无线电频谱资源转移到空闲的无线电频谱资源。为了实现认知卫星网络系统中上述功能，从卫星的终端需要频谱感知、频谱管理、频谱共享和频谱迁移和切换四个重要的功能。认知卫星网络系统可以提升频谱的利用效率，满足在频谱资源日益短缺的情况下实现大容量高带宽的认知卫星网络系统，以支持不断上升的用户业务容量和用户业务不同负载情况下的传输效率。探索有效的频率共享技术来提高频谱效率，同时保证数据传输和服务质量是一个高度相关和具有挑战性的研究问题。

技术实现要素：

鉴于此，本申请披露一种认知卫星网络系统中从卫星的终端频谱方法。使得认知卫星网络系统整体上降低频谱迁移的概率，达到提升认知卫星网络系统性能的目的。

为实现上述目的，本申请实施方式提供一种认知卫星网络系统频谱切换优化方法，所述认知卫星网络系统包括从卫星的终端和主卫星的终端；所述方法包括：

所述从卫星的终端通过频谱感知获得未被所述主卫星的终端使用的所有频谱无线信道资源块，从而得到频谱漏洞；并得到所述频谱无线信道资源块被所述主卫星的终端占用的占用率；

所述从卫星的终端根据所述频谱无线信道资源块的占用率确定所述频谱漏洞未被所述主卫星的终端占用的概率；

所述从卫星的终端根据所述频谱漏洞未被所述主卫星的终端占用的概率确定对应频谱漏洞的预期数据传输和切换时间；

所述从卫星的终端根据所有频谱漏洞的预期数据传输和切换时间确定目标频谱漏洞；

所述从卫星的终端通过所述目标频谱漏洞进行数据传输。

优选地，所述频谱漏洞未被所述主卫星的终端占用的概率确定步骤包括：

根据所述从卫星的终端的信噪比、所述频谱漏洞中频谱无线信道资源块确定所述频谱漏洞的信息传输速率；

根据所述从卫星的终端请求传输数据量以及所述频谱漏洞的信息传输速率确定对应传输时间；

根据所述频谱无线信道资源块被所述主卫星的终端占用的占用率、所述传输时间、所述频谱漏洞中频谱无线信道资源块确定所述频谱漏洞未被所述主卫星的终端占用的概率。

优选地，所述频谱漏洞的预期数据传输和切换时间确定步骤包括：

所述从卫星的终端根据请求传输数据量、所述频谱漏洞未被所述主卫星占用的概率、所述频谱漏洞的信息传输速率、使用频谱漏洞进行数据传输时从卫星的终端的网络层切换的时延时间获得所述频谱漏洞的预期数据传输和切换时间。

优选地，所述目标频谱漏洞为所有频谱漏洞中最小的预期数据传输和切换时间对应的频谱漏洞。

优选地，所述频谱漏洞的信息传输速率ri的表达式为：

ri＝mi×rb×log2(1+snr)

其中，snr表示为从卫星的终端的信噪比；ri表示对于频谱漏洞hi的传输速率；mi表示频谱漏洞hi包含频谱无线信道资源块的个数；rb表示频谱无线信道资源块。

优选地，所述传输时间t的表达式为：

其中，d表示从卫星的终端请求传输数据量的大小；snr表示为从卫星的终端的信噪比；ri表示对于频谱漏洞hi的传输速率；mi表示频谱漏洞hi包含频谱无线信道资源块的个数；rb表示频谱无线信道资源块。

优选地，所述从卫星的终端所需的数据传输时间t内的频谱漏洞hi空闲概率分布属于泊松分布。

优选地，所述频谱漏洞未被所述主卫星占用的概率p(hi,t)的表达式为：

其中，p(hi,t)表示在t的时间段内频谱漏洞hi未被主卫星的终端占用概率；βn表示第n个频谱无线信道资源块rb被主卫星的终端的占用率。mi表示频谱漏洞hi包含频谱无线资源块rb的数目，t为时间单元。

优选地，所述频谱漏洞的预期数据传输和切换时间t(hi)的表达式为：

其中，tl2h表示所述从卫星的终端的mac层的切换时延时间，tl3h表示所述从卫星的终端的网络层的切换时延时间；d表示从卫星的终端的请求传输数据量的大小；ri表示对于频谱漏洞hi的传输速率；p(hi,t)表示在t的时间段内频谱漏洞hi未被主卫星占用概率。

通过以上技术手段，可以实现以下有益效果：

对于本技术方案来说，针对认知卫星网络系统中频谱共享管理机制中，从卫星的终端通过确定频谱占用率，预测主卫星的终端回收资源的概率，在从卫星的终端通过频谱感知，获得可用的频谱漏洞后，计算每个频谱漏洞的预期传输和切换时间，从中选出预期传输和切换时间最小的频谱漏洞作为目标频谱漏洞，从卫星的终端完成频谱迁移和切换。目标频谱漏洞的预期数据传输时间是最短的情况下，克服了目前认知卫星网络系统的高层频谱管理机制进行频谱漏洞选择一般使用最大空闲时间方案的缺陷，同时优化了认知卫星网络系统中从卫星的终端的物理层、mac层、网络层的切换，实现了跨层协议，降低了频谱迁移率，增加数据传输效率，从而提升了认知卫星网络系统整体性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请披露的技术应用于认知双卫星网络系统场景示意图；

图2为本申请披露的技术方案的方法流程图；

图3为频谱漏洞未被所述主卫星的终端占用的概率确定步骤流程图；

图4为从卫星的终端频谱切换的功能框图；

图5为从卫星的终端执行频谱切换的流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

附图1说明了本申请披露的技术应用于认知卫星网络系统，认知卫星网络系统由主从两个卫星组成。每个卫星都是多波束宽带卫星，都是覆盖相同区域的多波束卫星，并且工作在正常前向模式。两种卫星连接到地面上不同的终端，分别是主卫星的终端1和从卫星的终端2，主卫星的终端1和从卫星的终端2均为网关，这些网关通过地面骨干网连接，并与地面的网络管理中心和卫星控制中心连接。

认知卫星网络系统中一个主卫星，另一个从卫星，从卫星的终端安装有认知无线电模块。通过地面网关，主卫星的终端跳频模式和定时信息共享给从卫星。从卫星的终端可以最有效方式发现和利用主卫星的终端的频谱漏洞来进行数据传输。从卫星的终端通过频谱感知方式检测主卫星的终端的频谱漏洞，一旦探测到频谱漏洞，从卫星的终端就可以利用这些频谱漏洞进行数据传输。在认知卫星网络系统中，随着主卫星的终端的工作状态变化，主卫星的终端使用的频谱也随之变化，即频谱漏洞在不断变化，当检测到主卫星的终端再次需求该频谱资源时，从卫星的用户终端释放这些频谱资源。

在认知卫星网络系统中，分为主卫星和从卫星；，从卫星的终端配备认知无线电模块，机会性地访问主卫星的终端不使用的频谱。从卫星的终端在接入频谱时，必须考虑到主卫星的终端所使用的频谱发生改变的情况，认知卫星网络系统服从主/从关系，减少对主卫星的终端的干扰，在授权主卫星的终端要使用频谱时，从卫星的终端必须立即退出该频谱，使用其他频谱漏洞，这就需要在频谱共享中考虑到有效的频谱管理和频谱切换方案，进行频谱共享协调。本申请披露一种认知卫星网络系统中从卫星的终端频谱切换方案，其基本思想是从卫星的终端通过观察频谱占用率，预测主卫星的终端回收资源的概率，从卫星的终端通过频谱感知，获得可用的频谱漏洞后，从众多频谱漏洞中选择一个具有最短的预期传输时间的频谱来进行频谱切换。克服了目前认知无线电的高层频谱管理机制进行频谱漏洞选择一般使用最大空闲时间方案的缺陷，使得认知卫星网络系统整体上降低频谱迁移的概率，达到提升系统性能的目的。

从卫星的终端包括认知无线电模块、物理层、mac、网络层、传输层和应用层。其中，从卫星的终端实施频谱切换方案涉及认知无线电模块，物理层，mac层和网络层，包括频谱感知模块、频谱分析模块、频谱决策模块、频谱切换模块。

频谱感知模块的目的是发现频谱漏洞，从卫星的终端利用频谱漏洞传输信息，同时不能对主卫星的终端造成有害干扰。从卫星的终端在利用频谱漏洞进行通信过程中，必须能够快速感知到主卫星的终端需要使用该频谱的情况，并及时进行频谱切换，释放所占用的频谱给主卫星使用。从卫星的终端具体工作过程如下：在每个特定的时隙，天线接收信号，传给宽带射频前端，决策可用信道，把信息通过可用信道传给mac层。具体实现可通过能量检测并从多个候选可用信道中选择一个，对候选可用信道中接收到的信号类型进行识别，如果在对应候选可用信道中发现了信号，mac层则将选择另外一条候选可用信道，继续再对此候选可用信道进行检测，直到发现未被占用的候选可用信道为止。

主卫星在较大主波束下操作，而从卫星在相同覆盖区域中具有较小波束。对于较大主卫星波束，在每个主卫星波束内具有许多点波束的覆盖区域。主卫星的波束选择模式和定时信息共享到从卫星来实现认知功能。从卫星的终端波束选择模式被设计成使得其不影响主卫星的终端操作。此外，可以通过定时信息同步主卫星的终端传输和从卫星的终端传输。从卫星需要更加灵活、并配备更小的转发器。

对于本技术方案来说，其基本思想是基于频谱占用率，预测主卫星的终端回收资源的概率，从卫星的终端通过频谱感知获得可用的频谱漏洞后，选择一个具有最小预期数据传输和网络切换时间的频谱漏洞确定为目标频谱漏洞，根据目标频谱漏洞，通过切换程序进行频谱切换和数据传输使得认知卫星网络系统整体上降低频谱迁移的概率，达到提升系统性能的目的。

对于本技术方案来说，hi表示从卫星检测到的第i个频谱漏洞。频谱漏洞hi是由一些相邻的频谱无线信道资源块rb组成，rbk表示频谱漏洞hi的第k个无线信道资源块。su表示从卫星的终端，pu表示主卫星的终端。

设定从卫星的终端su有数据业务要传输，用t(hi)表示从卫星的终端su数据服务的频谱漏洞hi的预期数据传输和切换时间。t(hi)值越大，预期传输和切换时间越长，及从卫星的终端su在使用频谱漏洞hi传输数据时，资源被主卫星的终端pu回收的概率较高。这样会导致频谱迁移和切换操作。相反，t(hi)值越小，从卫星的终端su使用频谱漏洞hi传输数据的成功率越高，因为频谱漏洞hi资源被主卫星的终端pu回收的概率低。认知卫星网络系统的频谱切换方法就实现从用户进行选择频谱漏洞和频率迁移时，满足t(hi)具有最小的数据传输和切换时间tmin。具体实现步骤如图2所示。包括：

步骤201)：所述从卫星的终端通过频谱感知获得未被所述主卫星的终端使用的所有频谱无线信道资源块，从而得到频谱漏洞；并得到所述频谱无线信道资源块被所述主卫星的终端占用的占用率。

在步骤201中，从卫星的终端使用认知无线电模块进行频谱感知，来观察信号功率和频谱无线信道资源块rb的使用状态，获取频谱无线信道资源块的利用率和频谱漏洞。进一步地详述，从卫星su周期性地感知每个频谱无线信道资源块，以获取每个频谱无线信道资源块的占用率。频谱漏洞hj是由一些相邻的频谱无线信道资源块rb组成的。假设nk是一段时间内频谱无线资源块rbk被主卫星的终端pu占用的累计数。如果在时间段内使用一次频谱无线资源块rbk，则nk的值会增加1。如果nk值较大，说明主卫星的终端pu占用频谱无线资源块rbk越频繁，这也意味着从卫星的终端su使用频谱无线资源块rbk的机会较低。否则，如果nk的值越小，从卫星的终端su有更高的机会使用频谱无线信道资源块rbk，因而主卫星的终端pu中断从卫星的终端su传输数据的概率越低。在一段时间内观察并记录所有频谱无线信道资源块rbk占用率的信息。频谱漏洞hj是一些相邻的频谱无线信道资源块rbk，其中，1≤k≤nmax。类似的，这样可以得到一系列频谱空洞(h1，h2，…，hj…，hnmax)。

步骤202：所述从卫星的终端根据所述频谱无线信道资源块占用率确定所述频谱漏洞未被所述主卫星占用的概率。

如图3所示，为所述频谱漏洞未被所述主卫星占用的概率确定步骤流程图。包括：

步骤a)：根据所述从卫星的终端的信噪比、所述频谱无线信道资源块确定所述频谱漏洞的信息传输速率。

从卫星的终端的信噪比定义为snr。对于频谱漏洞hi，让ri表示对于频谱漏洞hi的传输速率。如果频谱漏洞hi包含mi个频谱无线信道资源块rb，则有：

ri＝mi×rb×log2(1+snr)(1)

步骤b)：根据所述从卫星的终端请求传输数据量以及所述频谱漏洞的信息传输速率确定对应传输时间。

对于本步骤来说，估算从卫星的终端su请求传输数据量的大小d所需的传输时间t，基于公式(1)进行。则有

步骤c)：根据所述频谱无线信道资源块被所述主卫星的终端占用的占用率、所述传输时间、所述频谱漏洞中频谱无线信道资源块确定所述频谱漏洞未被所述主卫星占用的概率。

假设：p(hi，t)表示在t的时间段内频谱漏洞hi未被主卫星的终端pu占用概率。为了预测从卫星的终端su的数据传输所需时间t内的频谱漏洞hi空闲概率，使用泊松分布模型，则有下面的公式：

上述公式中，βn表示第n个频谱无线信道资源块rb被主卫星的终端pu的占用率。mi表示频谱漏洞hi包含频谱无线资源块rb的数目，t为时间单元。

步骤203：所述从卫星的终端根据所述频谱漏洞未被所述主卫星的终端占用的概率确定对应频谱漏洞的预期数据传输和切换时间。

t(hi)表示频谱漏洞hi的预期数据传输和切换时间，所述从卫星的终端请求传输数据量、所述频谱漏洞未被所述主卫星的终端占用的概率、所述频谱漏洞的信息传输速率、频谱迁移的时延时间、频谱切换的时延时间获得所述频谱漏洞的预期数据传输和切换时间。则有：

其中，tl2h表示从卫星的终端的mac层的切换时延时间，tl3h表示从卫星的终端的网络层的切换时延时间。

对于本步骤来说，考虑了从卫星的mac层和网络层的切换时间，本技术方案支持跨层优化管理。

步骤204：所述从卫星的终端根据所有频谱漏洞的预期数据传输和切换时间确定目标频谱漏洞。

通常情况下，从卫星的终端获得可用的频谱漏洞后，从众多频谱漏洞中选择一个频谱时需计算出每个频谱漏洞对应的预期传输时间，根据预期传输时间选出目标频谱漏洞，通过切换程序进行频谱迁移至对应目标频谱漏洞。在实际应用中，在选择一个频谱时计算出最短的预期传输时间，使得认知卫星网络系统整体上降低频谱迁移的概率，达到提升系统性能的目的。从卫星的终端su在选择频谱漏洞进行数据传输时选择t(hi)最小的频谱漏洞为hs：

min(t(h1),t(h2),...t(hi)，...)(5)

由式(5)可知，本技术方案基于从卫星的终端通过观察频谱占用率，预测主卫星的终端回收资源的概率，在从卫星的终端通过频谱感知获得可用的频谱漏洞后，从中选择一个频谱漏洞时以最短的预期数据传输时间为准则确定目标频谱漏洞，完成频谱迁移和切换。

步骤205：所述从卫星的终端，通过所述目标频谱漏洞进行数据传输。

对于本步骤来说，在选择出频谱漏洞hs作为目标频谱漏洞后，从卫星的终端完成频谱迁移和切换，在目标频谱漏洞上进行数据传输。

如图4所示，为从卫星的终端设置有切换优化功能框图。所述终端频谱切换方法包括：

频谱感知模块401，用于所述从卫星的终端通过频谱感知获得未被所述主卫星的终端使用的所有频谱无线信道资源块，从而得到频谱漏洞；并得到所述频谱无线信道资源块被所述主卫星的终端占用的占用率；

频谱分析模块402，用于所述从卫星的终端根据所述无线信道资源块的占用率确定所述频谱漏洞未被所述主卫星的终端占用的概率；

频谱第一决策模块403，用于所述从卫星的终端根据所述频谱漏洞未被所述主卫星占用的概率确定对应频谱漏洞的预期数据传输和切换时间；

频谱第二决策模块404，用于所述从卫星的终端根据所有频谱漏洞的预期数据传输和切换时间确定目标频谱漏洞；

频谱切换模块405，用于所述从卫星的终端通过所述目标频谱漏洞进行数据传输。

在本实施例中，所述频谱分析模块402包括：

信息传输速率确定单元，用于根据所述从卫星的终端的信噪比、所述频谱漏洞中频谱无线信道资源块确定所述频谱漏洞的信息传输速率；

传输时间确定单元，用于根据所述从卫星的终端请求传输数据量以及所述频谱漏洞的信息传输速率确定对应传输时间；

概率确定单元，用于根据所述频谱无线信道资源块被所述主卫星占用的占用率、所述传输时间、所述频谱漏洞中频谱无线信道资源块确定所述频谱漏洞未被所述主卫星占用的概率。

在本实施例中，所述频谱第一决策模块303进一步用于：

所述从卫星的终端根据请求传输数据量、所述频谱漏洞未被所述主卫星的终端占用的概率、所述频谱漏洞的信息传输速率、使用频谱漏洞进行数据传输时从卫星的终端的网络层切换的时延时间获得所述频谱漏洞的预期数据传输和切换时间。

在本实施例中，所述频谱第二决策模块304确定的目标频谱漏洞为所有频谱漏洞中最小的预期数据传输和切换时间对应的频谱漏洞。

如图5所示，为从卫星的终端执行频谱切换的流程图。包括：

频谱感知模块401感知主卫星的终端所有未被使用频谱无线信道资源块rbk,1≤k≤nmax。获得频谱漏洞，记录频谱漏洞(h1，h2，…，hj…，hnmax)。观察和记录所有频谱无线信道资源块rbk占用率的信息。根据从卫星的终端检测到频谱漏洞hj。从卫星的终端根据要传输的数据量，利用公式(1)～公式(4)获得每个频谱漏洞对应的预期数据传输和切换时间t(hj)。从卫星的终端根据所有频谱漏洞t(hj)的值确定最小t(hj)值对应的频谱漏洞作为目标频谱漏洞。从卫星的终端选择和使用目标频谱漏洞进行数据数传输，实现频谱迁移和切换。

对于本技术方案来说，针对认知卫星网络系统中频谱共享管理机制中，从卫星的终端通过确定频谱占用率，预测主卫星的终端回收资源的概率，在从卫星的终端通过频谱感知获得可用的频谱漏洞后，从众多频谱漏洞中选择一个频谱漏洞时，计算每个频谱漏洞的预期传输和切换时间，从中选出预期传输和切换时间最小的频谱漏洞作为目标频谱漏洞，从卫星的终端完成频谱迁移和切换。目标频谱漏洞的预期数据传输时间是最短的情况下，克服了目前认知卫星网络系统的高层频谱管理机制选择一般使用最大空闲时间的频谱资源作为频谱漏洞的缺陷，同时支持认知卫星网络系统中从卫星的终端的mac层的频谱迁移和网络层的切换，实现了跨层协议，降低了频谱迁移率，从而提升了认知卫星网络系统整体性能。