一种降雪干扰下低轨量子卫星多用户切换方法

本公开实施例涉及卫星通信，尤其涉及一种降雪干扰下低轨量子卫星多用户切换方法。

背景技术：

1、低轨道量子卫星网是构建高保密、高容量、低延迟的全球化量子通信链路必不可少的一部分。自“墨子号”成功发射以来，已经有诸多学者验证了低轨量子卫星与地面终端之间传输的可行性。

2、低轨道量子卫星的高度范围为500～100km，相对于地面终端，其移动速度快，可提供的服务时间有限，终端位置的移动可以忽略，且用户通常需要在3～4min分钟之内切换下一颗卫星，因此多用户与卫星之间的切换判决策略是目前构建量子卫星通信星座亟待解决的问题。

3、相关技术中，均仅以单属性(如纠缠度、最小链路衰减、通信仰角)作为切换判决准则，只能达到单属性性能上的最优，牺牲了其他属性的优势，同时也未考虑用户之间的相互影响，这会造成量子卫星的负载失衡和资源分配不均，严重时甚至会导致卫星切换失败或者通信中断。

4、因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

5、需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的技术方案提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

技术实现思路

1、本公开实施例的目的在于提供一种降雪干扰下低轨量子卫星多用户切换方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

2、根据本公开实施例，提供一种降雪干扰下低轨量子卫星多用户切换方法，该方法包括：

3、建立演化博弈模型；其中，所述演化博弈模型包括若干个用户和若干个卫星；

4、根据光量子在传输过程中的信道总衰减系数和所述光量子的传输距离，以得到大气降雪环境下的链路衰减值；

5、根据各个所述用户的带宽、所述卫星的剩余服务时间和所述链路衰减值，以建立所述用户的效用函数；

6、根据所述卫星的星间传输时延和所述光量子的信道纠缠度，以得到所述用户的开销函数；

7、根据所述效用函数和所述开销函数得到所述用户连接所述卫星的收益函数，并得到各个所述用户的收益值及所有所述用户的平均收益；

8、基于各个所述用户的收益值和所有所述用户的平均收益，利用低轨量子卫星多用户切换算法进行演化模仿学习，并进行切换策略决策，直至各个所述用户达到演化均衡。

9、本公开的一实施例中，所述基于各个所述用户的收益值和所有所述用户的平均收益，利用低轨量子卫星多用户切换算法进行演化模仿学习，并进行切换策略决策，直至各个所述用户达到演化均衡的步骤中包括：

10、所述用户不断对自身的所述收益值与所述平均收益的值进行比较，若所述收益值小于所述平均收益，则切换其它能够使自身的所述收益值增大的所述卫星；

11、所述用户在关联至其他任一新的所述卫星后，重新计算各个所述用户的收益值和所有所述用户的平均收益，直至各个所述用户达到演化均衡。

12、本公开的一实施例中，所述用户每次与一个所述卫星连接。

13、本公开的一实施例中，所述光量子在传输过程中的信道总衰减系数的表达式为：

14、

15、其中，asnow为大气降雪环境下的链路衰减值，单位为db/km；l为光量子的传输距离；λ为光量子的信号波长；dt为发送端望远镜孔径；dr为接收端望远镜孔径；tt和tr分别为望远镜传输因子；r0表示大气相干长度，即大气湍流对大气的影响程度；lp为定位损耗。

16、本公开的一实施例中，所述大气降雪环境下的链路衰减值的表达式为：

17、asnow＝10·l·σext·lge     (2)

18、其中，σext为单位体积内雪花的消光系数与雪谱分布函数间的关系。

19、本公开的一实施例中，所述效用函数的表达式为：

20、

21、其中，ci是量子卫星的容量；aisnow为降雪环境干扰下用户选择策略i时的链路衰减值，可由公式(1)计算得出；和分别表示降雪干扰下的最小和最大链路衰减值，timax为卫星覆盖用户的最大时间；timax-t表示t时刻选择策略i的量子卫星剩余服务时间；α、β、ξ分别表示带宽影响权重、信道衰减影响权重、服务时间影响权重，且满足α+β+ξ＝1。

22、本公开的一实施例中，所述开销函数的表达式为：

23、

24、其中，ω1、ω2分别为链路传输时延权重因子、纠缠度传输因子；ni为接入卫星li的用户数；e为降雪环境下的量子信道纠缠度。

25、本公开的一实施例中，所述收益函数的表达式为：

26、oi＝ui-ki         (5)

27、其中，oi为用户连接卫星的收益函数。

28、本公开的一实施例中，所有所述用户的所述平均收益的表达式为：

29、

30、其中，为用户的平均收益。

31、本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

32、本公开的实施例中，通过上述降雪干扰下低轨量子卫星多用户切换方法，结合量子星地链路间的衰减特性，得到了用户的效应函数与开销函数，进而得到用户的平均收益函数。且构建了演化博弈模型，并利用低轨量子卫星多用户切换算法进行切换策略决策，直至各个用户达到演化均衡。该方法能更有效地提升用户切换的成功率，为未来量子卫星通信的可靠性及有效性设计提供一定的参考。

技术特征：

1.一种降雪干扰下低轨量子卫星多用户切换方法，其特征在于，该方法包括：

2.根据权利要求1所述降雪干扰下低轨量子卫星多用户切换方法，其特征在于，所述基于各个所述用户的收益值和所有所述用户的平均收益，利用低轨量子卫星多用户切换算法进行演化模仿学习，并进行切换策略决策，直至各个所述用户达到演化均衡的步骤中包括：

3.根据权利要求2所述降雪干扰下低轨量子卫星多用户切换方法，其特征在于，所述用户每次与一个所述卫星连接。

4.根据权利要求1所述降雪干扰下低轨量子卫星多用户切换方法，其特征在于，所述光量子在传输过程中的信道总衰减系数的表达式为：

5.根据权利要求4所述降雪干扰下低轨量子卫星多用户切换方法，其特征在于，所述大气降雪环境下的链路衰减值的表达式为：

6.根据权利要求5所述降雪干扰下低轨量子卫星多用户切换方法，其特征在于，所述效用函数的表达式为：

7.根据权利要求6所述降雪干扰下低轨量子卫星多用户切换方法，其特征在于，所述开销函数的表达式为：

8.根据权利要求7所述降雪干扰下低轨量子卫星多用户切换方法，其特征在于，所述收益函数的表达式为：

9.根据权利要求8所述降雪干扰下低轨量子卫星多用户切换方法，其特征在于，所有所述用户的所述平均收益的表达式为：

技术总结
本公开实施例是关于一种降雪干扰下低轨量子卫星多用户切换方法。该方法包括：建立演化博弈模型；根据光量子在传输过程中的信道总衰减系数和光量子的传输距离，得到大气降雪环境下的链路衰减值；根据各个用户的带宽、卫星的剩余服务时间和链路衰减值，建立效用函数；根据卫星的星间传输时延和光量子的信道纠缠度，得到开销函数；并得到各个用户的收益值及所有用户的平均收益；利用低轨量子卫星多用户切换算法进行演化模仿学习，并进行切换策略决策，直至各个用户达到演化均衡。本公开实施例能更有效地提升用户切换的成功率，为未来量子卫星通信的可靠性及有效性设计提供一定的参考。

技术研发人员：聂敏,薛长春,毛煜锟,杨光
受保护的技术使用者：西安邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17