一种基于序贯决策路由切换的节点卫星通信方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于序贯决策路由切换的节点卫星通信方法，其特征在于：以反映低轨卫星星座节点卫星间路由切换的连续性以及不确定性，利用低轨卫星星座节点卫星为移动终端提供的服务信号强弱及点波束服务方位，采用序贯决策路由切换对低轨卫星星座进行最优化卫星切换。本发明通过移动终端t时段在节点卫星的所有状态变量、决策变量以及所用策略的构成状态变量集、决策变量集以及策略集，根据这些数据集序贯决策得到可行路由切换策略集，最后由路由切换目标函数F做出路由切换最优切换策略。此方法综合考虑节点卫星在为移动终端服务过程中路由切换的状态，通过一种基于序贯决策路由切换的节点卫星通信方法，实现空间网络系统安全、稳定的通信。
【专利说明】
-种基于序贯决策路由切换的节点卫星通信方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种基于序贯决策路由切换的节点卫星通信方法，尤其设及在卫星高 速运动W及工作覆盖区域动态变化的情形下，采用序贯决策的节点卫星变换通信，实现用 户通信的连续性W及安全性。
【背景技术】
[0002] 卫星通信系统是实现全球通信中的重要组成部分，其中低轨卫星化EO)通信系统 W其覆盖面积广、传输时延小、功耗低W及高抗毁性等特点，在现代通信领域中具有重要的 作用。
[0003] 低轨卫星化EO)系统一般指运行轨道高度约为500~1500km的卫星星座。其单颗卫 星对地的覆盖面积小，W大于25000km/h的速度相对地面高速移动，并且LEO星座的网络拓 扑随时间不断变化。因此，LEO卫星星座往往由数十颗，甚至上百颗卫星组成。但由于低轨卫 星系统相对于同步静止轨道，即高轨卫星(GEO)来说，提供了更短的传输时延，W及更小的 路径损耗。
[0004] 在低轨卫星移动通信系统中，由于卫星相对地面的移动速度很快，运就导致单颗 卫星为用户提供服务的时间很短，为十分钟左右的时间。因而，在用户通信过程中，会不断 进行卫星间切换。按照切换的协议层次，卫星网络切换可W分为链路切换和网络层切换。链 路层切换又可W分为点波束切换、卫星切换和星间链路切换。卫星切换是指由于卫星相对 地面的高速运行，移动终端从卫星A覆盖区域变化到卫星B覆盖区域。其中对于低轨卫星星 座多星覆盖的情况，按照何种准则选定接入卫星是节点卫星路由切换的重要问题。节点卫 星路由切换策略的好坏直接影响到呼叫阻塞率、切换开销W及系统信道利用率等系统性 能。综合考虑节点卫星在为移动终端服务过程中路由切换的状态，做出合理高效的卫星路 由切换策略非常重要。
【发明内容】
[0005] 节点卫星路由切换策略的好坏直接影响到呼叫阻塞率、切换开销W及系统信道利 用率等系统性能。综合考虑节点卫星在为移动终端服务过程中路由切换的状态，做出合理 高效的卫星路由切换策略非常重要。
[0006] 为达到上述目的，本发明提供一种基于序贯决策路由切换的节点卫星方法，所采 用的技术方案是：
[0007] 作为一种基于序贯决策路由切换的节点卫星通信方法，其特征在于：
[000引 W反映低轨卫星星座节点卫星间路由切换的连续性W及不确定性，利用低轨卫星 星座节点卫星为移动终端提供的服务信号强弱及点波束服务方位，采用序贯决策路由切换 对低轨卫星星座进行最优化卫星切换。
[0009]作为一种基于序贯决策路由切换的节点卫星通信方法，低轨卫星星间路由切换的 连续性和不确定性反映的是：
[0010] 移动终端所接受节点卫星服务的信号强度、节点卫星的负载W及覆盖服务时间受 低轨卫星的移动速度的影响，具有连续性的变化，此外，低轨卫星星座由众多节点卫星组 成，接受服务的移动终端的位置也在时时变化，使得在节点卫星路由切换过程中下一步可 能要切换的节点卫星是随机不确定的。
[0011] 作为一种基于序贯决策路由切换的节点卫星通信方法，其低轨卫星化EO)星座节 点卫星基于序贯决策的路由切换可描述为：
[0012] 公式 1)
[0013] ;服务节点卫星状态变量，x(t)为t时段可行状态集；
[0014] (公式 2)
[0015] ^服务节点卫星决策变量，U( t)为t时段可行决策变量集；
[0016] 公或 3)
[0017] ^服务节点卫星t时段的一个策略，Z(t)为t时段可行策略 集；
[001引 （公式4)
[0019] D(K)为序贯决策问题的一个可行策略集，其中X、U、Z依次为移动终端当前提供服 务节点^居的化太巧间化绝空间和策略空间；
[0020] :公式 5)
[0021] 沒为可行约束集；
[0022] 定义f为节点卫星路由切换状态转移函数，F为节点卫星路由切换目标函数，假设 保证节点卫星路由切换的时间最短，可靠性最高W及节点卫星路由切换的周期连续且随 机，序贯决策路由切换的最优化描述为：
[0023]
[0024]
[0025]
[00%]通过种Vi可快速根据当前节点卫星的状态变量、决策变量W及采取的策略计算出 下一时段的状态，并且路由切换后节点卫星的状态和W前的状态无关联性，至此，为移动终 端提供服务的节点卫星开始进行下一次的路由切换的决策。
[0027] 本发明具有W下有益技术效果：
[0028] 较之其它低轨卫星星座节点卫星切换策略，此方法综合考虑节点卫星在为移动终 端服务过程中路由切换的状态，通过一种基于序贯决策路由切换的节点卫星通信策略的方 法，实现一套严密的对空间网络系统安全、稳定的通信方法。
【附图说明】
[0029] 为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面结合附图与具体实施方案对 本发明做进一步说明：
[0030] 图1是LEO卫星星座卫星切换示意图。
[0031] 图2是基于序贯决策路由切换的节点卫星通信方法的流程图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
[0033] 低轨卫星星座网络中的卫星切换问题可W简单描述由于低轨卫星的高速移动W 及用户移动终端的移动，从卫星A的覆盖区域移动到卫星B覆盖的区域。在此切换过程中，移 动终端通过分析后续将要切换的所有在切换范围内的节点卫星所发送的导频强度数据，如 从卫星A的覆盖区域移动到卫星B覆盖的区域过程中还有一个卫星C覆盖区域，此时需要对 最佳的节点卫星进行信道切换，并在切换结束后把原卫星的交互指令切换到后续的节点卫 星上，继续移动终端所进行的服务。
[0034] 作为一种基于序贯决策路由切换的节点卫星通信方法，其特征在于：
[0035] W反映低轨卫星星座节点卫星间路由切换的连续性W及不确定性，利用低轨卫星 星座节点卫星为移动终端提供的服务信号强弱及点波束服务方位，采用序贯决策路由切换 对低轨卫星星座进行最优化卫星切换。
[0036] 作为一种基于序贯决策路由切换的节点卫星通信方法，低轨卫星星间路由切换的 连续性和不确定性反映的是：
[0037] 移动终端所接受节点卫星服务的信号强度、节点卫星的负载W及覆盖服务时间受 低轨卫星的移动速度的影响，具有连续性的变化，此外，低轨卫星星座由众多节点卫星组 成，接受服务的移动终端的位置也在时时变化，使得在节点卫星路由切换过程中下一步可 能要切换的节点卫星是随机不确定的。
[0038] 该低轨卫星星间序贯决策路由切换的过程是通过移动终端t时段在节点卫星的所 有状态变量、决策变量W及所用策略的构成状态变量集、决策变量集W及策略集，根据运些 数据集序贯决策得到可行路由切换策略集，最后由路由切换目标函数F做出路由切换最优 切换策略。
[0039] 作为一种基于序贯决策路由切换的节点卫星通信方法，其低轨卫星化EO)星座节 点卫星基于序贯决策的路由切换可描述为：
[0040]
[0041] ;服务节点卫星状态变量，X(t)为t时段可行状态集；
[0042]
[0043] 服务节点卫星决策变量，u(t)为t时段可行决策变量集；
[0044]
[0045] ft服务节点卫星t时段的一个策略，Z(t)为t时段可行策略 集；
[0046]
[0047] D(K)为序贯决策问题的一个可行策略集，其中X、U、Z依次为移动终端当前提供服 务节点卫星的状态空间、决策空间和策略空间；
[004引
[0049] 贫为可行约束集；
[0050] 定义f为节点卫星路由切换状态转移函数，F为节点卫星路由切换目标函数，假设 保证节点卫星路由切换的时间最短，可靠性最高W及节点卫星路由切换的周期连续且随 机，序贯决策路由切换的最优化描述为：
[0化1 ]
[0化2]
[0化3]
[0054] 通过xf+i可快速根据当前节点卫星的状态变量、决策变量W及采取的策略计算出 下一时段的状态，并且路由切换后节点卫星的状态和W前的状态无关联性，至此，为移动终 端提供服务的节点卫星开始进行下一次的路由切换的决策。
[0055] 由多颗卫星构成的低轨卫星通信系统具有覆盖面积广、传输时延小、功耗低W及 高抗毁性等特点，在现代通信领域中发挥着重要的作用。如今，低轨卫星作为通信系统的骨 干节点，其对地的高速移动，导致卫星网络拓扑结构快速变化，星地链路切换频繁，运就使 得通信过程中数据包乱序的可能性大大增加，并且空间通信系统的开放性对通信的过程的 安全性也产生了很大的影响。本发明设及一种基于序贯决策路由切换的节点卫星通信方 法，尤其设及在卫星高速运动W及工作覆盖区域动态变化的情形下，采用序贯决策的节点 卫星变换通信，保证了通信过程的稳定性，并且对恶意攻击有一定的主动防御性，实现用户 通信的稳定性、连续性W及安全性。
【主权项】
1. 一种基于序贯决策路由切换的节点卫星通信方法，其特征在于： W反映低轨卫星星座节点卫星间路由切换的连续性W及不确定性，利用低轨卫星星座 节点卫星为移动终端提供的服务信号强弱及点波束服务方位，采用序贯决策路由切换对低 轨卫星星座进行最优化卫星切换。2. 根据权利要求1所述的一种基于序贯决策路由切换的节点卫星通信方法，其特征在 于： 低轨卫星星间路由切换的连续性和不确定性反映的是： 移动终端所接受节点卫星服务的信号强度、节点卫星的负载W及覆盖服务时间受低轨 卫星的移动速度的影响，具有连续性的变化，此外，低轨卫星星座由众多节点卫星组成，接 受服务的移动终端的位置也在时时变化，使得在节点卫星路由切换过程中下一步可能要切 换的节点卫星是随机不确定的。3. 根据权利要求1所述的一种基于序贯决策路由切换的节点卫星通信方法，其特征在 于： 低轨卫星(LEO)星座节点卫星基于序贯决策的路由切换可描述为：4为移动终端当前提供服务节点卫星状态变量，x(t)为t时段可行状态集；uj"为移动终端当前提供服务节点卫星决策变量，U(t)为t时段可行决策变量集；巧为移动终端当前提供服务节点卫星t时段的一个策略，Z(t)为t时段可行策略集；D(K)为序贯决策问题的一个可行策略集，其中X、U、Z依次为移动终端当前提供服务节 点卫星的状态空间、决策空间和策略空间； 拉为可行约束集；定义f为节点卫星路由切换状态转移函数，F为节点卫星路由切换目标函数，假设保证 节点卫星路由切换的时间最短，可靠性最高W及节点卫星路由切换的周期连续且随机，序 贯决策路由切换的最优化描述为：序贯决策路由切换状态转移方程：通过X品1可快速根据当前节点卫星的状态变量、决策变量W及采取的策略计算出下一 时段的状态，并且路由切换后节点卫星的状态和W前的状态无关联性，至此，为移动终端提 供服务的节点卫星开始进行下一次的路由切换的决策。
【文档编号】H04W36/30GK105979557SQ201610257408
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】石乐义, 崔玉文, 程子敬, 林楷, 赵俊楠
【申请人】中国石油大学(华东), 航天恒星科技有限公司