一种基于IEEE802.11的低轨道卫星至同步轨道数据中继卫星的接入方法技术

本发明专利技术提出一种基于IEEE802.11的低轨道卫星至同步轨道数据中继卫星的接入方法，利用低轨航天器用户与同步轨道中继卫星的空间相对位置特性以及同步轨道中继卫星通信服务窗口范围的实际情况，进行可视性判断，分析网络节点动态变化情况，利用IEEE802.11得到接入时延计算表达式，获得表达式获得最短时延条件下的通信服务窗口内不同用户节点数量的平均接入请求概率，利用马尔可夫模型，获得基于用户平均接入概率的最短接入时延条件下的退避窗口计算方法，实现动态调整退避窗口大小；本发明专利技术方法对IEEE802.11卫星接入控制协议进行改进，网络饱和吞吐量提升了一倍，网络性能显著提高，可以使IEEE802.11机制更加高效地运行于空间信息网络中。

An Access Method of Data Relay Satellite from LEO Satellite to GEO Satellite Based on IEEE802.11

The invention provides an access method for data relay satellite from LEO satellite to geosynchronous orbit based on IEEE802.11. By utilizing the space relative position characteristics of users of LEO spacecraft and synchronous orbit relay satellite and the actual situation of the communication service window range of geosynchronous orbit relay satellite, the visibility judgment is made, the dynamic changes of network nodes are analyzed, and the connection is obtained by using IEEE802.11. The average access request probability of different number of user nodes in the communication service window under the shortest delay condition is obtained by the expression. Using Markov model, the calculation method of the backoff window under the condition of the shortest access delay based on the average access probability of the user is obtained, and the size of the backoff window is dynamically adjusted. The method of the present invention is used for IEEE802.11 satellite access. With the improvement of the control protocol, the saturated throughput of the network has doubled, and the network performance has been significantly improved, which can make the IEEE802.11 mechanism run more efficiently in the spatial information network.

【技术实现步骤摘要】
一种基于IEEE802.11的低轨道卫星至同步轨道数据中继卫星的接入方法
本专利技术涉及空间卫星组网
，具体涉及一种低轨道卫星至同步轨道数据中继卫星的接入控制方法。
技术介绍
空间信息网络具有星间链路接入关系复杂、信道资源有限以及拓扑结构时变等特征，在卫星数量较多、接入申请频繁、频谱资源不足时，传统的固定分配式多址接入控制方案将导致卫星用户接入失败率增加，资源申请周期延长等，成为制约空间信息网络服务能力和整体性能的瓶颈效应，由于IEEE802.11多址接入控制协议具有非常广阔的应用前景，国内外众多专家学者对基于IEEE802.11的星间多址接入控制协议展开了研究。文献“BianchiG.PerformanceanalysisoftheIEEE802.11distributedcoordinationfunction，IEEEJournalonselectedareasincommunications,2000,18(3):535-547.”提出采用IEEE802.11多址接入控制协议实现低轨卫星集群内的多址接入。文献“K.Sidibeh,T.Vladimirova.WirelessCommunicationinLEOsatelliteFormations，inProc.NASA/ESAConferenceonAdaptiveHardware&Systems,Noordwijk,theNetherlands,2012,pp.255-262.”采用一般地面无线网络中根据用户平均接入概率动态调整退避窗口大小的方法，进行饱和吞吐量和平均接入时延的网络性能优化。文献“M.Ghanbarinejad,C.Schlegel,M.Khabbazian，OnThroughput-DelayTradeoffofRandomAccessoverSatelliteLinks.IEEEInternationalConferenceonCommunications,June2015,pp.850-855.”提出了在IEEE802.11接入方法下，通过寻求最优算法实现系统吞吐量和接入时延同时达到最优。上述方法均是在低轨卫星星群内或较固定的星-地链路场景下进行IEEE802.11多址接入控制协议设计，没有考虑网络用户与节点距离变化带来的传播时延影响。考虑到实际空间信息网络拓扑结构的动态性，数据中继卫星与低轨用户间较长的链路距离以及数据中继卫星有限的覆盖范围，既要保证采用IEEE802.11多址接入控制协议的网络具有良好的可扩展性和适应性，还要考虑网络节点数量动态时变的情况。所以现有方法难以满足基于IEEE802.11多址接入控制协议下的空间信息网络中低轨用户卫星的多址接入应用。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种基于IEEE802.11的低轨道卫星至同步轨道数据中继卫星的接入方法，包括：步骤1：根据中继卫星通信服务窗口限制条件，构建空间信息网络动态接入模型；步骤2：使用轨道动力学方法计算步骤1构建的模型，判断用户卫星可视性；步骤3：使用最短接入时延方法建立可视用户卫星接入时延与平均接入概率模型，得到最短时延下接入概率；步骤4：根据步骤3得到的最短时延下接入概率结合马尔科夫概率转移模型分析方法，得到动态退避窗口大小；步骤5：根据步骤4得到的动态退避窗口大小,改进IEEE802.11卫星接入控制协议。进一步的，步骤1中中继卫星通信服务窗口限制条件指用户卫星在竞争传输信道之前需要判断是否满足数据中继卫星的通信窗口范围，构建空间信息网络动态接入模型指定义描述卫星运动的坐标系；步骤2包括建立卫星轨道根数与坐标位置的转换关系，计算星间相对距离，判断可视性关系；步骤3通过对接入时延表达式求导得到最短接入时延条件下接入概率；步骤4马尔科夫概率转移模型分析方法为建立以传输时隙为单位的离散条件下的二进制退避阶数s(t)和退避窗口b(t)的马尔科夫过程。进一步的，步骤1中卫星运动的坐标系为空间惯性坐标系，其坐标原点O为地球中心，X轴位于轨道平面内，指向公元2000年的春分点，Z轴指向北极，Y轴在赤道平面内与X轴垂直，O-XYZ构成右手坐标系，低轨用户卫星坐标为Sh＝(Xh,Yh,Zh)，数据中继卫星坐标为S0＝(X0,Y0,Z0)；步骤2中卫星轨道根数与坐标位置Sh＝(Xh,Yh,Zh)的转换关系如下，其中Rh半长轴、eh偏心率、ah轨道倾角、Ωh升交点赤经、ωh近地点幅角、θh真近点角；数据中继卫星S0＝(X0,Y0,Z0)和用户卫星Sh之间的相对距离Lh为，在轨道运行周期Th时，真近点角θh为，在任意时间t时，数据中继卫星S0和用户卫星Sh的相对距离Lh(t)为，中继卫星的通信服务范围为[Lmin,Lmax]，数据中继卫星S0和用户卫星Sh的可视性关系δh为，步骤3中用户的接入时延D可近似表示为其中P为用户卫星在每个传输时隙中接入信道的概率、Tslot为发送端收到ACK数据包的时间，q表示接入成功概率；用户卫星在每个传输时隙中接入信道的概率为，步骤4中节点在每个传输时隙过程中均以独立概率P接入信道，在退避过程中建立以传输时隙为单位的离散条件下的二进制退避阶数s(t)和退避窗口b(t)的马尔科夫过程，四种状态下的完备条件转移概率集合为：P＝{i,k|i,k+1}＝1,i∈(0,m),k∈(0,CWi-2)P＝{0,k|i,0}＝(1-q)/CW0,i∈(0,m),k∈(0,CWi-1)P＝{i,k|i-1,0}＝q/CW0,i∈(1,m),k∈(0,CWi-1)P＝{m,k|m,0}＝q/CWm,k∈(0,CWi-1)上述第一个等式表示节点在i阶退避次数下，当前退避窗口值k每经过一个传输时隙，减1时的转移概率；第二个等式表示节点经i次退避后，完成成功传输，退避阶数回到初始值0，随机选取退避窗口值k，k∈(0,CWi)时的转移概率；第三个等式表示节点经i-1次退避后，重新竞争失败，增加退避阶数至i，退避窗口为k时的转移概率；第四个等式则表示节点处于最大退避阶数m，退避结束后再次竞争失败，重新退避时的转移概率；令bi,k表示节点处于退避阶数i，i∈(0,m)退避窗口为k，k∈(0,CWi)的概率，则有：其中：bi-1,0·q＝bi,0＝qi·b0,0i∈(0,m)bi,k可归纳为：由于则有：系统用户的发送请求概率P则为：建立发送请求概率P的等式为：其中，m为二进制退避算法中用户最大次数，当m＝0即退避计数从0开始时，以初始退避最短时延条件下退避窗口CWopt为：步骤5在ACK数据包中封装CW值，广播给用户，用户随机选取退避时隙进行退避。本专利技术本基于最短接入时延理论，对IEEE802.11卫星接入控制协议进行改进，解决了大时空尺度下空间信息网络中采用传统退避方法时，用户平均接入时延高和系统吞吐量低的问题，获得基于用户平均接入概率的最短接入时延条件下的退避窗口计算方法，实现动态调整退避窗口大小。本专利技术的方法可使网络接入时延较传统方法平均降低10s，到达饱和吞吐量的归一化业务量阈值比原IEEE802.11访问接入方法增加了0.3，提升至0.6，网络饱和吞吐量提升了一倍，网络性能显著提高，可以使IEEE802.11接入方法更加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于IEEE802.11的低轨道卫星至同步轨道数据中继卫星的接入方法，其特征在于，包括：步骤1：根据中继卫星通信服务窗口限制条件，构建空间信息网络动态接入模型；步骤2：使用轨道动力学方法计算步骤1构建的模型，判断用户卫星可视性；步骤3：使用最短接入时延方法建立可视用户卫星接入时延与平均接入概率模型，得到最短时延下接入概率；步骤4：根据步骤3得到的最短时延下接入概率结合马尔科夫概率转移模型分析方法，得到动态退避窗口大小；步骤5：根据步骤4得到的动态退避窗口大小,改进IEEE802.11卫星接入控制协议。

【技术特征摘要】
1.一种基于IEEE802.11的低轨道卫星至同步轨道数据中继卫星的接入方法，其特征在于，包括：步骤1：根据中继卫星通信服务窗口限制条件，构建空间信息网络动态接入模型；步骤2：使用轨道动力学方法计算步骤1构建的模型，判断用户卫星可视性；步骤3：使用最短接入时延方法建立可视用户卫星接入时延与平均接入概率模型，得到最短时延下接入概率；步骤4：根据步骤3得到的最短时延下接入概率结合马尔科夫概率转移模型分析方法，得到动态退避窗口大小；步骤5：根据步骤4得到的动态退避窗口大小,改进IEEE802.11卫星接入控制协议。2.如权利要求1所述的一种基于IEEE802.11的低轨道卫星至同步轨道数据中继卫星的接入方法，其特征在于：步骤1中中继卫星通信服务窗口限制条件指用户卫星在竞争传输信道之前需要判断是否满足数据中继卫星的通信窗口范围，构建空间信息网络动态接入模型指定义描述卫星运动的坐标系；步骤2包括建立卫星轨道根数与坐标位置的转换关系，计算星间相对距离，判断可视性关系；步骤3通过对接入时延表达式求导得到最短接入时延条件下接入概率；步骤4马尔科夫概率转移模型分析方法为建立以传输时隙为单位的离散条件下的二进制退避阶数s(t)和退避窗口b(t)的马尔科夫过程。3.如权利要求2所述的一种基于IEEE802.11的低轨道卫星至同步轨道数据中继卫星的接入方法，其特征在于：步骤1中卫星运动的坐标系为空间惯性坐标系，其坐标原点O为地球中心，X轴位于轨道平面内，指向公元2000年的春分点，Z轴指向北极，Y轴在赤道平面内与X轴垂直，O-XYZ构成右手坐标系，低轨用户卫星坐标为Sh＝(Xh,Yh,Zh)，数据中继卫星坐标为S0＝(X0,Y0,Z0)；步骤2中卫星轨道根数与坐标位置Sh＝(Xh,Yh,Zh)的转换关系如下，其中Rh半长轴、eh偏心率、ah轨道倾角、Ωh升交点赤经、ωh近地点幅角、θh真近点角；数据中继卫星S0＝(X0,Y0,Z0)和用户卫星Sh之间的相对距离Lh为，在轨道运行周期T...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇军，赵尚弘，王星宇，曹桂兴，辛宁，王蔚龙，张泰江，郑永兴，蒙文，朱卓丹，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61