基于传播时延的低轨卫星网络星间多址接入方法技术

本发明专利技术公开了一种低轨卫星网络星间多址接入方法，主要解决现有帧结构利用率低的问题。其方案是：1)构建整网传播时延的概率分布模型；2)分别在多天线的多射频通道和单射频通道场景下利用概率模型中的极值设计各自的初始帧结构；3)根据传播时延与发送、接收时隙之间的约束，优化单射频通道初始帧结构，得到适应大容量业务的帧结构；4)对多射频通道场景，根据其初始帧结构设计整网统一的帧结构，并根据当前的传播时延对其进行动态调整，得到适应多射频通道下的大吞吐量场景帧结构；5)将对应的接收时隙设计为最短，优化4)的结果，得到适应敏感业务下的帧结构。本发明专利技术提高了帧结构的利用率，可用于卫星网络星间链路层的资源分配。

【技术实现步骤摘要】
基于传播时延的低轨卫星网络星间多址接入方法
本专利技术属于通信
，尤其涉及一致低轨卫星网络星间多址接入方法，可用于卫星网络星间链路层的资源分配。
技术介绍
移动卫星通信系统是完整的“全球通信覆盖率”的最佳解决方案，并且可能是唯一的解决方案。自1950年代以来，它们一直在不断地被研究，如今已在军事应用，减轻灾害的遥感以及在全球范围内提供电视和互联网服务等领域具有广泛用途。由于其覆盖范围广，卫星可以将地面网络扩展到太空领域，使得在大带宽的网络下增加了更大的灵活性。在过去的几年中，互联网用户的数量激增，在接下来的几年里，他将继续保持不变。除了用户数量方面的增长以外，为了满足人们需求的不断迭代更新，复杂度更大的应用程序也越来越多，所以提高网络带宽势在必行。卫星网络不需要像构建地面网络那样需要大量的规划和资源，它可以快速地提供远距离网络连接。对宽带通信系统的强烈需求将为全球范围内具有连通性和移动性的任何地方提供语音、数据、互联网、视频和其他现有的新兴多媒体服务，刺激了对地面和卫星网络集成的需求，使得卫星网络有望以高数据速率与地面网络连接，并可直接向各种用户提供联网访问，因此卫星通信、空天地一体化将是未来热门的研究方向。使用星间链路ISL的低轨卫星LEO网络可以为各种未来空间应用提供独特的优势和灵活性，并且卫星间链路将成为减少地面资源短缺的重要解决方案。如何不仅从单个连接上，而且从整个网络的角度看，使星间资源进行充分地利用与调度，该问题是在空间网络资源调度管理领域中迫切需要研究的问题之一。因此对星间链路层控制策略的研究具有重要的意义。当前卫星网络中采用的多址接入方式主要包括频分多址FDMA、时分多址TDMA、码分多址CDMA和空分多址SDMA等。FDMA是在频域将频带进行划分，各频带之间互不交叠并设有一定的保护间隔。卫星的多条星间链路使用不同的频带与邻居卫星进行通信，目的卫星通过频率之间正交性从滤波器中分离出原信号。该方法存在以下缺点：1)卫星链路功率不好控制，过大，邻居卫星会受影响，过小，通信质量会受损。2)频带的保护间隔不好控制，过大，频域资源不能被有效利用，过小，滤波时对硬件设备的精确度要求会很高。3)转发器的工作功率比较大，同时对多个载波进行放大时会产生交调效应。TDMA是在时间维度上将资源进行划分。该方式虽然组网灵活，可以根据当前网络业务量的大小对时隙进行动态的调整。且由于工作在同一个频点上，所以不需要来回切换频点。电路相对简单，但是对网络同步的要求较高。CDMA是给卫星发送的每个信号分配一个用于区分用户的地址码。地址码的选取会选择互相关弱自相关强的周期性序列作为地址信息，即首先经过扩频对频谱进行展宽，然后再经过载波调制由发信机进行发送。到达目的卫星后需要先进行解扩使相干的信号被分离，不相干的信号继续被扩展为宽带信号，解扩时用到的伪随机序列与发送端相同，最后再通过解调恢复原来的信号。该技术码间互干扰大，远近效应严重，捕获复杂。SDMA是根据空间位置的不同来区分不同的用户。此时即使所有卫星都在同一频点和同一时间段也可以进行无干扰地通信，以此增加系统容量。利用该技术的系统复杂，对方向控制要求高。如梁荟萃、袁田等人在“电讯技术(2020)”发表“大跨度天基数据链的TDD时隙调度分析与优化”的文章中，将TDMA与SDMA相结合，提出了一种在卫星星间通信时，通过规划发送和接收时隙将半双工工作模式转换成了双工工作模式，并利用发送时隙与传播时延的交叉压缩了信道的空闲时间，该方法虽说可提升信道利用率，提高网络吞吐量。但是该方法由于仅在多天线单射频通道的场景下进行分析，且只利用了整网传播时延的极值设计了帧结构，并没有考虑其他传播时延段的分布情况对帧结构设计的影响，因而导致每帧的接收时隙还有9ms的空闲时间，时频资源没有被充分被利用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于在针对上述现有技术的不足，提出一种基于传播时延的低轨卫星网络星间多址接入方法，以利用TDMA和SDMA的优点，结合整网传播时延的概率分布模型分别在多天线多射频通道以及多天线单射频通道场景下对帧结构进行设计和优化，提高时频资源利用率。为实现上述目的，本专利技术的方案实现包括如下：1.一种基于传播时延的低轨卫星网络星间帧结构设计方法，其特征在于，包括如下：(1)获取各个传播时延段使用的概率：1a)根据卫星星间链路的断链建链规则、卫星工具箱STK导出的卫星经纬度文件以及谷歌地图中已知经纬度的距离公式，在任意一张拓扑快照下计算出任意两颗通信卫星之间的传播时延Tp；1b)根据卫星星间的断链建链规则，在每张拓扑快照下得到各卫星之间的连通关系矩阵；1c)通过OPNET仿真软件，在只与邻居节点发包的情况下，得出各个传播时延段被使用的概率，即整网传播时延的概率分布模型；(2)规划卫星节点的收发状态：将发送状态和接收状态分开，使数据包边发送边传播，规划卫星节点的工作状态，即发射状态不能超过分组在最小星间链路长度上的传播时延，接收状态不能短于分组在最大星间链路长度上的传播时延，以避免收发冲突；对于多天线单射频通道场景执行(3)；对于多天线多射频通道场景执行(5)；(3)根据整网的传播时延的极值在多天线单射频通道场景下设计初始帧结构：3a)设计由发送时隙和接收时隙两部分组成的初始帧结构；3b)根据3a)设计的初始帧结构，假设业务产生均匀，则每个天线只能占满发送时隙时长的四分之一；(4)根据传播时延的概率分布在多天线单射频通道场景下对初始帧结构进行优化，设计适应该场景下的大容量业务帧结构：对于接收时隙时长的设计，是在全网传播时延最大的星间链路上，要保证最后被轮询到的右队列中发送的最后一个比特数据能落入到接收时隙；对于前后队列发送时隙时长的设计，是在同轨星间链路上，要保证每个队列中发送的第一比特的数据经过传播时延后能落入到接收时隙；对于左右队列发送时隙时长的设计，是在全网传播时延最小的星间链路上，要保证每个队列中发送的第一比特的数据经过传播时延后能落入到接收时隙；(5)根据整网的传播时延的极值在多天线多射频通道场景下设计由发送时隙和接收时隙两部分组成的初始帧结构，每个天线占满发送时隙的整个时长；(6)对(5)设计的初始帧结构进行优化，设计适应多天线多射频通道场景下的大容量业务帧结构：6a)根据全网使用频率最大的传播时延段设计整网统一的帧结构，以保证在该传播时延链路上帧结构利用率最大；6b)对其它传播时延段的星间链路，在统一的帧结构上动态地调整发送时刻以及发送时长，以保证在设定的约束条件下，本条星间链路上的帧结构利用率最大；(7)对(6)优化后的帧结构再次进行优化，设计适应多天线多射频通道场景下的时延敏感类业务帧结构：7a)整网统一帧结构的设计，即根据发送时隙长度确定接收时隙长度：当发送时隙长度ts≥9ms时，则接收时隙长度为tr＝ts+2，以保证各个传播时延段的链路上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于传播时延的低轨卫星网络星间帧结构设计方法，其特征在于，包括如下：/n(1)获取各个传播时延段使用的概率：/n1a)根据卫星星间链路的断链建链规则、卫星工具箱STK导出的卫星经纬度文件以及谷歌地图中已知经纬度的距离公式，在任意一张拓扑快照下计算出任意两颗通信卫星之间的传播时延T

【技术特征摘要】
1.一种基于传播时延的低轨卫星网络星间帧结构设计方法，其特征在于，包括如下：
(1)获取各个传播时延段使用的概率：
1a)根据卫星星间链路的断链建链规则、卫星工具箱STK导出的卫星经纬度文件以及谷歌地图中已知经纬度的距离公式，在任意一张拓扑快照下计算出任意两颗通信卫星之间的传播时延Tp；
1b)根据卫星星间的断链建链规则，在每张拓扑快照下得到各卫星之间的连通关系矩阵；
1c)通过OPNET仿真软件，在只与邻居节点发包的情况下，得出各个传播时延段被使用的概率，即整网传播时延的概率分布模型；
(2)规划卫星节点的收发状态：
将发送状态和接收状态分开，使数据包边发送边传播，规划卫星节点的工作状态，即发射状态不能超过分组在最小星间链路长度上的传播时延，接收状态不能短于分组在最大星间链路长度上的传播时延，以避免收发冲突；
对于多天线单射频通道场景执行(3)；
对于多天线多射频通道场景执行(5)；
(3)根据整网的传播时延的极值在多天线单射频通道场景下设计初始帧结构：
3a)设计由发送时隙和接收时隙两部分组成的初始帧结构；
3b)根据3a)设计的初始帧结构，假设业务产生均匀，则每个天线只能占满发送时隙时长的四分之一；
(4)根据传播时延的概率分布在多天线单射频通道场景下对初始帧结构进行优化，设计适应该场景下的大容量业务帧结构：
对于接收时隙时长的设计，是在全网传播时延最大的星间链路上，要保证最后被轮询到的右队列中发送的最后一个比特数据能落入到接收时隙；
对于前后队列发送时隙时长的设计，是在同轨星间链路上，要保证每个队列中发送的第一比特的数据经过传播时延后能落入到接收时隙；
对于左右队列发送时隙时长的设计，是在全网传播时延最小的星间链路上，要保证每个队列中发送的第一比特的数据经过传播时延后能落入到接收时隙；
(5)根据整网的传播时延的极值在多天线多射频通道场景下设计由发送时隙和接收时隙两部分组成的初始帧结构，每个天线占满发送时隙的整个时长；
(6)对(5)设计的初始帧结构进行优化，设计适应多天线多射频通道场景下的大容量业务帧结构：
6a)根据全网使用频率最大的传播时延段设计整网统一的帧结构，以保证在该传播时延链路上帧结构利用率最大；
6b)对其它传播时延段的星间链路，在统一的帧结构上动态地调整发送时刻以及发送时长，以保证在设定的约束条件下，本条星间链路上的帧结构利用率最大；
(7)对(6)优化后的帧结构再次进行优化，设计适应多天线多射频通道场景下的时延敏感类业务帧结构：
7a)整网统一帧结构的设计，即根据发送时隙长度确定接收时隙长度：
当发送时隙长度ts≥9ms时，则接收时隙长度为tr＝ts+2，以保证各个传播时延段的链路上至少保证有1ms的接收时间；
当发送时隙ts＜9ms时，即发送时隙为7ms或为8ms时，为保证在大传播传播时延段的星间链路上至少保证有1ms的接收时间，则接收时隙至少应分别设计为12m和11ms。
7b)对其它传播时延段的星间链路，在统一的帧结构上动态地调整发送时刻以及发送时长，以保证在设定的约束条件下，本条星间链路上的帧结构利用率最大。


2.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，1a)中所述的卫星星间链路的断链建链规则，包括同轨星间链路和异轨星间链路两种规则，即：
对于同轨星间链路可永久稳定的存在；
对于异轨星间链路，会不断地断开或者重新建立，并在南北纬66°时发生，即当卫星从极地向南北纬66°及以下运动时，该卫星与异轨更高纬度...

【专利技术属性】
技术研发人员：张琰，杨荔琴，梁荟萃，袁田，陈东，刘亮，丁睿，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61