一种大规模LEO卫星部署下的星地传输方法技术

本发明专利技术提供了一种大规模LEO卫星部署下的星地传输方法，包括不定数目的信道匹配步骤和基于拉格朗日对偶的功率优化步骤，所述不定数目的信道匹配步骤：地面节点与卫星连接后，针对复用同一频带段的卫星中的信道资源进行分配；所述基于拉格朗日对偶的功率优化步骤：使用拉格朗日对偶的方法，通过分配确定不同地面节点的上行传输功率实现的上行传输速率的最大化。本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术主要应用在低轨道LEO卫星大规模部署场景下的星地传输资源的分配中，通过应用本发明专利技术提出的资源分配方法，对整个系统中的信道和功率资源进行分配，从而大幅提高星地网络的上行传输性能，实现高效传输。

A satellite ground transmission method for large scale LEO satellite deployment

【技术实现步骤摘要】
一种大规模LEO卫星部署下的星地传输方法
本专利技术涉及通信
，尤其涉及一种大规模LEO卫星部署下的星地传输方法。
技术介绍
近年来学术界和产业界对开始将目光投向空天地一体化信息网络(Space-Sky-TerrestrialIntegratedInformationNetwork，SSTIIN)的研究，SSTIIN的一个重点就是通过使用大量的LEO卫星进行大规模组网来实现全球组网和实时接入。因此在大规模LEO部署下，一个高效的星地传输方法对于发挥LEO卫星的作用至关重要。在关于LEO卫星大规模部署下的相关问题的研究上，Sheng等人研究了空间信息网络中包含传输资源在内的多维资源的转化和调度。在此基础上，He等人研究了空间网络中传输和计算资源的联合分配并提出了一种组合分配方案。Jia等人提出了一种使用LEO卫星网络中的星间链路进行协作数据下行的方案，通过使用星间链路来最大化下行传输吞吐量。Huang等人研究了如果以一种高效节能的方式通过LEO卫星从地面物联网网关中手机数据，并提出了一种在线优化方案。Di等人提出了一种星地网络架构来集成低轨卫星网络和地面网络，并基于此提出了一种灵活的交换匹配算法来实现高效的数据卸载。在关于传输资源分配相关问题的研究上，Soleimani等人研究了如何通过管理同信道干扰来克服性能损失，建立了优化问题并利用D.C.规划来进行优化问题的解决。通过类似的方法，Khamidehi等人提出并解决了在异构上行正交频分多址(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess,OFDMA)网络中的子信道和功率分配问题。Zhang等人研究了多小区多关联OFDMA网络下行传输中的用户关联，信道分配和功率分配的问题，提出了一种基于图论和拉格朗日对偶理论的优化方案。匹配理论在资源分配中的应用变的越来越重要，Bayat等人介绍了匹配理论在无线通信中的应用并提出了一些常用的匹配算法，并通过利用匹配算法解决用户关联和信道关联问题，从而实现上行OFDMA网络中用户总效用最大化。Zhang等人提出了一种分布式匹配算法，该算法考虑了认知无线电网络中主要用户和次要用户的特征，通过进行多对一匹配，从而选择最佳的信道利用以最大化系统总效用。
技术介绍
的缺陷：现有的
技术介绍
中对于LEO大规模部署下的传输资源分配问题的研究还比较少，大多数传输资源分配问题的研究只是单纯的研究地面网络的相关问题，但由于LEO大规模部署场景的特殊性和卫星间的同频干扰等客观条件的存在，造成地面网络的模型和方法不可能直接复制到LEO卫星中去，因此需要针对这种情况进行专门研究。同时在现有的关于LEO卫星资源分配的研究中，主要关注于多维资源的联合调度和转化，专门针对LEO卫星传输资源分配问题进行细致的研究的还不多，并且分配方法还存在着高复杂度和低可用性等问题。因此研究开发一种LEO大规模部署下的高效传输方法显得尤为迫切。
技术实现思路
空天地一体化信息网络凭借其全球覆盖和实时接入的特点称为通信技术下一步的主要发展方向。为了充分发挥空天地一体化信息网络的优势，通过低轨道(LowEarthOrbit,LEO)卫星实现星地间的高效传输至关重要。本专利技术主要应用在低轨道LEO卫星大规模部署场景下的星地传输资源的分配中，通过应用本专利技术提出的资源分配方法，对整个系统中的信道和功率资源进行分配，从而大幅提高星地网络的上行传输性能，实现高效传输。本专利技术提供了一种大规模LEO卫星部署下的星地传输方法，包括不定数目的信道匹配步骤和基于拉格朗日对偶的功率优化步骤，所述不定数目的信道匹配步骤：地面节点与卫星连接后，针对复用同一频带段的卫星中的信道资源进行分配；所述基于拉格朗日对偶的功率优化步骤：使用拉格朗日对偶的方法，通过分配确定不同地面节点的上行传输功率实现的上行传输速率的最大化。作为本专利技术的进一步改进，在所述不定数目的信道匹配步骤中，首先定义地面节点的效用函数，每个由卫星j服务的地面节点对子信道的效用可以表示为：其表示每个地面节点TNi根据其等效的数据速率提出其对子信道k的效用函数；相应的，卫星SATj的每一个子信道对于地面节点也具有相应的效用，信道k对于地面节点TNi的效用可以表示为：之所以表示为上式(10)的形式是因为每个地面节点都有其最低速率约束Rmin，必须确保如果信道k被分配给地面节点TNi，其最低速率要求必须得到满足，所以我们量化表示可达速率和最小速率约束的差值并将之表示为同时对于卫星SATj的子信道k来说，在分配子信道时必须尽可能的降低其对其他卫星造成的干扰，所以将干扰项作为效用的分母；为一个权重因子，使得对其他卫星的干扰项可以在效用函数中发挥作用。作为本专利技术的进一步改进，在所述不定数目的信道匹配步骤中，用hi,j,k表示地面节点TNi与卫星节点SATj在子信道k上的链路信道增益，相应的接收信号干燥比为：其中pi,j,k表示在子信道k上TNi到SATj的发送功率，表示子信道k上TNi到SATj的总的信道增益，Li,j表示大尺度衰落即自由空间损耗，hi,j,k为阴影莱斯衰落，Gi(j),j为TNi的天线朝向SATj发送数据时天线的对准增益，相应地Gi'(j'),j为TNi'的天线朝向SATj'发送数据时，对SATj造成的离轴天线增益；将TNi'到SATj'链路与TNi'到SATj链路的夹角表示为离轴天线增益Gi'(j'),j离轴角为的函数，N0为加性高斯白噪声的取值，yi,j,k表示二进制矩阵Y的矩阵元素。作为本专利技术的进一步改进，所述不定数目的信道匹配步骤包括依次执行初始化步骤、地面请求过程步骤和信道决策过程步骤，在所述初始化步骤中，属于SATj的地面节点集TN∈SATj，卫星节点SATj的信道集CH；构造地面节点TN的偏好列表GCLIST和信道的偏好列表CLIST，初始化未匹配TN节点集UNmatch和信道匹配关系C；在所述地面请求过程步骤中，尚未满足最低匹配数目限制的地面节点TNi优先更新偏好列表GCLISTi，提出接入请求，若所有地面节点均已满足最低匹配数目限制，则所有地面节点根据其偏好列表依次向最高偏好的信道提出接入请求；在所述信道决策过程步骤中，如果CHk已经匹配数那么，执行处理步骤，否则拒绝全部请求；在所述处理步骤中，CHk统计此次迭代t中提出请求的地面节点的数目CHk根据偏好列表CLISTk节后其偏好度最高的TN将CHk从未匹配列表UNmatch移除，建立匹配Ci,j＝1，其余的地面节点均会被拒绝。作为本专利技术的进一步改进，在所述基于拉格朗日对偶的功率优化步骤中，拉格朗日函数如下式(11)所示：其中λ,μ,ω是优化问题中约束(4)、(5)、(7)对应的拉格朗日乘子向量，拉格朗日对偶函数定义为相应的对偶问题可以表述为：s.t.λ,μ,ω＞0(13)考虑到不同子信道间的不相关性，根据卫星数和子信道数将对偶问题分解为K本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大规模LEO卫星部署下的星地传输方法，其特征在于，包括不定数目的信道匹配步骤和基于拉格朗日对偶的功率优化步骤，/n所述不定数目的信道匹配步骤：地面节点与卫星连接后，针对复用同一频带段的卫星中的信道资源进行分配；/n所述基于拉格朗日对偶的功率优化步骤：使用拉格朗日对偶的方法，通过分配确定不同地面节点的上行传输功率实现的上行传输速率的最大化。/n

【技术特征摘要】
1.一种大规模LEO卫星部署下的星地传输方法，其特征在于，包括不定数目的信道匹配步骤和基于拉格朗日对偶的功率优化步骤，
所述不定数目的信道匹配步骤：地面节点与卫星连接后，针对复用同一频带段的卫星中的信道资源进行分配；
所述基于拉格朗日对偶的功率优化步骤：使用拉格朗日对偶的方法，通过分配确定不同地面节点的上行传输功率实现的上行传输速率的最大化。


2.根据权利要求1所述的星地传输方法，其特征在于，在所述不定数目的信道匹配步骤中，首先定义地面节点的效用函数，每个由卫星j服务的地面节点对子信道的效用可以表示为：



其表示每个地面节点TNi根据其等效的数据速率提出其对子信道k的效用函数；
相应的，卫星j的每一个子信道对于地面节点也具有相应的效用，信道k对于地面节点i的效用可以表示为：



之所以表示为上式(10)的形式是因为每个地面节点都有其最低速率约束Rmin，必须确保如果信道k被分配给地面节点TNi，其最低速率要求必须得到满足，所以我们量化表示可达速率和最小速率约束的差值并将之表示为同时对于卫星SATj的子信道k来说，在分配子信道时必须尽可能的降低其对其他卫星造成的干扰，所以将干扰项作为效用的分母；为一个权重因子，使得对其他卫星的干扰项可以在效用函数中发挥作用。


3.根据权利要求2所述的星地传输方法，其特征在于，在所述不定数目的信道匹配步骤中，用hi,j,k表示地面节点TNi与卫星节点SATj在子信道k上的链路信道增益，相应的接收信号干燥比为：



其中pi,j,k表示在子信道k上TNi到SATj的发送功率，pi',j',k表示在子信道k上TNi'到SATj'的发送功率，表示子信道k上TNi到SATj的总的信道增益，Hi',j,k表示子信道k上TNi'到SATj的总信道增益，Li,j表示大尺度衰落即自由空间损耗，hi,j,k为阴影莱斯衰落，Gi(j),j为TNi的天线朝向SATj发送数据时天线的对准增益，相应地Gi'(j'),j为TNi'的天线朝向SATj'发送数据时，对SATj造成的离轴天线增益；将TNi'到SATj'链路与TNi'到SATj链路的夹角表示为离轴天线增益Gi'(j'),j离轴角为的函数，N0为加性高斯白噪声的取值，yi,j,k表示二进制矩阵Y的矩阵元素，yi',i',k表示SATj'的子信道k是否被分配给地面节点TNi'。


4.根据权利要求3所述的星地传输方法，其特征在于，所述不定数目的信道匹配步骤包括依次执行初始化步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹斌，孙伟，杨惠斌，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：广东;44