一种中低轨卫星联合组网的星间链路功率分配方法组成比例

本发明专利技术提供一种中低轨卫星联合组网的星间链路功率分配方法，包括：提供中低轨卫星星间链路，进行传输功率初始化；更新星间链路距离；利用所有低轨卫星，以非合作博弈的方式优化效用函数和传输功率值；确定低轨卫星总效用，并保存到数组中；中轨卫星负责更新惩罚因子，并重复博弈步骤，找出数组中卫星总效用的最大值，将效用值最大时的惩罚因子定为最优惩罚因子，重新博弈，得到的功率值作为均衡解；在当前时刻将各低轨卫星的传输功率调节为均衡解。本发明专利技术的方法采用分布式的非合作博弈的方法来优化星间链路的功率分配，由低轨卫星各自根据位置信息进行链路质量预估后进行传输功率的分配，复杂度低，且在保证系统性能的同时，能够节省功率资源。

【技术实现步骤摘要】
一种中低轨卫星联合组网的星间链路功率分配方法
本专利技术属于卫星通信领域，具体涉及一种中低轨卫星联合组网的星间链路功率分配方法。
技术介绍
由于我国国情限制，很难在国境以外建设足够的全球地面站用以实现卫星通信的全球服务。此外，目前国际上频率轨位资源稀缺，低轨频率资源更是被瓜分殆尽，我国频率资源积累不足，在国际上处于劣势地位，难以保障低轨星座互联网建设，严重约束我国卫星组网发展。建设纯低轨的卫星网络难以实现全覆盖高可靠的全球服务，中低轨卫星联合组网的方式可以突破频率资源匮乏的限制，充分利用多层卫星优势互补的特性，为用户提供更优质服务体验。卫星由于功率资源有限，因此在最大限度的提高卫星传输容量的同时，需要尽量降低传输功率。目前国内研究多考虑卫星上下行链路的功率控制问题，对星间链路的功率控制缺乏解决方案，未来宽带多媒体业务将在卫星通信网络中占据越来越大的比重，利用星间链路实现卫星互联，能够降低对地面网络的依赖程度。随着组网卫星越来越多，星间链路也会成倍增加，对星间链路的性能优化是未来卫星通信技术的重要方向之一。在多颗低轨卫星对一个中轨卫星的卫星网络中，单颗低轨卫星为了提高SINR进而提升传输速率，可以通过提高发射功率的方法来达到目的。与此同时，发射功率的增加对于其他低轨卫星来说却是干扰，从而降低其他低轨卫星的SINR。由于卫星的功率资源受限，目前常见的功率分配方式包括固定功率分配方式和集中式的功率分配。固定功率分配方式固定功率分配方式将星间链路功率设置为固定数值，容易造成功率资源浪费。集中式的功率分配以一颗控制卫星为中心，探测每个星间链路的质量后进行功率分配，缺点是即时性不高，且复杂度较大。其中，中低轨卫星具有动态特性，层间星间链路并不是始终连通的，且链路距离随时间动态变化，发送信号的功率衰减随距离变化。这也会进一步增加星间链路功率分配的难度。因此，需要建立一种合理的分布式功率分配策略，以谋求卫星网络中各个卫星节点共赢的局面，以优化整个卫星链路的传输速率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种中低轨卫星联合组网的星间链路功率分配方法，以在复杂度低的情况下优化系统容量和功率分配。为了实现上述目的，本专利技术提供一种中低轨卫星联合组网的星间链路功率分配方法，包括：S1：提供一组需要进行功率分配的由一个中轨卫星和多个低轨卫星组成的中低轨卫星星间链路，获取中轨卫星和低轨卫星的轨道参数、角速度和初始位置；设置低轨卫星的最大功率值pmax，初始化各低轨卫星的传输功率，设置最大博弈次数Cmax；设置惩罚因子步长Δβ；S2：根据当前时刻t确定中轨卫星、低轨卫星的轨道参数和当前位置，并同时更新各个低轨卫星和中轨卫星的星间链路距离；初始化惩罚因子β、博弈次数c；S3：利用所有的低轨卫星，以非合作博弈的方式优化各自的效用函数和功率值；S4：确定所有低轨卫星的总效用，并保存到数组中；S5：若惩罚因子β<1，则使惩罚因子增加惩罚因子步长，并回到步骤S3；否则执行步骤S6；S6：找出数组中所有低轨卫星的总效用的最大值，将最大值所对应的惩罚因子β确定为最优的惩罚因子，以最优的惩罚因子重新执行步骤S3，以获得最优的惩罚因子下的所有低轨卫星各自的最大效用值所对应的功率值，并将该功率值作为均衡解；在当前时刻t，将各个低轨卫星的实际传输功率调节为所有低轨卫星各自的均衡解。在所述步骤S1中，最大博弈次数Cmax的取值为[10,20]；惩罚因子步长为Δβ＝0.01；在所述步骤S2中，将惩罚因子β初始化为β＝0.1，将博弈次数c初始化为c＝0。在所述步骤S2中，低轨卫星和中轨卫星的星间链路距离dLM为：式中，dLM为链路距离，RM为中轨卫星的轨道高度，RL为低轨卫星的轨道高度，ψ为地心角；两个卫星之间的地心角ψ为：其中，λA、λB分别为两个卫星的经度，分别为两个卫星的纬度；且单个卫星的经度和纬度为：其中，λs、分别表示卫星的经度、纬度，β是卫星的轨道倾角，γ0是卫星的初始位置与升交点之间的夹角，θ＝w·t+γ0是卫星与升交点之间的夹角，w是卫星的角速度，λ0是卫星的升交点的经度。所述步骤S3包括：所有的低轨卫星各自同时执行下列步骤：S31：更新低轨卫星的信干噪比；S32：通过优化算法计算单个低轨卫星的最大效用值及其对应的功率值p；S33：若博弈次数c＜＝Cmax，则使博弈次数c加一，并回到步骤S31；否则进入步骤S4。在所述步骤S31中，低轨卫星的信干噪比ξk(pk)为：其中，k是当前的低轨卫星的序号，j是除k以外的低轨卫星的序号，hjpj是第j个低轨卫星的有用信号功率，N是低轨卫星总数，σ2是噪声功率；且低轨卫星的有用信号功率pr为：其中，pk是传输信号功率，Gt是低轨卫星的发送增益，Gr是中轨卫星接收增益，λ是传输信号波长，hkpk是低轨卫星的有用信号功率，dLM为链路距离。在所述步骤S32中，优化算法为牛顿法，所述步骤S32包括：S321：设置门限值tol、迭代总次数N的值，并设置迭代次数k＝1；S322：获取当前功率值p0时低轨卫星的效用函数uk(p0)，并判断duk(p0)/dp0>tol是否成立；若成立，则利用公式p0·d2u(p0)/dp02＝p1来得到更新值p1；否则，直接输出当前功率值p0和对应的效用函数uk(p0)作为低轨卫星的最大效用值及其对应的功率值p，并且结束流程；S323：确认迭代次数k<N是否成立，若成立则将更新值p1作为当前功率值p0且迭代次数k加1，随后回到步骤S322；否则，将更新值p1和对应的效用函数uk(p1)作为低轨卫星的最大效用值及其对应的功率值p输出并结束流程。在所述步骤S32中，所述当前功率值p0为第k个低轨卫星的传输功率；低轨卫星的效用函数uk(pk)为：uk(pk)＝fk(p)-ck(pk)＝α·tk(pk)/pk-β·pk/pmax，其中，α是收益比例因子，tk(pk)是归一化的吞吐量，pk是第k个低轨卫星的传输功率，β是惩罚因子，pmax是低轨卫星的最大传输功率；且归一化的吞吐量tk(pk)的定义为：其中，tk(pk)是归一化的吞吐量，L是数据包传输比特数，ξk(pk)是低轨卫星的信干噪比。在所述步骤S321中，所述迭代总次数N为100到500，且所述门限值tol为0.01。所述步骤S2包括：根据各个低轨卫星和中轨卫星的星间链路距离设置对应的低轨卫星的当前功率值p0的初始值；或者，所述步骤S3包括步骤S321：根据低轨卫星和中轨卫星的星间链路距离设置当前功率值p0的初始值。本专利技术的中低轨卫星联合组网的星间链路功率分配方法还包括步骤S7：经过时间间隔Δt，t＝t+Δt，回到步骤S2。本专利技术的中低轨卫星联合组网的星间链路功率分配方法采用分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种中低轨卫星联合组网的星间链路功率分配方法，其特征在于，包括：/n步骤S1：提供一组需要进行功率分配的由一个中轨卫星和多个低轨卫星组成的中低轨卫星星间链路，获取中轨卫星和低轨卫星的轨道参数、角速度和初始位置；设置低轨卫星的最大功率值p

【技术特征摘要】
1.一种中低轨卫星联合组网的星间链路功率分配方法，其特征在于，包括：
步骤S1：提供一组需要进行功率分配的由一个中轨卫星和多个低轨卫星组成的中低轨卫星星间链路，获取中轨卫星和低轨卫星的轨道参数、角速度和初始位置；设置低轨卫星的最大功率值pmax，初始化各低轨卫星的传输功率，设置最大博弈次数Cmax；设置惩罚因子步长Δβ；
步骤S2：根据当前时刻t确定中轨卫星、低轨卫星的轨道参数和当前位置，并同时更新各个低轨卫星和中轨卫星的星间链路距离；初始化惩罚因子β、博弈次数c；
步骤S3：利用所有的低轨卫星，以非合作博弈的方式优化各自的效用函数和功率值；
步骤S4：确定所有低轨卫星的总效用，并保存到数组中；
步骤S5：若惩罚因子β<1，则使惩罚因子增加惩罚因子步长，并回到步骤S3；否则执行步骤S6；
步骤S6：找出数组中所有低轨卫星的总效用的最大值，将最大值所对应的惩罚因子β确定为最优的惩罚因子，以最优的惩罚因子重新执行步骤S3，以获得最优的惩罚因子下的所有低轨卫星各自的最大效用值所对应的功率值，并将该功率值作为均衡解；在当前时刻t，将各个低轨卫星的实际传输功率调节为所有低轨卫星各自的均衡解。


2.根据权利要求1所述的中低轨卫星联合组网的星间链路功率分配方法，其特征在于，在所述步骤S1中，最大博弈次数Cmax的取值为[10,20]；惩罚因子步长为Δβ＝0.01；在所述步骤S2中，将惩罚因子β初始化为β＝0.1，将博弈次数c初始化为c＝0。


3.根据权利要求1所述的中低轨卫星联合组网的星间链路功率分配方法，其特征在于，在所述步骤S2中，低轨卫星和中轨卫星的星间链路距离dLM为：



式中，dLM为链路距离，RM为中轨卫星的轨道高度，RL为低轨卫星的轨道高度，ψ为地心角；
两个卫星之间的地心角ψ为：



其中，λA、λB分别为两个卫星的经度，分别为两个卫星的纬度；
且单个卫星的经度和纬度为：






其中，λs、分别表示卫星的经度、纬度，β是卫星的轨道倾角，γ0是卫星的初始位置与升交点之间的夹角，θ＝w·t+γ0是卫星与升交点之间的夹角，w是卫星的角速度，λ0是卫星的升交点的经度。


4.根据权利要求1所述的中低轨卫星联合组网的星间链路功率分配方法，其特征在于，所述步骤S3包括：所有的低轨卫星各自同时执行下列步骤：
步骤S31：更新低轨卫星的信干噪比；
步骤S32：通过优化算法计算单个低轨卫星的最大效用值及其对应的功率值p；
步骤S33：若博弈次数c＜＝Cmax，则使博弈次数c加一，并回到步骤S31；否则进入步骤S4。


5.根据权利要求4所述的中低轨卫星联合组网的星间链路功率分配方法，其特征在于，在所述步骤S...

【专利技术属性】
技术研发人员：张华明，李强，沈斐，谭冲，刘立刚，赵宇，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31