CN103269245A - 一种天基数据网的用户与geo星关联方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天基数据网的用户与GEO星关联方法。天基数据网的核心骨干网由GEO星互连组成，中、低轨和地面用户通过接入GEO星通信。本发明包括：已接入用户的动态切换方法；新到达用户的接入方法。主要特征为：已接入用户获取切换的候选GEO星，预测切换至各候选星可达的吞吐量增量，若其中最大增量大于预设门限值，选择对应的GEO星作为切换目标，并提交切换请求，获网络中心节点准许后切换；新到达用户获取接入的候选GEO星，预测接入各颗星后可达吞吐量，选择可达吞吐最大的GEO星接入。此发明方案，用户选择目标GEO星综合考虑了信号质量、可视时间和GEO星负载等因素，能使GEO星负载分布均衡，提高网络的总效用。

Description

一种天基数据网的用户与GEO星关联方法

技术领域

本发明涉及一种天基数据网的用户与GEO星关联方法，属于空天信息领域。

背景技术

天基数据通信网络是一种包含同步轨道卫星，中低轨道卫星，航天器等不同特性的节点的综合网络。可作为灾难、战争环境下的应急通信系统，可用于气象卫星系统，遥测卫星系统等专用系统的数据传输，也可作为地面传统数据通信网络的扩展，具有广阔的应用前景。

随着星上处理技术的发展，卫星不仅具备背中继器的透明转发功能，而且具备独立的交换、路由、调度等功能，对地面依赖性越来越低。天基数据网络中，同步轨道上的GEO星覆盖范围大，位置稳定，它们构成天基数据网的骨干节点，负责资源的管理和数据包的路由转发等工作。骨干节点通过高可靠的激光链路互连，组成天基数据通信系统的核心网。中轨卫星、低轨卫星、航天器、地面终端为网络的用户节点，首先需要通过接入GEO星才能实现网络通信。一颗GEO骨干星可以同时容纳多个用户节点，多个用户共享GEO星接口的频谱资源。

同步轨道上3颗卫星通过全球波束天线射频即可实现地球面的覆盖，考虑到增大网络系统容量、对中、低轨卫星轨道面的覆盖，以及抗毁性等问题，天基数据网至少部署了5颗以上的GEO卫星。空间存在大片的多重覆盖区域，位于这些区域内的用户存在多颗可视的GEO星，这些用户存在GEO星的选择问题。

用户与GEO星的关联问题是指：新到达天基数据网的用户，选择目标GEO星进行接入的问题；已接入天基数据网的用户需要切换时，选择目标GEO星进行切换的问题。

目前关于天基数据网的用户与GEO星的关联方法，尚缺乏深入的研究。现有的关联方法，主要有三种：距离优先方案，可视时间优先方案和仰角加权的可视时间优先方案。现有的这些方法缺乏对骨干星负载的考虑，资源的利用率较低，网络的总吞吐量存在较大的提升空间。因此需要研究一种新的用户与GEO星的关联方法，使GEO星负载分布均衡，提高网络的总效用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多重覆盖区域下的用户与GEO星的关联方法，以此来实现网络负载的均衡，优化网络的总效用。本发明包括：已经接入用户的动态切换方法；新到达用户的接入方法。

（1）已经接入天基数据网的用户的动态切换方法，包括如下步骤：

步骤100：用户获取预切换的候选GEO星集合Ω；

步骤200：用户预先估计切换至候选GEO星集合Ω内各颗GEO可达吞吐量大小；

步骤300：用户确定是否需要请求切换；

用k来标识用户，用户k将所述步骤200中获得的各个吞吐量除以用户k在当前GEO星m获得的实际吞吐量，得到比值ξ，若所有的ξ都小于δ，则用户k不需要提交切换请求，用户k进入步骤800。若存在大于δ的ξ，则该用户需要提交切换请求。将最大的ξ值记为ξ_k，有

其中T_m,k为用户k在当前GEO星m获得的实际吞吐量，为用户k切换至GEO星j可获得的预期吞吐量，δ是一个预先设定的门限值且δ＞1，用于抑制乒乓切换。

步骤400：用户向网络中心节点提交切换请求；

用户k通过当前所在的GEO星m向网络中心节点发送切换请求消息，消息的内容包括所述步骤300中获得的最大比值ξ_k和目标GEO星的标识j。

步骤500：网络中心节点进行判决，并向用户发送判决结果；

网络中心节点分析各个GEO星内的多个用户提交过来的GEO请求消息，找出比值ξ_k最大的用户k^*。为防止同一时刻切换用户过多造成的网络不稳定，网络中心节点仅准许用户k^*的切换请求，拒绝其他用户提交过来的接入请求，并将该判决结果通过各相关GEO星反馈给用户。

步骤600：用户判断是否可以切换；

用户根据所述步骤500中网络中心节点反馈来的判决结果来确定是否可以切换，若可以切换则进入步骤700；若不可以切换则进入步骤800.

步骤700：用户切换至步骤300获得目标GEO星；

步骤800：结束。

所述步骤100，包括如下子步骤：

步骤101：用户检测覆盖范围内其他各GEO星信道,记用户k检测到其与GEO星n的信道信干噪比为SINR_n,k(t)；

步骤102：获得满足信干噪比约束的GEO星集合Ω₀；

用户将所述步骤101中检测到的各个信号强度值与预设的信号强度值进行比较，若大于预设值，则将对应的GEO星纳入集合Ω₀。

步骤103：用户计算与集合Ω₀各个GEO星的可视时间；

步骤104：获得切换的候选GEO集合Ω；

用户将所述步骤103中计算得到的各个可视时间值与预设的可视时间值进行比较，若大于预设值，则将对应的GEO星纳入集合Ω。

所述步骤200具体包括如下子步骤：

步骤201：各GEO星估计其多用户分集增益，并将其记为

步骤202：各GEO星周期性地将其多用户分集增益估计值

和当前已接入用户数K发送至广播信道；

步骤203：用户从候选集内各GEO星的广播信道获取步骤202所述信息；

步骤204：用户计算预期可达吞吐量大小。

用户k利用步骤101的检测到的信干噪SINR_n,k(t)计算可达速率r_n,k(t)，r_n,k(t)＝ηBlog₂(1+SINR_n,k(t))，η为小于1的常数，将可达速率的长期平均值记为E[r_n,k]。将该可达速率平均值与多用户分集增益

的乘积除以(K+1)，得到用户k切换到GEO星n的预期可达吞吐量大小

即

${\hat{T}}_{m,k}=\hat{g}\·E\left[r_{n,k}\right]/(K+1).$

所述步骤201具体包括如下子步骤：

步骤A01:对于任意GEO星n，将其当前接入用户集记为

GEO星n从控制信道接收

内各个用户的可达速率

步骤A02:对各个用户的可达速率，在一个固定长度的时间窗W（单位为时隙）内求平均得 ${\stackrel{\‾}{r}}_{n,k}\left(t\right)=\frac{1}{W}\underset{\mathrm{\τ}=t-W+1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{n,k}\left(\mathrm{\τ}\right),$

步骤A03:相同的时间窗W内，对各个用户实际被调度时隙上的速率求平均得

其中I_m,k(τ)的取值为0或1，I_m,k(τ)＝1表示GEO星n的时隙τ被分配给用户k传输，I_m,k(τ)＝1表示GEO星n的时隙τ没有被分配给用户k传输。

步骤A04:将所述步骤A03平均值除与所述步骤A02的平均值的比值对集合

的用户求平均，可得多用户分集增益的估计值

其中K_n为集合的元素个数。

（2）本发明还包括新到达用户接入天基数据网的方法，包括如下步骤：

步骤B01:用户获取接入的候选GEO星集合Ω，具体子步骤与步骤101至步骤104相同；

步骤B02:用户预先估计接入至候选GEO星集合Ω内各颗GEO可达吞吐量大小，具体子步骤与步骤201至步骤204相同；

步骤B03:用户确定接入的目标GEO星；

用户k比较所述步骤B02中获得的各个预期吞吐量大小，若最大值为

用户k选择GEO星i作为接入目标。

步骤B04:用户接入至所述步骤B03获得的目标GEO星。

附图说明

图1是本发明一个实施例的场景示意图。

图2是本发明已接入用户的动态切换方法流程图。

图3是本发明获得切换候选GEO星集合流程图。

图4是本发明预测接入候选GEO星可达吞吐量流程图。

图5是本发明新到达用户的接入方法流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明作进一步详细描述。

图1是本发明一个实施例的场景示意图，飞行器k处于GEO1、GEO2和GEO3的多重覆盖区域，与3个GEO星都存在可视无线链路，当前正接入GEO2通信。飞行器q是一个新到达用户，处于GEO3和GEO4的双重覆盖区域。飞行器至各GEO星的信道状况实时发生变化，各GEO星所容纳的负载也实时发生变化。

飞行器k通过周期性的执行切换进程，不断检测这些变化，来决定是否需要切换以均衡网络负载，提高网络效用。

飞行器k的切换进程，包括如下步骤：

步骤100：飞行器k获取预切换的候选GEO星集合Ω；

步骤200：飞行器k预先估计切换至候选GEO星集合Ω内各颗GEO可达吞吐量大小；

步骤300：飞行器k确定是否需要请求切换；

飞行器k将所述步骤200中获得各个吞吐量除以飞行器k在GEO2获得的实际吞吐量，得到比值ξ，若所有的ξ都小于δ，则飞行器k不需要提交切换请求，进入步骤800。若存在大于δ的ξ，则飞行器k需要提交切换请求。将最大的ξ值记为ξ_k，有其中T_2,k为用户k在当前GEO2获得的实际吞吐量，

为飞行器k切换至GEO星j可获得的预期吞吐量，δ是一个预先设定的门限值且δ＞1，用于抑制乒乓切换。

步骤400：飞行器k向网络中心节点提交切换请求；

飞行器k通过当前所在的GEO2向网络中心节点发送切换请求消息，消息的内容包括所述步骤300中获得的最大比值ξ_k和目标GEO星的标识j。

步骤500：网络中心节点进行判决，并向用户发送判决结果；

网络中心节点分析各个GEO星内的多个用户提交过来的GEO请求消息，找出比值ξ_k最大的用户k^*。为防止同一时刻切换用户过多造成的网络不稳定，网络中心节点仅准许用户k^*的切换请求，拒绝其他用户提交过来的接入请求，并将该判决结果通过各相关GEO星反馈给用户。

步骤600：飞行器k判断是否可以切换；

用户根据所述步骤500中网络中心节点反馈来的判决结果来确定是否可以切换，若可以切换则进入步骤700；若不可以切换则进入步骤800.

步骤700：飞行器k切换至步骤300获得目标GEO星；

步骤800：结束。

所述步骤100，包括如下子步骤：

步骤101：飞行器k检测覆盖范围内其他各GEO星信道,记飞行器k检测到其与GEO星n的信道信干噪比为SINR_n,k(t)；

步骤102：获得满足信干噪比约束的GEO星集合Ω₀；

飞行器k将所述步骤101中检测到的各个信号强度值与预设的信号强度值进行比较，若大于预设值，则将对应的GEO星纳入集合Ω₀。

步骤103：飞行器k计算与集合Ω₀各个GEO星的可视时间；

步骤104：获得切换的候选GEO集合Ω；

用户将所述步骤103中计算得到的各个可视时间值与预设的可视时间值进行比较，若大于预设值，则将对应的GEO星纳入集合Ω。

所述步骤200具体包括如下子步骤：

步骤201：各GEO星估计其多用户分集增益，并将其记为

步骤202：各GEO星周期性地将其多用户分集增益估计值和当前已接入用户数K发送至广播信道；

步骤203：飞行器k从候选集内各GEO星的广播信道获取步骤202所述信息；

步骤204：飞行器k计算预期可达吞吐量大小。

飞行器k利用步骤101的检测到的信干噪SINR_n,k(t)计算可达速率r_n,k(t)，r_n,k(t)＝ηBlog₂(1+SINR_n,k(t))，η为小于1的常数，将可达速率的长期平均值记为E[r_n,k]。将该可达速率平均值与多用户分集增益

的乘积除以(K+1)，得飞行器k切换到GEO星n的预期可达吞吐量大小

即

${\hat{T}}_{m,k}=\hat{g}\·E\left[r_{n,k}\right]/(K+1).$

所述步骤201具体包括如下子步骤：

步骤A01:对于任意GEO星n，将其当前接入用户集记为GEO星n从控制信道接收

内各个用户的可达速率

步骤A02:对各个用户的可达速率，在一个固定长度的时间窗W（单位为时隙）内求平均得 ${\stackrel{\‾}{r}}_{n,k}\left(t\right)=\frac{1}{W}\underset{\mathrm{\τ}=t-W+1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{n,k}\left(\mathrm{\τ}\right),$

步骤A03:相同的时间窗W内，对各个用户实际被调度时隙上的速率求平均得

其中I_m,k(τ)的取值为0或1，I_m,k(τ)＝1表示GEO星n的时隙τ被分配给用户k传输，I_m,k(τ)＝1表示GEO星n的时隙τ没有被分配给用户k传输。

步骤A04:将所述步骤A03平均值除与所述步骤A02的平均值的比值对集合的用户求平均，可得多用户分集增益的估计值

其中K_n为集合

的元素个数。

飞行器q接入天基数据网，包括如下步骤：

步骤B01:飞行器q获取接入的候选GEO星集合Ω，具体子步骤与步骤101至步骤104相同；

步骤B02:飞行器q预先估计接入至候选GEO星集合Ω内各颗GEO可达吞吐量大小，具体子步骤与步骤201至步骤204相同；

步骤B03:飞行器q确定接入的目标GEO星；

飞行器q比较所述步骤B02中获得的各个预期吞吐量大小，若最大值为

飞行器q选择GEO星i作为接入目标。

步骤B04:飞行器q接入至所述步骤B03获得的目标GEO星。

Claims (6)

1.一种天基数据网的用户与GEO星关联方法，其特征在于，包括：

已接入用户的动态切换方法，已接入用户获取切换的候选GEO星，预测切换至各候选星可达的吞吐量增量，若其中最大增量大于预设门限值，选择对应的GEO星作为切换目标，并提交切换请求，获网络中心节点准许后切换；

新到达用户的接入方法，新到达用户获取接入的候选GEO星，预测接入各颗星后可达吞吐量，选择可达吞吐最大的GEO星接入。

2.根据权利要求1所述的已接入用户的动态切换方法，其特征在于包括如下步骤:

步骤100：用户获取预切换的候选GEO星集合Ω；

步骤200：用户预先估计切换至候选GEO星集合Ω内各颗GEO可达吞吐量大小；

步骤300：用户确定是否需要请求切换；

用k来标识用户，用户k将所述步骤200中获得的各个吞吐量除以用户k在当前GEO星m获得的实际吞吐量，得到比值ξ，若所有的ξ都小于δ，则用户k不需要提交切换请求，用户k进入步骤800。若存在大于δ的ξ，则该用户需要提交切换请求。将最大的ξ值记为ξ_k，有

其中T_m,k为用户k在当前GEO星m获得的实际吞吐量，

为用户k切换至GEO星j可获得的预期吞吐量，δ是一个预先设定的门限值且δ＞1，用于抑制乒乓切换。

步骤400：用户向网络中心节点提交切换请求；

用户k通过当前所在的GEO星m向网络中心节点发送切换请求消息，消息的内容包括所述步骤300中获得的最大比值ξ_k和目标GEO星的标识j。

步骤500：网络中心节点进行判决，并向用户发送判决结果；

网络中心节点分析各个GEO星内的多个用户提交过来的GEO请求消息，找出比值ξ_k最大的用户k^*。为防止同一时刻切换用户过多造成的网络不稳定，网络中心节点仅准许用户k^*的切换请求，拒绝其他用户提交过来的接入请求，并将该判决结果通过各相关GEO星反馈给用户。

步骤600：用户判断是否可以切换；

用户根据所述步骤500中网络中心节点反馈来的判决结果来确定是否可以切换，若可以切换则进入步骤700；若不可以切换则进入步骤800.

步骤700：用户切换至步骤300获得目标GEO星；

步骤800：结束。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤100具体为:

步骤101：用户检测覆盖范围内其他各GEO星信道,记用户k检测到其与GEO星n的信道信干噪比为SINR_n,k；

步骤102：获得满足信干噪比约束的GEO星集合Ω₀；

用户将所述步骤101中检测到的各个信号强度值与预设的信号强度值进行比较，若大于预设值，则将对应的GEO星纳入集合Ω₀。

步骤103：用户计算与集合Ω₀各个GEO星的可视时间；

步骤104：获得切换的候选GEO集合Ω；

用户将所述步骤103中计算得到的各个可视时间值与预设的可视时间值进行比较，若大于预设值，则将对应的GEO星纳入集合Ω。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤200具体为:

步骤201：各GEO星估计其多用户分集增益，并将其记为

步骤202：各GEO星周期性地将其多用户分集增益估计值

和当前已接入用户数K发送至广播信道；

步骤203：用户从候选集内各GEO星的广播信道获取步骤202所述信息；

步骤204：用户计算预期可达吞吐量大小。

用户k利用步骤101的检测到的信干噪SINR_n,k(t)计算可达速率r_n,k(t)，r_n,k(t)＝ηBlog₂(1+SINR_n,k(t))，η为小于1的常数。将可达速率的长期平均值记为E[r_n,k]。将该可达速率平均值与多用户分集增益

的乘积除以(K+1)，得到用户k切换到GEO星n的预期可达吞吐量大小即

${\hat{T}}_{m,k}=\hat{g}\·E\left[r_{n,k}\right]/(K+1).$

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤201具体为:

步骤A01:对于任意GEO星n，将其当前接入用户集记为

GEO星n从控制信道接收

内各个用户的可达速率

步骤A02:对各个用户的可达速率，在一个固定长度的时间窗W（单位为时隙）内求平均得 ${\stackrel{\‾}{r}}_{n,k}\left(t\right)=\frac{1}{W}\underset{\mathrm{\τ}=t-W+1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{n,k}\left(\mathrm{\τ}\right),$

步骤A03:相同的时间窗W内，对各个用户实际被调度时隙上的速率求平均得

其中I_m,k(τ)的取值为0或1，I_m,k(τ)＝1表示GEO星n的时隙τ被分配给用户k传输，I_m,k(τ)＝1表示GEO星n的时隙τ没有被分配给用户k传输。

步骤A04:将所述步骤A03平均值除与所述步骤A02的平均值的比值对集合的用户求平均，可得多用户分集增益的估计值

其中K_n为集合的元素个数。

6.根据权利要求1所述的新到达用户的接入方法，其特征在于包括如下步骤:

步骤B01:用户获取接入的候选GEO星集合Ω，具体子步骤与步骤101至步骤104相同；

步骤B02:用户预先估计接入至候选GEO星集合Ω内各颗GEO可达吞吐量大小，具体子步骤与步骤201至步骤204相同；

步骤B03:用户确定接入的目标GEO星；

用户k比较所述步骤B02中获得的各个预期吞吐量大小，若最大值为

用户k选择GEO星i作为接入目标。

步骤B04:用户接入至所述步骤B03获得的目标GEO星。

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