CN104363042B - Geo‑leo卫星网络信道分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种GEO‑LEO卫星网络信道分配方法。本发明方法，包括：GEO卫星接收LEO卫星的呼叫请求；所述GEO卫星判断所述LEO卫星的优先级是否为紧急卫星，若是，则优先将信道分配给所述LEO卫星；若否，则将信道分配给所述LEO卫星与正处于通信状态的LEO卫星之间高优先级的LEO卫星。解决了现有技术中的GEO‑LEO卫星网络信道分配存在有信道资源的利用率低的问题，本发明的方法不仅提高了卫星系统资源的利用率，而且保证了重要数据的实时传输。
Description
技术领域
本发明实施例涉及卫星通信领域，尤其涉及一种GEO-LEO卫星网络信道分配方法。
背景技术
随着科学技术的发展，卫星通信覆盖范围越来越广，不受地理条件限制。在民用通信方面，是其它通信手段所不能比拟的。目前，卫星电视、广播、远程监控、视频会议等应用越来越广泛。尤其是应急通信方面，卫星通信有着地面通信所不能及的优势。无论是在城市、乡村、山区、还是沙漠，都可以实现卫星通信。LEO卫星具有研发周期短、发射成本低、传输时延小等特点，在气象、水文、地质灾害、科学试验等方面得到了越来越广泛的应用。尤其在抢险救灾中，由于卫星覆盖范围广，不受地面基础设施的限制，当发生强烈自然灾害、其他地面通信设施遭到破坏时，卫星通信是十分必要的一种通信手段，能够及时将灾情传达给指挥中心，便于救援工作展开。由于LEO卫星轨道低，与地面站的可通时间较短，当卫星与地面站不可视时，大量数据只能在卫星上暂存，时效性差，而且大量的存储设备使星上的载荷能力减弱。
为了降低数据传输时延以及对LEO卫星存储能力的要求，当LEO卫星与地面站不可视时将通过GEO卫星转发其数据。然而，GEO卫星转发器的数量有限，当多颗LEO卫星同时需要转发数据时，需要设计合理的GEO卫星信道分配方法。
现有技术中的GEO-LEO卫星网络信道分配，存在有信道资源的利用率低的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种GEO-LEO卫星网络信道分配方法，以克服现有技术中的GEO-LEO卫星通信的信道资源利用率过低的问题。
本发明实施例提供一种GEO-LEO卫星网络信道分配方法，包括：
GEO卫星接收LEO卫星的呼叫请求；
所述GEO卫星判断所述LEO卫星的优先级是否为紧急卫星，若是，则优先将信道分配给所述LEO卫星；若否，则将信道分配给所述LEO卫星与正处于通信状态的LEO卫星之间高优先级的LEO卫星。
进一步地，所述GEO卫星接收LEO卫星的呼叫请求之后，还包括：
GEO卫星根据LEO卫星通信信道质量、LEO卫星剩余的可通信时间、填满剩余存储空间所需的时间和LEO卫星任务级别确定LEO卫星的优先级为紧急卫星或者非紧急卫星。
进一步地，所述LEO卫星的优先级采用公式
计算，其中，所述li取值所述Pei为LEOi卫星与GEO卫星通信信道的误码率，所述Pey为系统允许的误码率门限阈值，所述tsmax是所有LEO卫星中需要填满剩余存储空间的最长时间；所述tvmax是所有LEO卫星与GEO卫星的最长可通时间；所述tiv是第i颗LEO卫星与GEO卫星的剩余可通时间；所述tis为填满LEO卫星剩余存储空间所需时间，所述pirti为卫星任务级别，值为1表示该卫星为紧急卫星，值为0表示该卫星为非紧急卫星，所述α、β、γ是三个参量的权值，为了实时响应紧急卫星的请求，权值设置时要求γ≥α+β，即紧急卫星优先级最高。
进一步地，所述则将信道分配给所述LEO卫星与正处于通信状态的LEO卫星之间高优先级的LEO卫星，包括：
GEO卫星判断LEO卫星的优先级是否高于第一优先级阈值，若是，且所述LEO卫星的优先级与正在通信的LEO卫星的最低优先级的差值大于第二优先级阈值时，则允许所述LEO卫星抢占信道，若否，则不允许所述LEO卫星抢占信道。
进一步地，所述LEO卫星抢占概率表示为公式
Ppr＝P(pirC>δ1∩(pirC-pirmin)>δ2) (2)
其中，所述pirc是呼叫卫星的优先级；所述pirmin是正在通信的LEO卫星的最低优先级，所述δ1为第一优先级阈值，所述δ2为第二优先级阈值。
进一步地，GEO卫星接收LEO卫星的呼叫请求之前，还包括：
LEO卫星判断归一化存储量是否大于呼叫阈值，若是，则向GEO卫星发起呼叫，若否，所述LEO卫星继续采集数据，所述归一化存储量为所述LEO卫星当前数据存储量与存储容量的比值。
进一步地，所述LEO卫星的呼叫概率表示为公式
Pc＝P(Mc>δ3|卫星可通) (3)
其中，所述Mc是LEO卫星归一化存储量，所述δ3为呼叫阈值。
本发明实施例GEO卫星接收LEO卫星的呼叫请求，并根据LEO卫星的优先级为其分配信道，解决了现有技术中的GEO-LEO卫星网络信道分配存在有信道资源的利用率低的问题，本发明的方法不仅提高了卫星系统资源的利用率，而且保证了重要数据的实时传输。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明GEO-LEO卫星网络信道分配方法流程图；
图2为本发明GEO-LEO卫星网络结构示意图；
图3为本发明GEO-LEO卫星网络中LEO可视状态示意图；
图4为本发明GEO-LEO卫星网络信道分配方法另一流程图；
图5为本发明GEO-LEO卫星网络信道分配方法另一流程图；
图6为本发明GEO-LEO卫星网络信道分配方法仿真中LEO卫星数据累计丢失量示意图；
图7为本发明GEO-LEO卫星网络信道分配方法仿真中LEO卫星有效传输数据量示意图；
图8为本发明GEO-LEO卫星网络信道分配方法仿真中卫星信道利用率比较示意图；
图9是本发明两种方法下LEO卫星与GEO卫星通信信道利用率的关系比较。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明GEO-LEO卫星网络信道分配方法流程图，如图1所示，本实施例的方法可以包括：
步骤101、GEO卫星接收LEO卫星的呼叫请求；
步骤102、所述GEO卫星判断所述LEO卫星的优先级是否为紧急卫星，若是，则优先将信道分配给所述LEO卫星；若否，则将信道分配给所述LEO卫星与正处于通信状态的LEO卫星之间高优先级的LEO卫星。
进一步地，所述GEO卫星接收LEO卫星的呼叫请求之后，还包括：
GEO卫星根据LEO卫星通信信道质量、LEO卫星剩余的可通信时间、填满剩余存储空间所需的时间和LEO卫星任务级别确定LEO卫星的优先级为紧急卫星或者非紧急卫星。
具体来说，GEO-LEO卫星通信中，由于LEO卫星轨道较高，高度约为1km。从而LEO卫星在两颗GEO卫星覆盖区内存在“盲区”，即存在不被GEO卫星覆盖的区域。因此，GEO-LEO卫星通信信道分配方法中无法采用信道预留方式。卫星通信中，星间距离较远、传输损耗较大和易受太阳辐射等影响，导致卫星通信信道质量差，误码率较高。本发明提出了基于信道质量的综合加权信道分配(Comprehensive Weighted Channel Allocation based onChannel Quality，以下简称CWCA-CQ)方法。
图2为本发明GEO-LEO卫星网络结构示意图，GEO-LEO卫星通信中，n颗LEO卫星的数据经GEO卫星转发时，卫星通信中当某信道质量超过系统允许的信道质量要求时，该信道不可用，否则，既占用了有限的信道资源，又无法收到有效的数据。第i颗LEO卫星LEOi与GEO卫星通信信道的误码率用Pei表示，系统允许的误码率门限阈值设为Pey，采用li表示第i条信道是否可用，则li可表示为：
卫星通信中，星间信道存在地球的遮挡，为了实现星间通信，应首先保证卫星间可视。GEO卫星与地球相对静止，而LEO卫星却以较高速度绕地球运转，因此，如图3所示，当LEO卫星运行至GEO卫星的覆盖区域内，且二者天线对准后，两者才可建链通信。为了便于分析，假设LEO卫星进入GEO卫星覆盖区，二者即可进行通信，不考虑天线张角及方向。由于各LEO卫星轨道不同，与GEO卫星的可通时间也不同，如果按照“先到先服务”的原则，可通时间短且到来较迟的卫星因无可用信道而无法通信，而卫星通信的规律性较强，这将导致多个周期无法完成数据传输，以至LEO卫星数据存储量超出存储容量而溢出，丢失数据。因此，若LEO卫星运行至GEO卫星覆盖区，距离开GEO卫星覆盖区的时间越短，其信道分配的优先级应越高，优先传输数据。也即LEO卫星剩余的通信时间越长，其信道分配的优先级越高，优先传输数据。
与地面基站不同，卫星上存储容量十分有限，当数据存储量达到极限时，又无法实时传输回地面基站时将导致数据丢失。因此，卫星信道分配中，要考虑LEO卫星的数据存储量。然而，各LEO卫星带宽不同，平均数据采集速度也不相同。为了合理分配，本发明采用填满LEO卫星剩余存储空间所需时间进行优先级权衡的条件之一，即当前卫星剩余存储空间大小与其采集数据速率之比，即
其中，Cis是第i颗LEO卫星剩余存储空间大小；Ri是第i颗LEO卫星数据采集速率，tis值越小，其优先级越高。
卫星通信在军用和民用方面发挥着巨大作用，当突发自然灾害或者军情时，指挥中心迫切需要了解灾区或军事敏感区域的实时信息，这就要求在轨的或者临时发射的覆盖该区域的LEO卫星实时回传该区域数据。为此，本发明设置了两个卫星任务级别，覆盖重点区域的卫星将执行紧急任务，卫星任务级别高，设为紧急卫星；其他卫星任务级别相同，为非紧急卫星。数学关系描述为：
GEO-LEO卫星通信中，LEO卫星运行至GEO卫星的可通范围内，LEO卫星方可进行呼叫请求。当该LEO卫星为紧急卫星时，优先为其分配信道，如果没有可用信道，则可强占现有正在通信的低优先级卫星信道，保证重要数据实时传输；当该LEO卫星为非紧急卫星，且系统不存在空闲信道，此时按照呼叫卫星和正在通信的卫星的优先级确定是否强占信道。
根据上述分析，CWCA-CQ方法中LEO卫星优先级取决于卫星通信信道质量、卫星剩余的可通时间、存储空间填满所需时间和卫星任务级别几个参数。为了分析方便，采用无量纲表示方法，CWCA-CQ方法中第i颗LEO卫星的优先级可表示为：
其中，li取值见式(1)；tsmax是所有LEO卫星中需要填满剩余存储空间的最长时间；tvmax是所有LEO卫星与GEO卫星的最长可通时间；tiv是第i颗LEO卫星与GEO卫星的剩余可通时间；α、β、γ是三个参量的权值，为了实时响应紧急卫星的请求，权值设置时要求γ≥α+β，即紧急卫星优先级最高。
本发明实施例GEO卫星接收LEO卫星的呼叫请求，并根据LEO卫星的优先级为其分配信道，该优先级根据LEO卫星通信信道质量、LEO卫星剩余的可通信时间、填满剩余存储空间所需的时间和LEO卫星任务级别确定。解决了现有技术中的GEO-LEO卫星网络信道分配存在有信道资源的利用率低的问题，本发明的方法不仅提高了卫星系统资源的利用率，而且保证了重要数据的实时传输。
图4为本发明GEO-LEO卫星网络信道分配方法另一流程图，如图4所示，本实施例的方法，包括：
步骤101、LEO卫星判断归一化存储量是否大于呼叫阈值，若是，则向GEO卫星发起呼叫，若否，所述LEO卫星继续采集数据，所述归一化存储量为所述LEO卫星当前数据存储量与存储容量的比值；
步骤102、GEO卫星接收LEO卫星的呼叫请求；
步骤103、所述GEO卫星判断所述LEO卫星的优先级是否为紧急卫星，若是，则优先将信道分配给所述LEO卫星；若否，则将信道分配给所述LEO卫星与正处于通信状态的LEO卫星之间高优先级的LEO卫星。
进一步地，所述LEO卫星的呼叫概率表示为公式
Pc＝P(Mc>δ3|卫星可通) (3)
其中，所述Mc是LEO卫星归一化存储量，所述δ3为呼叫阈值。
具体来说，由于GEO卫星覆盖范围广，因此，LEO卫星与GEO卫星可通信时间较长，当LEO卫星数据量较少并还未离开GEO卫星覆盖区时，其数据已经传输完毕，释放信道。完成释放信道后，卫星将继续采集数据，随之LEO卫星上数据存储量也随之增大，优先级别转化为紧急状态，将会再次向GEO卫星发起呼叫请求。LEO卫星判断，当归一化存储量大于呼叫阈值时才向GEO卫星发起呼叫，若不大于，则继续采集数据。该归一化存储量即为LEO卫星当前数据存储量与存储容量的比值。
本实施例，LEO卫星通过将其归一化存储量与呼叫阈值比较，当该归一化存储量大于呼叫阈值时才想GEO卫星发起呼叫，解决了LEO卫星在完成自身的数据传输任务后，还频繁地向GEO卫星发起呼叫的问题，避免了GEO卫星因LEO频繁地发起呼叫造成的系统资源的浪费。
图5为本发明GEO-LEO卫星网络信道分配方法另一流程图，如图5所示，本实施例方法，包括：
步骤101、GEO卫星接收LEO卫星的呼叫请求；
步骤102、GEO卫星判断LEO卫星的优先级是否高于第一优先级阈值，若是，且所述LEO卫星的优先级与正在通信的LEO卫星的最低优先级的差值大于第二优先级阈值时，则允许所述LEO卫星抢占信道，若否，则不允许所述LEO卫星抢占信道。
进一步地，所述LEO卫星抢占概率表示为公式
Ppr＝P(pirC>δ1∩(pirC-pirmin)>δ2) (2)
其中，所述pirc是呼叫卫星的优先级；所述pirmin是正在通信的LEO卫星的最低优先级，所述δ1为第一优先级阈值，所述δ2为第二优先级阈值。
具体来说，LEO卫星获得信道后，开始传输数据。数据存储量随着数据传输开始下降，优先级也随之降低。而未获得信道的LEO卫星继续采集数据，其数据存储量增加，优先级也随之升高。若两颗LEO卫星的通信信道质量、剩余可同时间、存储空间填满所需时间均相同。二者抢占同一条信道时，将出现信道在二者之间频繁切换。本实施例，当LEO卫星的优先级需要同时满足大于第一阈值和该LEO卫星的优先级与正在通信的LEO卫星的最低优先级的差值大于第二阈值这两个条件时，该LEO卫星才可以抢占正在通信的信道。图6为本发明GEO-LEO卫星网络信道分配方法程序流程图。
本实施例，通过对于LEO卫星的优先级进一步地限定，从而避免了同一条信道在两颗LEO卫星之间频繁地切换的现象，提高了卫星网络的工作效率。
为了验证本发明提出的信道分配方法的性能，仿真中与FIFO方法进行了比较。仿真中设计了4颗LEO卫星通过1颗GEO卫星转发数据，4颗LEO卫星的仿真初始设置如表1所示。
表1仿真环境设置
其中，“链路误码率满足要求的时间段”是指4颗LEO卫星与GEO卫星通信链路质量达到系统要求的时间段，该时间段内，如果LEO卫星分配有信道，则可以向GEO发送数据。仿真中，假定GEO卫星有两个转发器，同时可转发2颗LEO卫星的数据。
图7显示了4颗LEO卫星数据累计丢失量。仿真结果表明，CWCA算法中仅有LEO4卫星发生少量数据丢失，而FIFO算法中除LEO1卫星外，其余3颗卫星均发生不同程度的数据丢失。数据丢失主要来自两方面，一是LEO卫星信道误码高，在不满足系统误码要求的情况下发送数据，将导致接收端无法正确接收数据，大量数据被丢弃；二是LEO卫星的存储容量、可通时间等均有限，按照先来先服务原则传输数据，将导致后进入GEO覆盖范围的LEO卫星无可用信道，采集的数据量不断增加，超出了系统存储容量后，发生数据溢出丢失。CWCA算法根据式(1)确定卫星优先级，并按照约束条件确定是否强占信道，避免了高误码率时刻的数据传输，降低了高数据存储量卫星的排队时间。与FIFO方法相比，CWCA信道分配方法法有效地抑制了数据丢失，保证了数据传输的正确性和完整性。
图8是各LEO卫星的有效传输数据量。由图可以看出，除LEO1卫星外，CWCA方法的有效传输数据量明显高于FIFO方法。在整个传输过程中LEO1卫星信道的误码率始终满足系统误码要求，而LEO2～LEO4卫星信道存在误码较高、不满足系统误码要求的情况，CWCA方法有效地避免了高误码率时刻的数据传输，而FIFO方法未考虑信道误码率，当误码率超出系统容错范围时仍然传输数据，导致接收端无法正确接收，有效数据传输量大大降低。LEO3卫星为紧急卫星，仅当其信道质量达不到系统要求时，通信中断，满足紧急卫星数据的实时传输。
图9是两种方法下LEO卫星与GEO卫星通信信道利用率的关系比较。图中，FIFO方法在误码率不满足系统要求情况下仍一味地传输，既占用了有限的信道资源，接收端又得不到有效数据信息，因此，信道利用率远低于CWCA方法。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种GEO-LEO卫星网络信道分配方法，其特征在于，包括：
GEO卫星接收LEO卫星的呼叫请求；所述GEO卫星根据LEO卫星通信信道质量、LEO卫星剩余的可通信时间、填满剩余存储空间所需的时间和LEO卫星任务级别确定LEO卫星的优先级为紧急卫星或者非紧急卫星；
所述GEO卫星判断所述LEO卫星的优先级是否为紧急卫星，若是，则优先将信道分配给所述LEO卫星；若否，则将信道分配给所述LEO卫星与正处于通信状态的LEO卫星之间高优先级的LEO卫星；
所述LEO卫星的优先级采用公式
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计算，其中，所述li取值i＝1,2,…n；所述Pei为LEOi卫星与GEO卫星通信信道的误码率，所述Pey为系统允许的误码率门限阈值，所述tsmax是所有LEO卫星中需要填满剩余存储空间的最长时间；所述tvmax是所有LEO卫星与GEO卫星的最长可通时间；所述tiv是第i颗LEO卫星与GEO卫星的剩余可通时间；所述tis为填满LEO卫星剩余存储空间所需时间，所述pirti为卫星任务级别，值为1表示该卫星为紧急卫星，值为0表示该卫星为非紧急卫星，所述α、β、γ是三个参量的权值，为了实时响应紧急卫星的请求，权值设置时要求γ≥α+β，即紧急卫星优先级最高。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述则将信道分配给所述LEO卫星与正处于通信状态的LEO卫星之间高优先级的LEO卫星，包括：
GEO卫星判断LEO卫星的优先级是否高于第一优先级阈值，若是，且所述LEO卫星的优先级与正在通信的LEO卫星的最低优先级的差值大于第二优先级阈值时，则允许所述LEO卫星抢占信道，若否，则不允许所述LEO卫星抢占信道。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述LEO卫星抢占概率表示为公式
Ppr＝P(pirC>δ1∩(pirC-pirmin)>δ2) (2)
其中，所述pirc是呼叫卫星的优先级；所述pirmin是正在通信的LEO卫星的最低优先级，所述δ1为第一优先级阈值，所述δ2为第二优先级阈值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，GEO卫星接收LEO卫星的呼叫请求之前，还包括：
LEO卫星判断归一化存储量是否大于呼叫阈值，若是，则向GEO卫星发起呼叫，若否，所述LEO卫星继续采集数据，所述归一化存储量为所述LEO卫星当前数据存储量与存储容量的比值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述LEO卫星的呼叫概率表示为公式
Pc＝P(Mc>δ3|卫星可通) (3)
其中，所述Mc是LEO卫星归一化存储量，所述δ3为呼叫阈值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |