CN107154819B - 一种基于地理位置信息的卫星中继选择优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地理位置信息的卫星中继选择优化方法，首先测量从源节点经候选卫星中继到目的节点的两跳链路的空间传输距离，并估计获取相应的瞬时信道状态信息，据此从所有的卫星中继节点中选择出能够解码源节点信息的中继卫星，并从中挑选到目的节点的信道状态信息最佳的中继卫星来转发源节点信息，最终目的节点接收并解码来自卫星中继转发的源节点信息。本发明提出的中继选择优化方案与传统的循环调度方案相比，显著地降低了系统的中断概率，有效地提高了系统的性能。

Description

一种基于地理位置信息的卫星中继选择优化方法

技术领域

本发明属于本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于地理位置信息的卫星中继选择优化方法。

背景技术

卫星移动通信凭借其覆盖范围广、不受地理条件影响等优势，可以与地面通信系统形成互补，广泛应用于地面通信系统不易覆盖或建设成本过高的区域。在地面无线网络基站受到破坏时(如抗震救灾时),卫星通信能够及时、可靠地保障通信服务，发挥了极其重要的作用。

但是，地球表面的源节点发送信息到卫星中继的过程中以及卫星中继转发信息回到地球表面上目的节点的过程中，无线信号都有可能会发生中断，而中断概率是用来衡量通信系统性能的重要指标，中断概率通常与信道的分布特性有关，且中断概率P_out(R_d)与数据速率门限R_d相对应。在传统的循环调度中继选择方案下，系统发生中断的频率较高，通信系统的性能有待提高。

本发明主要公开了一种基于地理位置信息的卫星中继选择优化方法，考虑了无线信息发送源节点和目的接收节点的实际地理位置信息，旨在通过利用多卫星中继选择来进行源节点信息到目的节点的中继转发优化，降低无线信息传输的中断概率从而提高系统的安全可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于地理位置信息的卫星中继选择优化方法，考虑到无线信息发送源节点和目的接收节点的地理位置信息等实际情形，应用于卫星作为传输中继的通信系统中，所述系统包括地球表面上的一个发送源节点、一个目的接收节点和位于高空中的多个卫星中继。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种基于地理位置信息的卫星中继选择优化方法，具体包含如下步骤：

步骤1，源节点将信息发送给所有的卫星中继；

步骤2，根据源节点到卫星中继的瞬时信道状态信息，计算出源节点到卫星中继的信道容量；

步骤3，获取能够成功解码源节点信息的一组卫星中继集合；

步骤4，根据卫星中继到目的节点的瞬时信道状态信息，选择信道状态信息最佳的一个卫星作为中继，并根据瞬时信道状态信息计算该卫星中继到目的节点的信道容量。

作为本发明一种基于地理位置信息的卫星中继选择优化方法的进一步优选方案，在步骤2中，源节点到卫星中继的瞬时信道状态信息的信道特性具体如下：

其中，

为源节点到卫星中继的瞬时信道状态信息的信道特性，

x为δ_i＝0.5Ω_i/(2b_i ²m_i+b_iΩ_i)，β_i＝0.5/b_i，Ω_i是视距传播分量的平均功率，2b_i是多径分量的平均功率，m_i的取值范围在[0,∞]，其服从Nakagami分布，₁F₁(.,.,.)为超几何分布函数。

作为本发明一种基于地理位置信息的卫星中继选择优化方法的进一步优选方案，在步骤3中，源节点到各卫星中继的信道容量具体为：

其中，C_si为源节点到各卫星中继的信道容量，

其中，c为光速，G_r为接收端天线增益，G_s为发射端天线增益；f_i为第i种无线通信制式的工作频率；d为无线用户终端至基站的距离；n为无线信道中的衰落因子，γ＝P_s/N₀，P_s为源节点的发送功率，N₀为信道中的背景噪声功率，h_si为信道的瞬时状态增益。

作为本发明一种基于地理位置信息的卫星中继选择优化方法的进一步优选方案，在步骤4中，最佳卫星中继满足条件具体如下：

其中，D_n为表示成功解码源节点信息的卫星中继集合，C_id为卫星中继将信息转发到地球表面上的目的节点的信道容量。

作为本发明一种基于地理位置信息的卫星中继选择优化方法的进一步优选方案，在步骤4，最佳卫星中继到目的节点的信道容量：

其中，C_bd为最佳卫星中继到目的节点的信道容量，D_n表示成功解码源节点信息的卫星中继集合，

则表示解码源节点信息失败的卫星中继集合。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1)本发明的卫星中继选择方案相比于现有的循环调度中继选择方案可以降低系统的中断概率；

2)本中继选择方案能够在相同条件下实现比现有的循环调度中继选择方案更好的性能。

附图说明

图1是本发明中基于地理位置信息的卫星中继选择优化方法的系统模型图；

图2是本发明一种基于地理位置信息的卫星中继选择优化方法的流程图；

图3是本发明中的系统中断概率与发射功率的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本实施例系统模型包括地球表面上的一个发送源节点、一个目的接收节点和位于高空中的多个卫星中继，采用多个卫星中继传输是为了提高系统传输信息的可靠性。

一种基于地理位置信息的卫星中继选择优化方法，考虑到无线信息发送源节点和目的接收节点的地理位置信息等实际情形，应用于卫星作为传输中继的通信系统中，所述系统包括地球表面上的一个发送源节点、一个目的接收节点和位于高空中的多个卫星中继。

如图2所示，该方法包括以下步骤：首先源节点将信息发送给所有的卫星中继，根据源节点到卫星中继的瞬时信道状态信息，由此计算出源节点到卫星中继的信道容量；其次判断哪些卫星中继能够成功解码源节点发来的信息，并选择出能够成功解码源节点信息的一组卫星中继集合；最后根据卫星中继到目的节点的瞬时信道状态信息，选择信道状态信息最佳的一个卫星作为中继，并根据瞬时信道状态信息计算该卫星中继到目的节点的信道容量。

1、获取信道状态信息

1)卫星信道的特性：卫星信道的传输特性服从阴影莱斯分布，所以卫星信道中的传播信号分为两路：一路是视距传播信号，另一路是多径分量。其信道特性如下：

其中

δ_i＝0.5Ω_i/(2b_i ²m_i+b_iΩ_i)，β_i＝0.5/b_i，Ω_i是视距传播分量的平均功率，2b_i是多径分量的平均功率，m_i的取值范围在[0,∞]，其服从Nakagami分布，₁F₁(.,.,.)为超几何分布函数；

2)由于卫星通信是远距离通信，所以会受到大尺度衰落的影响，在此场景下，无线信道中无线用户终端的发射功率与基站的接收功率关系如下：

其中P_s为发送端的发送功率，P_r为接收端的接收功率，c为光速；G_r为接收端天线增益，G_s为发射端天线增益；f_i为第i种无线通信制式的工作频率；n为无线信道中的衰落因子；|h_i|²为第i种无线通信制式的瞬时信道状态信息，其可以通过信道估计方法获取。为便于后面分析，可以令

其中d为源节点以及目的节点到卫星中继的距离，其计算表达式如下：

结合实际的地理位置信息，可以根据源节点、目的节点和卫星的经纬度来确定其距离，这即是本发明中基于地理位置信息的主要体现，其中R为地球半径，h为卫星距离地球表面的高度，w_A、j_A为卫星相对于地面的纬度和经度，w_B、j_B是为地球上节点的经度和纬度。

3、计算本系统中源节点到卫星中继、卫星中继到目的节点的信道容量，并提出本发明的中继选择的具体方案，其主要过程如下：

1)源节点到各卫星中继的信道容量为：

其中γ＝P_s/N₀，P_s为源节点的发送功率，N₀为信道中的背景噪声功率，h_si为信道的瞬时状态增益。我们假设系统要求的最低信息传输速率为R_d，解码成功的卫星中继，其信道容量大于最低信息传输速率，满足条件：

解码失败的卫星中继，其信道容量小于最低信息传输速率，即：

此时系统通信便发生了中断；

2)本发明中的卫星中继选择方案如下：假设有N个卫星中继，分别记为R₁,R₂,...,R_N，在卫星中继接收到源节点发送的信息后，卫星中继对接收到的信息进行解码，在解码成功的卫星集合中选择到目的节点的信道状态信息最佳的一个卫星中继，由该卫星中继将信息转发到地球表面上的目的节点，其信道容量可表示为：

本方案中最佳卫星中继满足条件：

当最佳卫星中继转发信息时，该卫星中继到目的节点的信道容量为：

其中D_n表示成功解码源节点信息的卫星中继集合，

则表示解码源节点信息失败的卫星中继集合。

当C_bd＜R_d时，地球表面上的目的节点将不能接收到卫星中继转发的信息，该卫星中继在转发信息的过程中也会发生中断；

3)综上所述，系统的中断概率P_out可表示为：

上式中的

γ＝P_s/N₀，N₀＝KTB，K为玻尔兹曼常量，T为当前温度，B为传输信号的带宽。

本发明提供了一种基于地理位置信息的卫星中继选择优化方法，应用于卫星作为传输中继的通信系统中，具体步骤包括：

1)在传输时隙t之前，源节点获得卫星中继的信道瞬时增益为h_si，并根据GPS系统得到发送节点、目的节点、卫星中继的经纬度等地理位置信息。

2)给定时隙t的总发射功率P_s，其中c为光速，取3*10⁸米每秒；G_r为接收端天线增益，取10dBi；G_s为发射端天线增益，取0dBi；f_i为第i种无线通信制式的工作频率，本处卫星发送信号的频段是C波段，取9GHz；d为无线用户终端至基站的距离，可以根据得到的经纬度信息计算得出；n为无线信道中的衰落因子，取2。

3)根据本方案中提出的中继选择优化方案，选择成功解码的卫星中继到目的节点信道状态信息最佳的卫星转发信息，卫星中继以与源节点相同的发送功率P_s转发信号。

4)传输结束进入下一个时隙，重新执行步骤1)。

本发明所提出的中继选择方案与循环调度选择方案的对比如图3所示。其中卫星中继个数N取4和6，发射功率P_s从37dB到47dB，且间隔为1dB，由图中可以看出，本发明所提出的中继选择方案性能在卫星中继数目相同的情况下，明显好于循环调度方案，当发送端发射功率越来越大时，系统的中断概率也越来越低，系统的性能也随之显著提高；另外，在发射功率相同的情况下，卫星中继数目越多，本中继选择方案的性能也随之提高，而循环调度选择方案的性能几乎没有随卫星中继数目的增加而提高。

Claims (1)

1.一种基于地理位置信息的卫星中继选择优化方法，其特征在于：具体包含如下步骤：

步骤1，源节点将信息发送给所有的卫星中继；

步骤2，根据源节点到卫星中继的瞬时信道状态信息，计算出源节点到卫星中继的信道容量；

步骤3，获取能够成功解码源节点信息的一组卫星中继集合；

步骤4，根据卫星中继到目的节点的瞬时信道状态信息，选择信道状态信息最佳的一个卫星作为中继，并根据瞬时信道状态信息计算该卫星中继到目的节点的信道容量；

在步骤2中，源节点到卫星中继的瞬时信道状态信息的信道特性具体如下：

其中，

为源节点到卫星中继的瞬时信道状态信息的信道特性，

δ_i＝0.5Ω_i/(2b_i ²m_i+b_iΩ_i)，β_i＝0.5/b_i，Ω_i是视距传播分量的平均功率，2b_i是多径分量的平均功率，m_i的取值范围在[0,∞)，其服从Nakagami分布，

为超几何分布函数；

在步骤3中，源节点到各卫星中继的信道容量具体为：

其中，C_si为源节点到各卫星中继的信道容量，

其中，d为源节点以及目的节点到卫星中继的距离，c为光速，G_r为接收端天线增益，G_s为发射端天线增益；f_i为第i种无线通信制式的工作频率；n为无线信道中的衰落因子，γ＝P_s/N₀，P_s为源节点的发送功率，N₀为信道中的背景噪声功率，h_si为信道的瞬时状态增益；

在步骤4中，最佳卫星中继满足条件具体如下：

其中，D_n为表示成功解码源节点信息的卫星中继集合，C_id为卫星中继将信息转发到地球表面上的目的节点的信道容量；

在步骤4，最佳卫星中继到目的节点的信道容量：

其中，C_bd为最佳卫星中继到目的节点的信道容量，D_n表示成功解码源节点信息的卫星中继集合。

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