CN107317642B - Ka频段下行链路的数据传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种Ka频段下行链路的数据传输方法及系统，本发明考虑空间信息网络通信场景，推导了给定空间通信条件下是否需要感知策略的判断条件，给出了基于此判定条件的单条链路自适应传输策略。在单条下行链路基础上提出使Ka频段两条及多条独立下行链路提高数据传输吞吐量的数据传输方案。并在不同信道条件下验证了基于延迟CSI的自适应传输策略方案，能有效提高Ka频段空间通信的数据传输吞吐量，提高文件传输效率。

Description

Ka频段下行链路的数据传输方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种Ka频段下行链路的数据传输方法及系统。

背景技术

在未来空间探测任务中，采用Ka频段通信是满足数据高速率传输要求的重要方法。虽然Ka频段因为能提供更大带宽，提高了数据传输能力，但其下行链路更容易受到地面天气波动的影响，造成信道状态时好时坏，恶劣天气可能使信道丢包率过大、造成通信链路中断。空间节点珍贵的功率资源补偿Ka频段链路余量的代价太大，所以不能采取只针对信道“坏”状态的数据传输策略，应该采取随信道状态变化的自适应传输策略方案。

考虑空间通信链路长距离、长时延等特点，地面通信的TCP/IP协议的握手过程不适合空间通信场景。一般采用空间通信传输协议CFDP(CCSDS file delivery protocol)、LTP(Licklider transport protocol)的延迟反馈确认模式，下行链路发送端直接向接收端发送数据，在收到接收端第一次反馈时，预测延迟的信道状态信息(CSI)，因此，需要基于空间通信信道的时变特性，结合延时CSI设计传输策略。

现有的研究，一般选择一个合适的噪声温度阈值将空间通信下行Ka频段链路划分为“好”、“坏”两种状态，结合有限状态马尔科夫链，建模为经典的两状态时变信道模型——Gilbert-Elliot(GE)信道。

近年来，对于GE信道数据传输策略进行了大量相关研究。比如，设计面向GE信道的三种数据传输策略，“好”状态时对应的积极策略、“坏”状态时对应的保守策略和先感知信道真实状态然后进行数据传输的感知策略，讨论了最优传输策略的阈值情况。在此基础上，还有文献提出了面向深空通信场景的Ka频段的自适应编码方案。另外，还有文献设计了适用于独立双GE 信道的数据传输方案，假设发送端总的发送功率一定，方案一将全部功率分配给一条链路，未取得功率分配的链路在下一时刻无法得到延迟CSI，方案二将功率进行平均分配，下一时刻每条链路都能获得延迟CSI；在此基础上增加数据丢失量，增加两链路都不进行功率分配的数据传输方案。

但是，现有的Ka频段下行链路的数据传输方案，无法有效提高Ka频段空间通信的数据传输吞吐量，提高文件传输效率。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种Ka频段下行链路的数据传输方法及系统，可以有效提高Ka频段空间通信的吞吐量，提高文件传输效率。

为了达到上述目的，本发明提出一种Ka频段下行链路的数据传输方法，包括：

在发送端发送数据前，通过延迟CSI预测Ka频段下行链路的当前信道状态；

根据所述当前信道状态，以及预先创建的Ka频段的GE信道模型，推导给定空间通信条件下是否需要感知策略的判断条件；

选择基于所述判定条件的自适应传输策略进行数据传输。

其中，所述给定空间通信条件下是否需要感知策略的判断条件为：给定空间通信条件下最优传输策略的关键阈值。

其中，所述Ka频段下行链路包括单条下行链路；所述选择基于所述判定条件的自适应传输策略进行数据传输的步骤包括：

选择基于所述关键阈值的点对点下行链路的最优传输策略，并推导对应的最大期望吞吐量，以选择的传输策略进行单条链路的数据传输。

其中，所述Ka频段下行链路包括至少两条相互独立的下行链路，所述选择基于所述判定条件的自适应传输策略进行数据传输的步骤包括：

基于不同链路延迟CSI进行链路选择，对被选择链路进行传输策略选择。

其中，所述Ka频段下行链路的数据传输方法还包括：

在不同信道条件下，对选择的所述自适应数据传输策略进行仿真验证。

其中，预先创建Ka频段的GE信道模型的步骤包括：

根据Ka频段下行链路地面天气状况，结合空间通信接收设备对噪声温度的要求，选择噪声温度阈值；

根据所选择的噪声温度阈值，将Ka频段原有AWGN信道分成好和坏两种状态；

结合有限状态马尔科夫链，建模为两状态GE信道。

其中，所述自适应传输策略包括：保守策略、积极策略和感知策略。

其中，所述保守策略为：当信道状态较大可能为坏状态时，数据编码时加入预定的冗余；

所述积极策略为：当信道状态较大可能为好状态时，数据编码时采用超过预设值的信息速率；

所述感知策略为：近地面空间通信时，链路距离短、数据传输往返时延小，发送端以一定的代价感知下一时间窗内信道的准确状态，然后选择相应的传输策略进行数据传输。

其中，感知代价为感知信道真实状态所用时间与整个时间窗的比值。

本发明还提出一种Ka频段下行链路的数据传输系统，包括：Ka频段下行链路的数据传输程序，所述Ka频段下行链路的数据传输程序配置为由处理器调用时，执行如上所述的方法的步骤。

本发明设计了一种Ka频段下行链路的数据传输方法及系统，与现有的 GE信道数据传输策略不同，本发明对Ka频段空间通信特点，设计面向Ka 频段下行链路自适应传输策略时，不论采取何种传输策略或者功率分配方案，发送端总是只能获得延迟CSI，需要结合不同“好”、“坏”状态信息速率，利用延迟CSI设计基于POMDP的最优传输策略。本发明针对Ka频段空间通信特点考虑了近地面空间通信场景，推导了给定空间通信条件下是否需要感知策略的判断条件，给出了基于此判定条件的单条链路自适应传输策略。在 Ka频段单条下行链路基础上考虑两条、多条独立下行链路通信场景，提出了使Ka频段两条、多条独立下行链路提高数据传输吞吐量的数据传输方案。最后，在不同信道条件下验证了基于延迟CSI的自适应传输策略方案，能有效提高Ka频段空间通信的数据传输吞吐量，提高文件传输效率。

附图说明

图1是本发明Ka频段下行链路的数据传输方法实施例流程示意图；

图2是本发明方案中GE信道模型示意图；

图3是基于延迟CSI的数据传输方案；

图4是基于置信概率的最优传输策略判断阈值示意图；

图5是基于信道参数的感知策略选择空间示意图；

图6(a)和图6(b)分别是不考虑感知策略和考虑感知策略的最优传输策略阈值示意图；

图7(a)是不考虑感知策略的单条链路累积回报函数；

图7(b)是考虑感知策略的单条链路累积回报函数；

图7(c)是保守策略回报最大的单条链路累积回报函数；

图7(d)是积极策略回报最大的单条链路累积回报函数；

图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)是不同数据传输方案归一化吞吐量示意图；

图9是两条链路数据传输回报函数示意图；

图10(a)和图10(b)分别是多条链路数据传输方案的回报函数示意图。

为了使本发明的技术方案更加清楚、明了，下面将结合附图作进一步详述。

具体实施方式

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。

具体地，参照图1，图1是本发明Ka频段下行链路的数据传输方法流程示意图。

如图1所示，本发明较佳实施例提出一种Ka频段下行链路的数据传输方法，包括：

步骤S1，在发送端发送数据前，通过延迟CSI预测Ka频段下行链路的当前信道状态；

步骤S2，根据所述当前信道状态，以及预先创建的Ka频段的GE信道模型，推导给定空间通信条件下是否需要感知策略的判断条件；

其中，预先创建Ka频段的GE信道模型的步骤包括：

根据Ka频段下行链路地面天气状况，结合空间通信接收设备对噪声温度的要求，选择噪声温度阈值；

根据所选择的噪声温度阈值，将Ka频段原有AWGN信道分成好和坏两种状态；

结合有限状态马尔科夫链，建模为两状态GE信道。

其中，所述给定空间通信条件下是否需要感知策略的判断条件为：给定空间通信条件下最优传输策略的关键阈值。

步骤S3，选择基于所述判定条件的自适应传输策略进行数据传输。

其中，所述自适应传输策略包括：保守策略、积极策略和感知策略。

所述保守策略为：当信道状态较大可能为坏状态时，数据编码时加入预定的冗余；

所述积极策略为：当信道状态较大可能为好状态时，数据编码时采用超过预设值的信息速率；

所述感知策略为：近地面空间通信时，链路距离短、数据传输往返时延小，发送端以一定的代价感知下一时间窗内信道的准确状态，然后选择相应的传输策略进行数据传输。

感知代价为感知信道真实状态所用时间与整个时间窗的比值。

在本发明中，可以对Ka频段下具有单条下行链路的通信场景进行自适应传输策略的选择，也可以对Ka频段下具有多条下行链路的通信场景进行自适应传输策略的选择。

其中，对于单条下行链路：选择基于所述关键阈值的点对点下行链路的最优传输策略，并推导对应的最大期望吞吐量，以选择的传输策略进行单条链路的数据传输。

对于两条或更多条相互独立的下行链路，基于不同链路延迟CSI进行链路选择，对被选择链路进行传输策略选择。

进一步地，本发明还可以在不同信道条件下，对选择的所述自适应数据传输策略进行仿真验证。

以下对本发明实施例方案进行详细阐述：

本发明考虑到：Ka频段空间通信的下行链路容易受地面天气的影响，选择合适的噪声温度阈值将下行链路划分为“好”、“坏”两种状态，结合有限状态马尔科夫链，将其建模为经典的两状态时变信道模型——Gilbert-Elliot (GE)信道。考虑深空下行发送端只能获得延迟的信道状态信息(CSI)的限制，结合部分观测马尔科夫决策理论设计了基于延迟CSI预测信道状态的自适应最大化吞吐量传输策略。

理论推导了在深空通信环境下最优传输策略的关键阈值，并给出了简化的闭合解计算式。通过地球-火星通信参数仿真，验证了该方案能有效提高吞吐量，提高文件传输效率。

考虑了空间信息网络通信场景，推导了给定空间通信条件下最优传输策略的关键阈值，由此获得点对点下行链路的最优传输策略，并推导了对应的最大期望吞吐量。

基于此，进一步考虑发送端可以从两条、多条相互独立的下行链路中选择信道状态较好的信道，通过合理分配功率，以获得最大期望吞吐量的通信场景，设计了基于不同链路延迟CSI反馈的链路选择策略。

最后，在不同信道条件下，仿真验证了设计的自适应数据传输方案，可以有效提高Ka频段空间通信的数据传输吞吐量，提高文件传输效率。

基于此，本发明方案内容分成五部分。

第一部分，预先工作，将Ka频段建模为GE信道，结合部分观测马尔科夫 (POMDP)给出数据传输策略回报函数。

第二部分，最优传输策略，推导了给定空间通信条件下是否需要感知策略的判断条件，给出了基于此判定条件的单条链路数据自适应传输方案。

第三部分，两条、多条链路数据传输策略，提出了使Ka频段两条、多条独立下行链路提高数据传输吞吐量的传输方案。

第四部分，仿真验证，通过对比其它数据传输方案，验证了设计的自适应传输方案能提高数据传输吞吐量，提高文件传输效率。

第五部分，对发明的总结。

1、预先工作

首先，根据Ka频段下行链路地面天气状况，结合空间通信接收设备对噪声温度的要求，选择合适的噪声温度阈值T_th，将Ka频段原有 AWGN(Additive White GaussianNoise)信道分成“好”、“坏”两种状态，结合有限状态马尔科夫链，建模为经典的两状态GE信道，GE信道模型如图2所示。

当恶劣天气使噪声温度T满足T＞T_th时，此时信道状态为“坏”状态，误码率较高(Ka频段“坏”状态误码率：10^-4～10^-3)；当噪声温度T满足T≤T_th时，信道状态为“好”状态，误码率较低(Ka频段“好”状态误码率：10^-8～10^-5)。天气状态平均变化周期D和一步转移概率矩阵G随着T_th的确定而随之确定。

式中：Pr(g|g)＝λ₁表示前一时刻信道状态为好状态，下一时刻保持好状态的概率为λ₁，Pr(g|b)＝λ₀表示前一时刻信道状态为坏状态，下一时刻变成好状态的概率为λ₀。λ₁、λ₀满足，1＞λ₁、λ₀＞0，不失一般性，令λ₁大于λ₀。

GE信道状态变量为一维马尔可夫链，可表示为S＝{S₁,S₂,...,S_n}，对应的时间窗口序列可表示为W＝{w₁,w₂,...,w_n}。发送端每次发送数据前，首先通过延迟CSI获得该时间窗内信道为“好”状态的概率—置信概率X_n，然后发送端选择传输策略a(a∈{C,O,A})进行数据传输，如图3所示。

保守策略(C)：当信道状态较大可能为“坏”状态时，为了保证数据传输的可靠性，数据编码时加入较多冗余，提高传输过程中编码的纠错能力，R_b表示保守传输策略采用的信息速率。

积极策略(A)：当信道状态较大可能为“好”状态时，为了提高数据传输的吞吐量，数据编码时采用较高信息速率R_g，满足(R_g＞R_b)。

感知策略(O)：近地面空间通信时，链路距离短、数据传输往返时延小，发送端以一定的代价感知下一时间窗内信道的准确状态，然后选择合适的传输策略(积极策略或者保守策略)进行数据传输。

感知代价为感知信道真实状态所用时间与整个时间窗的比值：

τ＝2d_prop/D (1)

式中：τ表示感知代价，d_prop表示数据传输从发送端到接收端所用时间，D表示天气状态平均变化周期。

结合部分观测马尔科夫过程(POMDP)，基于延迟CSI的传输策略方案对应的完整回报函数为：

式中：X₀＝p表示GE信道初始置信概率值为p，β表示当前采取策略对未来增益的影响，满足0≤β＜1。R_n表示传输策略的直接增益。

2、最优传输策略

自适应传输策略方案表示基于延迟CSI预测信道状态，时间窗开始时刻选取最优传输策略使回报函数最大。由bellman等式知最优传输策略对应的增益函数为：

式中：V_β,a(X_n)表示发送端采取a(a∈{C,O,A})传输策略获得的完整回报函数。当置信概率值为X_n时采取不同数据传输策略时获得的完整回报为：

经过计算，基于置信概率X_n的最优传输策略可能阈值情况如图4所示，图4是基于置信概率的最优传输策略判断阈值示意图。

其中，ρ₁、ρ₂表示阈值处置信概率的值。感知策略是否适合Ka频段下行链路进行数据传输的判决条件如定理1所述。

定理1空间通信下行Ka频段“好”、“坏”状态信息速率为R_g、R_b (R_g＞R_b)，感知策略对应的感知代价为τ，信道参数满足：

当R_b/R_g＜(1-2τ)/(1-τ)时，感知策略适合进行数据传输；

当R_b/R_g≥(1-2τ)/(1-τ)时，感知策略不适合进行数据传输。

证明“好”、“坏”状态信息速率为R_g、R_b，感知代价为τ时，在阈值处不同传输策略获得相等回报值即：

整理可得：

如果感知策略适合进行数据传输，两阈值满足：ρ₁＜ρ₂，带入(6)式解得：

R_b/R_g＜(1-2τ)/(1-τ) (7)

如果感知策略不适合进行数据传输，最优策略不存在两阈值情况，即ρ₁≥ρ₂，带入(6)式解得：

R_b/R_g≥(1-2τ)/(1-τ) (8)

综上，空间通信下行Ka频段的感知代价τ和我们配置的“好”、“坏”状态信息速率R_g、R_b决定了给定空间通信条件下是否需要感知策略，如图5所示，图5是基于信道参数的感知策略选择空间示意图。

其中，a_n＝C、a_n＝A，表示发送端最佳传输策略为C和A，不需要考虑延迟CSI，a_n＝A/C、a_n＝A/O/C，表示发送端需要基于延迟CSI选择合适传输策略。

基于给定空间通信条件下是否需要感知策略的判断条件，在此分别讨论图5的区域1、区域2中基于延迟CSI的最优传输策略。

区域1中基于延迟CSI的最优传输策略如定理2所述。

定理2空间通信下行Ka频段“好”、“坏”状态信息速率为R_g、R_b，一步转移概率矩阵

信道参数满足：

当R_b/R_g＜λ₀时，不需要考虑延迟CSI，最优策略为积极策略(a_n＝A)；

当R_b/R_g＞λ₁时，不需要考虑延迟CSI，最优策略为保守策略(a_n＝C)；

当λ₀≤R_b/R_g≤λ₁时，考虑延迟CSI，S_n-1＝g时，最优策略为保守策略 (a_n＝A)，S_n-1＝b时，最优策略为保守策略(a_n＝C)。

证明当信息速率满足R_b/R_g＜λ₀，S_n-1＝g时，

S_n-1＝b时，

由式(9)(10)知，V_β,A(X_n)＞V_β,C(X_n)始终成立，所以，最优传输策略为积极策略(a_n＝A)。

同理，当信息速率满足R_b/R_g＞λ₁，V_β,A(X_n)＜V_β,C(X_n)始终成立，所以，最优传输策略为保守策略(a_n＝C)。

当信息速率配置满足λ₀≤R_b/R_g≤λ₁，S_n-1＝g时，V_β,A(X_n)≥V_β,C(X_n)成立，最优传输策略为积极策略(a_n＝A)；S_n-1＝b时，V_β,A(X_n)≤V_β,C(X_n)成立，最优传输策略为保守策略(a_n＝C)。

不考虑感知策略，基于延迟CSI的最优传输策略如表1所示。

表1 不包含感知策略的最优传输策略决策

图5的区域2中基于延迟CSI的最优传输策略如定理3所述。

定理3空间通信下行Ka频段“好”、“坏”状态信息速率为R_g、R_b，一步转移概率矩阵

感知策略对应的感知代价为τ，置信概率为X_n，信道参数满足：

当R_b/R_g＜λ₀时，如果

积极策略最优(a_n＝A)，如果

感知策略最优(a_n＝O)；

当R_b/R_g＞λ₁时，如果R_b/R_g＜(1-τ)X_n/(τ+X_n-τX_n)，感知传输策略最优 (a_n＝O)，如果R_b/R_g≥(1-τ)X_n/(τ+X_n-τX_n)，保守策略最优(a_n＝C)；

当λ₀≤R_b/R_g≤λ₁时，考虑延迟CSI，S_n-1＝g时X_n＝λ₁，此时，最优传输策略与R_b/R_g＜λ₀时相同，S_n-1＝b时X_n＝λ₀，此时，最优传输策略与R_b/R_g＞λ₁时相同。

证明当信息速率满足R_b/R_g＜λ₀，不考虑感知策略时积极策略最优，考虑感知代价τ，只需比较感知策略和积极策略。S_n-1＝g时，如果最优策略为积极策略则满足：

V_β,A(λ₁)＞V_β,O(λ₁) (11)

将式(4)带入(11)解得：

同理，S_n-1＝b时，如果最优传输策略为积极策略则：

当信息速率满足R_b/R_g＜λ₀，不考虑感知策略时保守策略最优，考虑感知代价τ，只需比较感知策略和保守策略。S_n-1＝g时，如果时间窗最优策略为保守策略则满足：

V_β,C(λ₁)＞V_β,O(λ₁) (14)

将式(4)带入(14)解得：

R_b/R_g＞(1-τ)λ₁/(τ+λ₁-τλ₁) (15)

同理，S_n-1＝b时，如果最优传输策略为保守策略则：

R_b/R_g＞(1-τ)λ₀/(τ+λ₀-τλ₀) (16)

当信息速率满足λ₀≤R_b/R_g≤λ₁，S_n-1＝g时，只需比较感知策略和积极策略，如果最优策略为感知策略则满足式(12)，S_n-1＝b时，只需比较感知策略和保守策略，如果最优策略为保守策略则满足式(16)。

考虑感知策略，基于延迟CSI的最优传输策略如表2所示。

表2 包含感知策略的最优传输策略决策

3、两条、多条独立链路传输策略

为了完成空间探测任务，探测器有时需要建立两条、多条链路进行数据传输。空间通信下行链路采用Ka频段进行空间通信时，如果固定选择一条链进行传输，如果该链路地面长时间处于恶劣天气状态，由自适应传输策略可知发送端将一直采取保守策略，数据传输吞吐量和文件传输效率较低。如果基于延迟CSI预测信道状态，其中两条链路较大可能为“好”状态其余链路较大可能为“坏”状态，此时，选择全部链路进行数据传输也无法保证使数据传输吞吐量最大。综上，两链路、多链路的数据传输方案必须基于不同链路延迟CSI进行链路选择。以空间信息网络GEO骨干节点为例，下行链路可选择青岛、喀什、北京密云等地面站传输信息，由于地理位置原因，同一时刻青岛、喀什、北京密云的天气差别较大，选择合适的温度阈值T_th，建模为多条独立GE信道，同一时刻GE信道的延迟CSI可能不同，与单条链路最优传输策略不同，我们首先基于延迟CSI选择链路，然后对被选择链路进行传输策略选择。综上，我们提供了一种包含链路选择的使空间通信下行Ka 频段多条独立链路数据传输吞吐量最大化的数据传输方案。

首先以两条下行链路为例，选择合适的噪声温度阈值，对下行链路进行马尔科夫决策建模，两条下行链路对应于两条独立的GE信道。假设发送端发送功率为P，单条链路分配的功率可以为P(只选择该链路进行数据传输) 或者P/2(同时选择两条链路进行数据传输)或者0(该链路暂时不进行数据传输)。设功率为P时信息速率为r_h，功率为P/2时信息速率为r_l，满足 2r_l＞r_h＞r_l。不同链路选择对应的回报函数为：

式中：B_b表示功率平均分配，每条链路信息速率均为r_l，B₁、B₂表示功率全部分配给一条链路，另一条链路暂时不用。X_n,1和X_n,2分别表示两条链路的置信概率并满足，

空间通信下行Ka频段两条独立链路基于延迟CSI的链路选择如定理 4所述。

定理4空间通信下行Ka频段两条独立链路，两条链路延迟反馈分别为 S_n-1,1＝g/b、S_n-1,2＝g/b，独立链路一步转移概率矩阵

单条链路发射功率为P时信息速率为r_h，功率为P/2时信息速率为r_l，且满足2r_l＞r_h＞r_l，若：

当S_n-1,1＝S_n-1,2，选择两条链路进行数据传输，发送端功率进行平均分配；

当S_n-1,1≠S_n-1,2，如果满足，r_l/r_h＞λ₁/(λ₁+λ₀)，发送端功率全部分配给“好”状态链路，如果r_l/r_h≤λ₁/(λ₁+λ₀)，选择两条链路进行数据传输，发送端功率进行平均分配。

证明S_n-1,1＝S_n-1,2时，由2r_l＞r_h＞r_l知，此时式(19)恒成立，功率平均分配回报最大。

S_n-1,1≠S_n-1,2，如果只选择“好”状态链路获得较大回报则：

式(17)带入式(20)整理可得：

r_l/r_h≤λ₁/(λ₁+λ₀) (21)

即两链路S_n-1,1≠S_n-1,2时，如果信道参数满足式(21)，选择两条链路进行数据传输，否则发送端功率全部分配给两条链路中的“好”状态链路。

下面说明空间通信下行Ka频段多条独立链路的数据传输策略，选择合适的噪声温度阈值，对下行链路进行马尔科夫决策建模，多条下行链路对应于多条独立的GE信道。假设总共有M条独立下行链路，发送端发送功率为 P，最大信息速率为r_h。发送端如果选择k(0＜k≤M)条链路进行数据传输，则每条链路的发送功率为P/k，每条链路的信息速率为r_k，满足kr_k＞r_h＞r_k。不同链路选择对应的回报函数为：

式中：B_b表示选择k条链路，功率平均分配，每条链路信息速率均为r_k， B₁表示功率全部分配给一条链路，其它链路暂时不用，空间通信下行Ka频段多条独立链路基于延迟CSI的链路选择如定理5所述。

定理5空间通信下行Ka频段M条独立链路，独立链路一步转移概率矩阵

最大信息速率为r_h，发送端如果选择k(0＜k≤M)条链路进行数据传输，信息速率为r_k，且满足kr_k＞r_h＞r_k，若：

M条下行链路延时CSI均相同，选择M条链路进行数据传输，发送端功率平均分配；

M条下行链路中S_n-1＝g的有m条，如果(m(λ₁-λ₀)+Mλ₀)/λ₁＞r_h/r_M，发送端选择m条“好”状态链路进行数据传输，如果 (m(λ₁-λ₀)+Mλ₀)/λ₁≤r_h/r_M，发动端将全部功率分配给一条“好”状态链路。

证明 如果M条下行链路延时CSI相同，由kr_k＞r_h＞r_k知，此时式(23)恒成立，功率平均分配回报最大。

如果M条链路中S_n-1＝g的链路有m条，不同链路选择的回报函数分别为：

如果选择M条链路获得较大回报则:

整理可得：

(m(λ₁-λ₀)+Mλ₀)/λ₁＞r_h/r_M (26)

下面我们讨论使功率分配B_b增益函数最大化的k(0＜k≤M)，B_b的增益函数可表示为：

由式(27)式知，k＝m时增益函数最大，即选择S_n-1＝g的m条链路进行功率平均分配使数据传输吞吐量最大。

与空间通信下行Ka频段单条链路自适应传输策略不同，设计多条独立链路数据传输方案时，我们首先基于多链路不同延迟CSI选择合适链路，然后对被选择链路进行传输策略选择。

4仿真验证

当下行ka频段信道参数满足，λ₁＝0.9、λ₀＝0.2、β＝0.5、τ＝0.4、R_g＝2、 R_b＝1，由定理2知空间信息传输不考虑感知策略，最优传输策略阈值ρ₁＝ρ₂＝0.5，此时，不同传输策略的回报函数如图6(a)所示，图6(a)是不考虑感知策略的最优传输策略阈值示意图，在X_n＜0.5时，最优传输策略为保守策略，X_n≥0.5时，积极策略最优。

其它信道参数不变，当感知代价τ＝0.15时，由定理2知空间信息传输需要考虑感知策略，最优传输策略阈值ρ₁＝0.176，ρ₂＝0.739，此时，不同传输策略的回报函数如图6(b)所示，图6(b)是考虑感知策略的最优传输策略阈值示意图。X_n＜0.176时，最优传输策略为保守策略，0.176≤X_n≤0.739时，最优传输策略为感知策略，X_n≥0.739时，最优传输策略为积极策略。

在不同ka频段信道参数下，验证基于感知策略判定条件的最优传输策略决策表。当下行ka频段信道参数满足，λ₁＝0.9、λ₀＝0.2、R_g＝2、R_b＝1、β＝0.99，单位时间t表示一个时间窗，V_β(t)表示回报函数，不同数据传输策略累积回报函数如图7(a)、图7(b)、图7(c)和图7(d)所示，其中，图7(a) 不考虑感知策略、图7(b)考虑感知策略、图7(c)保守策略回报最大，图 7(d)积极策略回报最大。

其中，τ＝0.4，空间信息传输不考虑感知策略，自适应数据传输策略不考虑感知策略，此时，不同传输策略对应的累积回报函数如图7(a)所示，自适应传输策略为a∈{A,C}。

其它信道参数不变，τ＝0.1，空间信息传输需要考虑感知策略，此时，不同数据传输策略对应的累积回报函数如图7(b)所示，自适应传输策略为a∈{A,O,C}。考虑信道参数对数据传输的影响，

τ＝0.4，λ₁＝0.4，数据传输一直采取保守策略能获得最大回报，如图7(c) 所示。τ＝0.4，λ₀＝0.7，数据传输一直采取积极策略能获得最大回报，如图 7(d)所示。

结合空间通信下行Ka频段近地空间通信场景，仿真验证上述自适应传输策略方案能有效提高数据传输的吞吐量。

假设Ka频段“好”状态误码率为10^-8、10^-7、10^-6、10^-5、“坏”状态误码率为10^-3，λ₁＝0.9、λ₀＝0.1、τ＝0.15，配置信息速率R_b、R_g使接收端信噪比近似相等。设计以下数据传输方案：

方案1：数据传输只采用保守策略，无论信道“好”、“坏”状态，单位时间能成功传输的数据量为R_b。

方案2:数据传输只采用积极策略，信道“好”状态时，单位时间成功传输的数据量为R_g，信道“坏”状态时，单位时间成功传输的数据量为R_g*PER。

方案3：数据传输只采用感知策略，发送端以代价τ感知信道的准确状态，然后选择合适的传输策略进行数据传输。信道“好”状态时，单位时间能成功传输的数据量为(1-τ)*R_g，信道“好”状态时，单位时间能成功传输的数据量为 (1-τ)*R_b。

方案4:数据传输不考虑感知策略，基于延迟CSI选择积极策略或保守策略， a∈{A,C}。

方案5：数据传输采用基于延迟CSI预测信道状态的自适应传输策略， a∈{A,O,C}。

Ka频段“坏”状态误码率为10^-3，“好”状态误码率为10^-8、10^-7、10^-6、10^-5时不同方案的归一化吞吐量如图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)所示，GE信道容量作为对比，仿真验证可知采取方案5获得的归一化吞吐量最接近GE信道容量，即包含感知策略的自适应传输策略方案能有效提高下行Ka频段空间通信的数据传输吞吐量，提高文件传输效率。

空间通信下行Ka频段多条独立链路对应于多条独立的GE信道，一步状态转移概率矩阵

相同时刻不同链路的延迟CSI可能不同，仿真验证上述设计的多链路数据传输方案能有效提高数据传输吞吐量。

Ka频段λ₁＝0.9、λ₀＝0.3，两条独立链路时r_h＝2、r_l＝1.5，模拟下行链路地面天气状态变化，单位时间t表示一个时间窗，V_β(t)表示累积回报函数，两条链路数据传输方案的累积回报函数如图9所示，本发明设计的面向Ka 频段基于延迟CSI的两条下行链路的数据传输方案能有效提高数据传输吞吐量，提高文件传输效率。

以5条和10条独立链路为例，仿真验证上述设计的数据传输方案能有效提高数据传输吞吐量。令r₅＝0.6、r₁₀＝0.3，模拟下行链路地面天气状态变化，多条链路数据传输方案的回报函数如图10(a)和图10(b)所示，本发明设计的空间通信下行Ka频段多条链路数据传输方案能有效提高数据传输吞吐量，提高文件传输效率。

5、结论

本发明针对Ka频段空间通信特点考虑了近地面空间通信场景，推导了给定空间通信条件下是否需要感知策略的判断条件，给出了基于此判定条件的单条链路自适应传输策略。在Ka频段单条下行链路基础上考虑两条、多条独立下行链路通信场景，提出了使Ka频段两条、多条独立下行链路提高数据传输吞吐量的数据传输方案。最后，在不同信道条件下验证了基于延迟 CSI的自适应传输策略方案能有效提高Ka频段空间通信的数据传输吞吐量，提高文件传输效率。

本发明实施例还提出一种Ka频段下行链路的数据传输系统，包括：Ka 频段下行链路的数据传输程序，所述Ka频段下行链路的数据传输程序配置为由处理器调用时，执行如上所述的方法的步骤，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种Ka频段下行链路的数据传输方法，其特征在于，包括：

在发送端发送数据前，通过延迟信道状态信息CSI预测Ka频段下行链路的当前信道状态；

根据所述当前信道状态，以及预先创建的Ka频段的GE信道模型，推导给定空间通信条件下是否需要感知策略的判断条件；

选择基于所述判断条件的自适应传输策略进行数据传输；

预先创建Ka频段的GE信道模型的步骤包括：

根据Ka频段下行链路地面天气状况，结合空间通信接收设备对噪声温度的要求，选择噪声温度阈值；

根据所选择的噪声温度阈值，将Ka频段原有AWGN信道分成好和坏两种状态；

结合有限状态马尔科夫链，建模为两状态GE信道；

其中，空间通信下行Ka频段好状态信息速率为R_g、坏状态信息速率为R_b，一步转移概率矩阵

信道参数满足：

当R_b/R_g＜λ₀时，不需要考虑延迟CSI，最优策略为积极策略；

当R_b/R_g＞λ₁时，不需要考虑延迟CSI，最优策略为保守策略；

当λ₀≤R_b/R_g≤λ₁时，考虑延迟CSI，S_n-1＝g时，最优策略为积极策略，S_n-1＝b时，最优策略为保守策略；

式中：Pr(g|g)＝λ₁表示前一时刻信道状态为好状态，下一时刻保持好状态的概率为λ₁，Pr(g|b)＝λ₀表示前一时刻信道状态为坏状态，下一时刻变成好状态的概率为λ₀，λ₁、λ₀满足1＞λ₁、λ₀＞0，不失一般性，令λ₁大于λ₀；GE信道状态变量为一维马尔可夫链，表示为S＝{S₁,S₂,...,S_n}，对应的时间窗口序列表示为W＝{w₁,w₂,...,w_n}。

2.根据权利要求1所述的Ka频段下行链路的数据传输方法，其特征在于，所述给定空间通信条件下是否需要感知策略的判断条件为：给定空间通信条件下，最优传输策略的关键阈值。

3.根据权利要求2所述的Ka频段下行链路的数据传输方法，其特征在于，所述Ka频段下行链路包括单条下行链路；所述选择基于所述判断条件的自适应传输策略进行数据传输的步骤包括：

选择基于所述关键阈值的点对点下行链路的最优传输策略，并推导对应的最大期望吞吐量，以选择的传输策略进行单条链路的数据传输。

4.根据权利要求2所述的Ka频段下行链路的数据传输方法，其特征在于，所述Ka频段下行链路包括至少两条相互独立的下行链路，所述选择基于所述判断条件的自适应传输策略进行数据传输的步骤包括：

基于不同链路延迟CSI进行链路选择，对被选择链路进行传输策略选择。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的Ka频段下行链路的数据传输方法，其特征在于，所述Ka频段下行链路的数据传输方法还包括：

在不同信道条件下，对选择的所述自适应数据传输策略进行仿真验证。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的Ka频段下行链路的数据传输方法，其特征在于，所述自适应传输策略包括：保守策略、积极策略和感知策略。

7.根据权利要求6所述的Ka频段下行链路的数据传输方法，其特征在于，

所述保守策略为：当信道状态较大可能为坏状态时，数据编码时加入预定的冗余；

所述积极策略为：当信道状态较大可能为好状态时，数据编码时采用超过预设值的信息速率；

所述感知策略为：近地面空间通信时，链路距离短、数据传输往返时延小，发送端以一定的代价感知下一时间窗内信道的准确状态，然后选择相应的传输策略进行数据传输。

8.根据权利要求7所述的Ka频段下行链路的数据传输方法，其特征在于，感知代价为感知信道真实状态所用时间与整个时间窗的比值。

9.一种Ka频段下行链路的数据传输系统，其特征在于，包括：Ka频段下行链路的数据传输程序，所述Ka频段下行链路的数据传输程序配置为由处理器调用时，执行如权利要求1-8中任一项所述的方法的步骤。

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