CN108736956B - 一种基于球面数字相控阵系统的海洋卫星通信组网方法 - Google Patents

一种基于球面数字相控阵系统的海洋卫星通信组网方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于球面数字相控阵系统的海洋卫星通信组网方法，该方法首先构建海基组网，选择合适的节点作为簇首，使得该网络能利用更多低轨卫星资源，然后建立海基终端‑卫星通信链路，当工作在同一工作频段时，计算最优卫星数目；不完全工作在同一工作频段时，一种是遵循相同工作频率时的方式进行建立，另一种从资源均等角度出发，使所有卫星均能同步进行通信，且存在复用阵元，并给出一个网络中适合的复用阵元数求解方法；最后，构建基于球面数字相控阵系统的海洋卫星通信系统模型。本发明的海洋卫星组网方法充分利用资源，能够保证所有通信链路均满足所有类型业务需求，该方法对未来海洋卫星通信发展具有重大意义。

Description

一种基于球面数字相控阵系统的海洋卫星通信组网方法
技术领域
本发明涉及海洋通信领域，具体涉及一种基于球面数字相控阵系统的海洋卫星通信组网方法。
背景技术
2016年，我国提出了“智慧海洋”的战略，需要将分布在不同平台上的各种资源数据连通协同，才能实现真正的智慧化。然而同步轨道资源有限，目前海上通信仍然以2G语音通信为主，不能满足日益增长的海洋通信带宽需求。随着技术发展，大规模发射低轨卫星成为可能，海洋通信产业发展有了契机。因此，全球的传统海洋强国都积极投身到低轨卫星发展浪潮中，如DAPAR的战略技术办公室于2017年12月发布了“海上物联网”的跨部门研究项目；我国的航天科工集团有限公司提出“虹云工程”，计划于2025年发射156颗小卫星提供覆盖全球的Internet服务。现有典型的低轨卫星系统，如铱星和全球星系统，能够实现全球覆盖，且能使某些区域同时被至少两颗卫星覆盖。考虑未来低轨卫星数目增多，分布更为密集，某区域同时与多颗低轨卫星实现通信成为可能。与此同时，集成电路集成系统的迅猛进步掀起了基于低轨道移动卫星通信发展的第二次浪潮，以多波束形成技术为核心的集成相控阵技术将以其高集成度和低成本驱动移动卫星通信的发展和广泛应用。如何很好得基于现有技术利用更多可用卫星资源是一个问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种基于球面数字相控阵系统的海洋卫星通信组网方法，具体技术方案如下：
一种基于球面数字相控阵系统的海洋卫星通信组网方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1：构建海基组网；
将海上一定范围内所有船只舰队节点组成一个簇结构的海基网络，在位于较多颗低轨卫星覆盖范围内的某一船只上搭载球面数字相控阵系统，作为该海基网络簇首，其他船只节点只能通过该节点与低轨卫星进行通信；
S2：建立海基终端-卫星通信链路，共分为两种情况：
(1)当所有卫星工作频段都相同时，需要在增加同步通信卫星数目时保障网络流通量不随信道数增加而减少；链路建立通过分配给卫星通信一定的阵元总数进而求解最优链路数目，即求解卫星数目；具体实现如下：
(1.1)计算任意一条信道的网络流通量qi＝l×log2pi，其中，单个波束功率pi＝vi·ki·pmax，ki为合成该波束所需阵元数，vi为包含合成波束损耗以及扫描角造成的增益损耗，pmax为单个阵元最大发射功率，l为常数；
(1.2)求解最优的同步通信卫星数目N，使得卫星-船只通信链路总流通量Q最大，具体的求解方程如下：
maximize
Figure BDA0001622717710000021
subject to qi＝l·log2(vi·ki·pmax)
Figure BDA0001622717710000022
其中，M为分配给卫星通信的阵元数，N为同步通信的卫星数目；
(2)当所有卫星工作频段不完全相同时，通信链路建立方式有两种：
方式一：完全参考所有卫星工作在相同频段时的链路建立方式，即每个阵元同一时刻只收/发一个信号，通过分配给卫星通信一定的阵元总数进而求解最优的同步通信卫星数目；
方式二：将海基终端与能够实现通信的所有卫星建立通信链路，即N为定值，M也为定值，且M>N，通过网络流通量最大化确定最优复用阵元总数；具体实现如下：
(2.1)计算阵元最大输出功率：每个阵元最多同时输出两个不同频率信号，复用的阵元最大输出功率为Px＝Psat-PAR1，无复用的阵元最大输出功率为Py＝Psat-PAR2，其中，PAR1为复用阵元输出信号峰均比，PAR2为无复用阵元输出信号峰均比，且PAR1≥PAR2；
(2.2)计算任意一条信道的网络流通量qi＝l×log2pi，l为常数，pi＝vi·(kix·px+kiy·py)，其中，kix为合成该波束使用复用阵元数目，kiy为合成该波束使用无复用阵元数目，
Figure BDA0001622717710000023
(2.3)求解最优复用阵元总数Mx：最优复用阵元总数
Figure BDA0001622717710000024
同时使卫星-船只通信链路总流通量Q最大，此时最优复用阵元总数Mx可通过下述方程进行求解：
maximize
Figure BDA0001622717710000031
subject to qi＝l·log2pi
Figure BDA0001622717710000032
S3：构建基于球面数字相控阵系统的海洋卫星通信系统模型；
通过S2确定的同步通信卫星数目，确定整个海基网络通过海基终端相控阵系统形成指向卫星的波束数目，进而形成由海基网络和低轨卫星节点组成的海洋卫星通信系统模型，实现海基组网与多颗低轨卫星通信，传输数据。
进一步地，在S2建立海基终端-卫星通信链路后，可对每条链路阵元数目进行合理分配，使得所有通信链路均满足所有类型的业务需求，设给通信链路质量最差的卫星分配的阵元数为k1；以此类推，每条链路的阵元的分配可表示成：kmin≤kN≤…≤k1≤kmax。
进一步地，为了充分利用资源，可对分配给卫星通信的阵元总数M进行优化，使得所有通信链路均满足所有类型业务需求，具体为：当计算得到任意一条信道的最大网络流通量后，与该链路的最大业务需求量进行对比，若最大网络流通量低于最大业务需求量，则增加阵元数目；若最大网络流通量高于最大业务需求量，则减少阵元数目。
本发明的有益效果：首先利用球面数字相控阵系统，使得海上通信节点能够有效利用未来高覆盖率的低轨卫星资源；其次，通过分析信道数目与网络流通量间关系进而确定构成一个网络的最优卫星数目；此外，考虑某些通信链路质量较差，提出通过合理分配阵元资源保障所有通信链路均满足所有类型业务需求。
附图说明
图1是基于球面数字相控阵系统的海洋卫星通信组网模型示意图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，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。
一种基于球面数字相控阵系统的海洋卫星通信组网方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1：构建海基组网；
将海上一定范围内所有船只舰队节点组成一个簇结构的海基网络，在位于较多颗低轨卫星覆盖范围内的某一船只上搭载球面数字相控阵系统，作为该海基网络簇首，其他船只节点只能通过该节点与低轨卫星进行通信；
S2：建立海基终端-卫星通信链路，共分为两种情况：
(1)当所有卫星工作频段都相同时，首先分析可建立的通信链路数目与网络流通量间关系：当分配给卫星链路的总阵元数一定，卫星数目越多，意味着信道数越多，空间信道资源复用率越高，但(因形成波束的平均阵元数目减少)波束分辨率则越低，指向性越差，单个波束的功率效率越小，信道容量越小；因此，需要在增加同步通信卫星数目时保障网络流通量不随信道数增加而减少；链路建立通过分配给卫星通信一定的阵元总数进而求解最优链路数目，即求解卫星数目；具体实现如下：
(1.1)计算任意一条信道的网络流通量qi＝l×log2pi，其中，单个波束功率pi＝vi·ki·pmax，ki为合成该波束所需阵元数，vi为包含合成波束损耗以及扫描角造成的增益损耗，pmax为单个阵元最大发射功率，l为常数；
这里的网络流通量qi的计算公式是通过如下过程得到的：
由香农公式C＝B·log2(1+pr/pn)得，当带宽B一定，噪声功率pn变化不明显时，信道传输速率C由接收信号功率pr决定，又由空间自由损耗pr＝pt·d-α得，接收功率pr是发射功率pt与传输距离d的函数，α为自由空间传输损耗系数，因此任意一条信道的流通量可表示成：qi≈l×log2pi，l为常数；
(1.2)求解最优的同步通信卫星数目N，使得卫星-船只通信链路总流通量Q最大，具体的求解方程如下：
maximize
Figure BDA0001622717710000041
subject to qi＝l·log2(vi·ki·pmax)
Figure BDA0001622717710000042
其中，M为分配给卫星通信的阵元数，N为同步通信的卫星数目；
(2)当所有卫星工作频段不完全相同时，通信链路建立方式有两种：
方式一：完全参考所有卫星工作在相同频段时的链路建立方式，即每个阵元同一时刻只收/发一个信号，通过分配给卫星通信一定的阵元总数进而求解最优的同步通信卫星数目；
方式二：将海基终端与能够实现通信的所有卫星建立通信链路，即N为定值，M也为定值，且M>N，通过网络流通量最大化确定最优复用阵元总数；具体实现如下：
(2.1)计算阵元最大输出功率：每个阵元最多同时输出两个不同频率信号，复用的阵元最大输出功率为Px＝Psat-PAR1，无复用的阵元最大输出功率为Py＝Psat-PAR2，其中，PAR1为复用阵元输出信号峰均比，PAR2为无复用阵元输出信号峰均比，且PAR1≥PAR2；
(2.2)计算任意一条信道的网络流通量qi＝l×log2pi，l为常数，pi＝vi·(kix·px+kiy·py)，其中，kix为合成该波束使用复用阵元数目，kiy为合成该波束使用无复用阵元数目，
Figure BDA0001622717710000051
(2.3)求解最优复用阵元总数Mx：最优复用阵元总数
Figure BDA0001622717710000052
同时使卫星-船只通信链路总流通量Q最大，此时最优复用阵元总数Mx可通过下述方程进行求解：
maximize
Figure BDA0001622717710000053
subject to qi＝l·log2pi
Figure BDA0001622717710000054
S3：构建基于球面数字相控阵系统的海洋卫星通信系统模型；
通过S2确定的同步通信卫星数目，确定整个海基网络通过海基终端相控阵系统形成指向卫星的波束数目，进而形成由海基网络和低轨卫星节点组成的海洋卫星通信系统模型，如图1所示，实现海基组网与多颗低轨卫星通信，传输数据。
优选地，在S2建立海基终端-卫星通信链路后，可对每条链路阵元数目进行合理分配，使得所有通信链路均满足所有类型的业务需求，设给通信链路质量最差的卫星分配的阵元数为k1；以此类推，每条链路的阵元的分配可表示成：kmin≤kN≤…≤k1≤kmax。
优选地，为了充分利用资源，可对分配给卫星通信的阵元总数M进行优化，使得所有通信链路均满足所有类型业务需求，具体为：当计算得到任意一条信道的最大网络流通量后，与该链路的最大业务需求量进行对比，若最大网络流通量低于最大业务需求量，则增加阵元数目；若最大网络流通量高于最大业务需求量，则减少阵元数目。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于球面数字相控阵系统的海洋卫星通信组网方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1：构建海基组网；
将海上一定范围内所有船只舰队节点组成一个簇结构的海基网络，在位于较多颗低轨卫星覆盖范围内的某一船只上搭载球面数字相控阵系统，作为该海基网络簇首，其他船只节点只能通过该节点与低轨卫星进行通信；
S2：建立海基终端-卫星通信链路，共分为两种情况：
(1)当所有卫星工作频段都相同时，需要在增加同步通信卫星数目时保障网络流通量不随信道数增加而减少；链路建立通过分配给卫星通信一定的阵元总数进而求解最优链路数目，即求解卫星数目；具体实现如下：
(1.1)计算任意一条信道的网络流通量qi＝l×log2pi，其中，单个波束功率pi＝vi·ki·pmax，ki为合成该波束所需阵元数，vi为包含合成波束损耗以及扫描角造成的增益损耗，pmax为单个阵元最大发射功率，l为常数；
(1.2)求解最优的同步通信卫星数目N，使得卫星-船只通信链路总流通量Q最大，具体的求解方程如下：
Figure FDA0001622717700000011
subject to qi＝l·log2(vi·ki·pmax)
Figure FDA0001622717700000012
其中，M为分配给卫星通信的阵元数，N为同步通信的卫星数目；
(2)当所有卫星工作频段不完全相同时，通信链路建立方式有两种：
方式一：完全参考所有卫星工作在相同频段时的链路建立方式，即每个阵元同一时刻只收/发一个信号，通过分配给卫星通信一定的阵元总数进而求解最优的同步通信卫星数目；
方式二：将海基终端与能够实现通信的所有卫星建立通信链路，即N为定值，M也为定值，且M>N，通过网络流通量最大化确定最优复用阵元总数；具体实现如下：
(2.1)计算阵元最大输出功率：每个阵元最多同时输出两个不同频率信号，复用的阵元最大输出功率为Px＝Psat-PAR1，无复用的阵元最大输出功率为Py＝Psat-PAR2，其中，PAR1为复用阵元输出信号峰均比，PAR2为无复用阵元输出信号峰均比，且PAR1≥PAR2；
(2.2)计算任意一条信道的网络流通量qi＝l×log2pi，l为常数，pi＝vi·(kix·px+kiy·py)，其中，kix为合成该波束使用复用阵元数目，kiy为合成该波束使用无复用阵元数目，
Figure FDA0001622717700000021
(2.3)求解最优复用阵元总数Mx：最优复用阵元总数
Figure FDA0001622717700000022
同时使卫星-船只通信链路总流通量Q最大，此时最优复用阵元总数Mx可通过下述方程进行求解：
Figure FDA0001622717700000023
subject to qi＝l·log2pi
Figure FDA0001622717700000024
S3：构建基于球面数字相控阵系统的海洋卫星通信系统模型；
通过S2确定的同步通信卫星数目，确定整个海基网络通过海基终端相控阵系统形成指向卫星的波束数目，进而形成由海基网络和低轨卫星节点组成的海洋卫星通信系统模型，实现海基组网与多颗低轨卫星通信，传输数据。
2.根据权利要求1所述的基于球面数字相控阵系统的海洋卫星通信组网方法，其特征在于：
在S2建立海基终端-卫星通信链路后，可对每条链路阵元数目进行合理分配，使得所有通信链路均满足所有类型的业务需求，设给通信链路质量最差的卫星分配的阵元数为k1；以此类推，每条链路的阵元的分配可表示成：kmin≤kN≤…≤k1≤kmax。
3.根据权利要求1所述的基于球面数字相控阵系统的海洋卫星通信组网方法，其特征在于：为了充分利用资源，可对分配给卫星通信的阵元总数M进行优化，使得所有通信链路均满足所有类型业务需求，具体为：当计算得到任意一条信道的最大网络流通量后，与该链路的最大业务需求量进行对比，若最大网络流通量低于最大业务需求量，则增加阵元数目；若最大网络流通量高于最大业务需求量，则减少阵元数目。
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