CN109995420B - 一种卫星间空间通信系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种卫星间空间通信系统，该系统被配置为：基于对至少一个有效星间链路的信道质量进行统计，将生成的关于该有效星间链路的预定信道条件的概率分布放入集合X内，基于由通信系统接收到的当前传输数据包确定预定传输条件并将其放入集合Y内；通过对通信系统预先存储的多个编码调制方案即集合Z，结合预定信道条件和预定传输条件运行影响特征分析，确定最优有效星间链路和最优编码调制方案以及备选有效星间链路和备选编码调制方案，在该节点处根据已定的维护队列长度大小的队列管理策略确定以最优编码调制方案和备选有效编码调制方案之一的编码调制方式，通过最优有效星间链路和备选有效星间链路之一的星间链路建立数据传输。

Description

一种卫星间空间通信系统及方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种卫星间空间通信系统及方法。
背景技术
目前，地面移动通信基础设施已经能为陆地主要区域提供良好的移动通信服务，但在海上、空中、陆地偏远或极端区域，尤其是在应急和面对重大自然灾害的抢险救灾，以及军事应用等特殊条件下，卫星移动通信系统(MSS)仍是唯一可靠的选择。卫星移动通信系统利用高、低不同轨道移动通信卫星可以向用户提供区域乃至全球范围的话音、数据、短信等移动通信服务；卫星移动通信具有覆盖范围大、作用距离远、组网灵活、通信费用基本与距离无关、不受地面现有设备的限制、受地形地物影响小等突出优点。作为一种面向移动通信的卫星通信系统，卫星移动通信的主要市场包括海上用户、航空用户和陆地用户。为海上用户提供高速数据、船员通信和船务管理等业务；为航空用户提供前舱通信、轨迹监控、安全服务和高速数据等业务；为陆地用户提供应急救援、灾难救助、旅游探险和采矿勘探等相关活动的通信。特别是卫星移动通信系统的M2M应用可以提供车、船队管理，集装箱监控、油气监控和气象数据采集有关的业务；政府应用可以提供譬如培训和日常行动、军方通信、无人值守数据、后勤保障等方面的通信和数据业务。
根据卫星运行轨道不同可以把全球主要卫星移动通信系统分为同步轨道卫星移动通信系统(高轨卫星移动通信系统)和非同步轨道卫星移动通信系统(主要是低轨卫星移动通信系统)。其中同步轨道卫星移动通信系统的代表是海事系统和Thuraya系统等，非同步轨道卫星移动通信系统的代表是铱星、全球星和Orbcomm系统等。我国有各类卫星移动通信用户约8万户，主要是应急通信用户、海上用户和村通用户。在应急通信方面，卫星移动通信系统发挥着巨大作用，为紧急情况下的通信提供了很好的保障，并为我国经济民生做出了很大贡献。
移动通信卫星技术的关键技术主要集中在多波束形成技术、星上处理交换技术等方面，对于其中的星间链路技术：星间链路是指用于卫星之间通信的链路，又被称为星际链路或交叉链路(Crosslink)。通过星间链路可以实现卫星之间的信息传输和交换。通过星间链路将多颗卫星互联在一起，形成一个以卫星作为交换节点的空间通信网络。该项技术对于大型低轨道卫星系统而言，由于其信息覆盖面较小，需要借助星间链路技术实现地面对卫星的有效控制，以及移动用户之间的信息互联。现阶段，星间链路技术主要可以分为微波通信以及激光通信两种实现方式。目前主要常用微波通信技术，该技术的缺点在于受频带宽度、重量、体积、价格以及功耗等方面的影响，无法实现卫星移动通信系统的高效实用，而激光通信方式则具有明显的优势，其超宽的频谱带宽可以有效提升卫星通信的潜在容量并且降低卫星载荷体积和重量，在提升信息保密性的同时还能减小信息传输的延时性。
星间链路是指卫星之间建立的通信链路，也称为星际链路或交叉链路。通过星间链路实现卫星之间的信息传输和交换，多颗卫星可以互联在一起，成为一个以卫星作为交换节点的空间通信网络，降低卫星通信系统对地面网络的依赖。凭借星间链路的优势，通信系统可以减少地面信关站的设置数量、扩大覆盖区域、实现全球测控等，而且信号在星间链路传输时可有效避免大气和降雨导致的衰减，形成相对独立的通信星座系统或数据中继系统。
编码效率和调制指数的大小是所有无线制式中影响数据承载速率大小的最关键的因素。编码效率高、调制指数大，自然数据传送速率就高。但问题的关键是编码和调制这些都和无线环境的优劣、接收信号质量的高低有很大的关系，当然也和接收机的接收性能有较大的关系。HSDPA实现了根据无线信号质量动态调整编码效率和调制指数的功能，进而大幅提高了HSDPA的吞吐量。比如说CQI值低于10，表明信道条件较差，弱者只好多保护一下，采用冗余度较高的1/3编码方式，较低阶的调制方式QPSK，对应的就是比较低的数据速率；CQI值大于20，表明信道条件较好，能者多劳，采用较少冗余的3/4编码方式，较高阶的调制方式16QAM，对应的就是相对较高的数据速率。线信道中的干扰和衰落都是时变的，而通过动态调整前向、反向发射功率，维持接收端一定的信噪比，可以保证链路的传输质量。当信道质量较差时，增加发射功率，当信道质量较好时，降低发射功率，从而保证了恒定的传输速率。采用功率控制可以很好地避免用户间的干扰。但是功率资源并不是无限的，基站总的发射功率是一定的，为了充分利用所有的功率，采用的就是AMC技术。AMC是一种速率控制技术。在保证发射功率恒定的情况下，通过调整无线链路传输的调制方式与编码速率，来确保链路的传输质量。当信道质量较差时，选择较小的调制方式与编码速率，当信道质量较好时，选择较大的调制方式，从而最大化了传输速率。
中国专利(公开号为CN101860417A)公开了决定调制及编码方案的方法包含下列步骤：以不同的调制及编码方案发送信号，并根据所述发送信号的接收质量调整各调制及编码方案的权重；根据调制及编码方案的建议值调整所述调制及编码方案的权重；以及根据所述调制及编码方案的权重决定调制及编码方案。
中国专利(公开号为CN107508659A)公开了一种面向卫星导航系统星间链路数传的自适应编码调制方法，通过星间距离测算器测算星座中任意两颗卫星之间的距离，估算接收端接收信号的信噪比，编码调制方案选择器基于目标误码率算法和吞吐量与带宽之比算法选择相应的LDPC—CPM方案并通过导频发送到接收机，数据信号经过LDPC码编码器、随机交织器以及CPM调制器生成已调信号发送至加性高斯白噪声信道，通过编码调制方案估算器对导频信号进行分析，叠加加性高斯白噪声信道噪声的数据信号经过CPM解调器、解交织器、LDPC译码器以及随机交织器进行迭代检测，由LDPC译码器作硬判决输出数据。该专利提供的自适应编码调制方法可有效提高星间自适应编码调制系统的可靠性和有效性。
该专利所提供的自适应编码调制方法基于LDPC码和CPM调制设计了五种不同参数的编码调制方案，构成了基于CPM调制的编码调制方案库，编码调制方案选择器基于目标误码率算法和吞吐量与带宽之比(Throughput/B)算法选择相应的LDPC—CPM方案。但由于该专利所提供的的编码调制方法并未考虑到不同业务对于编码调制以及星间链路建立的时延敏感性不一致，仅仅基于局部因素信噪比来统笼统地确定对所有业务的编码调制方式，未从整体通信网络的角度考虑最优星间链路路径，会导致传输信息质量损失或是传输信息通信延迟。
中国专利(公开号为CN102571202A)公开了一种在复杂天气状况下的激光通信链路损耗计算方法，包括以下步骤：建立简化的激光信号传输模型；建立各种天气条件下的衰减模型；建立功率损耗模型；建立信噪比SNR模型；建立误码率模型；计算功率损耗数值分析结果；计算信噪比数值分析结果；计算误码率数值分析结果；制作数据表；功率余量比较。本发明运用了包括传输模型、衰减系数、功率损耗、信噪比以及误码率等一系列模型，充分利用衰减系数这一相关联的参数分别将功率损耗、信噪比、误码率与传输模型系统地结合起来，引入气象学定义划分后的典型天气状况，实现了在具体天气条件下对激光通信的功率、信噪比、误码率等的损耗进行定量分析，乃至直观地判断链路是否畅通的目的。
该专利提出的激光通信链路损耗计算方法通过结合考虑到天气状况的方式来确定是否能够建立激光通信链路，对于星地链路激光通信系统的运行来说不可避免地要受到湍流大气等随机介质的影响，然而该专利所提供的建立激光通信链路方式并不适用于星间链路激光通信系统，由于星间链路激光通信系统一般不经过大气层，而是在大气层外编制构成星间通信网络，几乎不受大气衰减以及各种气候因素影响。
发明内容
针对现有技术之不足，本发明提供一种卫星间空间通信系统，该系统被配置为：通过对第一卫星根据接收到的卫星星历信息获得第一卫星与其他任意一颗卫星之间在每一采样时刻t推测的两星间在未来时段L内的相对位置轨迹关系，由此确定可与所述第一卫星建立有效星间链路的至少一个其他卫星以及至少一个有效星间链路；基于对至少一个所述有效星间链路的信道质量进行统计，将生成的关于该有效星间链路的预定信道条件的概率分布放入集合X内，并基于由通信系统接收到的当前传输数据包确定所述预定传输条件并将其放入集合Y内；通过对所述通信系统预先存储的多个编码调制方案即集合Z，结合所述预定信道条件和所述预定传输条件运行影响特征分析，确定包含最优有效星间链路和最优编码调制方案的Pbest＝XrYsZt以及包含备选有效星间链路和备选编码调制方案的Palter＝XiYjZk，在该节点处根据已定的维护队列长度大小的队列管理策略确定以最优编码调制方案和备选有效编码调制方案之一的编码调制方式，通过最优有效星间链路和备选有效星间链路之一的星间链路建立数据传输。
根据一种优选实施方式，当所述当前传输数据包确定的星间链路发生故障或目标节点无效时，由当前节点通过所述通信系统向中继节点传输故障信息或目标节点无效信息代入代价模型中，获取更新的最优有效星间链路和更新的最优编码调制方案，根据获取到的更新的最优有效星间链路和最优编码调制方案动态重置或部分重置编码调制方式或数据传输链路。
根据一种优选实施方式，所述代价模型即为通过所述通信系统已有的运行数据和/或故障信息和/或目标节点无效信息，基于至少一个影响特征对其进行数据分析并输出分析结果，在所述分析结果与预定传输条件之间不能够建立局域性约束关联关系的情况下，对所述预定信道条件的代价权重系数进行更新并重新确定最优有效星间链路和最优编码调制方案以及备选有效星间链路和备选编码调制方案；在所述分析结果与传输结果之间能够建立局域性约束关联关系的情况下，保持已定的所述预定信道条件的代价权重系数并基于当前节点下，重新确定最优有效星间链路和最优编码调制方案以及备选有效星间链路和备选编码调制方案。
根据一种优选实施方式，所述多个编码方案至少包括Reed-Solomon(RS)编码、卷积码(CC)编码、Golay编码、Hamming编码或Bose，Ray-Chaudhuri，Hocquenghem(BCH)编码中的一个或多个，所述多个调制方案至少包括二进制相移键控(BPSK)映射、正交相移键控(QPSK)映射、8移相键控(8PSK)映射、16正交幅度调制(QAM)映射、64正交幅度调制(QAM)映射或256正交幅度调制(QAM)映射中的一个或多个。
根据一种优选实施方式，所述队列管理策略至少包括以下步骤：获取待分配的多个业务数据量并依据预定传输条件判断当前待分配业务的业务类型，所述业务类型至少包括以下之一或者任意组合：HTTP(Hyper Text Transfer Protocol，超文本传输协议)业务、P2P(Peer to Peer，点对点)业务、即时通讯业务、路由网管信息业务以及其它类型的业务，或根据预定传输条件将所述业务类型确定为按照重要程度从大到小依次排序的至少四个业务类型；遍历可分配的有效星间链路并依据预定信道条件判断当前有效星间链路的可用度，所述预定信道条件是根据对所述有效星间链路的时延、丢包率、节点所处的地理位置、两端之间的跳数以及星间链路的拥塞情况依次进行加权判断，确定不同业务类型重要程度层级之内的按照优先级从大到小依次排序的至少一个有效星间链路。
根据一种优选实施方式，所述队列管理策略还包括以下步骤：对多个编码方案与多个调制方案之间进行任意组合得到多个编码调制方案并对所述当前业务类型通过当前有效星间链路进行分配的情况分别判定多个编码调制方案下对应的不同影响特征的方案预估参数，在得到的方案预估参数满足所述当前传输数据包对应的目的参数时，确定最优编码调制方案和备选有效编码调制方案之一的编码调制方式，以及最优有效星间链路和备选有效星间链路之一的星间链路为所述当前传输数据包建立数据连接。
根据一种优选实施方式，基于所述当前传输数据包对应的目的参数预先设置所述当前传输数据包的预设等待时长，对于属于第一类业务类型的当前传输数据包，在其第一队列等待时长超出预设等待时长的情况下对该当前传输数据包进行置顶排列；
对于不属于第一类业务类型的当前传输数据包，在其第二队列等待时长超出所述预设等待时长且该节点队列已满的情况下，对当前传输数据包进行丢包处理，或，在其第二队列等待时长超出所述预设等待时长且其被降序次数超出预设降序阈值时，对当前传输数据包进行置顶排列。
一种卫星间空间通信的方法，该方法至少包括以下步骤：通过对第一卫星根据接收到的卫星星历信息获得第一卫星与其他任意一颗卫星之间在每一采样时刻t推测的两星间在未来时段L内的相对位置轨迹关系，由此确定可与所述第一卫星建立有效星间链路的至少一个其他卫星以及至少一个有效星间链路；
基于对至少一个所述有效星间链路的信道质量进行统计，将生成的关于该有效星间链路的预定信道条件的概率分布放入集合X’内，即X’为{X’1，X’2，X’3......X’i}，并基于由通信系统接收到的当前传输数据包确定所述预定传输条件并将其放入集合Y内，即集合Y为{Y1，Y2，Y3......Yj}；
通过对所述通信系统预先存储的多个编码调制方案结合所述预定信道条件和所述预定传输条件运行影响特征分析，确定最优有效星间链路和最优编码调制方案以及备选有效星间链路和备选编码调制方案，在该节点处根据已定的维护队列长度大小的队列管理策略确定以最优编码调制方案和备选有效编码调制方案之一的编码调制方式，通过最优有效星间链路和备选有效星间链路之一的星间链路建立数据传输。
根据一种优选实施方式，该方法还包括以下步骤：当所述当前传输数据包确定的星间链路发生故障或目标节点无效时，由当前节点通过所述通信系统向中继节点传输故障信息或目标节点无效信息代入代价模型中，获取更新的最优有效星间链路和更新的最优编码调制方案，根据获取到的更新的最优有效星间链路和最优编码调制方案动态重置或部分重置编码调制方式或数据传输链路。
根据一种优选实施方式，所述代价模型即为通过所述通信系统已有的运行数据和/或故障信息和/或目标节点无效信息，基于至少一个影响特征对其进行数据分析并输出分析结果，在所述分析结果与预定传输条件之间不能够建立局域性约束关联关系的情况下，对所述预定信道条件的代价权重系数进行更新并重新确定最优有效星间链路和最优编码调制方案以及备选有效星间链路和备选编码调制方案；
在所述分析结果与传输结果之间能够建立局域性约束关联关系的情况下，保持已定的所述预定信道条件的代价权重系数并基于当前节点下，重新确定最优有效星间链路和最优编码调制方案以及备选有效星间链路和备选编码调制方案。
本发明的有益技术效果包括以下一项或多项：
(1)本发明主要通过分析星间链路通信环境以及发起终端发起的业务类型等，来确定最优有效星间链路并在此基础上得到星间链路建立过程中的队列管理策略，通过设置所述备选有效星间链路为在最优有效星间链路对应的目标节点为堵塞状态或故障状态或无效状态下时，能够立即以备选有效星间链路更替为最优有效星间链路，避免还需要占用当前节点所在卫星的部分运算能力来为当前传输数据包计算新的有效星间链路以及新的有效编码调制方案，即为提高了整个通信网络的传输信息质量的准确性和及时性。
同时本发明通过对业务类型的判定以及星间链路的信道质量实时地调整传输策略的这种方式，可使用稳定程度更高的调制方案保护重要程度较高的待传输数据，使用稳定程度一般的方案保护重要程度较低的待传输数据，通过设置队列管理策略能够最大限度地同时满足多种业务类型对应的不同业务通信质量的不同要求，从而在在降低整体通信网络系统中个各节点的处理负荷影响的同时最大限度地满足不同业务要求。
(2)本发明通过设置优化的队列管理策略能够避免当前传输数据包持续地被降序处理，尤其对于为非延时敏感业务类型的传输数据，即使其为非延时敏感，但其分配等待时间过长也会严重影响其传输速率，因此本发明通过设置预设降序阈值，不仅能够有效地对不同业务类型的按照重要程度依次地传输，同时为较低重要度的业务类型提供最大限度的处理速率。
附图说明
图1是本发明提供的通信系统的一种优选实施方式的简化结构连接示意图。
附图标记列表
101：发起终端 102：发起终端接入卫星
103：地面站 104：目标终端接入卫星
105：目标终端 106：星间激光通信终端
107：星地激光通信终端
具体实施方式
下面结合附图进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，为了便于理解，在可能的情况下，使用相同附图标记来表示各附图中共同的相似元件。
如在整篇本申请中所使用的那样，词语“可以”系容许含义(即，意味着有可能的)而不是强制性含义(即，意味着必须的)。类似地，词语“包括”意味着包括但不限于。
短语“至少一个”、“一个或多个”以及“和/或”系开放式表达，它们涵盖操作中的关联与分离两者。例如，表述“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或更多个”、“A、B或C”和“A、B和/或C”中的每个分别指单独A、单独B、单独C、A和B一起、A和C一起、B和C一起或A、B和C一起。
术语“一种”或“一个”实体指的是该实体中的一个或多个。这样，术语“一”(或“一”)、“一个或多个”以及“至少一个”在本文中可以交换地使用。还应该注意，术语“包括”、“包含”和“具有”可以交换地使用。
本实施例公开了一种卫星间空间通信方法，也可以是一种卫星激光通信方法，也可以是一种用于飞行器和卫星通信的通信方法。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。
一种卫星间空间通信方法，该方法至少包括以下步骤：通过对第一卫星根据接收到的卫星星历信息，获得第一卫星与其他任意一颗卫星之间在每一采样时刻t推测的两星间在未来时段L内的相对位置轨迹关系。其中，所述卫星星历信息又称为卫星轨道数据，以开普勒定律的六个轨道参数之间的关系，能够较高精度地确定卫星的时间、坐标、方位、速度等参数，以此能够利用所述卫星星历信息来精确计算、预测、描绘、跟踪卫星、飞行时间、位置或速度等运行状态。优选地，通过卫星星历信息获得两颗卫星之间的相对位置轨迹关系。通过无线电测距的方法获取两个卫星之间的星间距离观测量。由于卫星的运行具有周期性，网络拓扑结构的变化也是周期的，因而卫星网络具有可预知性，因此能够对将要建立的卫星链路进行预测。确定可与所述第一卫星建立有效星间链路的至少一个其他卫星。所述有效星间链路即为能够与第一卫星相互建立网络拓扑结构的单层卫星网络或双层卫星网络。通过推测两星间在未来时段L内的相对位置轨迹关系，能够确定在未来时段L内包括所述第一卫星的至少一个星间链路的有效连接。
基于对至少一个所述有效星间链路的信道质量进行统计。优选的，所述信道质量至少包括星间链路接收机的接收功率参数、传播信号的载噪比参数、传播信号的误码率参数、传播信号的多普勒频移参数、星间链路系统门限参数等决定所述有效星间链路的信道质量。将生成的关于该有效星间链路的预定信道条件的概率分布放入集合X’内。即集合X’为{X’1，X’2，X’3......X’i}。对于每一个有效星间链路分别具有各自对应的预定信道条件Xi，所述预定信道条件是根据对所述有效星间链路的时延、丢包率、节点所处的地理位置、两端之间的跳数以及星间链路的拥塞情况依次进行加权判断，确定不同业务类型重要程度层级之内的按照优先级从大到小依次排序的至少一个有效星间链路。并基于由通信系统接收到的当前传输数据包确定所述预定传输条件并将其放入集合Y内。即集合Y为{Y1，Y2，Y3...Ys...Yj}。通过对所述通信系统预先存储的多个编码调制方案结合所述预定信道条件和所述预定传输条件运行影响特征分析。多个编码调制方案即集合Z为{Z1，Z2，Z3...Zt...Zk}。确定最优有效星间链路和最优编码调制方案，即Pbest＝XrYsZt。确定备选有效星间链路和备选编码调制方案，即Palter＝XiYjZk。在该节点处根据已定的维护队列长度大小的队列管理策略确定以最优编码调制方案为编码调制方式。在该节点处根据已定的维护队列长度大小的队列管理策略确定以备选有效编码调制方案为编码调制方式。在该节点处根据已定的维护队列长度大小的队列管理策略确定以最优编码调制方案和备选有效编码调制方案之一的编码调制方式。确定最优有效星间链路为星间链路并建立数据传输。或确定备选有效星间链路为星间链路并建立数据传输。优选地所述备选有效星间链路是为在最优有效星间链路对应的目标节点为堵塞状态或故障状态或无效状态下时，优选地立即以所述备选有效星间链路更替为最优有效星间链路，避免还需要占用当前节点所在卫星的部分运算能力来为当前传输数据包计算新的有效星间链路以及新的有效编码调制方案，即提高了整个通信网络的传输信息质量的准确性和及时性。
优选地，当所述当前传输数据包确定的星间链路发生故障或目标节点无效时。由当前节点通过所述通信系统向中继节点传输故障信息或目标节点无效信息代入代价模型中。获取更新的最优有效星间链路和更新的最优编码调制方案。根据获取到的更新的最优有效星间链路和最优编码调制方案动态重置或部分重置编码调制方式或数据传输链路。根据获取到的更新的最优有效星间链路和最优编码调制方案动态地部分重置编码调制方式或数据传输链路。即为当所述当前传输数据包确定的星间链路发生故障或目标节点无效时，由当前节点通过所述通信系统向中继节点传输故障信息或目标节点无效信息代入代价模型中，并根据当前节点中剔除故障信息节点和/或无效目标节点后得到的更新的至少一个有效星间链路，结合已选定的编码调制方案代入代价模型进行分析，进而能够获取到更新的最优有效星间链路和更新的最优编码调制方案。优选地，其中更新的最优编码调制方案只是表示与更新后的最优有效星间链路相对应，而实质上编码调制方案并不进行更新而保持原选定的编码调制方案继续进行数据传输，即为动态地重置数据传输链路而保持原选定的编码调制方案。
其中，所述代价模型即为通过所述通信系统已有的运行数据和/或故障信息和/或目标节点无效信息，基于至少一个影响特征对其进行数据分析并输出分析结果。在所述分析结果与预定传输条件之间不能够建立局域性约束关联关系的情况下，对所述预定信道条件的代价权重系数进行更新并重新确定最优有效星间链路和最优编码调制方案以及备选有效星间链路和备选编码调制方案。优选地，该代价模型为Costs,r,t＝Ys—(a*Xr+b*Zt)，即为在当前传输数据包选定某个编码调制方案Zt进行编码调制且将某个预定信道条件Xr作为选定的星间链路后，对所述预定传输条件Ys进行代价预估所得到的最优数据传输代价Costs,r,t。其中最优数据传输代价Costs,r,t低于其他任一编码调制方案和任一预定信道条件进行代价预估所得到的数据传输代价。其中a+b＝1，a为预定信道条件的代价权重系数，b为编码调制方案的代价权重系数。
优选地代价模型为Costi,j,k＝β*Yj—(a*Xi+b*Zk)，即为在当前传输数据包选定某个编码调制方案Zk进行编码调制且将某个预定信道条件Xi作为选定的星间链路后，对期望收敛后的所述预定传输条件Yj进行代价预估所得到的备选数据传输代价Costi,j,k，备选数据传输代价Costi,j,k仅大于最优数据传输代价Costs,r,t。其中a+b＝1，a为预定信道条件的代价权重系数，b为编码调制方案的代价权重系数。其中β为期望收敛系数且β<1，即为通过损失部分与当前传输数据包对应的预定传输条件而收敛对传输结果的期望，β只是用于表示Costi,j,k作为备选数据传输代价仅大于最优数据传输代价Costs,r,t，在选定备选数据传输代价Costi,j,k后即能结合最优数据传输代价Costs,r,t确定期望收敛系数β，进而确定对传输结果的期望的收敛程度大小。期望收敛系数β能够用于在用户接收到该当前传输数据包后展示至用户该当前传输数据包对应的传输质量情况。由此能够选定用于备选的有效星间链路和编码调制方案，在选定了最优有效星间链路和最优编码调制方案Pbest(XrYsZt)进行数据传输，而确定的星间链路发生故障或目标节点无效时，优选地，其中在接收到反馈的是数据丢包信息时，采取既定的备选有效星间链路和备选编码调制方案Palter(XiYjZk)重置Pbest(XrYsZt)并以此进行二次数据传输；其中在反馈目标节点无效时，基于至少一个影响特征对其进行数据分析并输出分析结果。
其中，在某个预定信道条件Xr中具有与时效性要求影响特征相关联的，且至少包含有所述有效星间链路的时延、星间链路的拥塞情况的信道预估参数x1；在某个预定信道条件Xr中具有与可靠性要求影响特征相关联的，且至少包含所述有效星间链路的丢包率的信道预估参数x2；在某个预定信道条件Xr中与安全性要求影响特征相关联的，且至少包含有所述有效星间链路的两端之间的跳数和节点所处的地理位置的信道预估参数x3。即为某个预定信道条件Xr可以为与影响特征的目的参数{y1，y2，y3}一一对应的{x1，x2，x3}。优选地，根据不同业务类型各自的影响特征{y1，y2，y3}的不同，区分不同业务类型重要程度层级，不同层级之内的按照{x1，x2，x3}与{y1，y2，y3}之间的接近程度确定优先级，以此根据该优先级能够对至少一个有效星间链路从大到小依次排序。
其中，在某个编码调制方案Zt中具有与时效性要求影响特征相关联的，且至少包含有所述编码调制方案的计算复杂度的方案预估参数z1；在某个编码调制方案Zt中具有与可靠性要求影响特征相关联的，且至少包含所述编码调制方案的误码率的方案预估参数z2；在某个编码调制方案Zt中与安全性要求影响特征相关联的，且至少包含有所述编码调制方案的加密复杂度的方案预估参数z3。即为某个编码调制方案Zt可以为与影响特征的目的参数{y1，y2，y3}一一对应的{z1，z2，z3}。优选地，根据各个预定信道条件Xr的信噪比不同，可以得到不同的预定信道条件Xr下与之对应的编码调制方案Zt。由此该代价模型Costs,r,t＝Ys—(a*Xr+b*Zt)，代入行矩阵(y1，y2，y3)、(x1，x2，x3)以及(z1，z2，z3)后，可以转换为Costs,r,t＝(y1，y2，y3)—{a*(x1，x2，x3)+b*(z1，z2，z3)}。优选地，由此代价模型Costi,j,k＝β*Yj—(a*Xi+b*Zk)，代入行矩阵(y1，y2，y3)、(x1，x2，x3)以及(z1，z2，z3)后，可以转换为Costi,j,k＝β*(y1，y2，y3)—{a*(x1，x2，x3)+b*(z1，z2，z3)}。以此能够完成基于至少一个影响特征进行数据分析，并输出包含有最优数据传输代价Costs,r,t和/或备选数据传输代价Costi,j,k的分析结果。
优选地，在所述分析结果与预定传输条件之间不能够建立局域性约束关联关系的情况下，对所述预定信道条件的代价权重系数进行更新并重新确定最优有效星间链路和最优编码调制方案以及备选有效星间链路和备选编码调制方案。在所述分析结果与传输结果之间能够建立局域性约束关联关系的情况下，保持已定的所述预定信道条件的代价权重系数并基于当前节点下，重新确定最优有效星间链路和最优编码调制方案以及备选有效星间链路和备选编码调制方案。对所述预定信道条件的代价权重系数进行更新。重新确定最优有效星间链路和最优编码调制方案。重新确定备选有效星间链路和备选编码调制方案。保持已定的所述预定信道条件的代价权重系数。基于当前节点下重新确定最优有效星间链路和最优编码调制方案。重新确定备选有效星间链路和备选编码调制方案。由此能够限定星间链路的使用而避免星间链路任意地建立，通过对影响特征为有效星间链路的代价权重系数的提高，限制第一卫星只与其临近的卫星之间建立有效星间链路，或是通过对其可动波束的转动角度限制来建立有效星间链路，有利于降低整个卫星通信网络的复杂程度由此避免其背景噪声的大幅波动。
其中，判断所述分析结果与预定传输条件之间是否能够建立局域性约束关联关系的情况，即为判断Costs,r,t是否被预定传输条件中预先设置的可接受数据传输代价区间所局部包含。在Costs,r,t是被预定传输条件中预先设置的可接受数据传输代价区间所局部包含的情况下，即为所述分析结果与预定传输条件之间能够建立局域性约束关联关系；在Costs,r,t未被预定传输条件中预先设置的可接受数据传输代价区间所局部包含的情况下，即为所述分析结果与预定传输条件之间不能够建立局域性约束关联关系。其中，所述分析结果与预定传输条件之间不能够建立局域性约束关联关系的情况下，由于当前的代价权重系数已经不再适合数据传输环境变化后的当前传输数据包的预定传输条件，因此通过对所述预定信道条件的代价权重系数进行更新，其中至少包括通过提高预定信道条件的代价权重系数且同步降低编码调制方案的代价权重系数的方式，以在该节点下选出最接近于预定传输条件的有效星间链路进行更新，从而能够以上述方式来限定星间链路的使用而避免星间链路在无约束条件下任意地建立。其中，预定传输条件中预先设置的可接受数据传输代价区间，可以为当前传输数据包的预定传输条件的目的参数{y1，y2，y3}中，均为数值区间而非固定数值的y1、y2、y3，以此能够判断所得Costs,r,t是否被预定传输条件中预先设置的可接受数据传输代价区间所局部包含以及所述分析结果与预定传输条件之间是否能够建立局域性约束关联关系。
优选地所述多个编码方案至少包括Reed-Solomon(RS)编码、卷积码(CC)编码、Golay编码、Hamming编码或Bose，Ray-Chaudhuri，Hocquenghem(BCH)编码中的一个或多个，所述多个调制方案至少包括二进制相移键控(BPSK)映射、正交相移键控(QPSK)映射、8移相键控(8PSK)映射、16正交幅度调制(QAM)映射、64正交幅度调制(QAM)映射或256正交幅度调制(QAM)映射中的一个或多个。其中，正交幅度调制(QAM)映射是通过调制两个载波的幅度来传递数据的调制方案。通常是正弦信号的两个载波彼此偏移90的相位，从而被称为正交载波。在QAM前的数字16或64表示映射器能够映射数据位组的符号的总数量。例如，16正交幅度调制(QAM)映射将4位数据转换为24/16位。
优选地，所述队列管理策略至少包括以下步骤：获取待分配的多个业务数据量并依据预定传输条件判断当前待分配业务的业务类型，所述业务类型至少包括以下之一或者任意组合：HTTP超文本传输协议业务、P2P点对点业务、即时通讯业务、路由网管信息业务以及多个其它类型的业务，或根据预定传输条件将所述业务类型确定为按照重要程度从大到小依次排序的至少四个业务类型；遍历可分配的有效星间链路并依据预定信道条件判断当前有效星间链路的可用度，所述预定信道条件是根据对所述有效星间链路的时延、丢包率、节点所处的地理位置、两端之间的跳数以及星间链路的拥塞情况依次进行加权判断，确定不同业务类型重要程度层级之内的按照优先级从大到小依次排序的至少一个有效星间链路。优选的，当前传输数据包内至少包含有时效性要求、可靠性要求、安全性要求等影响特征的预定传输条件。多个预定传输条件分别具有与之相对应的目的参数。对于编码调制方案，在多个预定传输条件相对应的影响特征下，具有与多个影响特征相对应的方案预估参数。根据预定传输条件可以将所述业务类型确定为按照重要程度从大到小依次排序的至少四个业务类型。例如可以至少包括延时敏感且容错率高业务类型、延时敏感且容错率低业务类型、非延时敏感且容错率高业务类型和非延时敏感且容错率低业务类型四个业务类型。类似地对于音视频的容错率要求较低但延时敏感的业务类型，需要对其选择用时较短的延时小的星间链路，以及相对应的稳定度一般且解码速率相对较快的编码调制方案。通过根据业务类型的判定以及星间链路的信道质量实时地调整传输策略的这种方式，可使用稳定程度更高的调制方案保护重要程度较高的待传输数据，使用稳定程度一般的方案保护重要程度较低的待传输数据，通过设置队列管理策略能够最大限度地同时满足多种业务类型对应的不同业务通信质量的不同要求，从而在在降低整体通信网络系统中个各节点的处理负荷影响的同时最大限度地满足不同业务要求。
优选地，所述队列管理策略还包括以下步骤：对多个编码方案与多个调制方案之间进行任意组合得到多个编码调制方案并对所述当前业务类型通过当前有效星间链路进行分配的情况分别判定多个编码调制方案下对应的不同影响特征的方案预估参数，在得到的方案预估参数满足所述当前传输数据包对应的目的参数时，确定最优编码调制方案和备选有效编码调制方案之一的编码调制方式，以及最优有效星间链路和备选有效星间链路之一的星间链路为所述当前传输数据包建立数据连接。
优选地，基于所述当前传输数据包对应的目的参数预先设置所述当前传输数据包的预设等待时长，对于属于第一类业务类型的当前传输数据包，在其第一队列等待时长超出预设等待时长的情况下对该当前传输数据包进行置顶排列。优选地，所述第一类业务类型可以为延时敏感且容错率低业务类型，此类业务类型的重要程度较高，从而其对应的预设等待容忍程度较低，在其等待被分配的时间超出预设等待时长时需为其进行置顶排列处理，优先地为其进行分配星间链路进行数据传输。
优选地，对于不属于第一类业务类型的当前传输数据包，在其第二队列等待时长超出所述预设等待时长且该节点队列已满的情况下，对当前传输数据包进行丢包处理，或，在其第二队列等待时长超出所述预设等待时长且其被降序次数超出预设降序阈值时，对当前传输数据包进行置顶排列。优选地，不属于第一类业务类型可以为非延时敏感且容错率低高业务类型，在此类的当前传输数据包的第二队列等待时长超出所述预设等待时长，且该节点队列已满的情况下，对当前传输数据包进行丢包处理，同时反馈其丢包信息至发起终端请求，以不同于之前星间链路和之前编码调制方案的方式请求重新发送，避免节点数据量过大而堵塞故障的情况。优选地，不属于第一类业务类型可以为非延时敏感且容错率高业务类型，在此类的当前传输数据包的第二队列等待时长超出所述预设等待时长，且其被降序次数超出预设降序阈值时，对当前传输数据包进行置顶排列。此类业务类型的当前传输数据包所对应的被降序次数，即为当前传输数据包被列入传输队列后，位于当前传输数据包前面的队列有其他传输数据包进行插队，使得当前传输数据包的队列次序下降的情况下记为一次被降序次数。为避免当前传输数据包持续地被降序处理，对于为非延时敏感业务类型的传输数据，即使其为非延时敏感，但其分配等待时间过长也会严重影响其传输速率，因此通过设置预设降序阈值能够有效地对不同业务类型的按照重要程度依次地传输，同时为较低重要度的业务类型提供最大限度的处理速率。
优选地所述有效星间连接可以为双层卫星网络例如低轨道/静止轨道中继型星间链路，由低轨道卫星通过星间链路与静止轨道卫星建立中继关系，再通过静止轨道卫星向中低纬度区域进行数据覆盖传输，实现低轨道卫星在地面站视场外的通信服务，而低轨道卫星侧重负责高纬度地区的通信工作。
根据一种优选实施方式，如图1所示，所述有效星间链接可以为由低轨道卫星网络内多个节点构成的星间链路路径，例如：由发起终端101将第一数据分组发送给发起终端接入卫星102，其中，所述第一数据分组包括发起终端地址、目标终端地址以及第一通信信息，由发起终端接入卫星102确定相关联的地面站103并且将所述发起终端接入卫星102的地址和目标终端地址发送给所述地面站103，由所述地面站103确定与所述目标终端地址相关联的目标终端接入卫星104的地址并且根据所述发起终端接入卫星102的地址将所述目标终端接入卫星104的地址发回给发起终端接入卫星102，由发起终端接入卫星102通过卫星星间链路将第二数据分组发送给所述目标终端接入卫星104，其中，所述第二数据分组包括所述目标终端接入卫星104的地址、所述目标终端地址以及第一通信信息，由目标终端接入卫星104将第三数据分组发送给目标终端105，其中，所述第三数据分组包括所述目标终端地址以及第一通信信息。其中，所述发起终端接入卫星102和目标终端接入卫星104分别包括：至少两个星间激光通信终端106和多个星地激光通信终端107，所述至少两个星间激光通信终端106用于与其他卫星进行激光双向通信，所述多个星地激光通信终端107用于同时与对应数量的地面站和/或飞行器进行双向激光通信，其中，每个所述星地激光通信终端107均能够扫描其所在卫星的对地张角。优选地，通过该方法，用户通信数据或通信信息不落地而是直接通过星间转发，因此难以通过攻击地面站获取用户通信数据，提高卫星通信安全性。并且数据分组交换的卫星寻址路由与用户终端寻址路由分离，各卫星根据地面站提供的终端接入卫星地址及所计算路由进行转发，或星上自主计算部分路由后转发，因此，无需或仅需卫星承担少量路由计算工作，大大降低了卫星的计算任务，从而提高成本有效性。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
虽然已经详细描述了本发明，但是在本发明的精神和范围内的修改对于本领域技术人员将是显而易见的。这样的修改也被认为是本公开的一部分。鉴于前面的讨论、本领域的相关知识以及上面结合背景讨论的参考或信息(均通过引用并入本文)，进一步的描述被认为是不必要的。此外，应该理解，本发明的各个方面和各个实施例的各部分均可以整体或部分地组合或互换。而且，本领域的普通技术人员将会理解，前面的描述仅仅是作为示例，并不意图限制本发明。
已经出于示例和描述的目的给出了本公开的前述讨论。这并不意图将本公开限制于本文公开的形式。在前述的具体实施方式中，例如，为了简化本公开的目的，本公开的各种特征在一个或多个实施例、配置或方面中被组合在一起。实施例、配置或方面的特征可以以除上面讨论的那些之外的替代实施例、配置或方面组合。本公开的该方法不应被解释为反映本公开需要比每个权利要求中明确记载的更多特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，创造性方面在于少于单个前述公开的实施例、配置或方面的所有特征。因此，以下权利要求由此被并入本具体实施方式中，其中每个权利要求其自身作为本公开的单独实施例。
而且，虽然本公开的描述已经包括对一个或多个实施例、配置或方面以及某些变型和修改的描述，但是其他变型、组合和修改也在本公开的范围内，例如在本领域技术人员的技能和知识范围内，在理解了本公开之后。旨在获得在允许的程度上包括替代实施例、配置或方面的权利，所述权利包括那些要求保护的替代的、可互换的和/或等效的结构、功能、范围或步骤的权利，无论这种替代的、可互换的和/或等效的结构、功能、范围或步骤是否在本文中公开，并且无意公开奉献任何可专利的主题。

Claims (10)

1.一种卫星间空间通信系统，其特征在于，该系统被配置为：
通过对第一卫星根据接收到的卫星星历信息获得第一卫星与其他任意一颗卫星之间在每一采样时刻t推测的两星间在未来时段L内的相对位置轨迹关系，由此确定可与所述第一卫星建立有效星间链路的至少一个其他卫星以及至少一个有效星间链路；
基于对至少一个所述有效星间链路的信道质量进行统计，将生成的关于该有效星间链路的预定信道条件的概率分布放入集合X'内，将预定信道条件放入集合X内，并基于由通信系统接收到的当前传输数据包确定所述预定传输条件并将其放入集合Y内；
通过对所述通信系统预先存储的多个编码调制方案即集合Z，结合所述预定信道条件和所述预定传输条件运行影响特征分析，确定包含最优有效星间链路和最优编码调制方案的Pbest＝XrYsZt以及包含备选有效星间链路和备选编码调制方案的Palter＝XiYjZk，在节点处根据已定的维护队列长度大小的队列管理策略确定以最优编码调制方案和备选有效编码调制方案之一的编码调制方式，通过最优有效星间链路和备选有效星间链路之一的星间链路建立数据传输；
其中，Xi为每一个有效星间链路分别各自对应的预定信道条件，Yj为预定传输条件，Zk为编码调制方案；
Xr为最优有效星间链路和最优编码调制方案下的预定信道条件，Ys为最优有效星间链路和最优编码调制方案下的预定传输条件，Zt为最优有效星间链路和最优编码调制方案下的编码调制方案。
2.根据权利要求1所述的卫星间空间通信系统，其特征在于，当所述当前传输数据包确定的星间链路发生故障或目标节点无效时，由当前节点通过所述通信系统向中继节点传输故障信息或目标节点无效信息代入代价模型中，获取更新的最优有效星间链路和更新的最优编码调制方案，根据获取到的更新的最优有效星间链路和最优编码调制方案动态重置或部分重置编码调制方式或数据传输链路。
3.根据权利要求2所述的卫星间空间通信系统，其特征在于，所述代价模型即为通过所述通信系统已有的运行数据和/或故障信息和/或目标节点无效信息，基于至少一个影响特征对其进行数据分析并输出分析结果，在所述分析结果与预定传输条件之间不能够建立局域性约束关联关系的情况下，对所述预定信道条件的代价权重系数进行更新并重新确定最优有效星间链路和最优编码调制方案以及备选有效星间链路和备选编码调制方案；
在所述分析结果与传输结果之间能够建立局域性约束关联关系的情况下，保持已定的所述预定信道条件的代价权重系数并基于当前节点下，重新确定最优有效星间链路和最优编码调制方案以及备选有效星间链路和备选编码调制方案。
4.根据权利要求3所述的卫星间空间通信系统，其特征在于，所述多个编码方案至少包括Reed-Solomon(RS)编码、卷积码(CC)编码、Golay编码、Hamming编码或Bose，Ray-Chaudhuri，Hocquenghem(BCH)编码中的一个或多个，所述多个调制方案至少包括二进制相移键控(BPSK)映射、正交相移键控(QPSK)映射、8移相键控(8PSK)映射、16正交幅度调制(QAM)映射、64正交幅度调制(QAM)映射或256正交幅度调制(QAM)映射中的一个或多个。
5.根据权利要求4所述的卫星间空间通信系统，其特征在于，所述队列管理策略至少包括以下步骤：
获取待分配的多个业务数据量并依据预定传输条件判断当前待分配业务的业务类型，根据预定传输条件将所述业务类型确定为按照重要程度从大到小依次排序的至少四个业务类型；
遍历可分配的有效星间链路并依据预定信道条件判断当前有效星间链路的可用度，所述预定信道条件是根据对所述有效星间链路的时延、丢包率、节点所处的地理位置、两端之间的跳数以及星间链路的拥塞情况依次进行加权判断，确定不同业务类型重要程度层级之内的按照优先级从大到小依次排序的至少一个有效星间链路。
6.根据权利要求5所述的卫星间空间通信系统，其特征在于，所述队列管理策略还包括以下步骤：对多个编码方案与多个调制方案之间进行任意组合得到多个编码调制方案并对所述当前业务类型通过当前有效星间链路进行分配的情况分别判定多个编码调制方案下对应的不同影响特征的方案预估参数，在得到的方案预估参数满足所述当前传输数据包对应的目的参数时，确定最优编码调制方案和备选有效编码调制方案之一的编码调制方式，以及最优有效星间链路和备选有效星间链路之一的星间链路为所述当前传输数据包建立数据连接。
7.根据权利要求6所述的卫星间空间通信系统，其特征在于，基于所述当前传输数据包对应的目的参数预先设置所述当前传输数据包的预设等待时长，对于属于第一类业务类型的当前传输数据包，在其第一队列等待时长超出预设等待时长的情况下对该当前传输数据包进行置顶排列；
对于不属于第一类业务类型的当前传输数据包，在其第二队列等待时长超出所述预设等待时长且该节点队列已满的情况下，对当前传输数据包进行丢包处理，或，在其第二队列等待时长超出所述预设等待时长且其被降序次数超出预设降序阈值时，对当前传输数据包进行置顶排列。
8.一种卫星间空间通信方法，其特征在于，该方法至少包括以下步骤：通过对第一卫星根据接收到的卫星星历信息获得第一卫星与其他任意一颗卫星之间在每一采样时刻t推测的两星间在未来时段L内的相对位置轨迹关系，由此确定可与所述第一卫星建立有效星间链路的至少一个其他卫星以及至少一个有效星间链路；
基于对至少一个所述有效星间链路的信道质量进行统计，将生成的关于该有效星间链路的预定信道条件的概率分布放入集合X’内，并基于由通信系统接收到的当前传输数据包确定所述预定传输条件并将其放入集合Y内；
通过对所述通信系统预先存储的多个编码调制方案即集合Z，结合所述预定信道条件和所述预定传输条件运行影响特征分析，确定包含最优有效星间链路和最优编码调制方案的Pbest＝XrYsZt以及包含备选有效星间链路和备选编码调制方案的Palter＝XiYjZk，在节点处根据已定的维护队列长度大小的队列管理策略确定以最优编码调制方案和备选有效编码调制方案之一的编码调制方式，通过最优有效星间链路和备选有效星间链路之一的星间链路建立数据传输；
其中，Xi为每一个有效星间链路分别各自对应的预定信道条件，Yj为预定传输条件，Zk为编码调制方案；
Xr为最优有效星间链路和最优编码调制方案下的预定信道条件，Ys为最优有效星间链路和最优编码调制方案下的预定传输条件，Zt为最优有效星间链路和最优编码调制方案下的编码调制方案。
9.根据权利要求8所述的卫星间空间通信方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：当所述当前传输数据包确定的星间链路发生故障或目标节点无效时，由当前节点通过所述通信系统向中继节点传输故障信息或目标节点无效信息代入代价模型中，获取更新的最优有效星间链路和更新的最优编码调制方案，根据获取到的更新的最优有效星间链路和最优编码调制方案动态重置或部分重置编码调制方式或数据传输链路。
10.根据权利要求9所述的卫星间空间通信方法，其特征在于，所述代价模型即为通过所述通信系统已有的运行数据和/或故障信息和/或目标节点无效信息，基于至少一个影响特征对其进行数据分析并输出分析结果，在所述分析结果与预定传输条件之间不能够建立局域性约束关联关系的情况下，对所述预定信道条件的代价权重系数进行更新并重新确定最优有效星间链路和最优编码调制方案以及备选有效星间链路和备选编码调制方案；
在所述分析结果与传输结果之间能够建立局域性约束关联关系的情况下，保持已定的所述预定信道条件的代价权重系数并基于当前节点下，重新确定最优有效星间链路和最优编码调制方案以及备选有效星间链路和备选编码调制方案。
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