CN111130624A - 一种空天地一体化空间信息网络优化传输方法 - Google Patents

一种空天地一体化空间信息网络优化传输方法 Download PDF

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李毅
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王利利
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Abstract

本发明涉及空间信息网络技术领域，具体是涉及一种天空地一体化卫星/HAP/地面网络能效优化组网传输方案，主要针对应急通信需求，给出了ISHT(Integrated Satellite/HAP/Terrestrial)网络架构的组成和系统模型。用户设备(User Equipment,UE)接收处理卫星和高空平台(High Altitude Platform,HAP)的链路状态广播(Link‑State Advertisement,LSA)信息，计算最优的发送功率，从而大幅度降低用户和HAP的能耗。在平坦慢衰落Rician信道中，本发明使用最快梯度法和差分方程法推导了用户和HAP最优发送功率。

Description

一种空天地一体化空间信息网络优化传输方法
技术领域
本发明涉及空间信息网络技术领域，具体涉及一种空天地一体化空间信息网络优化传输方法。
背景技术
作为信息网络基础设施，空间信息网络的空间段、临近空间段和地面段应该是一个统一的有机融合的一体化网络。由卫星、HAP、UE(用户终端)组成的一体化卫星/HAP/地面(ISHT)网络优化组网问题越来越受到人们的关注。
应急通信等非常态通信被认为是空间信息网络的重要应用场景之一。应急通信系统通过各种类型的终端和传感器设备为灾民和救援队员提供信息传递服务。在灾难救援过程中，应急通信网络的信息交换能力可以为救援队提供有力的情报 (如语音、视频、图片和各种环境监测数据等)支援，提高救援队之间的协作效率和快速响应能力；还可以使灾民能够进行有效的呼救，提高救援精准度，降低灾害引起的生命财产损失。在地震、洪涝等自然灾害或战争等人为灾害发生时，地面通信基础设施遭到损毁而不能工作，在这样的极端环境下一体化卫星/HAP 网络架构被认为最具有应用前景，但却远没有充分开放利用。与地面无线移动通信网络相比，空间信息网络能够不依赖于地面基础设施，即使地面网络遭到损毁，卫星和HAP依然可以为灾区民众、救援队员以及信息采集传感器设备提供无线通信和数据传输服务。HAP可以实现大规模的用户接入，灵活的网络扩展，低时延的通信；卫星则通过回程链路把信息传递给核心网络和救援指挥机构，因此空间信息网络是在大规模自然和人为灾害进行应急救援、灾后重建过程中，建立应急通信系统的最佳方式。
对于应急通信应用，执行任务时间为几天或数周，一般倾向于选择更轻便灵活、响应速度快的小型UAV，这样的平台具有非常有限的太阳能收集和存储能力。因此，相比于卫星平台，在很多时候HAP不仅是功率受限系统而且是能量受限系统。进一步，由于灾区的地面电力基础设施受到损毁，电能的匮乏也是制约地面终端工作的重要因素。在HAP和用户终端都受能量约束情况下，如何进行有效的网络运行，深入的网络优化，提高能量的使用效率就成为应急通信的重要研究课题，因此本章着眼研究应急场景下一体化卫星/HAP/地面网络能效优化组网传输问题。
发明内容
为了实现以上目的，本发明提供了ISHT网络架构的组成和系统模型，考虑了HAP与卫星融合的异构网络情况下，衰落信道条件的能效传输问题，提出了最佳信息传输策略，有效解决了复杂网络环境下网络优化与传输问题，具体的技术方案如下：
1系统模型
本节建立了应急通信中ISHT网络模型，当灾难发生时可通过图1的网络结构搭建应急通信系统。如图1所示系统主要包含三个部分，即空间段、临近空间段和地面段。因此ISHT网络是一个典型的分层系统，接下来分别对这三层进行详细描述。
1.1空间段
空间段主要由一颗在GEO轨道的通信卫星组成，该GEO卫星可以是空间信息网络中执行平常任务的卫星，也可以是其它系统的通信卫星，例如商业卫星通信系统或者海事卫星通信系统的卫星。在灾害发生时，临时调用/租用该卫星而不用专门为应急通信研发和发射专用的卫星，这样不仅可以提高应急通信系统的响应速度，还可以降低应急通信系统的建设、维护和使用成本。如1所示，在应急通信中空间段发挥的主要作用包括以下四个方面：
1)把数据回传到地面核心网络，即：回程链路，一般工作在Ka/Ku频段或为激光链路；
2)建立与救援队员、灾民的终端以及其它设备的应急通信链路，即用户链路，一般工作在L/S频段；
3)建立与HAP的中继链路，一般工作在Ka/Ku频段或为激光链路；
4)向HAP和用户广播卫星端的LSA信息，LSA信息的组成及作用将在3.3.1 节进行详细描述。
1.2临近空间段
临近空间段主要由数颗在轨HAP组成。一般情况下HAP是在灾害发生时紧急发射到灾区上空的，发射HAP的数目一般依灾情的严重程度、灾区面积的大小和应急通信需求而定，因此搭建ISHT网络的主要代价即为制造HAP的花费。由于相比于昂贵的卫星平台(GEO卫星约数亿美元)，HAP平台价格并不昂贵(约为数百万美元)且可回收再利用；而相比于地面基站HAP平台又具有响应速度快、覆盖区域大、不受地形影响等优势，因此建立基于HAP的应急通信系统具有很好的效费比。如1所示，在应急通信中，临近空间段发挥的主要作用包括以下两个方面：
1)建立与救援队员、灾民的终端以及其它设备的应急通信链路，即用户链路，一般倾向于与地面或卫星兼容的LTE/WiMAX通信体制；
2)建立与卫星的中继链路，一般工作在Ka/Ku频段或为激光链路。
对于采用电池供电的HAP而言，最有前景的能源子系统是可再生燃料电池(Regenerative Fuel Cell,RFC)和锂电池。事实上世界上许多HAP研究项目都考虑在HAP上搭载RFC电池以期实现HAP不间断的长时间在轨运行。对于工作时长为数天至数周的小尺寸UAV特别适合使用电池供电；对大型HAP平台安装在其表面的太阳能电池板白天进行能量收集的同时可以把富余的能量存储在 RFC里以供晚上使用。
1.3地面段
地面段主要由用户子段和地面核心网络子段组成，这两个子段的组成分别为：
1)用户子段主要包含在灾区的救援队员终端、灾民用户终端，各类传感器以及其它设备；
2)地面核心网络子段主要包含服务提供商、国家救援指挥中心以及国家信息发布中心等防灾减灾应急机构。
用户子段的救援队员、灾民用户终端和各类传感器设备为可以支持与HAP 建立通信链路的LTE/WiMAX等通信体制，也同时支持与卫星建立通信链路的DVB-RCS等通信体制的多模设备(Multi-Radio Portable Devices)。地面核心网络子段负责灾区和国家相关救援机构的信息交换与路由。
综上所述，一个适用于应急通信的ISHT网络搭建完成。在灾区的救援人员、灾民用户终端和各类传感器设备等UE可以选择可见的HAP建立中继路径或选择可见的GEO卫星建立直传路径进行紧急的信息传递。同时，在正常区域的服务提供商、国家救援机构可以通过GEO卫星发送给灾区的UE灾情信息、救援信息等，包括语音、视频和数据等。由于UE为能量受限系统，且相比于接收信号耗费较少而稳定的能量，UE发送信号时会耗费大量的能量，因此本发明中我们着眼研究UE至HAP和卫星上行链路的能耗问题。
1.4信道模型
分析ISHT网络模型可以发现网络一共包含了三种类型的信道，即终端到卫星(Terminal-to-Satellite,T-S)的直传信道、终端到HAP(Terminal-to-HAP,T-H) 的中继信道和HAP到卫星(HAP-to-Satellite,H-S)的中继信道，分别表示为h1、 h2和h3，如1中所示。由于终端与GEO卫星的通信距离非常远，信道h1的自由空间损耗严重、时延较大、在中纬度和低纬度地区仰角较高、信道的小尺度衰落为Rician衰落。由于终端与HAP的通信距离相对较近，信道h2的自由空间损耗比较小，时延较低，在灾区的不同区域仰角也不同，信道的小尺度衰落也为Rician 衰落。相比于信道h1，由于终端与HAP的仰角不同区域变化较大，信道h2受到建筑物等其它障碍物的遮挡的概率较大。由于HAP与GEO卫星之间的通信信道为准真空环境且不受障碍物遮挡，信道h3近似为理想AWGN信道。对于信道h1和 h2我们进一步假设信道为平坦慢衰落信道，即在信号发送的每一个时隙内，我们认为信道的衰落为固定常数，但在不同时隙间信道衰落则随时间发生变化。在灾区由于用户一般为静止状态或者以步速行进，这样的假设也贴近应急通信的实际情况。由于节点位置的变化和信道的随机性，三种类型的信道增益每个时隙间都在发生变化。但是，我们可以把三个不同类型的信道统一表示为：
Ci＝f(ni,di,κi,hi),i＝1,2,3 (1)
式中ni表示路径衰减指数，di表示发送节点与接收节点(Send-Receive,S-R)的距离，κi表示Rician因子，hi表示小尺度平坦慢衰落的信道增益。对于信道h3而言κ3＝∞，这是因为在AWGN信道中，所有信号全部为LOS分量，没有NLOS 分量。路径衰减指数ni依据传播环境的不同取值也不相同，例如在自由空间中ni一般取值为2，但在有障碍物的无线环境中ni的取值一般要大于2。如果已知S-R 之间的距离，S-R之间的平均路径损耗可以计算为
Figure RE-GDA0002408194010000051
式中 d0≤di表示参考距离，Lf(d0)＝(4πfcd0/c)2为参考距离下的自由空间路径损耗， fc为载波频率，c＝3×108m/s表示光速。因此信道i的总的衰落特性即为关于参数ni、di、κi和hi的函数。
假设发送信号为s(t)，则接收信号ri(t)可以表示为：
Figure RE-GDA0002408194010000052
式中n(t)表示接收端的热功率噪声，对应的双边带功率谱密度为N0/2。为简化分析，我们假设ISHT网络各段不同接收设备的热功率噪声都相同。
依据式(2)，接收信号的平均信噪比可以计算为γ＝αEb/N0，式中 Eb＝PsGsGr/(RbLm(di)BOo)表示每比特信息的能量，Gs、Gr和
Figure RE-GDA0002408194010000053
分别为发送天线增益、接收天线增益以及衰落信道的平均增益，Rb(bit/s)表示数据速率。BOo表示输出功率回退。如果使用差分相位(Differential Phase-Shift Keying,DPSK)调制，T-S直传信道和T-H中继信道对应的BER可以表示为：
Figure RE-GDA0002408194010000054
式中X＝β2Eb/N0为接收端的瞬时信噪比，
Figure RE-GDA0002408194010000055
为在AWGN 信道中DPSK调制的BER计算公式，
Figure RE-GDA0002408194010000061
为Rician信道时X的PDF， K0(·)表示第一类修正的零阶Bessel函数，β表示衰落信道的瞬时增益。
2链路状态广播信息和发送功率分析
传统无线设备经常需要自主的去感知其所处的无线环境，或者依据接收端的反馈数据判断信道状态信息，这样的方法不仅有一定时延，而且会带来额外的能量损耗，并不适用于ISHT网络结构。与传统策略不同，本文所设计的自适应能效传输策略通过在卫星端和HAP端广播包含有链路状态等信息的LSA，UE则通过解析LSA中的信息获取实时的链路状态，计算最优的发送功率，不需要进行信道状态的估计和测量。这样可以降低UE进行信号处理所消耗的能量，提高能量的利用效率，尤其是在平坦慢衰落信道中，该策略非常适合能量受限的ISHT 网络。下面详细给出了链路状态广播信息的内容和最优发送功率的理论推导。
2.1链路状态广播信息
LSA是在ISHT网络的空间段(即卫星)和临近空间段(即HAP)生成并广播的，在信号传播的每一个时隙，每颗HAP和卫星先进行LSA广播。LSA包含广播节点的逻辑地址、地理位置(经度ψj、纬度φj和高度lj)，发送功率Ps,j和相对于UE的天线增益Gs,j。虽然UE不需要自主的去感知其所处的无线环境，也不需依据接收端的反馈数据判断信道状态信息，但接收和解析LSA信息依然会耗费额外的能量，因此LSA包长应该尽可能的小，以确保UE在接收和解析 LSA过程中，减少没有必要的能量损耗。
当第i个UE接收到其可见的第j颗HAP或卫星的LSA时，结合UE的地理位置(经度ψi、纬度φi和高度li)可以计算得到第i个UE与节点j的距离为：
Figure RE-GDA0002408194010000062
式中R为地球半径，li和lj为UEi和节点j的高度，θi＝arccos(cos(90-φi)cos(90-φj)+sin(90-φi)sin(90-φj)cos(ψi-ψj))为UEi至节点j的方位角。
得到di,j后可以计算得到该S-R链路平均路径损耗Lm(di,j)，再结合LSA中节点的发送功率Ps,j和天线增益Gs,j等信息，依据接收LSA的信号强度可以计算得到衰落信道的瞬时增益β。
2.2直传链路发送功率需求
在本节中，我们试图求解UE选择T-S直传链路进行通信时最小的发送功率需求。观察BER的表达式(3)，因为该式为多项式函数与对数函数组成的复合函数，SNR的显示表达式无法得到。但是T-S直传链路的BERρ1是关于SNRγ1严格单调的函数，γ1又是关于发送功率Ps,1严格单调的函数，因此ρ1也是关于Ps,1严格单调的函数。当通信的QoS需求确定后，即给定最小的BER要求ε，可以通过梯度下降(GradientDescent)法进行多次迭代计算得到，在给定的迭代步长ξ1＞0和ρe＝ε条件下，迭代方程可以表示为：
Figure RE-GDA0002408194010000071
式中
Figure RE-GDA0002408194010000072
表示发送功率Ps,1的梯度，
Figure RE-GDA0002408194010000073
表示想要得到的UE选择T-S直传链路进行通信时最小发送功率，n为迭代次数。
定理1：UE选择T-S直传链路进行通信时，发送功率Ps,1的梯度
Figure RE-GDA0002408194010000074
可以表示为：
Figure RE-GDA0002408194010000075
证明：假设UE的发送功率为Ps,1，则卫星端平均接收SNR可以计算为：
Figure RE-GDA0002408194010000076
把式(7)代入式(3)，T-S直传链路的BER可以计算为：
Figure RE-GDA0002408194010000081
式中
Figure RE-GDA0002408194010000082
依据梯度的定义，把式(8)代入梯度公式，可得到Ps,1的梯度
Figure RE-GDA0002408194010000083
为：
Figure RE-GDA0002408194010000084
证毕。
结合定理4.1和式(5)，通过执行有效的迭代次数n，即计算可得到UE选择T-S直传链路进行通信时最小发送功率需求
Figure RE-GDA0002408194010000085
2.3中继链路发送功率需求
对于终端→HAP(T-H)信道和HAP→卫星(H-S)信道形成的终端→HAP→卫星(T-H-S)路径，即非直接路径或中继路径而言，假设在HAP端采用译码前传(Decode-and-Forward,DF)的方式中继，则T-H-S中继路径总的BER可以表示为：
ρe,r＝(1-ρe,2)ρe,3+(1-ρe,3)ρe,2 (10)
式中ρe,2表示T-H中继链路的BER，ρe,3表示H-S中继链路的BER，ρe,2可以通过式(3)计算得到。由于H-S中继链路的信道模型为h3，即AWGN信道，因此可以计算采用DPSK调制时H-S中继链路的BER为：
Figure RE-GDA0002408194010000091
由于通信系统中BER的取值一般非常小(约10-6)，ρe,2和ρe,3的值要比它们两者的乘积ρe,2×ρe,3大多个数量级，因此T-H-S中继路径总的BER可近似表示为ρe,r＝ρe,2+ρe,3。设Ps,2和Ps,3分别为UE选择T-H中继链路进行通信时所需的发送功率和HAP通过H-S中继链路进行信号中继时所需要的发送功率，当通信的QoS需求确定后，即T-H中继链路的最小BER要求为ρe,2＝ε2，H-S中继链路的最小BER要求为ρe,3＝ε3，且ε2+ε3＝ε，则UE选择T-H-S中继路径进行信息传递时，系统总的最小发送功率可以通过优化下式得到：
Figure RE-GDA0002408194010000092
式中
Figure RE-GDA0002408194010000093
和
Figure RE-GDA0002408194010000094
分别表示UE选择T-H中继链路进行通信时的最优发送功率和 HAP通过H-S中继链路进行信号中继时的最优发送功率。
依据式(11)，发送功率Ps,3可以表示为：
Figure RE-GDA0002408194010000095
式中
Figure RE-GDA0002408194010000096
为对应的T-H中继链路的BER，其中信噪比γ2＝α2Ps,2Gs,2Gr,2/(Rb,2Lm(d2)N0BOo)。
我们可以发现Ps,3本质上是自由变量Ps,2的函数。设UE选择T-H-S中继路径进行信息传递时，系统总的最小发送功率为Pr＝Ps,2+Ps,3，把式(13)代入并求一阶导数即可得到最优发送功率
Figure RE-GDA0002408194010000097
进一步计算式(13)，即可得到最优发送功率
Figure RE-GDA0002408194010000101
Pr关于变量
Figure RE-GDA0002408194010000102
的一阶导数可以通过定理4.2得到。
定理2：UE选择T-H-S中继路径进行信息传递时，系统总的最小发送功率Pr关于变量
Figure RE-GDA0002408194010000103
的一阶导数为：
Figure RE-GDA0002408194010000104
证明：如果UE选择T-H-S中继路径进行信息传递，该路径的最小BER需要满足ε2+ε3＝ε，卫星端的平均接收SNR可以表示为：
Figure RE-GDA0002408194010000105
把式(15)代入式(11)，可得H-S中继链路的BER为：
Figure RE-GDA0002408194010000106
根据式(10)，H-S中继链路的BER为ρe,3＝ε-ε2，对应的HAP发送功率可以依据式(13)得到。而T-H中继链路的BERρ2由用户终端的发送功率Ps,2决定，可以表示为：
Figure RE-GDA0002408194010000107
把式(17)代入式(13)可得Ps,3，再把Ps,3与Ps,2相加，求Pr＝Ps,2+Ps,3关于Ps,2的一阶导数，可表示为：
Figure RE-GDA0002408194010000111
证毕。
由于T-H中继链路的BERρ2是关于变量Ps,2的凸函数，因此Ps,3是关于变量 Ps,2的凸函数，Ps,3与Ps,2相加，即Pr＝Ps,2+Ps,3也是一个凸函数。根据凸函数的性质，令式(14)等于零，即可得到的最优的发射功率
Figure RE-GDA0002408194010000112
把
Figure RE-GDA0002408194010000113
代入式(3) 和(13)可得到相应的BERρ2和最优的
Figure RE-GDA0002408194010000114
把最优功率
Figure RE-GDA0002408194010000115
和
Figure RE-GDA0002408194010000116
相加，最终可得到UE选择T-H-S中继路径进行信息传递时，系统总的最小发送功率
Figure RE-GDA0002408194010000117
3能效传输策略
3.1能耗模型
本发明在建模网络能耗时，只考虑与本发明相关的发射信号所用的能耗，不考虑例如设备图像显示、待机等可能耗费的能耗。UE接收其上空可见的NH个 HAP和一个GEO卫星广播的LSA数据包，在网络运行时间
Figure RE-GDA0002408194010000118
时间段中，对于T-S直传链路而言，UE的能耗主要包含向卫星发送信号所消耗的能量和处理卫星广播的LSA信息所消耗的能耗两部分。其中发送信号耗费的能耗为信号发送功率在时间段T内的积分，可以表示为：
Figure RE-GDA0002408194010000119
式中eRx,LSA＝PRxTLSA表示UE处理卫星广播的LSA信息所消耗的能耗，TLSA表示在传输时间段T内广播LSA信息占用的时间，PRx表示UE接收LSA射频 (Radio-Frequency,RF)信号并对LSA信息进行基带处理、调制解调、编译码所耗费的能量。由于LSA格式统一，UE接收信号时的功耗是相对稳定的，因此 UE处理卫星广播的LSA信息所消耗的能耗即为处理功耗PRx与广播时间TLSA的乘积。
对于T-H-S中继路径而言，能耗则包含两部分，即T-H中继链路中UE端的能耗和H-S中继链路中HAP端的能耗。UE端的能耗主要包含向HAP发送信号所消耗的能量和处理NH个HAP和一个卫星广播的LSA信息所消耗的能耗；HAP 端的能耗主要包含向卫星发送信号所消耗的能量、处理卫星LSA信息所消耗的能量和向UE广播LSA信息所消耗的能量。这两部分能耗可以分别表示为：
Figure RE-GDA0002408194010000121
Figure RE-GDA0002408194010000122
式中eTx,LSA＝PTxTLSA表示HAP广播LSA数据包的能耗，PTx表示HAP向UE发送 LSA数据包时的发送功率。
假设在每一传输时隙Δt∈T中，一个UE只能在所有的中继HAP中选择一颗HAP建立中继链路，T-H-S中继路径总的能耗可以表示为：
Figure RE-GDA0002408194010000123
对于任意的传输时隙Δt∈T，用户终端i将选择所有的可能的中继HAP中能耗最低的一颗HAP建立T-H-S中继路径；同时用户终端i还需要把该T-H-S中继路径能耗Er,i与此时T-S直传路径的能耗Ed,i进行比较，选择能耗较低的路径建立最终的信息发送路径。因此，每一时隙中最优的传输路径可以表示为：
Figure RE-GDA0002408194010000124
式中NT表示用户终端的数目。
所有NT个用户终端的总能耗和整个ISHT网络进行数据回传所耗费的总的能量可以分别表示为：
Figure RE-GDA0002408194010000131
Figure RE-GDA0002408194010000132
与现有的应急通信网络相比，本发明的有益效果是：
1)针对应急通信需求，建立了一种具有三层网络结构的天空地一体化网络模型，分析了各层的具体组成和通信信道模型。
2)为了提高网络的能量利用效率，分别使用最快梯度法和差分方程法推导了在AWGN信道和平坦慢衰落Rician信道中给定误码率要求下的最优发送功率，建立了UE和HAP的能耗模型。
3)基于LSA概念，设计了一种自适应能效传输策略，通过该策略进行最优地路径选择可以大幅降低UE和HAP的能耗，结合LSA概念和能耗估计，本发明设计的能效传输策略可以显著地提高网络的能量利用效率。
附图说明
图1是本发明应急通信中卫星/HAP/地面用户一体化网络系统模型图
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的方式和取得的效果，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚和完整地描述。
实施例
为与核心网络进行能效通信，UE需要分析所有可以建立信息上传链路的能量损耗，包括最多一条T-S直传链路和NH条T-H-S中继路径，UE将选择所有可能路径中能耗最低的一条路径建立通信链路进行信息发送。依据前面几节的理论分析，本文为应急通信中ISHT网络设计了一种能效传输自适应路径选择算法。算法的输入参数包括：卫星和NH颗HAP的LSA、服务BER需求ε和信息速率需求Rb；算法的输出结果包括：用户i与节点j之间对应的最优发送功率
Figure RE-GDA0002408194010000141
用户i选择的最优传输路径
Figure RE-GDA0002408194010000142
和传输时间段T内的最小能耗
Figure RE-GDA0002408194010000143
所述算法具体如下：
Figure RE-GDA0002408194010000144
算法主要包含两个阶段，即能耗计算阶段和路径选择阶段。时间传输时隙 k∈T，网络中的用户i需要发送数据data(k)，在能耗计算阶段，UEi首先解析HAP和卫星广播的LSA信息，依据式(4)计算其与节点j∈NH+1的距离di,j；再依据式(5)计算T-S直传链路在给定BER需求ε和信息速率需求Rb下的最优发送功率
Figure RE-GDA0002408194010000151
同时依据式(14)和(13)计算T-H-S中继路径给定BER需求ε和信息速率需求Rb下的最优发送功率
Figure RE-GDA0002408194010000152
j＝1,2,…,NH为所有可能的中继HAP；最终依据式(19)和(22)分别得到UEi选择T-S直传链路和T-H-S中继路径的能耗Ed,i和Er,i,j。在路径选择阶段，UEi依据式(23) 判断所有路径的能耗，如果T-S直传路径能耗较低，就选择T-S直传链路，即UEi以发送功率
Figure RE-GDA0002408194010000153
直接向卫星发送信号；如果T-H-S中继路径能耗较低，就选择第jopt.最优中继HAP，建立T-H-S中继路径，即UEi以最优功率
Figure RE-GDA0002408194010000154
向jopt.中继HAP发送信号，jopt.中继HAP以最优功率
Figure RE-GDA0002408194010000155
向卫星发送信号。完后，UEi等待下一个时隙的数据包请求服务。观察算法1，我们可以发现在每一个传输时隙内，虽然信道衰落具有实变性，但是网络中的任意终端都能够以最优的发送功率
Figure RE-GDA0002408194010000156
选择最优的传输路径
Figure RE-GDA0002408194010000157
进行信号发送，最终实现最小的能量消耗
Figure RE-GDA0002408194010000158
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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：其依然可以对前述实施例所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；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实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种空间一体化信息优化网络，其特征在于，包括一种用于应急通信的ISHT网络系统，所述ISHT网络系统主要分为三层：空间段、临近空间段和地面段；
所述空间段主要由一颗在GEO轨道的通信卫星组成；
所述临近空间段主要由数颗在轨HAP组成；
所述地面段主要由用户子段和地面核心网络子段组成；所述用户子段主要包含在灾区的救援队员终端、灾民用户终端，以及各类传感器；所述地面核心网络子段主要包含服务提供商、国家救援指挥中心以及国家信息发布中心。
2.如权利要求1所述的一种空天地一体化空间信息网络优化传输方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：路径分析阶段：
UE分析所有可以建立信息上传链路的能量损耗，包括最多一条T-S直传链路和NH条T-H-S中继路径，UE将选择所有可能路径中能耗最低的一条路径建立通信链路进行信息发送；
S2：能耗计算阶段：
时间传输时隙k∈T，网络中的用户i需要发送数据data(k)，在能耗计算阶段，UEi首先解析HAP和卫星广播的LSA信息，计算UEi与节点j∈NH+1的距离di,j；再计算T-S直传链路在给定BER需求ε和信息速率需求Rb下的最优发送功率
Figure RE-FDA0002408194000000011
接着计算T-H-S中继路径给定BER需求ε和信息速率需求Rb下的最优发送功率
Figure RE-FDA0002408194000000012
其中，j＝1,2,…,NH为所有可能的中继HAP；最终分别得到UEi选择T-S直传链路和T-H-S中继路径的能耗Ed,i和Er,i,j；
S3：路径选择阶段：
UEi判断所有路径的能耗，如果T-S直传路径能耗较低，就选择T-S直传链路，即UEi以发送功率
Figure RE-FDA0002408194000000021
直接向卫星发送信号；如果T-H-S中继路径能耗较低，就选择第jopt.最优中继HAP，建立T-H-S中继路径，即UEi以最优功率
Figure RE-FDA0002408194000000022
向jopt.中继HAP发送信号，jopt.中继HAP以最优功率
Figure RE-FDA0002408194000000023
向卫星发送信号。
3.如权利要求2所述的一种空天地一体化空间信息网络优化传输方法，其特征在于，所述步骤S2中：
当第i个UE接收到其可见的第j颗HAP或卫星的LSA时，结合UE的地理位置(经度ψi、纬度φi和高度li)可以计算得到第i个UE与节点j的距离为：
Figure RE-FDA0002408194000000024
式中R为地球半径，li和lj为UEi和节点j的高度，θi＝arccos(cos(90-φi)cos(90-φj)+sin(90-φi)sin(90-φj)cos(ψi-ψj))为UEi至节点j的方位角。
4.如权利要求2所述的一种空天地一体化空间信息网络优化传输方法，其特征在于，所述步骤S2中：
给定最小的BER要求ε，可以通过梯度下降法进行多次迭代计算得到最优发送功率
Figure RE-FDA0002408194000000028
在给定的迭代步长ξ1＞0和ρe＝ε条件下，迭代方程可以表示为：
Figure RE-FDA0002408194000000025
式中
Figure RE-FDA0002408194000000026
表示发送功率Ps,1的梯度，
Figure RE-FDA0002408194000000027
表示想要得到的UE选择T-S直传链路进行通信时最小发送功率，n为迭代次数。
5.如权利要求2所述的一种空天地一体化空间信息网络优化传输方法，其特征在于，所述步骤S2中：
发送功率Ps,3可以表示为：
Figure RE-FDA0002408194000000031
式中
Figure RE-FDA0002408194000000032
为对应的T-H中继链路的BER，其中信噪比γ2＝α2Ps,2Gs,2Gr,2/(Rb,2Lm(d2)N0BOo)；
UE选择T-H-S中继路径进行信息传递时，系统总的最小发送功率Pr关于变量
Figure RE-FDA0002408194000000033
的一阶导数为：
Figure RE-FDA0002408194000000034
令上式等于零，即可得发射功率Ps,2。
6.如权利要求2所述的一种空天地一体化空间信息网络优化传输方法，其特征在于，所述步骤S2中：
发送信号耗费的能耗为信号发送功率在时间段T内的积分，可以表示为：
Figure RE-FDA0002408194000000035
式中eRx,LSA＝PRxTLSA表示UE处理卫星广播的LSA信息所消耗的能耗，TLSA表示在传输时间段T内广播LSA信息占用的时间，PRx表示UE接收LSA射频信号并对LSA信息进行基带处理、调制解调、编译码所耗费的能量；
假设在每一传输时隙Δt∈T中，一个UE只能在所有的中继HAP中选择一颗HAP建立中继链路，T-H-S中继路径总的能耗可以表示为：
Figure RE-FDA0002408194000000036
7.如权利要求2所述的一种空天地一体化空间信息网络优化传输方法，其特征在于，所述步骤S3中：
每一时隙中最优的传输路径可以表示为：
Figure RE-FDA0002408194000000037
式中NT表示UE的数目。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112235824A (zh) * 2020-10-27 2021-01-15 国网能源研究院有限公司 两跳多中继网络性能分析方法、系统及装置
CN112543049A (zh) * 2020-11-16 2021-03-23 北京科技大学 一种集成地面卫星网络的能效优化方法及装置
CN112821938A (zh) * 2021-01-08 2021-05-18 重庆大学 一种空天地卫星通信系统的总吞吐量及能耗优化方法
CN113098583A (zh) * 2021-03-26 2021-07-09 电子科技大学 一种面向空中移动目标跟踪的空天地一体化组网方法
CN113395738A (zh) * 2021-08-18 2021-09-14 南京天际易达通信技术有限公司 一种星地融合网络的传输链路确定方法、系统及介质

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019133562A2 (en) * 2017-12-31 2019-07-04 Hughes Network Systems, Llc Stationary fixed ground-based cells in a non-geostationary orbit communications system
CN110012503A (zh) * 2019-04-11 2019-07-12 厦门大学嘉庚学院 一种高空通信平台与地面蜂窝间干扰管理方法
CN110602648A (zh) * 2019-09-17 2019-12-20 电信科学技术第四研究所有限公司 应急通信指挥设备、系统及方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019133562A2 (en) * 2017-12-31 2019-07-04 Hughes Network Systems, Llc Stationary fixed ground-based cells in a non-geostationary orbit communications system
CN110012503A (zh) * 2019-04-11 2019-07-12 厦门大学嘉庚学院 一种高空通信平台与地面蜂窝间干扰管理方法
CN110602648A (zh) * 2019-09-17 2019-12-20 电信科学技术第四研究所有限公司 应急通信指挥设备、系统及方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FEIHONG DONG ET AL: "Energy-efficient transmissions for Remote Wireless Sensor Networks: An Integrated HAP/Satellite Architecture for Emergency Scenarios", 《SENSORS》 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112235824A (zh) * 2020-10-27 2021-01-15 国网能源研究院有限公司 两跳多中继网络性能分析方法、系统及装置
CN112235824B (zh) * 2020-10-27 2024-04-26 国网能源研究院有限公司 两跳多中继网络性能分析方法、系统及装置
CN112543049A (zh) * 2020-11-16 2021-03-23 北京科技大学 一种集成地面卫星网络的能效优化方法及装置
CN112543049B (zh) * 2020-11-16 2021-10-29 北京科技大学 一种集成地面卫星网络的能效优化方法及装置
CN112821938A (zh) * 2021-01-08 2021-05-18 重庆大学 一种空天地卫星通信系统的总吞吐量及能耗优化方法
CN113098583A (zh) * 2021-03-26 2021-07-09 电子科技大学 一种面向空中移动目标跟踪的空天地一体化组网方法
CN113098583B (zh) * 2021-03-26 2022-03-15 电子科技大学 一种面向空中移动目标跟踪的空天地一体化组网方法
CN113395738A (zh) * 2021-08-18 2021-09-14 南京天际易达通信技术有限公司 一种星地融合网络的传输链路确定方法、系统及介质
CN113395738B (zh) * 2021-08-18 2021-11-30 南京天际易达通信技术有限公司 一种星地融合网络的传输链路确定方法、系统及介质

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