CN112118038A

CN112118038A - 一种卫星效能评估方法

Info

Publication number: CN112118038A
Application number: CN202010486519.0A
Authority: CN
Inventors: 张琦; 徐安宁; 沈宇飞; 陶滢; 李聪; 钱晋希; 常欢; 刘晔祺; 李珊珊; 刘情嫄; 李怡嫱
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications; China Academy of Space Technology CAST
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications; China Academy of Space Technology CAST
Priority date: 2020-06-01
Filing date: 2020-06-01
Publication date: 2020-12-22

Abstract

本申请提供一种基于认知无线电的卫星通信系统效能评估技术中的基于环境模糊因子的效能评估方案。在认知卫星通信系统的效能评估中，本方案在将层次分析法和模糊综合评判法相结合的基础上，创新性地增加环境模糊因子来构建环境参数体系。首先，根据层次分析法构建指标参数体系，然后根据周遭环境和环境模糊因子进行环境参数体系构建。模糊综合评判法的模糊算子能够弥补层次分析法的权重主观性问题，层次分析法能够简化模糊综合评判法数据预处理的繁琐步骤。另外，新增的环境参数体系不仅能够更真实地评估卫星通信系统的效能，还能够动态地调整系统输入参数，从而达到反馈系统的作用，提高了系统的整体效能。

Description

一种卫星效能评估方法

(一)技术领域

本发明属于卫星通信技术领域的效能评估技术领域，具体是基于环境模糊因子的效能评估方案。

(二)背景技术

卫星通信系统是一个高度复杂并且需要高度精确的国家级战略工程，其建设难度巨大，建设周期跨度时间长。但是其工程所带来的效益能够极大地促进国家的通信事业发展，体现一个国家强大实力，能够为国家层面提供军事和政治上的实力威慑和保密通信服务。另外，中国是一个地域跨度大，地形复杂的发展中国家，许多偏远山区和高原地带的通信基础设施建设难度巨大，如果能够为这些地区提供便捷的卫星通信服务，将极大地丰富当地的通信资源，为当地社会大众层面提供了一个对外的通信接口。同时，在当下移动互联的时代，仅仅使用地面通信网络系统，也无法满足爆炸式的业务增长量，需要发展空天地一体化的技术来满足当下人们的通信需求。

卫星通信系统要求卫星与卫星之间、卫星与用户之间能够高效可靠的提供通信服务。对卫星通信系统进行效能评估能够使得整个系统能够更好地对外提供服务，同时可以发现系统中存在的缺陷并根据实时状态采取相应的调整措施，提高卫星通信系统整体运行效能和系统稳定性。由于卫星通信系统建设的复杂度和高投入特性，如果出现了性能不达标，无法正常工作将造成极大的资源浪费。更何况对于整个卫星通信系统来说，各个步骤环环相扣，要求非常精确的性能要求，对实际生产提供了大量的难题和不确定性。因此，在仿真阶段和实际使用阶段对整个卫星通信系统进行准确真实的效能评估显得尤为重要，能够节省巨大的资金投入和改善系统的整体效能。因此，对卫星通信系统进行效能评估具有重要的现实意义。

卫星通信系统处在高速运动的状态当中，其系统效能指标复杂，通信链路不唯一，并且其系统效能还额外受地形、覆盖区域、通信终端类型等因素影响。如何准确有效地评估卫星通信系统效能，从而优化卫星通信系统的系统效能已经成为一个重要问题。

(三)发明内容

效能评估技术是检验一个系统是否达到期望要求的有效手段，它贯穿于系统仿真和建设的整个生命周期。科学客观的效能评估技术是当今高度复杂的卫星通信系统网络平稳运行的关键技术，通过对卫星通信系统的准确评估能够极大地减少无用的资源损耗和系统建设。本章的内容主要阐述效能评估技术的理论基础，然后结合卫星通信系统的相关技术基础和特性，提出基于环境模糊因子的效能评估算法。通过仿真该算法的科学客观性和在卫星通信系统中的实用性。在卫星通信系统认效能评估的背景下该算法能够较传统的算法有更好的环境适应特性，能够较好的评估卫星通信系统的效能，优化卫星通信系统的资源管理效率。

(四)附图说明

图1表示基于环境模糊因子的效能评估方法。

图2表示认知卫星通信系统环境参数体系。

图3表示认知卫星通信系统指标评估体系。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例涉及一种针对认知卫星通信系统的基于环境模糊因子的效能评估方案包括如下步骤：

(a)数据收集模块

外部输入具体的系统性能参数和环境参数：该步骤主要接收系统的一些参数和实时获取当前系统所处环境的一些环境信息，

构成效能评估算法的初始参数。

(1)收集环境层面的参数

将卫星周遭的环境参数进行准确地量化输入进数据收集模块，

如图1所示。天气因素细分为晴天、雨天、雪天、阴天四种天气状况。轨道高度细分为高轨和低轨。轨道类型细分为地球同步轨道和太阳同步回归轨道。目标区域细分为高原、丘陵、平原、海洋。

(2)收集系统性能层面的参数

将卫星系统性能参数进行准确地量化输入进数据收集模块，如图2所示。第一类评估因素是覆盖能力，主要包括覆盖范围、最小仰角、平均仰角等。第二类评估因素是通信容量，主要包括系统平均接入容量、阻塞率、传输速率等。第三类评估因素是通信质量，主要包括传输时延、误码率、丢包率、掉话率等。第四类评估因素是业务服务能力，主要包括接入用户数量、平均接入时间、中断率等。

(b)建立环境参数体系

(1)环境参数计算

卫星通信系统处在处在不同的环境之中，对其的效能评估也不能完全模式化来进行。比如在控制变量的前提下，晴天无遮蔽的星地通信肯定要比暴雨天气要好的多，这是由于地面的天气环境所直接决定的。经过传统算法计算得出了相同的效能值，暴雨天气的效能和晴天天气的效能最终都评价为“良好”，这是不科学且不合理的。

首先根据卫星系统所处的环境状态，如图1所示，根据排列组合可知总计有64种情况，然后选取相对应的环境模糊因子，此时选取的环境模糊因子代表了唯一能表示当前卫星环境状态。每种环境模糊因子参与后续算法运算的时候所代表的含义不同。例如在其余参数相同的情况下，晴天时候的卫星通信质量相比于雨雪天气总体性能为优秀的概率更大。

(2)选取对应的环境模糊因子

最终根据不同的环境状态选取不同的模糊算子，例如当环境状态为晴天、高轨、地球同步轨道、高原时，其对应的模糊算子为{0,0.25,0.5,0.75,1}，当环境状态为雪天、低轨、太阳同步回归轨道、平原时，其对应的模糊算子为{0,0.3,0.6, 0.9,1}。

(c)建立评估指标体系

认知卫星通信系统的效能直接来源于对系统各项指标的最终评估，因此要建立科学合理和满足业务需求的评估体系。通过对认知卫星通信系统的功能分析和指标调研，最终确立了四大类效能评估因素，如图2所示。第一类评估因素是覆盖能力，主要包括覆盖半径、最小仰角、覆盖时间等。第二类评估因素是通信容量，主要包括系统接入容量、阻塞率、传输速率等。第三类评估因素是通信质量，主要包括传输时延、误码率、丢包率、掉话率等。第四类评估因素是业务服务能力，主要包括接入用户数量、平均接入时间、中断率等。认知卫星通信系统的影响因素繁杂，如何将这些影响因素进行数学建模，将各项指标转为可以直观且定量的数字变量，是评估指标体系的关键工作。

(d)量化评估指标

对于图2中的各项指标需要进行定量计算至系统中，从而进行后续的运算。下面将对这些指标的获取进行详细分析。

(1)覆盖半径:由于卫星高速运动的同时具有一定的规律性，以认知卫星通信系统的单颗为例，得到如下的表达式。其中θ为卫星视场半锥角，则卫星对地球表面的覆盖带宽所求为L_max。则卫星覆盖范围的计算公式如式(1)所示。

其中地球半径为R，H为卫星高度，θ为卫星视场半锥角。

(2)最小仰角：认知卫星通信系统工作时的终端用户与卫星间的连线和终端用户水平面之间夹角的最小值，计算所得的最小仰角的终端用户位于覆盖范围的边界。则最小仰角计算公式如式(2) 所示。

其中，l₁为接收点的地理纬度，l为接收点的地理经度，l^*为星下点的地理经度，R为地球半径，H为卫星高度。最小仰角即为正常通信过程中，接收点与星下点距离最远时的仰角，则Δl_max＝(l-l^*)_max。 (3)覆盖时间：指认知卫星通信系统针对覆盖范围所能持续覆盖的时间，在覆盖时间范围内必须能够覆盖当前覆盖半径内的所有区域。则覆盖时间的计算公式如式(3)所示。

其中，t为输入的有效覆盖时间(单位秒)，分母为一天所有的总时长。

(4)系统接入容量:指星地间进行数据传输时单位时间内能够传输的最大信息量。理想情况下，假定该认知卫星系统有N个波束，系统总功率为P，分给各波束功率为P_i，系统总带宽为B，在第i个点波束内发射功率P_i与接收功率P_ri之间存在比率γ，N₀是噪声功率密度，W是各波束使用的带宽，则系统接入容量如式(4)所示。

(5)阻塞率：指认知卫星通信系统和用户通信时由于链路过少或业务繁忙等而导致的传输请求发生阻塞的概率。其公式如式(5) 所示。

其中，H是卫星轨道高度，V_c是电磁波的传输速率，T是平均接入时间。

(6)传输速率：指认知卫星不同的传输速率可以为不同的业务提供服务。x表示实际传输速率，分别对应低速数据、中速数据、高速数据、超高速数据，则评估函数如式(6)所示。

(7)传输时延：指认知卫星从发送数据到完成发送经过的时间。传输时延的公式如式(7)所示。

其中，t为实际传输时延，H为卫星的高度，V为实际传播速率。

(8)误码率：指认知卫星传输过程中错误编码在所有编码中的大小。设x为信噪比，则误码率的评价函数如式(8)所示。

(9)丢包率：指认知卫星丢失数据包数量在发送数据包数量中所占的比率，其公式如式(11)所示。

其中，O表示输出报文数量，I表示输入报文数量。

(10)掉话率：指认知卫星通信系统和用户通信过程中不正常中断的概率，其公式如式(10)所示。

其中，d为通话中断数，N为通话总数。

(11)接入用户数量：指认知卫星覆盖范围内得到服务的用户总数，其公式如式(11)所示。

C_user＝1-e^-N (11)

其中，N为真实的用户数量。

(12)平均接入时间：指每次接入时间的平均值，表示卫星单次对地接入时间的平均化。其公式如式(12)所示。

(13)中断率：指卫星通信过程中由于波束间切换、星间切换而使得卫星与地面站数据传输发生中断的概率。认知卫星通信系统中的中断率计算公式如式(13)所示。

其中，c为覆盖时间范围内成功建立连接的有效通信，M为覆盖时间范围内总请求数。

4.2.4确立两两判断矩阵和模糊关系矩阵

根据专家的指标对比输入判断矩阵，然后通过层次分析法的一致性校验，从而确立各指标权重。最终经过广泛调研和综合对比，确立了本文的判断矩阵如式(14)所示。

本章节由于引入了环境模糊因子，所以模糊关系矩阵的建立与前述选取的环境背景强相关。至此，我们得到两两判断矩阵和模糊关系矩阵，这也是基于环境模糊因子的卫星效能评估方案的核心步骤。

4.2.5判断系统效能

其中，E_i表示第二层级下第i个大指标的效能值，W_ij表示第i个指标下的第j个指标的权值，I_ij表示第i个指标下的第j个指标量化后的评估值。最后由下至上，最终可按式(15)计算获得顶层效能值。最后根据该效能值的所在的区间，进行结果Q的判定。其中，效能区间的划分如式(16)所示。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明。对于本领域的技术人员来说，对于本发明的多种修改将是显而易见的，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围。

Claims

1.基于环境模糊因子的效能评估方案,其特征在于:在层次分析法和模糊综合评判法结合的基础上,为了更加真实地评估卫星效能和实时反馈系统参数变化带来的效能影响,增加了环境模糊因子，从而构建了环境参数指标体系。

2.根据权利要求书1所述的方案，其特征在于，所述的环境模糊因子包括：

a.组成简单，主要由卫星环境参数体系运算得来。

b.会增加方案的一部分复杂度。

c.环境模糊因子只有有限的枚举状态，不过已经能够基本反应现实中的环境变化。

3.根据权利要求书1所述的方案，其特征在于，运算主要由环境参数体系和效能指标体系两部分组成，并通过层次分析法和模糊综合评判法进行系统最终效能评估。

4.根据权利要求书1所述的方案，其特征在于，需要一套如下的算法步骤来完成认知卫星通信系统的效能评估：

(1)外部输入具体的系统性能参数和环境参数：该步骤主要接收系统的一些参数和实时获取当前系统所处环境的一些环境信息，构成效能评估算法的初始参数

(2)根据这些数据建立环境参数体系和评估指标体系，选取对应的系统状态：卫星通信系统处在太空之中长周期高速地运行，需要进行星间和星地之间的通信。而处在不同的环境之中，对其的效能评估也不能完全模式化来进行。

比如在控制变量的前提下，晴天无遮蔽的星地通信肯定要比暴雨天气要好的多，这是由于地面的天气环境所直接决定的。经过传统算法计算得出了相同的效能值，暴雨天气的效能和晴天天气的效能最终都评价为“良好”，这是不科学且不合理的。因此，需要首先确定当前的复杂通信环境情况，再根据一定的算法策略将上述的提到的效能评价进行修正。从而达到符合动态地评估环境的目的。

(3)根据评估指标体系和系统环境状态确定各指标的权重，并且将系统性能参数进行定量和定性的计算推导：根据步骤(2)中确定的环境状态并且根据该环境状态选取对应的指标权重集合，将评估指标进行定量和定性分析。

(4)将各层的指标效能值按照权重进行加权相加：对评估指标体系的每一层进行层次单排序，最后根据模糊关系矩阵和相应的模糊算子，进行单层结果的输出。

(5)综合结果，判断效能进行输出：进行最后的结果自下而上汇总。

5.根据权利要求书4所述的算法，其特征在于，要保证构建一个相对稳定科学的效能指标体系和环境参数体系，具体做法：通过层次分析法进行指标的层次单排序和一致性校验。