CN112351463A - 一种卫星通信中基于模糊逻辑的分级策略的网络切换方法 - Google Patents

一种卫星通信中基于模糊逻辑的分级策略的网络切换方法 Download PDF

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CN112351463A CN202011040317.XA CN202011040317A CN112351463A CN 112351463 A CN112351463 A CN 112351463A CN 202011040317 A CN202011040317 A CN 202011040317A CN 112351463 A CN112351463 A CN 112351463A
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Abstract

本发明涉及卫星通信领域,公开了一种卫星通信中基于模糊逻辑的分级策略的网络切换方法,解决了卫星通信终端在多波束交叉覆盖下准确合理地选择最优波束覆盖网络的通信链路建链的问题,其技术方案要点是包括以下步骤:S1、系统获取所有不同波束覆盖网络的通信质量参数,并列入候选网络集,同时将参数输入一种基于模糊逻辑的分级策略的最优模型设计;S2、系统通过模糊逻辑的分级策略对候选网络的最优模型进行计算,预筛选出高质量的卫星波束网络;S3、系统根据预筛选结果判断是否需要更新候选网络集,不需要更新则根据最优模型推算出QoS模糊值。S4、系统根据QoS模糊值与其他再筛选条件参数进行权重计算得到输出判决值。S5、系统根据判决条件找出最优网络,并通过接入控制设备执行最优网络的切换,从而切换到当前通信质量最优的波束网络,保证上行多波束卫星通信系统中用户终端的通信网络质量。

Description

一种卫星通信中基于模糊逻辑的分级策略的网络切换方法
技术领域
本发明涉及卫星通信领域,特别是涉及一种卫星通信中基于模糊逻辑的分级策略的网络切换方法。
背景技术
海洋是国家可持续发展的重要支撑,近年来,全球海洋竞争日趋激烈,深远海因其环境恶劣又远离陆地的特性,海上工作的正常开展一直受到通信水平的严重制约,深远海应急搜救和打捞等作业的特殊环境,更是对通信保障提出了较高的要求。
为了保证深远海多波束卫星通信组网中上行多波束卫星通信网络间各网络之间实现网络的连续性,这就需要协调网络进行平滑的切换。通常上行多波束卫星通信中涉及的条件参数大多具有模糊性,参数权重一般很难直接确定,传统的模糊逻辑算法构建规则库受模糊条件参数数量影响极大,条件参数增加将直接导致模糊规则数量呈指数倍增,从而限制了规则库的构建,同时增大了系统复杂度。此外,网络具备动态变化的特性也容易引起乒乓效应。为保障上行多波束卫星通信的通信终端在多维空间、多通信方式的融合网络下,能够不间断且准确合理地选择最优质通信链路接入,亟需一种高效的、低复杂度的上行多波束卫星通信中基于模糊逻辑的分级策略的网络切换。这将极大提高我国深海作业应急响应能力,保障人民生命财产安全。
发明内容
发明目的:本发明的目的是提供上行多波束卫星通信中基于模糊逻辑的分级策略的网络切换,通过对多波束卫星通信的分级策略切换,降低规则库构建难度以及系统的时间开销,从而为多波束卫星通信用户提供不间断的通信网络接入,保障通信质量。
技术方案:本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:上行多波束卫星通信中基于模糊逻辑的分级策略的网络切换,包括多波束卫星通信组网下的接入控制设备通信装备,所述多波束卫星通信组网下的接入控制设备通信装备搭载有通信网络判决系统,所述通信网络判决系统包括综合考虑服务端与客户端多重参数的分级判决切换策略,所述多重参数包括预筛选条件参数和再筛选条件参数,所述预筛选条件参数包括RSS、带宽、时延、抖动、丢包率,再筛选条件参数包括网络负载率、网络资费(单位时长费用)。
作为本发明的一种优选方案,提出一种分级策略的模糊逻辑架构设计,包括预筛选模糊逻辑系统和再筛选模糊逻辑系统,所述模糊逻辑系统包括模糊化、模糊推理、去模糊化几个模块。
作为本发明的一种优选方案,所述模糊化是将具有模糊性质的参数信息定量表述为模糊集合的形式,通过隶属度函数可以将模糊集合中的参数值映射为[0,1]区间上的隶属度,参数属于此集合的程度与隶属度值成正比。
作为本发明的一种优选方案,所述模糊推理包括根据条件参数重要性构建的模糊规则库,规则库构建采用IF-THEN形式来表述,该模块将根据构建的规则库进行条件自适应匹配。规则库中的模糊规则可用如下方程式描述:
Figure 385605DEST_PATH_IMAGE001
其中,
Figure 992167DEST_PATH_IMAGE002
表示条件参数,
Figure 969219DEST_PATH_IMAGE003
为模糊子集,
Figure 192390DEST_PATH_IMAGE004
为对应模糊规则的输出,
Figure 132664DEST_PATH_IMAGE005
为结论参数,m为条件参数个数。
作为本发明的一种优选方案,所述去模糊化包括将模糊推理计算出的模糊值以重心法转换为明确的输出值,作为最终网络切换选择的依据。
作为本发明的一种优选方案,所述条件参数的模糊逻辑定义为{高,中,低}三个级别,所述条件参数采用梯形隶属函数与三角形隶属函数相结合的形式做映射,所述梯形隶属函数公式表示为:
Figure 341536DEST_PATH_IMAGE006
其中,
Figure 240221DEST_PATH_IMAGE007
为模糊集合的上下限,
Figure 419530DEST_PATH_IMAGE008
表示为此模糊集合的隶属度函数峰值对应点。
所述三角形隶属函数公式表示为:
Figure 678342DEST_PATH_IMAGE009
其中,
Figure 790654DEST_PATH_IMAGE010
为模糊集合的上下限,
Figure 63504DEST_PATH_IMAGE011
表示为此模糊集合的隶属度函数峰值对应点。
作为本发明的一种优选方案,所述重心法计算得到输出值即为最优接入网络,QoS精确值计算为:
Figure 746420DEST_PATH_IMAGE012
其中,
Figure 28497DEST_PATH_IMAGE013
表示通信网络的QoS输出值,
Figure 995316DEST_PATH_IMAGE014
表示重心点对应的隶属度,
Figure 953914DEST_PATH_IMAGE015
表示[0,1]区间重心点的横坐标,M为条件参数个数。
作为本发明的一种优选方案,提出一种卫星通信中基于模糊逻辑的分级策略的网络切换方法,包含以下步骤:
S1、优先加载预筛选条件参数到预筛选模糊逻辑系统,通过规则自适应匹配推算出QoS模糊值;
S2、对网络进行预筛选得到候选网络集
Figure 638973DEST_PATH_IMAGE016
,m表示候选网络数量。若候选网络数为0,则重新轮询发现网络,若候选网络数为1,则切换到该网络,否则执行S3;
S3、将前面得到的候选网络集U和其他再筛选条件参数加载到再筛选模糊逻辑系统,结合规则自适应匹配得到再筛选后的网络集合
Figure 990320DEST_PATH_IMAGE017
,n表示候选网络数量;
S4、选择再筛选后得到网络集合中最大的输出值作为目标网络
Figure 299728DEST_PATH_IMAGE018
,选择并切换到目标网络。
综上所述,本发明具有以下有益效果:本发明能够利用上述多波束卫星通信组网中基于模糊逻辑的分级策略切换方法,通过对深远海多波束卫星通信组网的分级策略切换,降低模糊规则库的构建难度以及系统的时间开销,从而为深远海用户提供不间断的通信网络接入,保障通信质量。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中深远海多波束卫星通信组网系统模型图;
图2为本发明具体实施方式中模糊逻辑分级策略系统示意图;
图3为本发明具体实施方式中模糊条件参数隶属度函数关系图;
图4为本发明具体实施方式中局部模糊规则库结果示例图;
图5为本发明具体实施方式中基于模糊逻辑的分级切换方法流程图;
图6为本发明具体实施方式中基于模糊逻辑的分级策略的网络切换方法步骤图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示,能够方便理解深远海环境下的终端设备通过卫星链路接入网络,其内容为用户终端设备在这种复杂的多波束卫星通信网络环境下,通信质量需要通过网络切换加以保障。
本发明提供上行多波束卫星通信中基于模糊逻辑的分级策略的网络切换,包括多波束卫星通信组网下的接入控制设备通信装备,所述多波束卫星通信组网下的接入控制设备通信装备搭载有通信网络判决系统,所述通信网络判决系统包括综合考虑服务端与客户端多重参数的分级判决切换策略,所述多重参数包括预筛选条件参数和再筛选条件参数,所述预筛选条件参数包括RSS、带宽、时延、抖动、丢包率,再筛选条件参数包括网络负载率、网络资费(单位时长费用)。
如图2所示,能够清楚地看出本发明设计的一种分级策略的模糊逻辑架构,包括预筛选模糊逻辑系统和再筛选模糊逻辑系统,其中模糊逻辑系统包括模糊化、模糊推理、去模糊化几个模块。
模糊化模块是将具有模糊性质的参数信息定量表述为模糊集合的形式,通过隶属度函数可以将模糊集合中的参数值映射为[0,1]区间上的隶属度,参数属于此集合的程度与隶属度值成正比。
如图3所示,所述条件参数的模糊逻辑定义为{高,中,低}三个级别,对输入模糊条件参数采用梯形隶属函数与三角形隶属函数相结合的形式做映射,所述梯形隶属函数公式表示为:
Figure 711118DEST_PATH_IMAGE019
其中,
Figure 352315DEST_PATH_IMAGE020
为模糊集合的上下限,
Figure 225462DEST_PATH_IMAGE021
表示为此模糊集合的隶属度函数峰值对应点。
所述三角形隶属函数公式表示为:
Figure 901294DEST_PATH_IMAGE022
其中,
Figure 218006DEST_PATH_IMAGE023
为模糊集合的上下限,b表示为此模糊集合的隶属度函数峰值对应点。
如图4所示,模糊推理模块包括根据条件参数重要性构建的模糊规则库,规则库构建采用IF-THEN形式来表述,该模块将根据构建的规则库进行条件自适应匹配。规则库中的模糊规则可用如下方程式描述:
Figure 877657DEST_PATH_IMAGE024
其中,
Figure 321539DEST_PATH_IMAGE025
表示条件参数,
Figure 117457DEST_PATH_IMAGE026
为模糊子集,
Figure 870649DEST_PATH_IMAGE027
为对应模糊规则的输出,
Figure 752017DEST_PATH_IMAGE028
为结论参数,m为条件参数个数。
去模糊化模块包括将模糊推理计算出的模糊值以重心法转换为明确的输出值,作为最终网络切换选择的依据。
重心法计算得到输出值为求得隶属函数曲线与横坐标所围区域的重心,所述计算出的重心即表示最优接入网络,QoS精确值计算为:
Figure 498125DEST_PATH_IMAGE029
其中,
Figure 148549DEST_PATH_IMAGE030
表示通信网络的QoS输出值,
Figure 338222DEST_PATH_IMAGE031
表示重心点对应的隶属度,
Figure 706887DEST_PATH_IMAGE032
表示[0,1]区间重心点的横坐标,M为条件参数个数。
如图5所示,提出一种深远海融合网络判决切换方法,包含以下步骤:
S1、优先加载预筛选条件参数到预筛选模糊逻辑系统,通过规则自适应匹配推算出QoS模糊值;
S2、对网络进行预筛选得到候选网络集
Figure 7418DEST_PATH_IMAGE033
,m表示候选网络数量。若候选网络数为0,则重新轮询发现网络,若候选网络数为1,则切换到该网络,否则执行S3;
S3、将前面得到的候选网络集U和其他再筛选条件参数加载到再筛选模糊逻辑系统,结合规则自适应匹配得到再筛选后的网络集合
Figure 777928DEST_PATH_IMAGE034
,n表示候选网络数量;
S4、选择再筛选后得到网络集合中最大的输出值作为目标网络
Figure 620726DEST_PATH_IMAGE018
,选择并切换到目标网络。

Claims (7)

1.一种卫星通信中基于模糊逻辑的分级策略的网络切换方法,其特征是:
S1、系统获取所有不同波束覆盖网络的通信质量参数,并列入候选网络集,同时将参数输入一种基于模糊逻辑的分级策略的最优模型设计;
S2、系统通过模糊逻辑的分级策略对候选网络的最优模型进行计算,预筛选出高质量的卫星波束网络;
S3、系统根据预筛选结果判断是否需要更新候选网络集,不需要更新则根据最优模型推算出QoS模糊值;
S4、系统根据QoS模糊值与其他再筛选条件参数进行权重计算得到输出判决值;
S5、系统根据判决条件找出最优网络,并通过接入控制设备执行最优网络的切换,从而切换到当前通信质量最优的波束网络,保证上行多波束卫星通信系统中用户终端的通信网络质量。
2.根据权利要求1所述的不同波束覆盖网络的通信质量参数参数包括预筛选条件参数和再筛选条件参数,所述预筛选条件参数包括接收信号强度(Receive-Signal-Strength,RSS)、带宽、时延、抖动、丢包率,再筛选条件参数包括网络负载率、网络资费(单位时长费用)。
3.根据权利要求1所述的一种卫星通信中基于模糊逻辑的分级策略的网络切换方法,其特征是:所述基于模糊逻辑的分级策略的最优模型,包括预筛选模糊逻辑系统和再筛选模糊逻辑系统,模糊逻辑系统包括模糊化、模糊推理、去模糊化几个模块,模糊化是将具有模糊性质的参数信息定量表述为模糊集合的形式,通过隶属度函数可以将模糊集合中的参数值映射为[0,1]区间上的隶属度,参数属于此集合的程度与隶属度值成正比。
4.根据权利要求3所述的一种基于模糊逻辑的分级策略的最优模型,其特征是:所述一种基于模糊逻辑的分级策略的最优模型包括根据条件参数重要性构建的模糊规则库,规则库构建采用IF-THEN形式来表述,该模块将根据构建的规则库进行条件自适应匹配,规则库中的模糊规则可用如下方程式描述:
Figure 161963DEST_PATH_IMAGE001
其中,
Figure 769662DEST_PATH_IMAGE002
表示条件参数,即信号强度(Receive-Signal-Strength, RSS)、带宽、时延、抖动、丢包率等;
Figure 87511DEST_PATH_IMAGE003
为模糊子集,即为当前参数的具体取值;
Figure 71647DEST_PATH_IMAGE004
为对应模糊规则的计算输出值;
Figure 276495DEST_PATH_IMAGE005
为结论参数,通过当前网络的通信参数与理想网络对应参数比值求的;
Figure 320674DEST_PATH_IMAGE006
为条件参数个数。
5.根据权利要求4所述的种基于模糊逻辑的分级策略的最优模型,其特征是:所述去模糊化包括将模糊推理计算出的模糊值以重心法转换为明确的输出值,作为最终网络切换选择的依据,通信参数的模糊逻辑定义为{高,中,低}三个级别,通信参数采用梯形隶属函数与三角形隶属函数相结合的形式做映射,所述梯形隶属函数公式表示为:
Figure 125819DEST_PATH_IMAGE007
其中,
Figure 648067DEST_PATH_IMAGE008
为模糊集合的上下限,即为当前候选集对应参数的最大值和最小值;
Figure 222268DEST_PATH_IMAGE009
表示为此模糊集合的隶属度函数峰值对应点,即为当前候选集对应参数的平均最大值和平均最小值;所述三角形隶属函数公式表示为:
Figure 171769DEST_PATH_IMAGE010
其中,
Figure 447899DEST_PATH_IMAGE011
为模糊集合的上下限,即为当前候选集对应参数的最大值和最小值;
Figure 773838DEST_PATH_IMAGE012
为此模糊集合的隶属度函数峰值对应点,即为当前候选集对应参数的平均最大值。
6.根据权利要求5所述的基于模糊逻辑的分级策略的最优模型,其特征是:所述重心法计算得到输出值即为最优接入网络,QoS精确值计算为:
Figure 202545DEST_PATH_IMAGE013
其中,
Figure 588527DEST_PATH_IMAGE014
表示通信网络的QoS输出值,
Figure 102685DEST_PATH_IMAGE015
表示重心点对应的隶属度,
Figure 232315DEST_PATH_IMAGE016
表示[0,1]区间重心点的对应参数值,M为条件参数个数。
7.根据权利要求6所述的基于模糊逻辑的分级策略的最优模型,其特征是:根据Qos值的网络判决切换策略,包含以下步骤:
S11、优先加载预筛选条件参数到预筛选模糊逻辑系统,通过规则自适应匹配推算出QoS模糊值;
S12、对网络进行预筛选得到候选网络集
Figure 3612DEST_PATH_IMAGE017
,m表示候选网络数量,若候选网络数为0,则重新轮询发现网络,若候选网络数为1,则切换到该网络,否则执行S3;
S13、将前面得到的候选网络集U和其他再筛选条件参数加载到再筛选模糊逻辑系统,结合规则自适应匹配得到再筛选后的网络集合
Figure 560495DEST_PATH_IMAGE018
,n表示候选网络数量;
S14、选择再筛选后得到网络集合中最大的输出值作为目标网络
Figure 561949DEST_PATH_IMAGE019
,选择并切换到目标网络。
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