CN112994776B - 一种适于高通量卫星通信的信关站抗雨衰切换方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于高通量卫星通信的信关站抗雨衰切换方法及装置，方法包括各信关站跟踪接收机电平值获取、各信关站雨衰值计算和预测、将所有信关站按照雨衰预测值的排序、主用信关站与备用信关站匹配、通过门限比较确定需要切换的信关站匹配对；装置包括信道预测和切换判决两个模块。本发明针对高通量卫星通信系统中N个主用信关站中一个或多个信关站因为雨衰过大可能导致链路中断需要切换至P个备用信关站的问题，采用基于雨衰预测值排序的多信关站传输分集切换方案，所有信关站均提前对信道进行预测，按照预测的雨衰值对信关站排序后进行门限判决，使信关站在馈电链路发生中断之前完成切换，从而保证业务传输的稳定性。

Description

一种适于高通量卫星通信的信关站抗雨衰切换方法及装置

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种高通量卫星通信时信关站抗雨衰的切换方法及装置。

背景技术

截止2019年，全球在轨的Ka频段高通量卫星(HTS)已超过65颗，单颗最大容量已达300Gbps(Viasat-2)。下一代甚高通量卫星(VHTS)已经在研制过程中，将采用Q/V频段作为馈电链路的使用频率，并将Ka频段完全分配给用户链路使用，这样馈电链路和用户链路都可以得到更多的带宽资源，单颗卫星的系统容量将达到1Tbps，从而大大降低单位带宽成本，增强卫星宽带互联网接入的竞争力。但是，VHTS系统面临的最大问题是V频段馈电链路雨衰过大，中降雨区(如北京)达到99.9％的可用度雨衰大于40dB@50GHz。当前的Ka频段高通量卫星通信系统，若信关站建设于强降雨区(如广州)，达到99.9％的可用度雨衰大于30dB@29GHz。在单站情况下，馈电链路若想达到99.9％的可用度，单纯采用上行功率控制(UPC)和自适应编码调制(ACM)技术无法补偿如此高的链路雨衰。

N+P信关站分集(Gateway Diversity)接收技术是高通量卫星通信场景下信关站抗雨衰的一种较好的手段。N+P信关站分集接收技术的核心思想是设计N个主用信关站，P个备用信关站，同一时刻，用户只和其中之一的信关站相连接。信关站之间彼此通过地面光纤网络连接。当N个主用信关站中任意P个经历强降雨出现链路中断时，由P个备用信关站接替它们工作。

在分集接收的场景下，目前采用的信关站切换策略之一是基于信噪比排序的匹配切换法，具体是由网络运行控制中心(NOCC)获取所有主用和备用信关站前向链路的信噪比(SNR)，并进行降序排列，信噪比高的备用站匹配信噪比低的主用站，当主用站的信噪比低于门限且备用信关站的信噪比高于门限时才进行切换。该方法在工程实现上的局限性在于主、备用信关站无法同时准确获取信噪比(因为馈电波束在信关站切换前仅指向主用信关站，备用信关站无法接收到业务信号)，信噪比难以准确测量。另一种切换策略是通过比较信关站馈电链路信道雨衰预测值与链路余量进行切换，但已有的信道雨衰预测算法，如极值法、均值法、自适应取样窗口法等，存在对降雨强度的剧烈变化反应灵敏度不高或者雨衰预测值相对真实值滞后问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对高通量卫星通信系统N个主用信关站中一个或多个信关站因为雨衰过大可能导致链路中断需要切换至P个备用信关站的应用场景，提供了一种信关站抗雨衰切换方法及装置，通过简单、实用的切换，可以有效解决因为现有信关站切换方法中信噪比难以准确测量或者信道雨衰难以准确预测造成的工程化实现困难的问题。

本发明的技术解决方案是：一种适于高通量卫星通信的信关站抗雨衰切换方法，包括如下步骤：

步骤1，获取在过去[t-W,t]时间段内各信关站跟踪接收机电平值，用向量记为H_j(t)＝[h_j(t-W)，…h_j(t)]，其中j为信关站编号，取值从1到N+P，N为主用信关站的数量，P为备用信关站的数量，W为取样时间窗口；

步骤2，利用步骤1的结果，计算得到各信关站在过去[t-W,t]时间段内的雨衰值向量I_j(t)；

步骤3，利用步骤2的结果，预测各信关站在t+T时刻的雨衰值

T为信道预测时间窗口；

步骤4，按照预测的雨衰值对各信关站按升序进行排序，雨衰值越小表明该信关站当前通信环境越好，将当前通信环境最好的备用信关站G′_S1，与目前环境最差的主用信关站G_SN匹配；然后将当前通信环境次好的备用信关站G′_S2，与通信环境次差的主用信关站G_S(N-1)匹配；并以此类推，直至将当前通信环境最差的备用信关站G′_SP，与目前通信环境排在第N-(P-1)位的主用信关站G_S(N-(P-1))进行匹配；

步骤5，通过门限比较确定需要切换的信关站匹配对；门限比较方法为：若主用信关站G_S(N-k+1)的预测雨衰值

大于主用信关站G_S(N-k+1)的切换门限A_th(N-k+1)且备用信关站G′_Sk的预测雨衰值

小于备用信关站G′_Sk的切换门限A′_thk，进行信关站匹配对k的切换；重复该门限比较过程，直至完成P个信关站匹配对的切换。

所述的计算得到各信关站在过去[t-W,t]时间段内的雨衰值向量I_j(t)，具体为：将各信关站跟踪接收机在晴天时记录的最大电平值作为基准值h_jbase，该值减去各信关站跟踪接收机接收电平值H_j(t)，即为各信关站在过去[t-W,t]时间段内的雨衰值向量I_j(t)＝h_jbase-H_j(t)。

所述的预测各信关站在t+T时刻的雨衰值

具体为：

(31)设置初始取样时间窗口W₀，信道预测时间窗口T；

(32)将取样窗口内取样点雨衰值进行对数变换Y(i)＝ln(A(i))，i∈[t-[W]+1，t-[W]+2，…，t]，得到(Y(t-[W]+1)，Y(t-[W]+2)，…，Y(t))；

(33)在一个取样窗口期内，计算线性回归模型参数(m(t)，q(t)，σ，σ₁，σ₀)；其中

高斯白噪声ξ(t)～N(0,t·σ²)，线性回归模型表示为：

其中：

为取样时刻t输出预测雨衰值，m(t)为t时刻预测的雨衰变化直线斜率，q(t)为t时刻预测的雨衰变化直线截距，

式中[W]为表示不超过W的最大整数，Y(i)为取样窗口内取样点雨衰值的以e为底的对数值；

(34)求出当前时刻t₀的m(t₀)和q(t₀)，根据

得到雨衰预测对数值

(35)确定最佳取样窗口长度；最优取样时间窗口W^*的计算公式如下：

式中

a为取样间隔，n为在取样时间窗口W内取样点个数，

表示不超过

的最大整数；

(36)判断预测值

在(T-Δt)时间内是否已经连续x个点单调变化，x为不超过

的最大整数，如果单调变大或变小，则将取样窗口W更新为上一步的计算结果W^*，并将计数点清零；如果在x个点之内出现拐点，则不更新取样窗口，同时将计数点清零；当计数点尚不足x个时，不更新取样窗口，计数点+1；

(37)对

进行对数逆变换，得到雨衰值

所述的切换门限A_th信关站的不同配置有所不同，具体确定方法为：

A_th＝A_upc·max+G_ACM-3dB，

式中：A_upc·max为上行功率控制器的最大功率补偿能力，G_ACM为自适应编码调制带来的增益。

所述的T为60s。所述的W为5s。

一种适于高通量卫星通信的信关站抗雨衰切换装置，包括信道预测模块和切换判决模块，其中：

信道预测模块：获取在过去[t-W,t]时间段内各信关站跟踪接收机电平值，用向量记为H_j(t)＝[h_j(t-W),…h_j(t)]，其中j为信关站编号，取值从1到N+P，N为主用信关站的数量，P为备用信关站的数量，W为取样时间窗口；计算得到各信关站在过去[t-W,t]时间段内的雨衰值向量I_j(t)；预测各信关站在t+T时刻的雨衰值

切换判决模块：按照预测的雨衰值对各信关站按升序进行排序，雨衰值越小表明该信关站当前通信环境越好，将当前通信环境最好的备用信关站G′_S1，与目前环境最差的主用信关站G_SN匹配；然后将当前通信环境次好的备用信关站G′_S2，与通信环境次差的主用信关站G_S(N-1)匹配；并以此类推，直至将当前通信环境最差的备用信关站G′_SP，与目前通信环境排在第N-(P-1)位的主用信关站G_S(N-(P-1))进行匹配；通过门限比较确定需要切换的信关站匹配对；门限比较方法为：若主用信关站G_S(N-k+1)的预测雨衰值

大于

主用信关站G_S(Nk+1)的切换门限A_th(N-k+1)且备用信关站G′_Sk的预测雨衰值

小于备用信关站G′_Sk的切换门限A′_thk，进行信关站匹配对k的切换；重复该门限比较过程，直至完成P个信关站匹配对的切换。

所述的计算得到各信关站在过去[t-W,t]时间段内的雨衰值向量I_j(t)，具体为：将各信关站跟踪接收机在晴天时记录的最大电平值作为基准值h_jbase，该值减去各信关站跟踪接收机接收电平值H_j(t)，即为各信关站在过去[t-W,t]时间段内的雨衰值向量I_j(t)＝h_jbase-H_j(t)。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明信关站抗雨衰切换流程包括各信关站跟踪接收机电平值获取、雨衰值计算、雨衰值预测、按预测雨衰值排序、主用和备用信关站组成匹配对、门限判决与切换等一系列环节，切换控制逻辑严谨、信道雨衰预测值准确度高、门限切换阈值设置合理，最大可能地保证了系统业务运行的稳定性；

(2)本发明在对信道雨衰进行预测时采用了一种可变更新时间的自适应取样窗口法，通过引入预测雨衰值拐点判读策略，使其对降雨强度的剧烈变化反应灵敏，不会出现雨衰预测值相对真实值滞后的现象，与雨衰真实值更为接近；

(3)本发明在信关站切换门限选取时，综合考虑了系统平均中断概率、频谱效率、切换概率三个因素，可以保证系统具有较高的频谱利用率、较低的中断概率和切换概率。

附图说明

图1是高通量卫星地面信关站N+P方案系统体系架构图；

图2是本发明方法信关站切换策略流程图；

图3是本发明可变更新时间的自适应取样窗口算法流程图；

图4是中星16号卫星成都信关站某时间段雨衰预测值与真实值对比图。

具体实施方式

由于信关站的切换并不是瞬时完成的，需要几十秒的时间完成切换，所以需要提前对信道进行预测，在馈电链路发生中断之前，使信关站完成切换，从而保证业务传输的稳定性。

在两个信关站之间实现流量切换所需全部操作步骤如下：首先，星上需更新负载交换结构以重新将新载波分配到即将使用的备用信关站；其次，部署在网络运营控制中心(NOCC)中的信关站切换控制器(GSC)切换判决模块给备用信关站下达切换指令，备用信关站通过设备管理分系统(EMS)控制高功率放大器(HPA)由待机状态切换到发射状态；最后，用户端站新参数配置的生效，使终端同步到新载波开始接收来自备用信关站的数据包。

本发明的信关站切换控制器(GSC)主要包括信道预测和切换判决两个模块。信道预测模块完成各信关站跟踪接收机电平值获取、各信关站雨衰值计算和预测。切换判决模块完成所有信关站按照雨衰预测值的排序、主用信关站与备用信关站匹配、通过门限比较确定需要切换的信关站匹配对。一旦信关站匹配对符合切换条件，切换判决模块将信关站的切换信息通知NMS，NMS告知受影响的端站退网并下发重新入网的参数；然后发送信关站切换信息到卫星控制中心(SCC)，SCC生成指令上注到卫星；同时通过EMS下发备用信关站HPA切换指令(由待机状态切换到发射状态)和受降雨影响的主用信关站HPA切换指令(由发射状态切换到待机状态)；最后受影响的端站入网到备用信关站，从而完成主用和备用信关站切换。

GSC的功能如下：

(1)通过各信关站EMS收集信关站跟踪接收机电平值，计算出雨衰值；

(2)根据过去一段时间和当前时刻的雨衰值预测出未来某时刻的雨衰值；

(3)能够估计链路中断事件，作出信关站切换决策；

(4)将信关站的切换信息通知NMS，让受影响的端站退网，待重新入网；

(5)发送信关站切换信息到SCC，生成遥控指令上注卫星；

(6)通过EMS下发信关站HPA切换指令，完成主用和备用信关站切换。

GSC的对外接口：

(1)与EMS接口：收集信关站跟踪接收机的电平值；下发备用信关站HPA切换指令(由待机状态切换到发射状态)和受降雨影响的主用信关站HPA切换指令(由发射状态切换到待机状态)。

(2)与NMS接口：发送信关站的切换信息给NMS，由NMS告知受影响的端站退网并下发重新入网的参数。

(3)与SCC接口：发送信关站切换信息到SCC，由SCC生成卫星载荷切换矩阵切换的指令，并通过卫星测控站注入卫星。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

首先介绍高通量卫星地面信关站N+P方案系统体系架构，如图1所示。高通量卫星通信系统由空间段、地面段和用户段组成。空间段为高通量卫星，通常搭载Q/V/Ka频段载荷或全Ka频段载荷。用户段为Ka频段的端站。地面段包括地面测控系统和地面应用系统，前者由卫星控制中心、卫星测控站等组成，后者由N+P个信关站和NOCC组成。N+P个信关站彼此通过地面光纤网络相连接。每个信关站都包含天线分系统、射频分系统、基带分系统、路由切换分系统以及设备管理分系统(EMS)。网络运营控制中心(NOCC)由业务运营支撑分系统(BOSS)和网管分系统(NMS)组成。

为了实现高通量卫星通信的信关站切换，NOCC需要增加信关站切换控制器(GSC)，见图1中虚线框内部分，它包括信道预测和切换判决两个模块。

N+P个信关站切换流程如图2所示，具体描述如下：

(1)各信关站跟踪接收机电平值获取：GSC的信道预测模块通过信关站的EMS收集过去[t-W,t]时间段内主用信关站跟踪接收机电平值向量H₁(t),H₂(t)…H_N(t)和备用信关站的跟踪接收机电平值向量H′₁(t),H′₂(t)…H′_P(t)，单位为dBm，W为取样时间窗口，单位为s。

为了叙述方便，可设H_N+1(t)＝H′₁(t)，H_N+2(t)＝H′₂(t)，…H_N+P(t)＝H′_P(t)，则各个信关站跟踪接收机在[t-W,t]时间段内电平值向量可表示为H_j(t)＝[h_j(t-W),…h_j(t)]，其中j为信关站编号，取值从1到N+P。

(2)各信关站雨衰值计算：将各信关站跟踪接收机在晴天时记录的最大电平值作为基准值h_jbase，该值减去各信关站跟踪接收机接收电平值向量H_j(t)，即为各信关站在过去[t-W,t]时间段内的雨衰值向量I_j(t)＝h_jbase-H_j(t),单位为dB。

(3)各信关站雨衰值预测：信道预测模块根据各信关站雨衰值向量I_j(t)＝[A_j(t-W)…A_j(t)]，预测t+T时刻的雨衰值

其中T为信道预测时间窗口(典型值60s)。

对于雨衰预测，本发明采用一种可变更新时间的自适应取样窗口法，将现有的按照固定时间更新取样窗口的设计改进成在一段时间内判断雨衰连续预测值是否单调变化来更新取样窗口的设计，达到更加精准预测雨衰值的目的。该方法基于线性回归模型，模型公式如下：

其中，

为取样时刻t输出预测雨衰值；

m(t)为t时刻预测的雨衰变化直线斜率；

q(t)为t时刻预测的雨衰变化直线截距。

m(t)的计算公式如下：

q(t)的计算公式如下：

上述计算公式中[W]为表示不超过W的最大整数；Y(i)为取样窗口内取样点雨衰值的对数值(以e为底)，i为取样窗口内的时间点，i∈[t-[W]+1,t-[W]+2，…，t]。

本发明采用的可变更新时间的自适应取样窗口法运行流程如下：

·设置初始取样时间窗口(W₀)，信道预测时间窗口(T)；

·根据线性回归模型的输入需求，将取样窗口内取样点雨衰值进行对数变换Y(i}＝ln(A(i))，i∈[t-[W]+1,t-[W]+2，…，t]，得到(Y(t-[W]+1)，Y(t-[W]+2)，…，Y(t))；

·在一个取样窗口期内，根据线性回归参数公式，计算线性回归参数(m(t)，q(t)，σ，σ₁，σ₀)；其中

高斯白噪声ξ(t)～N(0,t·σ²)；

·根据线性回归模型公式，利用前一步的结果，求出当前时刻t₀的m(t₀)和q(t₀)。根据

得到雨衰预测对数值

·根据取样窗口参数公式，确定最佳取样窗口长度。最优取样时间窗口W^*的计算公式如下：

式中

a为取样间隔(信关站跟踪接收机电平取样间隔，典型值为5s)，n为在取样时间窗口W内取样点个数，

表示不超过

的最大整数；

·判断预测值

在(T-Δt)时间内是否已经连续x个点单调变化(x为不超过

的整数，Δt为信关站切换所需时间，典型值为30s；T的典型值60s，a的典型值5s，因此x的典型值为6)，如果单调变大或变小(未出现拐点)，则将取样窗口W更新为上一步的计算结果W^*，并将计数点清零；如果在x个点之内出现拐点(指不再单调变化)，则不更新取样窗口，同时将计数点清零。当计数点尚不足x个时，不更新取样窗口，计数点+1。

·对

进行对数逆变换，得到雨衰值

通过调用j次该算法，可以计算出j个信关站t+T时刻预测的雨衰值

j的取值从1到N+P。为了叙述方便，设

则N+P个信关站在同一时刻雨衰的预测值可以分别表示为

整个雨衰预测算法流程如图3所示。

利用本发明的雨衰预测算法(可变时间更新取样窗口)和已有的自适应取样窗口法(固定时间更新取样窗口)对中星16号卫星成都信关站某段时间内的雨衰值进预测，预测值与真实值曲线图如图4所示，图中横坐标2000s，对应2019年8月30日17点31分09秒，雨衰预测初始取样窗口为40s，取样间隔为5s。从图中可以看出，自适应窗口法对雨衰整体上升和下降趋势的预测存在滞后现象，而本发明的雨衰预测方法不存在滞后现象，对降雨强度剧烈变化反应的灵敏度更高，与雨衰真实值的更为接近。

(4)所有信关站按照雨衰预测值排序：切换判决模块将主用站和备用站预测雨衰值分别按升序由小到大排列，预测雨衰值最小的主用信关站，其相应的预测雨衰值记为

该信关站记为G_S1，其当前通信环境最好；预测雨衰值最大的主用信关站，其相应的预测雨衰值记为

该信关站记为G_SN，其当前通信环境最差；预测雨衰值排在第k位的备用信关站，其相应的预测雨衰值记为

该信关站记为G′_Sk。由此定义可得：

(5)主用信关站与备用信关站组成匹配对：将当前通信环境最好的备用信关站G′_S，与当前通信环境最差的主用信关站G_SN匹配；然后将当前通信环境次好的备用信关站G′_S2，与通信环境次差的主用信关站G_S(N-1)匹配；并以此类推，直至将所有备用信关站匹配完毕，即当前通信环境最差的备用信关站G′_SP与目前通信环境排在第N-(P-1)位的主用信关站G_S(N-(P-1))进行匹配。

例如对于N+P的配置来说，匹配结果如表1所示。

表1主备站匹配结果

(6)通过门限比较确定需要切换的信关站匹配对：当主用信关站G_SN的预测雨衰值

(主用信关站G_SN的切换门限)且备用信关站G′_S1的预测雨衰值

(备用信关站G′_S1的切换门限)进行信关站匹配对1的切换，从G_SN切换至G′_S1。切换后，返回继续比较下一信关站匹配对各自的预测雨衰值与各自的切换门限值的关系，若主用信关站G_S(N-k+1)的预测雨衰值

且备用信关站G′_Sk的预测雨衰值

进行信关站匹配对k的切换。重复此切换判决过程，直至不满足上述匹配对的切换条件，或所有的P个匹配对均已完成切换为止。

N+P信关站切换门限A_th选取方法：

信关站馈电链路降雨时，降雨对系统链路的影响取决于信关站上行功率控制器(UPC)的功率补偿能力。设A_upc·max为UPC的最大功率补偿能力(dB)，则：

A_upc·max＝10*Log(P_HPA·emax)-10*Log(P_et)

式中：

P_et为晴天时载波所需地球站功放发射功率(W)；

P_HPA·emax为信关站功放法兰口输出的最大功率(W)；

又设：

R_bs为晴天时载波信息速率，R_br为雨天时载波信息速率，单位为比特每秒(bit/s或bps)；

E_b/N_0.ths为晴天时系统所采用的调制编码方式所对应的E_b/N₀门限值(dB)；

E_b/N_0.thr为雨天时系统所支持的最低阶的调制编码方式所对应的E_b/N₀门限值(dB)；

自适应编码调制(ACM)对系统带来的增益为：

G_ACM＝E_b/N_0.ths-E_b/N_0.thr+10*LOG(R_bs/R_br)

因此信关站中断门限：A_T＝A_upc·max+G_ACM

在实际系统设计时，一般选择切换门限A_th小于中断门限A_T，这时系统会在信关站发生中断前进行切换，此时系统可以获得更高的频谱效率，但这会带来系统切换概率及系统平均中断概率的提高。因此，信关站门限的选择是系统平均中断概率、频谱效率、切换频率三者权衡的结果。综合考虑三个因素，选取门限为A_th＝A_T-3dB＝A_upc·max+G_ACM-3dB。

处于不同降雨强度区的信关站配置的天线口径或功放选型不尽相同，此时不同配置的信关站计算出的切换门限A_th是不同的，记为A_th1，A_th2……A_thN，A′_th1，A′_th2……A′_thP。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种适于高通量卫星通信的信关站抗雨衰切换方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，获取在过去[t-W,t]时间段内各信关站跟踪接收机电平值，用向量记为H_j(t)＝[h_j(t-W),…h_j(t)]，其中j为信关站编号，取值从1到N+P，N为主用信关站的数量，P为备用信关站的数量，W为取样时间窗口；

步骤2，利用步骤1的结果，计算得到各信关站在过去[t-W,t]时间段内的雨衰值向量I_j(t)；

步骤3，利用步骤2的结果，预测各信关站在t+T时刻的雨衰值

T为信道预测时间窗口；

步骤4，按照预测的雨衰值对各信关站按升序进行排序，雨衰值越小表明该信关站当前通信环境越好，将当前通信环境最好的备用信关站G′_S1，与目前环境最差的主用信关站G_SN匹配；然后将当前通信环境次好的备用信关站G′_S2，与通信环境次差的主用信关站G_S(N-1)匹配；并以此类推，直至将当前通信环境最差的备用信关站G′_SP，与目前通信环境排在第N-(P-1)位的主用信关站G_S(N-(P-1))进行匹配；

步骤5，通过门限比较确定需要切换的信关站匹配对；门限比较方法为：若主用信关站G_S(N-k+1)的预测雨衰值

大于主用信关站G_S(N-k+1)的切换门限A_th(N-k+1)且备用信关站G′_Sk的预测雨衰值

小于备用信关站G′_Sk的切换门限A′_thk，进行信关站匹配对k的切换；重复该门限比较过程，直至完成P个信关站匹配对的切换。

2.根据权利要求1所述的一种适于高通量卫星通信的信关站抗雨衰切换方法，其特征在于：所述的计算得到各信关站在过去[t-W,t]时间段内的雨衰值向量I_j(t)，具体为：将各信关站跟踪接收机在晴天时记录的最大电平值作为基准值h_jbase，该值减去各信关站跟踪接收机接收电平值H_j(t)，即为各信关站在过去[t-W,t]时间段内的雨衰值向量I_j(t)＝h_jbase-H_j(t)。

3.根据权利要求2所述的一种适于高通量卫星通信的信关站抗雨衰切换方法，其特征在于：所述的预测各信关站在t+T时刻的雨衰值

具体为：

(31)设置初始取样时间窗口W₀，信道预测时间窗口T；

(32)将取样窗口内取样点雨衰值进行对数变换Y(i)＝ln(A(i))，i∈[t-[W]+1,t-[W]+2，…，t]，得到(Y(t-[W]+1)，Y(t-[W]+2)，…，Y(t))；

(33)在一个取样窗口期内，计算线性回归模型参数(m(t)，q(t)，σ，σ₁，σ₀)；其中

高斯白噪声ξ(t)～N(0,t·σ²)，线性回归模型表示为：

其中：

为取样时刻t输出预测雨衰值，m(t)为t时刻预测的雨衰变化直线斜率，q(t)为t时刻预测的雨衰变化直线截距，

式中[W]为表示不超过W的最大整数，Y(i)为取样窗口内取样点雨衰值的以e为底的对数值；

(34)求出当前时刻t₀的m(t₀)和q(t₀)，根据

得到雨衰预测对数值

(35)确定最佳取样窗口长度；最优取样时间窗口W^*的计算公式如下：

式中

a为取样间隔，n为在取样时间窗口W内取样点个数，

表示不超过

的最大整数；

(36)判断预测值

在(T-Δt)时间内是否已经连续x个点单调变化，x为不超过

的最大整数，如果单调变大或变小，则将取样窗口W更新为上一步的计算结果W^*，并将计数点清零；如果在x个点之内出现拐点，则不更新取样窗口，同时将计数点清零；当计数点尚不足x个时，不更新取样窗口，计数点+1；

(37)对

进行对数逆变换，得到雨衰值

4.根据权利要求3所述的一种适于高通量卫星通信的信关站抗雨衰切换方法，其特征在于：所述的切换门限A_th信关站的不同配置有所不同，具体确定方法为：

A_th＝A_upc.max+G_ACM-3dB,

式中：A_upc·max为上行功率控制器的最大功率补偿能力，G_ACM为自适应编码调制带来的增益。

5.根据权利要求3所述的一种适于高通量卫星通信的信关站抗雨衰切换方法，其特征在于：所述的T为60s。

6.根据权利要求3所述的一种适于高通量卫星通信的信关站抗雨衰切换方法，其特征在于：所述的W为5s。

7.一种适于高通量卫星通信的信关站抗雨衰切换装置，其特征在于：包括信道预测模块和切换判决模块，其中：

信道预测模块：获取在过去[t-W,t]时间段内各信关站跟踪接收机电平值，用向量记为H_j(t)＝[h_j(t-W),…h_j(t)]，其中j为信关站编号，取值从1到N+P，N为主用信关站的数量，P为备用信关站的数量，W为取样时间窗口；计算得到各信关站在过去[t-W,t]时间段内的雨衰值向量I_j(t)；预测各信关站在t+T时刻的雨衰值

切换判决模块：按照预测的雨衰值对各信关站按升序进行排序，雨衰值越小表明该信关站当前通信环境越好，将当前通信环境最好的备用信关站G′_S1，与目前环境最差的主用信关站G_SN匹配；然后将当前通信环境次好的备用信关站G′_S2，与通信环境次差的主用信关站G_S(N-1)匹配；并以此类推，直至将当前通信环境最差的备用信关站G′_SP，与目前通信环境排在第N-(P-1)位的主用信关站G_S(N-(P-1))进行匹配；通过门限比较确定需要切换的信关站匹配对；门限比较方法为：若主用信关站G_S(N-k+1)的预测雨衰值

大于主用信关站G_S(N-k+1)的切换门限A_th(N-k+1)且备用信关站G′_Sk的预测雨衰值

小于备用信关站G′_Sk的切换门限A′_thk，进行信关站匹配对k的切换；重复该门限比较过程，直至完成P个信关站匹配对的切换。

8.根据权利要求7所述的一种适于高通量卫星通信的信关站抗雨衰切换装置，其特征在于：所述的计算得到各信关站在过去[t-W,t]时间段内的雨衰值向量I_j(t)，具体为：将各信关站跟踪接收机在晴天时记录的最大电平值作为基准值h_jbase，该值减去各信关站跟踪接收机接收电平值H_j(t)，即为各信关站在过去[t-W,t]时间段内的雨衰值向量I_j(t)＝h_jbase-H_j(t)。

9.根据权利要求8所述的一种适于高通量卫星通信的信关站抗雨衰切换装置 ，其特征在于：所述的预测各信关站在t+T时刻的雨衰值

具体为：

(31)设置初始取样时间窗口W₀，信道预测时间窗口T；

(32)将取样窗口内取样点雨衰值进行对数变换Y(i)＝ln(A(i))，i∈[t-[W]+1,t-[W]+2，…，t]，得到(Y(t-[W]+1)，Y(t-[W]+2)，…，Y(t))；

(33)在一个取样窗口期内，计算线性回归模型参数(m(t)，q(t)，σ，σ₁，σ₀)；其中

高斯白噪声ξ(t)～N(0，t·σ²)，线性回归模型表示为：

其中：

为取样时刻t输出预测雨衰值，m(t)为t时刻预测的雨衰变化直线斜率，q(t)为t时刻预测的雨衰变化直线截距，

式中[W]为表示不超过W的最大整数，Y(i)为取样窗口内取样点雨衰值的以e为底的对数值；

(34)求出当前时刻t₀的m(t₀)和q(t₀)，根据

得到雨衰预测对数值

(35)确定最佳取样窗口长度；最优取样时间窗口W^*的计算公式如下：

式中

a为取样间隔，n为在取样时间窗口W内取样点个数，

表示不超过

的最大整数；

(36)判断预测值

在(T-Δt)时间内是否已经连续x个点单调变化，x为不超过

的最大整数，如果单调变大或变小，则将取样窗口W更新为上一步的计算结果W^*，并将计数点清零；如果在x个点之内出现拐点，则不更新取样窗口，同时将计数点清零；当计数点尚不足x个时，不更新取样窗口，计数点+1；

(37)对

进行对数逆变换，得到雨衰值

10.根据权利要求8所述的一种适于高通量卫星通信的信关站抗雨衰切换装置 ，其特征在于：所述的切换门限A_th信关站的不同配置有所不同，具体确定方法为：

A_th＝A_upc·max+G_ACM-3dB，

式中A_upc·max为上行功率控制器的最大功率补偿能力，G_ACM为自适应编码调制带来的增益。

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