CN113038568A - 卫星通信系统中基于信噪比的路由选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星通信领域，特别涉及一种卫星通信系统中基于信噪比的路由选择方法；所述方法包括根据卫星节点的时空拓扑图获取源卫星节点与目的卫星节点之间的所有候选路径集；根据所述候选路径集中卫星节点的相对位置求解卫星节点之间的传输信噪比；根据所述传输信噪比和传输单位数据消耗的能量求解卫星节点间链路权重因子；根据链路权重因子以及传输数据量的乘积大小，构建能耗最小模型进行路径选择，从所述候选路径集中选择出能耗最小的链路进行数据包转发；本发明基于时空拓扑图的候选路径集设计一种基于信噪比的路由传输方法，能够降低丢包率和数据的重传概率，保证数据的可靠传输，降低端到端时延。

Description

卫星通信系统中基于信噪比的路由选择方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，特别涉及一种卫星通信系统中基于信噪比的路 由选择方法。

背景技术

卫星网络以其独特的空间优势成为实现全球无缝通信的最重要环节。目前 卫星网络的研究重心主要集中在路由算法，移动性管理以及安全等方面，然而， 由于卫星网络拓扑的高度动态性以及时变性，如何对卫星网络进行合理的控制， 使得卫星网络技术应用于导航定位、气象预测和紧急救援等领域。同时，伴随 移动通信网络的发展，随时随地接入高速互联网已经成为研究者的一大目标， 然而基于经济成本与建设复杂度的考虑，荒漠和海洋等偏远地区仍然难以接入 高速互联网，进而成为信息孤岛。卫星通信由于覆盖广且不受地理因素的限制， 可以很好地解决这个问题，因此研究者对卫星网络通信进行了广泛研究。卫星 通信由最初的单星通信发展到星座组网通信，并且卫星之间通过星间链路进行组网逐渐成为研究的趋势。

在卫星星座组网时，路由问题是保障通信质量核心问题，卫星网络路由策 略目前并没有一个普适性的标准化协议体系或者技术框架，现在的主流卫星路 由算法(考虑星上多跳路由转发情况下的路由)大多考虑最短转发路径，或者考虑 QoS(quality ofservice，服务质量)路由。这些算法都是在星间链路连通且链路质 量稳定的前提下进行的。然而，现有的互联网路由协议难以直接用于卫星网络， 是因为卫星网络拓扑动态性高，卫星节点性能较低，而且星间链路的时延较高、 带宽较低。所以，如果将互联网中的路由协议直接运行在卫星网络中，将导致 频繁进行路由计算、路由收敛缓慢。

信噪比是衡量通信质量的指标之一，进行信道分配，功率控制等的过程中 都需要知道信噪比的数值以获取最佳性能，信噪比的精确量化对卫星路由选择 也非常重要，是卫星通信网络路由的重要研究课题。近年来，对信噪比估计的 研究已经取得一定进展，国内外学者针对不同的通信系统提出了相应信噪比估 计的算法。有学者提出基于极大似然估计方法，设计时变信道中的信噪比估计 方法，还有学者提出基于正交相移键控调制方式，利用信号与噪声的二阶、四 阶矩之间的关系估计加性高斯白噪声通道的信噪比水平。虽然近年来无线网络 信噪比估计已取得一定的进展，但仍处于研究的起步阶段。现有研究在刻画信 噪比时忽略了卫星所处环境干扰对通信质量的影响，然而链路在自由空间链路 中的损耗对路由策略具有重要影响，对信噪比的精确量化分析可以有效避免路 由策略失效的概率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种卫星通信系统中基于信噪比的路由选 择方法，包括以下步骤：

根据卫星节点的时空拓扑图获取源卫星节点与目的卫星节点之间的所有候 选路径集；

根据所述候选路径集中卫星节点的相对位置求解卫星节点之间的传输信噪 比；

根据所述传输信噪比和传输单位数据消耗的能量求解卫星节点间链路权重 因子；

根据链路权重因子以及传输数据量的乘积大小，构建能耗最小模型进行路 径选择，从所述候选路径集中选择出能耗最小的链路进行数据包转发。

优选的，在所述根据卫星节点的时空拓扑图获取源卫星节点与目的卫星节 点之间的所有候选路径集之前还包括地面管理控制中心获取卫星网络的时空拓 扑以及卫星节点之间的相互关系，构建卫星节点的时空拓扑图。

本发明的有益效果：

本发明基于时空图的候选路径集设计一种基于信噪比的路由传输方法，在 进行路由选择前将卫星节点间的干扰进行量化，通过干扰计算链路的中断概率， 避免传统路由方法中当链路发生中断后需要再重新进行路由选择，本方法在选 路的过程中综合路径能够降低丢包率和数据的重传概率，保证数据的可靠传输， 降低端到端时延。

附图说明

图1为本发明卫星网络的通信场景图；

图2为本发明的一种基于信噪比的路由选择方法的流程图；

图3为本发明优选实施例的一种基于信噪比的路由选择方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

卫星通信具有覆盖范围大、可靠性好、传输效率高等特点，在诸多领域都 有非常广泛的应用，如图1所示，卫星网络可以用于海陆空等方面，例如，飞 行器、轮船、车辆导航等。

卫星网络路由策略目前并没有一个普适性的标准化协议体系或者技术框 架，现在的主流卫星路由算法(考虑星上多跳路由转发情况下的路由)大多考虑最 短转发路径，或者考虑QoS(quality of service，服务质量)路由。这些算法都是在 星间链路连通且链路质量稳定的前提下进行的。然而，现有的互联网路由协议 难以直接用于卫星网络，是因为卫星网络拓扑动态性高，卫星节点性能较低， 而且星间链路的时延较高、带宽较低。所以，如果将互联网中的路由协议直接 运行在卫星网络中，将导致频繁进行路由计算、路由收敛缓慢。所以，本实施 例结合卫星网络的特点进行路由算法设计，以使其适用于卫星网络。

图2为本发明实施例的一种基于信噪比的路由选择方法的流程图，该方法 可以实现动态最优路由中继选择，提高数据传输的可靠性，提升网络性能，该 方法包括但不限于如下步骤：

102、根据卫星节点的时空拓扑图获取源卫星节点与目的卫星节点之间的所 有候选路径集；

在本发明实施例中，时空拓扑图中包含了大量的卫星节点，将这些卫星节 点的可能路径作为候选路径集；假设任务发送节点s到目的节点d之间的所有路 径，表示为N＝{n₁,n₂,…,n_m}，其中n_m表示第m条候选路径。

103、根据所述候选路径集中卫星节点的相对位置求解卫星节点之间的传输 信噪比；

根据卫星节点间的位置关系，求解任务传输信噪比。根据时空演化图可以 确定卫星的瞬时位置和速度信息，假设地球轨道倾角为i，近地点幅角为ω，轨 道长半轴为a，偏心率表示为e，卫星的运行时间为t。则a和e可以确定卫星轨 道的形状。则卫星的位置可以表示为L_s(t)＝[x(t),y(t),z(t)]，即

根据卫星节点之间的相关位置关系，通过欧拉公式可以求解相邻卫星之间 的距离

目的卫星接收信号任务大小由原卫星的发射功率，信道传输增益和噪声影 响，表示为

y＝hRx+n

其中x是发射强度，h是通道状态，y是最终的信号，n是与信号无关的加 性高斯白噪声，方差

当卫星网络的发射功率和信道噪声已知的情况下，接收信号的大小只与信 道增益相关。对于星间激光链路来说，激光在自由空间链路中的损耗包括跟瞄 误差导致接收端不在高斯光束中心的几何损耗以及由于长距离传输引起的路径 损耗。当跟瞄误差角为θ、星间激光链路距离为L时，对于束散角半宽为w0 的高斯光束来说，链路损耗因子h可以具体表示为

因为h服从的概率密度分布为：

SNR_ij表示卫星节点i到卫星节点j之间的传输信噪比；h_ij表示卫星节点i到卫 星节点j的链路损耗因子；L_ij表示卫星节点i到卫星节点j之间激光链路距离；γ 表示激光的波长；G表示信号的增益；N₀表示噪声的功率谱密度。任意两卫星 节点之间的信号强度SNR具体可表示为

其中|h_ij|²遵循非中心卡方(χ²)分布，具有的概率密度函数为：

104、根据所述传输信噪比和传输单位数据消耗的能量求解卫星节点间链路 权重因子；

当信道的SNR小于给定的阈值时，数据在传输的过程会发生中断概率，影 响星间链路的传输质量，以此需要设定SNR中断阈值β来保证任务传输不受影 响。则链路(v_i,v_j)之间的SNR小于中断阈值的概率表示为

那么，在i和j之间的SNR阈值β处的分组的成功概率为：

其中，P_r{}表示中断概率函数；定义

表示在时隙τ任务从卫星i传输到卫 星j时任务传输的中断概率，则表示为

根据链路的中断概率，可以选择中断概率小的传输路径进行任务计算，保 证信息的可靠传输。因此可以将中断概率作为链路选择的权重因子的组成部分 来进行路由的选择。

假设传输任务的任务量大小为W，卫星节点i和j之间传输单位数据需要消 耗的能量表示为s_ij。令α_ij作为卫星节点i到卫星节点j之间的链路权重因子，则 α_ij表示为

其中η表示中断概率系数，通过调整η的大小来调整中断概率的影响力。

105、根据链路权重因子以及传输数据量的乘积大小，构建能耗最小模型进 行路径选择，从所述候选路径集中选择出能耗最小的链路进行数据包转发。

假设在时间τ内，任务节点i发送任务时存在m条链路，表示为 N＝{n₁,n₂,…,n_m},则任务节点i发送任务量大小W_i需要选择合理的路由机制来保证 任务传输能耗最小，降低任务重传概率。因此基于以上内容，路由选择问题表 示为：

其中，S表示任务传输消耗的总能量，α_ij表示卫星节点i到卫星节点j之间 的链路权重因子；ω_ij表示在卫星节点i和卫星节点j构成的链路(v_i,v_j)上传输的 数据量大小，

表示在链路n_i上传输的数据量大小；N表示候选路径集；约束 条件C1表示任务数据量总和为W；约束C2表示每条链路上传输的数据量大小 都不能超过该链路自身带宽容量，c_ij表示卫星节点i和卫星节点j构成的链路的 带宽容量；E表示时空拓扑图中的链路；约束C3表示流入每个卫星节点的数据 量大小和流出每个卫星节点的数据量大小相等，即卫星节点之间没有数据缓存； V表示时空拓扑图中的卫星节点。

路由选择为是NP-Hard问题，此类问题可以用启发式问题进行求解，例如 粒子群算法、遗传算法等，本发明对此求解方式不作具体的限定，本领域技术 人员根据相应的需求进行选择。

在一些优选实施例中，图3为本发明优选实施例中的基于信噪比的路由选 择方法的流程图，如图3所示，所述方法包括：

101、地面管理控制中心获取卫星网络的时空拓扑以及卫星节点之间的相互 关系，构建卫星节点的时空拓扑图；

具体的，在本发明实施例中，为了确定源卫星到目的卫星之间是否需要采 用中继卫星进行转发，首先要获取卫星网络的时空拓扑和卫星间的相互关系， 其中，卫星网络的时空拓扑表示各卫星之间的链路连接情况以及卫星与地面站 之间的连接情况，卫星网络拓扑可以采用以下方式获取：各轨道卫星在轨道内 选出一颗卫星收集本轨道内的卫星及链路信息，下发给地面站，然后由地面站 统一计算，路由表项，再回传给卫星。还可以利用快照捕获卫星网络的时空拓 扑；本发明实施例不对获取卫星网络拓扑的方式进行具体限制，用户也可以通 过其他方式进行获取；另外对于卫星间的相互关系，本实施例需要获取卫星以 及其临近卫星的关系。

102、根据卫星节点的时空拓扑图获取源卫星节点与目的卫星节点之间的所 有候选路径集；

在本发明实施例中，可以通过深度优先搜索算法、广度优先搜索方法或者 两者的结合搜索方法获取源卫星节点与目的卫星节点之间的所有候选路径集， 所搜完成的候选路径集记为N＝{n₁,n₂,…,n_m}，其中，n_m表示第m条候选路径。

深度优先搜索(Depth First Search,简称DFS)与广度优先搜索(Breath FirstSearch)是图论中两种非常重要的算法，生产上广泛用于拓扑排序，寻路(走迷宫)， 搜索引擎，爬虫等，深度优先搜索主要思路是从图中一个未访问的顶点V开始， 沿着一条路一直走到底，然后从这条路尽头的节点回退到上一个节点，再从另 一条路开始走到底...，不断递归重复此过程，直到所有的顶点都遍历完成；广度 优先搜索主要思路指的是从图的一个未遍历的节点出发，先遍历这个节点的相 邻节点，再依次遍历每个相邻节点的相邻节点。本发明实施例中，在时空拓扑 图中，利用深度优先搜索或者广度优先搜索原则遍历出当前源卫星节点到目的 卫星节点之间的所有候选路径，并形成候选路径集。

103、根据所述候选路径集中卫星节点的相对位置求解卫星节点之间的传输 信噪比；

104、根据所述传输信噪比和传输单位数据消耗的能量求解卫星节点间链路 权重因子；

105、根据链路权重因子以及传输数据量的乘积大小，构建能耗最小模型进 行路径选择，从所述候选路径集中选择出能耗最小的链路进行数据包转发。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、 “顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、 “外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图 所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或 暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连 接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也 可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直 接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元 件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言， 可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言， 可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变 化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种卫星通信系统中基于信噪比的路由选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据卫星节点的时空拓扑图获取源卫星节点与目的卫星节点之间的所有候选路径集；

根据所述候选路径集中卫星节点的相对位置求解卫星节点之间的传输信噪比；

根据所述传输信噪比和传输单位数据消耗的能量求解卫星节点间链路权重因子；

根据链路权重因子以及传输数据量的乘积大小，构建能耗最小模型进行路径选择，从所述候选路径集中选择出能耗最小的链路进行数据包转发。

2.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统中基于信噪比的路由选择方法，其特征在于，所述卫星节点的时空拓扑图的构建方式包括地面管理控制中心获取卫星网络的时空拓扑以及卫星节点之间的相互关系，构建卫星节点的时空拓扑图。

3.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统中基于信噪比的路由选择方法，其特征在于，所述获取源卫星节点与目的卫星节点之间的所有候选路径集包括通过深度优先搜索算法、广度优先搜索方法或者两者的结合搜索方法获取源卫星节点与目的卫星节点之间的所有候选路径集，所搜完成的候选路径集记为N＝{n₁,n₂,…,n_m}，其中，n_m表示第m条候选路径。

4.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统中基于信噪比的路由选择方法，其特征在于，所述候选路径集中卫星节点的相对位置通过所述卫星节点在所述时空拓扑图中的位置进行求解。

5.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统中基于信噪比的路由选择方法，其特征在于，所述卫星节点之间的传输信噪比的计算公式表示为：

其中，SNR_ij表示卫星节点i到卫星节点j之间的传输信噪比；h_ij表示卫星节点i到卫星节点j的链路损耗因子；L_ij表示卫星节点i到卫星节点j之间激光链路距离；γ表示激光波长；G表示信号增益；N₀表示噪声的功率谱密度。

6.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统中基于信噪比的路由选择方法，其特征在于，所述卫星节点间链路权重因子的计算公式表示为：

其中，α_ij表示卫星节点i到卫星节点j之间的链路权重因子；η表示中断链路条数；

表示在时隙τ任务从卫星i传输到卫星j时任务传输的中断概率；s_ij表示为卫星节点i与卫星节点j之间传输单位数据需要消耗的能量。

7.根据权利要求6所述的一种卫星通信系统中基于信噪比的路由选择方法，其特征在于，所述在时隙τ任务从卫星i传输到卫星j时任务传输的中断概率通过中断阈值进行区分，即当卫星节点i到卫星节点j之间的传输信噪比大于或等于所述中断阈值时，该中断概率为0，当所述卫星节点i到卫星节点j之间的传输信噪比小于所述中断阈值时，该中断概率为在卫星节点i和卫星节点j之间的中断阈值处分组的成功概率。

8.根据权利要求7所述的一种卫星通信系统中基于信噪比的路由选择方法，其特征在于，所述在卫星节点i和卫星节点j之间的中断阈值处分组的成功概率表示为：

其中，p_ij表示为在卫星节点i和卫星节点j之间的中断阈值处分组的成功概率；P_r{}表示中断概率函数；h_ij表示卫星节点i到卫星节点j的链路损耗因子；β表示中断阈值；L_ij表示卫星节点i到卫星节点j之间激光链路距离；G表示信号增益；N₀表示噪声的功率谱密度。

9.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统中基于信噪比的路由选择方法，其特征在于，所述能耗最小模型表示为：

其中，S表示任务传输消耗的总能量，α_ij表示卫星节点i到卫星节点j之间的链路权重因子；ω_ij表示在卫星节点i和卫星节点j构成的链路(v_i,v_j)上传输的数据量大小，

表示在链路n_i上传输的数据量大小；N表示候选路径集；约束条件C1表示任务数据量总和为W；约束C2表示每条链路上传输的数据量大小都不能超过该链路自身带宽容量，c_ij表示卫星节点i和卫星节点j构成的链路的带宽容量；E表示时空拓扑图中的链路；约束C3表示流入每个卫星节点的数据量大小和流出每个卫星节点的数据量大小相等，即卫星节点之间没有数据缓存；V表示时空拓扑图中的卫星节点。

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