CN113329466A - 卫星组网交叉信息融合通信路由方法 - Google Patents

Abstract

一种卫星组网交叉信息融合通信路由方法，通过物理层接收空间电磁波，提取数据帧和物理状态特性分别传送至链路层和网络层；链路层从获得的数据帧中提取网络包和链路状态特性传送至网络层；网络层将从物理层和数据链路层获得的状态特性参数融入网络层的路由算法，并反向控制物理层和数据链路层的通信体质，实现在轨自适应组网。

Description

卫星组网交叉信息融合通信路由方法

技术领域

本发明涉及的是一种卫星组网通信领域的技术，具体是一种利用交叉层通信模型信息融合算法的卫星组网通信路由方法，该方法可以有效提高通信质量和效率。

背景技术

卫星组网是一种基于卫星星座的空间无线互联网，由于卫星星座的拓扑动态性、空间信道随机性以及空间节点的局限性，会造成任意空间节点之间或者任意空间节点与地面节点之间的连接中断、通信干扰、能量不足和信号遮挡等问题。为解决上述问题，并最大程度地提升通信效率(包括时间效率、频谱效率和能量效率)和服务质量(包括通信延时、通信速率和通信可靠性)，一种涉及多源信息融合技术的组网路由方法是提升卫星组网通信质量和通信效率的关键突破口。目前已有的卫星网络技术，都是单一地从网络层、链路层或者物理层的单源信息出发，并未涉及多源信息融合，所以整体性能不够完善，无法真正实现动态调整的高效目的。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种卫星组网交叉信息融合通信路由方法，通过物理层接收空间电磁波，提取数据帧和物理状态特性分别传送至链路层和网络层；链路层从获得的数据帧中提取网络包和链路状态特性传送至网络层；网络层将从物理层和数据链路层获得的状态特性参数融入网络层的路由算法，并反向控制物理层和数据链路层的通信体质，实现在轨自适应组网。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种卫星组网交叉信息融合通信路由方法，包括：

步骤1、物理层通过微波天线与空间交换信号能量，当接收到数传信号、遥控/遥测信号或信令信号中的任何一种时，提取出接收信号的数据帧信息、发射端和空间信道的物理状态特性，获取接收信号物理参数。

所述的物理层包含：依次相连的微波天线、射频前端系统和数字基带系统，其中：射频前端系统包括：低噪放、耦合器、混频器和模数转换器；数字基带系统包括：数字滤波器、数字混频器、数字变换器。

所述的接收信号物理状态特性参数包括：接收功率、接收频率、信噪比、调制方式和码速率。

步骤2、数据链路层通过与物理层之间的信号接口接收数据帧，当接收到数传帧、遥控/遥测帧或信令帧中的任何一种数据帧时，通过数据链路层提取数据帧中的网络包、发射端和空间信道的链路状态特性、网络包的链路参数。

所述的数据链路层包含：帧解析模块、编码解析模块、数据校验模块。

所述的数据帧包括：数传帧、遥控/遥测帧和信令帧。

所述的链路状态特性包括：误码率、编码方式和资源复用方式。

步骤3、网络层通过与数据链路层之间的信号接口接收网络包，当接收到数传包、遥控/遥测包或信息包中的任何一种网络包时，通过网络层提取接收网络包中原始状态特性参数。

所述的原始状态特性参数包括：拓扑信息、发射端和空间信道的网络状态特性，具体包括：功率、频率、信噪比、调制方式、码速率、误码率、编码方式、网络拓扑结构、网络连通性和轨道信息。

所述的网络层包含：网络包数据解析模块、路由算法模块和路由状态模块。

所述的网络包包括：数传包、遥控/遥测包和信息包。

步骤4、应用层根据上层需求和预存的星座信息，产生轨道外推信息并传输至网络层。

所述的应用层是指：卫星系统的星务计算机分系统、载荷分系统和控制分系统。

所述的上层需求是指：由应用层中的各分系统产生的通信业务需求。

所述的轨道外推信息，基于卫星轨道研制阶段所设计的轨道六要素，并结合在轨实际运行状态，计算得到卫星未来的轨道状态，即轨道外推信息。

步骤5、网络层根据来自物理层的物理状态特性参数、来自数据链路层的链路状态特性参数、来自网络层的网络状态特性参数和来自应用层的轨道外推信息，通过预处理算法分别提取出空间衰减、多普勒频移、空间噪声、信号漂移、误码特性和位置信息，利用本节点的应用层信息，提取矢量链路、节点功耗和节点状态信息。

所述的预处理算法是指：利用从物理层、链路层和网络层提取的原始状态特性参数提取出：空间衰减、多普勒频移、空间噪声、信号漂移、误码特性和位置信息。

所述的空间衰减Lbf＝32.5+20lgF+20lgD，其中：f为工作频点，D为传输距离。

所述的多普勒频移

其中：f为工作频点，c为光速，v为相对速度，θ为相对夹角；

所述的空间噪声是指宇宙空间各种射电源包括辐射电磁波的太阳、月球、行星等天体和星际物质的辐射传播到地球表面所形成的噪声。

所述的信号漂移

其中：D为传输距离，c为电磁波速度，T为码元周期。

所述的误码特性

其中：r为信噪比，erfc为误差函数。

所述的位置信息

其中：delay为空间信号传输延时、c为电磁波传输速度、ofs为偏移量。

所述的节点是指：在卫星网络的拓扑结构中，将每颗卫星定义为一个节点。

所述的应用层信息包含：由星务计算机产生的任务需求信息，由卫星遥感载荷产生的数传需求信息、由卫星通信载荷产生的通信需求信息和由轨道控制计算机产生的轨道信息。

所述的矢量链路、节点功耗和节点状态信息通过以下方式得到：通过基于姿轨控计算机的卫星轨道信息外推计算模块和各个卫星节点之间的勤务信令提取出卫星组网的矢量链路信息；通过每颗卫星各自星务计算机得到各自的节点功耗信息，并通过勤务信令交换给其他网络节点；节点状态信息由每颗卫星的星务计算机通过各分系统和单机的遥测信号统计得到，并利用勤务信令进行交互。

步骤6、网络层通过自适应加权算法融合步骤5得到的空间衰减、多普勒频移、空间噪声、信号漂移、误码特性和位置信息，通过优化算法方法得到网络路由数据、链路层控制信息和物理层控制信息。

网络路由数据包含：下一条节点和动态特性。

所述的自适应加权算法是指：Goal(x,y,z)＝l*Σa_i*x_i+m*∑b_j*y_j+n*∑c_k*z_k，其中：l、m、n为归一化权重，满足l+m+n＝1；x、y、z分别为网络层信息、链路层信息和物理层信息的定量表达式；a、b、c分别表示每个层中各信息的权重。

所述的优化算法是指：通过自适应加权得到当前环境下自适应加权算法计算得到的结果，即目标函数Goal(x,y,z)的值，并将该值与预设的阈值V_t进行对比，对目标函数对应的通信方案进行预筛选，经过预筛选之后的所有通信方案各自对应一个目标函数Goal_d(x,y,z)，最终根据目标函数的值选择通信方案。

所述的网络路由数据用于网络层构造发射网络包，具体包括：下一跳路由节点、包接收回复状态和网络任务调度信息。

所述的链路控制信息用于数据链路层构造发射数据帧，具体包括：帧长度、编码方式、差错控制方式和资源复用信息。

所述的物理层控制信息用于物理层构造发射数据流，具体包括：调制方式、码速率、带宽和发射功率。

步骤7、数据链路层根据来自网络层的网络包数据和链路控制信息，将网络包构造成参照CCSDS标准的数据帧，并与资源复用控制信息一起传送至物理层。

所述的资源复用控制信息是指：空间信道的时间复用、频率复用、码型复用和方向复用。

步骤8、物理层根据来自数据链路层的数据帧和资源复用控制信息以及来自网络层的物理层控制信息，将数据帧调制为数据流并通过空间信道发射数据流信号。

所述的调制，优选根据码速率、带宽等信息控制调制参数；根据资源复用信息选择空间信道中合适的频率、时间和波束方向进行信号发射。

步骤9、通过射频前端系统将数据流信号辐射至空间段，并在接收端节点通过步骤1至步骤4接收并提取接收信号，实现卫星节点根据当前时间邻居节点的状态、空间信道的状态和本节点的状态动态调整网络层路由信息、链路层控制信息和物理层控制信息。

技术效果

与现有技术相比，本发明显著效果包括：

1)在卫星通信的基础上提出自适应控制路由概念，传统点对点卫星通信体质为固定式控制参数，在整个通信过程中，所有卫星节点的通信模式和通信参数都无法自动变化。传统卫星通信方式由于通信模式和参数的不可变，导致通信方法无法随着外部空间环境和内部卫星状态的变化而随之改变，造成通信效率较低的状态；2)通过物理层关键参数提取，实时掌握节点状态和信道物理状态，并根据不同状态驱动不同的物理层通信体制，动态自适应调整物理层参数和卫星通信模式，改善通信时延参数；3)通过链路层关键参数提取，实时掌握数据链路状态，并根据不同的链路状态驱动不同的数据链路体制，动态自适应调整链路层参数和卫星通信模式，提高通信可靠性参数。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为实施例中物理层、数据链路层、网络层和应用层的流程图；

图3为实施例中网络层工作流程图；

图4为实施例中通信效率仿真结果图；

图5为实施例中通信可靠性仿真结果图。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及一种实现卫星星座组网通信路由方法的卫星星座组网通信系统，包括：物理层、数据链路层和网络层，其中：物理层对下连接空间信道并发射/接收空间电磁信号，进行滤波、放大、混频、调制/解调处理并得到数据帧信息流和物理状态特性；物理层向数据链路层的数据通道传送从空间电磁波中提取的数据帧，向网络层的控制通道传送物理状态信息；数据链路层向网络层的数据通道传送从数据帧中提取的网络包，向网络层的控制通道传送链路状态特性；网络层将数据链路层上传的网络包提取出信息数据传输至应用层，作为业务数据供应用层使用，同时提取网络拓扑和动态性能作为网络状态特性；网络层不仅需要接收来自物理层和数据链路层的状态信息，还需要接收应用层的轨道外推信息、业务需求和本节点状态参数；通过预处理算法分别提取出空间衰减、多普勒频移、空间噪声、信号漂移、误码特性、复用效率和位置信息，经过加权算法得到目标函数值，由目标函数值来选择通信方案，通信方案包含：网络控制信息、链路控制信息和物理层控制信息，用于反向控制网络层、数据链路层和物理层。

所述的物理状态特性包括：接收功率、接收频率、信噪比、调制方式和码速率。

所述的链路状态特性包括：误码率、编码方式和复用方式构成。

所述的物理状态特性和链路状态特性优选经过数据编码转变成归一化数值，作为网络层归一化算法的输入信息，用于计算目标函数值。

所述的加权算法是指：Goal(x,y,z)＝goal[1](x,y,z)+goal[2](x,y,z)+

goal[3](x,y,z)＝l*∑a_i*x_i+m*∑b_j*y_j+n*∑c_k*z_k，其中：l、m、n为归一化权重，满足l+m+n＝1；x、y、z分别为网络层信息、链路层信息和物理层信息的定量表达式；a、b、c分别表示每个层中各信息的权重，该加权算法的计算结果即为目标函数值，作为通信模式选择的依据。一般而言，现将目标函数值Goal(x,y,z)预设的阈值V_t进行对于，对本目标函数对应的通信方案进行预筛选，经过预筛选之后的所有通信方案各自对应一个目标函数Goal_d(x,y,z)，最终根据目标函数的值选择通信方案。其中goal[1](x,y,z)＝l*∑a_i*x_i；goal[2](x,y,z)＝m*∑b_j*y_j；

goal[3](x,y,z)＝n*∑c_k*z_k分别表示网络层、链路层和物理层的控制目标函数。利用上述三个控制目标函数选择不同层通信模式。

如图2所示，本实施例涉及一种自适应卫星组网通信方法，具体包括：

步骤1)接收物理层、数据链路层和应用层的原始状态特性参数，并通过预处理算法，分别提取出空间衰减、多普勒频移、空间噪声、信号漂移、误码特性、复用效率和位置信息。其中空间衰减Lbf，多普勒频移Δf，空间噪声n，信号漂移：ΔM为物理层特性参数；误码特性：BER，复用效率：η为链路层特性参数；位置信息：D为空间信道特性参数。

步骤2)将上述7项特性参数经过归一化数值运算得到7个数值信息，进一步将数值信息带入加权算法公式：Goal(x,y,z)＝goal[1](x,y,z)+goal[2](x,y,z)+goal[3](x,y,z)，得到目标函数值Goal(x,y,z)和控制目标函数goal[1](x,y,z)、goal[2](x,y,z)和goal[3](x,y,z)。将上述目标函数，与预设阈值V_t、V_tx、V_ty和V_ty进行比较，实现网络层预算法，并对自适应加权算法的结果，即目标函数值进行比较后选择最优解。

步骤3)经过自适应加权算法得到路由信息、链路控制信息和物理层控制信息反向控制网络层、数据链路层和物理层；将路由信息、链路控制信息和物理层控制信息分别传送至网络层、链路层和物理层作为自适应通信体质参数调整的依据。

本实施例在基于Walker-Delta星座的拓扑结构下，构建轨道高度为450km座；轨道倾角为48°；6个轨道面；每个轨道面内分布4个通信簇，相同轨道面内不同通信簇之间的夹角为45°；每个通信簇内包括四个节点，每个节点之间的夹角为5°；相邻轨道面的簇间相位差为0°的具体环境设置。

基于上述轨道构型需要设计满足如下表需求的通信业务：

构建的物理层控制信息为：调制方式可选项：FSK、BPSK和QPSK；码速率可选项：50kbps、500kbps、1Mbps、10Mbps、20Mbps和50Mbps；带宽可选项目为：1mHz、30mHz和100mHz；发射功率可选项为：1W、10W和20W。

构建的链路层控制信息为：帧长度可选项：50000B、70000B和100000B；编码方式可选项：RS(127,111)、1/2卷积和LDPC(8176,7145)；差错控制可选项：RS(127,111)和CRC编码；资源复用可选项：TDMA和CDMA。

通过物理层接收空间信号之后，提取出S1～S5对应的物理层特性参数，并通过解调模块对空间信号进行处理后产生数据帧。将物理层特性参数传送至网络层接口，将数据帧传送至链路层接口。

链路层接收数据帧之后，提取出S6～S8对应的链路层特性参数，并通过解码模块对数据帧进行处理之后产生网络包。将链路层特性参数传送至网络层接口，将网络包传送至网络层接口。

网络层接收网络包之后，通过解包模块对网络包进行处理之后产生业务数据传送给应用层载荷使用。

网络层从应用层获得S9～S11的节点状态特性参数，后结合其他特性S1～S8通过加权算法，得到目标函数和控制目标函数。

具体的特性参数如下表所示：

目标函数Goal(x,y,z)用于预处理和选择通信方案，控制目标函数goal[1](x,y,z)、goal[2](x,y,z)和goal[3](x,y,z)用于网络层、链路层和物理层的控制。其中网络信息包括下一跳节点信息和接口信息，链路控制信息包括帧长度、编码方式、差错控制和复用方式，物理层控制信息包括调制方式、码速率、带宽和发射功率。

具体的控制参数如下表所示：

利用上述控制信息对发射信号进行网络包构造、数据帧编码和信号流调制，最终实现符合实时状态的自适应通信信号。

经过通信链路的仿真结果显示，基于上述轨道特性进行的组网通信，最远距离需要通过6跳完成，时间延迟约为7.9秒，经过约1.9万km空间距离传输；平均状态下，要通过4跳完成，时间延迟约为6秒，经过约1万km空间距离传输。

如图4所示为仿真结果显示的通信效率参数即端到端时延，从图中可知当通信距离线性增加之后，传输时延产生压缩，既时延未随着通信距离的增加而等比例增加。该性能体现出自适应通信体质在大通信成本(距离远)的情况下，会提高通信效率(降低时延)。

如图5所示为仿真结果显示的通信成本和可靠性参数对比，从图中可知当源节点(信源)到目的节点(新宿)之间的中继跳数与带宽自适应选择情况关系。当跳数在1～3跳以内，既通信成本较低的情况下，启用低频带占用率状态，既BW＝1mHz；当跳数在4～6跳之间，既中等通信成本的情况下，启用中频带占用率状态，既BW＝30mHz；当跳数在7跳时，为本仿真环境的最高通信成本状态，启用高频带占用率状态，既BW＝100mHz。

与现有技术相比，本方法在大通信距离的状态下，可以降低通信时延14.5％。根据固定带宽的现有技术，本方法在低中继跳数的状态下，其带宽效率提高了10倍。综上，本方法通过实时接收的信息，提取出邻居节点、空间信道和本节点的状态信息，将状态信息作为核心加权算法的输入，得到网络层、链路层和物理层控制信息。此方法使通信体质迎合网络节点的实时状态和空间信道的实时状态，提高通信效率和可靠性。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种卫星组网交叉信息融合通信路由方法，其特征在于，包括：

步骤1、物理层通过微波天线与空间交换信号能量，当接收到数传信号、遥控/遥测信号或信令信号中的任何一种时，提取出接收信号的数据帧信息、发射端和空间信道的物理状态特性，获取接收信号物理参数；

步骤2、数据链路层通过与物理层之间的信号接口接收数据帧，当接收到数传帧、遥控/遥测帧或信令帧中的任何一种数据帧时，通过数据链路层提取数据帧中的网络包、发射端和空间信道的链路状态特性、网络包的链路参数；

步骤3、网络层通过与数据链路层之间的信号接口接收网络包，当接收到数传包、遥控/遥测包或信息包中的任何一种网络包时，通过网络层提取接收网络包中原始状态特性参数；

步骤4、应用层根据上层需求和预存的星座信息，产生轨道外推信息并传输至网络层；

步骤5、网络层根据来自物理层的物理状态特性参数、来自数据链路层的链路状态特性参数、来自网络层的网络状态特性参数和来自应用层的轨道外推信息，通过预处理算法分别提取出空间衰减、多普勒频移、空间噪声、信号漂移、误码特性和位置信息，利用本节点的应用层信息，提取矢量链路、节点功耗和节点状态信息；

步骤6、网络层通过自适应加权算法融合步骤5得到的空间衰减、多普勒频移、空间噪声、信号漂移、误码特性和位置信息，通过优化算法方法得到网络路由数据、链路层控制信息和物理层控制信息；

步骤7、数据链路层根据来自网络层的网络包数据和链路控制信息，将网络包构造成参照CCSDS标准的数据帧，并与资源复用控制信息一起传送至物理层；

步骤8、物理层根据来自数据链路层的数据帧和资源复用控制信息以及来自网络层的物理层控制信息，将数据帧调制为数据流并通过空间信道发射数据流信号；

步骤9、通过射频前端系统将数据流信号辐射至空间段，并在接收端节点通过步骤1至步骤4接收并提取接收信号，实现卫星节点根据当前时间邻居节点的状态、空间信道的状态和本节点的状态动态调整网络层路由信息、链路层控制信息和物理层控制信息；

所述的接收信号物理状态特性参数包括：接收功率、接收频率、信噪比、调制方式和码速率；

所述的数据链路层包含：帧解析模块、编码解析模块、数据校验模块；

所述的数据帧包括：数传帧、遥控/遥测帧和信令帧；

所述的链路状态特性包括：误码率、编码方式和资源复用方式；

所述的原始状态特性参数包括：拓扑信息、发射端和空间信道的网络状态特性，具体包括：功率、频率、信噪比、调制方式、码速率、误码率、编码方式、网络拓扑结构、网络连通性和轨道信息；

所述的网络包包括：数传包、遥控/遥测包和信息包；

所述的应用层是指：卫星系统的星务计算机分系统、载荷分系统和控制分系统；

所述的上层需求是指：由应用层中的各分系统产生的通信业务需求；

所述的节点是指：在卫星网络的拓扑结构中，将每颗卫星定义为一个节点。

2.根据权利要求1所述的卫星组网交叉信息融合通信路由方法，其特征是，所述的物理层包含：依次相连的微波天线、射频前端系统和数字基带系统，其中：射频前端系统包括：低噪放、耦合器、混频器和模数转换器；数字基带系统包括：数字滤波器、数字混频器、数字变换器。

3.根据权利要求1所述的卫星组网交叉信息融合通信路由方法，其特征是，所述的网络层包含：网络包数据解析模块、路由算法模块和路由状态模块。

4.根据权利要求1所述的卫星组网交叉信息融合通信路由方法，其特征是，所述的轨道外推信息，基于卫星轨道研制阶段所设计的轨道六要素，并结合在轨实际运行状态，计算得到卫星未来的轨道状态，即轨道外推信息。

5.根据权利要求1所述的卫星组网交叉信息融合通信路由方法，其特征是，所述的预处理算法是指：利用从物理层、链路层和网络层提取的原始状态特性参数提取出：空间衰减、多普勒频移、空间噪声、信号漂移、误码特性和位置信息；

所述的空间衰减Lbf＝32.5+20lgF+20lgD，其中：f为工作频点，D为传输距离；

所述的多普勒频移

其中：f为工作频点，c为光速，v为相对速度，θ为相对夹角；

所述的空间噪声是指宇宙空间各种射电源包括辐射电磁波的太阳、月球、行星等天体和星际物质的辐射传播到地球表面所形成的噪声；

所述的信号漂移

其中：D为传输距离，c为电磁波速度，T为码元周期；

所述的误码特性

其中：r为信噪比，erfc为误差函数；

所述的位置信息

其中：delay为空间信号传输延时、c为电磁波传输速度、ofs为偏移量。

6.根据权利要求1所述的卫星组网交叉信息融合通信路由方法，其特征是，所述的应用层信息包含：由星务计算机产生的任务需求信息，由卫星遥感载荷产生的数传需求信息、由卫星通信载荷产生的通信需求信息和由轨道控制计算机产生的轨道信息。

7.根据权利要求1所述的卫星组网交叉信息融合通信路由方法，其特征是，所述的矢量链路、节点功耗和节点状态信息通过以下方式得到：通过基于姿轨控计算机的卫星轨道信息外推计算模块和各个卫星节点之间的勤务信令提取出卫星组网的矢量链路信息；通过每颗卫星各自星务计算机得到各自的节点功耗信息，并通过勤务信令交换给其他网络节点；节点状态信息由每颗卫星的星务计算机通过各分系统和单机的遥测信号统计得到，并利用勤务信令进行交互。

8.根据权利要求1所述的卫星组网交叉信息融合通信路由方法，其特征是，所述的自适应加权算法是指：Goal(x,y，z)＝l*∑a_i*x_i+m*∑b_j*y_j+n*Σc_k*z_k，其中：l、m、n为归一化权重，满足l+m+n＝1；x、y、z分别为网络层信息、链路层信息和物理层信息的定量表达式；a、b、c分别表示每个层中各信息的权重；

所述的优化算法是指：通过自适应加权得到当前环境下自适应加权算法计算得到的结果，即目标函数Goal(x,y,z)的值，并将该值与预设的阈值V_t进行对比，对目标函数对应的通信方案进行预筛选，经过预筛选之后的所有通信方案各自对应一个目标函数Goal_d(x,y,z)，最终根据目标函数的值选择通信方案。

9.根据权利要求1所述的卫星组网交叉信息融合通信路由方法，其特征是，所述的网络路由数据用于网络层构造发射网络包，具体包括：下一跳路由节点、包接收回复状态和网络任务调度信息；

所述的链路控制信息用于数据链路层构造发射数据帧，具体包括：帧长度、编码方式、差错控制方式和资源复用信息；

所述的物理层控制信息用于物理层构造发射数据流，具体包括：调制方式、码速率、带宽和发射功率；

所述的资源复用控制信息是指：空间信道的时间复用、频率复用、码型复用和方向复用。

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