CN113783598A - 一种多用户多中继星地融合的网络传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多用户多中继星地融合的网络传输方法，其特点是采用机会调度的方法，应用于卫星、地面中继节点及地面用户节点，其中卫星分别获取与所有中继节点间信道的瞬时信噪比，从中筛选出瞬时信噪比最高的中继节点，向筛选出的中继节点发送信号；被筛选出的中继节点接受、放大卫星信号，获取与所有用户节点间信道的瞬时信噪比，从中筛选出瞬时信噪比最高的用户节点，向筛选出的用户节点发送信号。本发明与现有技术相比具有减轻卫星和中继之间、中继和用户之间受到的阴影衰落、电磁噪声和多径效应影响的作用，从而提高通信容量和覆盖范围，降低信号的中断概率和误码率。

Description

一种多用户多中继星地融合的网络传输方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其是一种基于机会调度策略的多用户多中继星地融合的网络传输方法。
背景技术
随着人们对高质量通信业务需求的不断增加，现有的地面蜂窝网络已经到了瓶颈，无法完全满足全球覆盖、宽带传输和高灵活性的要求。卫星通信能够为全球用户，特别是为那些在传统通信设施无法覆盖的偏远地区以及灾区的用户提供无缝互联网宽带服务，因而被视为未来通信技术的热点。得益于卫星发射成本的急剧下降和卫星通信技术的快速发展，卫星通信已成为物联网(Internet of Things，IOT)的重要基础，并将广泛应用于地面综合网络中。但是，由于雨衰、雪衰以及障碍物遮挡等的影响，卫星和地面用户之间通过视距链路传输的信号可能遭遇严重的衰落，使得通信的可靠性大幅降低。星地融合网络被视为一种有效的解决方案，即通过地面中继接收卫星信号转发给用户，构成星地融合中继网络(Hybrid Satellite-Terrestrial Relay Network，HSTRN)。
现有技术的星地融合中继网络传输方案主要考虑只存在单个中继或单个用户的情况，而少有考虑多个中继与多个用户并存的情况。只存在单个中继时，单一的卫星-中继信道仍然容易受到掩蔽效应的影响，即信号的传输可能被障碍物和阴影阻挡。此外，地面接收点附近信号散射引起的多径效应还产生了许多非视距信号分量，导致通信链路的性能降低。只存在单个用户时，网络的覆盖范围将十分有限，灵活性和实用性也将大大降低。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种多用户多中继星地融合的网络传输方法，采用构建多个中继和多个用户的星地融合中继网络系统，基于机会调度机制，从多个地面中继和地面用户中选择瞬时信噪比最高的节点，以扩大通信覆盖范围，其中卫星分别获取与所有中继节点间信道的瞬时信噪比，从中筛选出瞬时信噪比最高的中继节点，向筛选出的中继节点发送信号，被筛选出的中继节点接受、放大卫星信号，获取与所有用户节点间信道的瞬时信噪比，从中筛选出瞬时信噪比最高的用户节点，向筛选出的用户节点发送信号，有效弥补阴影衰落和噪声干扰对信号的影响，提高通信质量，可广泛应用于卫星、地面中继节点及地面用户节点，尤其适用于星地融合网络的下行链路，用以减轻卫星和中继之间、中继和用户之间收到的阴影衰落、电磁噪声和多径效应的影响，提高通信容量和覆盖范围，降低信号的中断概率和误码率。
本发明的目的是这样实现的：一种多用户多中继星地融合的网络传输方法，其特点是采用机会调度的方法，构建一个存在多个中继和多个用户的星地融合中继网络系统，具体包括下述步骤：
1)卫星与固定数量的多个地面中继节点建立连接，利用中继节点发送来的训练信号获取与各个地面中继节点之间的瞬时信噪比。
2)基于机会调度机制，选择瞬时信噪比最大的中继节点，发送经调制的数字信号。
3)被选择的中继节点接收并放大卫星发送的信号，并与固定数量的多个地面用户节点建立连接，获取与各地面用户节点间信道的瞬时信噪比。
4)基于机会调度机制，选择瞬时信噪比最大的用户节点，转发经放大的卫星信号。
所述步骤1)根据先验条件和相应的信道信息，估计各中继节点发送的训练信号的能量和噪声的能量，得到卫星与各中继节点间的瞬时信噪比。
所述步骤2)采用比较卫星与各中继节点间的瞬时信噪比大小的方法，选择瞬时信噪比最大的中继节点，发送经调制的数字信号，具体为：卫星和中继节点分别获取下一跳通信节点的瞬时信噪比，基于机会调度机制选择出瞬时信噪比最大的下一跳节点，向被选择的下一跳通信节点发送卫星信号。
所述步骤3)采用固定数值的增益因子对接收信号的功率进行放大。
所述步骤4)采用比较卫星与各个用户节点间的瞬时信噪比大小的方法，选择瞬时信噪比最大的用户节点，转发经放大的卫星信号。
所述卫星的任一中继链路，以及中继-用户链路分别服从阴影莱斯衰落分布和Nakagami-m衰落分布。
所述卫星和中继节点分别获取下一跳通信节点的瞬时信噪比，基于机会调度机制选择出瞬时信噪比最大的下一跳节点，向被选择的下一跳通信节点发送卫星信号，具体包括：卫星在通信过程的第一时隙内获取与各个地面中继节点之间的瞬时信噪比，选择出瞬时信噪比最大的中继节点，发送经过调制的数字信号；被选择的中继节点在通信过程的第二时隙内接收到卫星发送的信号，对其进行功率放大，获取卫星与各个地面用户节点之间的瞬时信噪比，向瞬时信噪比最大的用户节点转发经过功率放大的卫星信号。
本发明与现有技术相比具有弥补阴影衰落和噪声干扰对信号影响的作用，进而提高通信质量，可广泛应用于卫星、地面中继节点及地面用户节点，尤其适用于星地融合网络的下行链路，用以减轻卫星和中继之间、中继和用户之间收到的阴影衰落、电磁噪声和多径效应的影响，提高通信容量和覆盖范围，降低信号的中断概率和误码率。
附图说明
图1为星地融合中继网络系统示意图；
图2为本发明流程图。
具体实施方式
本发明采用机会调度机制从多个地面中继和地面用户中选择瞬时信噪比最高的节点，扩大通信覆盖范围，有效弥补阴影衰落和噪声干扰对信号的影响，提高通信质量，建立相对可靠的信号传输机制，构建一个存在多个中继和多个用户的具有固定增益的放大-转发中继协议的双跳中继系统，该系统由陆地移动卫星S、M个地面中继节点R和N个地面用户节点D组成。假设所有的发射机和接收机都配备了单天线，S和D之间的视距链路因障碍物阻塞或恶劣天气条件造成的阴影而不可用。为了在卫星和用户节点之间建立传输，采用了一种基于机会调度的中继-用户选择方案，即在下一跳通信节点之间分配时隙，从共享同一无线信道的节点中选择瞬时信噪比最高的节点发送数据，使每个时隙都能受到最小的噪声影响。
通信过程发生在两个时隙中，在第一时隙中，卫星S将信号x(t)传输到中继节点Ri(i＝1,2,…,M)，其中Ri为卫星通过基于最大瞬时信噪比的机会调度方案从所有M个中继节点中选出，Ri接收到的信号可以由下述1式表示为：
Figure BDA0003224713160000031
其中，P代表卫星发射功率；
Figure BDA0003224713160000032
代表卫星与中继节点Ri之间的信道系数；x(t)为发射信号；
Figure BDA0003224713160000033
代表卫星与第i个中继节点之间的加性高斯白噪声，噪声均值为零，方差为σSR 2。
在第二时隙中，yR(t)被采用固定增益的被选择中继节点Ri放大，然后转发给目的用户节点Dj(j＝1,2，…，N)，该目的用户节点Dj为中继节点Ri通过机会调度方案从所有N个目的地用户节点中选择而出。Ri接收到的信号可以由下述2式表示为：
Figure BDA0003224713160000034
其中，G代表中继节点的增益因子,；PR代表中继节点的发射功率；
Figure BDA0003224713160000035
代表中继节点Ri与用户节点Dj之间的信道系数；
Figure BDA0003224713160000036
代表中继节点Ri与用户节点Dj之间的加性高斯白噪声，噪声均值为零，方差为σRD 2。为计算方便，假设σSR＝σRD＝σ。
因此，目的用户节点处的端到端瞬时信噪比可以由下述3式表示为：
Figure BDA0003224713160000037
化简后可以由下述4式表示为：
Figure BDA0003224713160000041
其中，
Figure BDA0003224713160000042
Figure BDA0003224713160000043
基于机会调度方案，依次选择链路质量最佳的中继节点和用户节点，并将这两个链路的信噪比分别由下述5～6式表示为：
Figure BDA0003224713160000044
Figure BDA0003224713160000045
因此，瞬时端到端信噪比最终可以下述7式表示为：
Figure BDA0003224713160000046
假设每一跳中各条通信链路的信道是独立同分布的，考虑到星地通信环境的特点，复合衰落分布被广泛应用于描述信号包络的视距分量和多径分量的波动。选择阴影莱斯(Shadow-Rician)分布模型来描述卫星-中继链路中信号的衰落，该分布模型由具有Nakagami-m分布视距分量的莱斯模型构成，计算量相对较小。此外，阴影莱斯模型对窄带和宽带陆地移动卫星系统的数值性能提供了相当精确的分析和预测。因此，
Figure BDA00032247131600000413
的概率密度函数(PDF)由下述8式给出：
Figure BDA0003224713160000047
其中，1F1(x；y；z)被定义为第一类合流超几何函数；mSR是代表衰落严重程度的参数；
Figure BDA0003224713160000048
Figure BDA0003224713160000049
β＝1/2b；δ＝ΩSR/2b(2bmSR+ΩSR)；2b和ΩSR分别代表信号多径分量和视距分量的平均功率。在mSR为整数的情况下，
Figure BDA00032247131600000410
可进一步改写为下述9式：
Figure BDA00032247131600000411
其中，
Figure BDA00032247131600000412
(·)k表示Pochhammer函数。
中继-用户链路假定遵循Nakagami-m衰落信道，通过调整衰落参数m可以近似不同的衰落模型，并与实际无线信道很好地匹配。因此，
Figure BDA0003224713160000051
的PDF由下述10式表示为：
Figure BDA0003224713160000052
其中，mRD表示衰落参数；ε＝mRD/ΩRD；Γ(·)被定义为伽马函数。
对
Figure BDA0003224713160000053
和
Figure BDA0003224713160000054
的PDF进行积分，得到下述11～12式表示相应的累积分布函数(CDF)：
Figure BDA0003224713160000055
Figure BDA0003224713160000056
其中，γ(n,x)代表不完全伽马函数。
根据机会调度方案，γSR的累积分布函数可以由下述13式表示为：
Figure BDA0003224713160000057
由于所有衰落支路都是独立的，因此γSR的PDF可以由下述14式表示为：
Figure BDA0003224713160000058
代入
Figure BDA0003224713160000059
的PDF和CDF，最终得到下述15式：
Figure BDA00032247131600000510
其中，
Figure BDA00032247131600000511
Figure BDA00032247131600000512
同理，γRD的PDF由下述16式表示为：
Figure BDA00032247131600000513
其中
Figure BDA0003224713160000061
Figure BDA0003224713160000062
根据上述PDF表达式，可以进一步计算出系统的中断概率、信道容量和误符号率。
本发明提供一种基于机会调度的多中继多用户机会调度方案，应用于卫星、地面中继节点及地面用户节点，其中卫星分别获取与所有中继节点之间的瞬时信噪比
Figure BDA0003224713160000063
从中筛选出瞬时信噪比最高的中继节点，向筛选出的中继节点发送信号；被筛选出的中继节点接收、放大卫星信号，获取与所有用户节点间信道的瞬时信噪比
Figure BDA0003224713160000064
从中筛选出瞬时信噪比最高的用户节点，向筛选出的用户节点转发卫星信号。通过最佳中继节点选择和最佳用户节点选择的方式扩大卫星信号的覆盖范围，提高了信号质量，尤其适用于星地融合网络的下行链路，用以减轻卫星和中继节点之间、中继节点和用户节点之间收到的阴影衰落、电磁噪声和多径效应的影响，提高通信容量和覆盖范围，降低信号的中断概率和误码率。
下面以卫星、地面中继节点和地面用户节点的具体实施对本发明作进一步详细描述和说明：
实施例1
参阅图1，卫星与最优中继节点用实线连接，代表因信噪比最高而实际接收到卫星信号的中继节点；卫星与其他中继节点用虚线连接，代表因信噪比非最高而仅作为备选的中继节点。将作为信号源的卫星称为通信设备100，将能够与卫星建立视距通信链路的地面中继节点称为通信设备200，将不能与卫星建立视距通信链路但能够与中继节点建立通信的地面用户节点称为通信设备300。
需要特别说明的是，本发明主要考虑为无法与卫星建立视距通信的地面节点提供服务，系统内各个地面节点的职能要根据实际情况确定。假设某一节点同时具备接收信号和发送信号的功能，如果某一通信时隙内该节点能够与卫星建立视距连接，则本时隙内该节点可作为中继节点，负责接收卫星信号并转发给用户节点；如果某一通信时隙内该节点无法与卫星建立视距连接，则本时隙内该节点可作为用户节点，接收其他中继节点转发的卫星信号。
本实施例中，各个中继节点应相距较远，因此卫星与各个中继节点之间的信道可视为相互独立。为获取卫星与各个中继节点之间信道的信道状态，卫星需要与各个地面中继节点分别建立连接，接收各个中继节点发送的训练信号及其先验条件和相应的信道信息，估计出信号的能量和噪声的能量，从而得到与各个中继节点间的瞬时信噪比γSR，比较卫星与各个中继节点间的瞬时信噪比γSR大小，选择瞬时信噪比γSR最大的中继节点，发送经过调制的数字信号。
参阅图2，本发明具体包括下述步骤：
步骤S101：卫星获取与各个中继节点之间信道的信道状态，从中筛选出瞬时信噪比γSR最高的中继节点发送调制信号。其中，作为信号源的卫星可以是低轨(Low EarthOrbit，LEO)、中轨(Medium Earth Orbit，MEO)和静止轨道(Geostationary Earth Orbit，GEO)三类。LEO卫星轨道高度范围为500～1500km；MEO卫星轨道高度为10000～20000km；GEO卫星轨道高度为35786km。本实施例对卫星的轨道高度不做限定；中继节点和用户节点均为位于地面的无线通信设备。
步骤S102：被筛选出的中继节点接收卫星发送的信号，对信号功率进行放大。中继节点对接收到的卫星信号不做解调处理，而是直接采用固定的增益因子G对卫星信号进行放大。增益因子G的取值由中继节点根据自身的条件决定，涉及条件包括发射设备所能提供的最大功率、节点的能耗状况等。
步骤S103：中继节点获取与各个用户节点之间信道的信道状态，从中筛选出瞬时信噪比γRD最高的用户节点，转发经过功率放大的信号。中继节点对各个用户节点的选择方法与步骤S101中卫星对各个中继节点的选择方法一致，即采用机会调度方案。被选择的中继节点与固定数量的多个地面用户节点分别建立连接，接收各个用户节点发送的训练信号及其先验条件和相应的信道信息，估计出信号的能量和噪声的能量，从而得到与各个用户节点间的瞬时信噪比γRD。比较中继与各个用户节点间的瞬时信噪比γRD大小，选择瞬时信噪比γRD最大的用户节点，转发经过增益因子G放大的卫星信号。
步骤S104：被筛选出的用户节点接收到中继节点发送的信号。根据本发明采用的基于瞬时最高信噪比的机会调度方案，用户节点接收到的信号并非针对于某一特定用户发送的信号，而是发送给星地融合网络中所有地面节点的广播信号。
以上只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种多用户多中继星地融合的网络传输方法，其特征在于采用机会调度的方法，构建一个存在多个中继和多个用户的星地融合中继网络系统，具体包括下述步骤：
1）卫星与固定数量的多个地面中继节点建立连接，利用中继节点发送来的训练信号获取与各个地面中继节点之间的瞬时信噪比；
2）基于机会调度机制，选择瞬时信噪比最大的中继节点，发送经调制的数字信号；
3）被选择的中继节点接收并放大卫星发送的信号，并与固定数量的多个地面用户节点建立连接，获取与各地面用户节点间信道的瞬时信噪比；
4）基于机会调度机制，选择瞬时信噪比最大的用户节点，转发经放大的卫星信号。
2.根据权利要求1所述多用户多中继星地融合的网络传输方法，其特征在于所述步骤1）根据先验条件和相应的信道信息，估计各中继节点发送的训练信号的能量和噪声的能量，得到卫星与各中继节点间的瞬时信噪比。
3.根据权利要求1所述多用户多中继星地融合的网络传输方法，其特征在于所述步骤2）采用比较卫星与各中继节点间的瞬时信噪比大小的方法，选择瞬时信噪比最大的中继节点，发送经调制的数字信号，具体为：卫星和中继节点分别获取下一跳通信节点的瞬时信噪比，基于机会调度机制选择出瞬时信噪比最大的下一跳节点，向被选择的下一跳通信节点发送卫星信号。
4.根据权利要求1所述多用户多中继星地融合的网络传输方法，其特征在于所述步骤3）采用固定数值的增益因子对接收信号的功率进行放大。
5.根据权利要求1所述多用户多中继星地融合的网络传输方法，其特征在于所述步骤4）采用比较卫星与各个用户节点间的瞬时信噪比大小的方法，选择瞬时信噪比最大的用户节点，转发经放大的卫星信号。
6.根据权利要求1所述多用户多中继星地融合的网络传输方法，其特征在于所述卫星的任一中继链路，中继-用户链路分别服从阴影莱斯衰落分布和Nakagami-m衰落分布。
7.根据权利要求3所述多用户多中继星地融合的网络传输方法，其特征在于所述卫星和中继节点分别获取下一跳通信节点的瞬时信噪比，基于机会调度机制选择出瞬时信噪比最大的下一跳节点，向被选择的下一跳通信节点发送卫星信号，具体包括：卫星在通信过程的第一时隙内获取与各个地面中继节点之间的瞬时信噪比，选择出瞬时信噪比最大的中继节点，发送经过调制的数字信号；被选择的中继节点在通信过程的第二时隙内接收到卫星发送的信号，对其进行功率放大，获取卫星与各个地面用户节点之间的瞬时信噪比，向瞬时信噪比最大的用户节点转发经过功率放大的卫星信号。
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