CN114630386B - 一种星地一体化网络中的卫星中继通信方法 - Google Patents

一种星地一体化网络中的卫星中继通信方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114630386B
CN114630386B CN202210262401.9A CN202210262401A CN114630386B CN 114630386 B CN114630386 B CN 114630386B CN 202210262401 A CN202210262401 A CN 202210262401A CN 114630386 B CN114630386 B CN 114630386B
Authority
CN
China
Prior art keywords
channel
satellite
observation
successful
relay
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210262401.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114630386A (zh
Inventor
胡向晖
许左宏
张周
王利利
桑玮
董卓君
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Network Engineering Institute of Systems Engineering Academy of Military Sciences
Original Assignee
Institute of Network Engineering Institute of Systems Engineering Academy of Military Sciences
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Network Engineering Institute of Systems Engineering Academy of Military Sciences filed Critical Institute of Network Engineering Institute of Systems Engineering Academy of Military Sciences
Priority to CN202210262401.9A priority Critical patent/CN114630386B/zh
Publication of CN114630386A publication Critical patent/CN114630386A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114630386B publication Critical patent/CN114630386B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W36/00—Hand-off or reselection arrangements
    • H04W36/24—Reselection being triggered by specific parameters
    • H04W36/30—Reselection being triggered by specific parameters by measured or perceived connection quality data
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W40/00—Communication routing or communication path finding
    • H04W40/02—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing
    • H04W40/22—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing using selective relaying for reaching a BTS [Base Transceiver Station] or an access point
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W84/00—Network topologies
    • H04W84/02—Hierarchically pre-organised networks, e.g. paging networks, cellular networks, WLAN [Wireless Local Area Network] or WLL [Wireless Local Loop]
    • H04W84/04—Large scale networks; Deep hierarchical networks
    • H04W84/06—Airborne or Satellite Networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radio Relay Systems (AREA)

Abstract

本发明公开了一种星地一体化网络中的卫星中继通信方法，其利用星地一体化传输协议，设计相应的信息传输方法，进行信息传输。每个用户采用随机发送RTS探测包的方式进行信道随机接入，当成功用户选择卫星中继节点作为中继进行信息传输时，则成功用户以广播方式发送RTS探测包给其所选择的J个卫星，然后被选择的卫星依次向终端发送RTS探测包；终端向成功用户发送CTS包，指示其选择直连链路进行数据传输、选择卫星中继进行数据传输或放弃此次信道接入竞争方式。利用基于序贯决策的最优决策方法，设计信息传输方法，使得地面网络传输吞吐量达到最大。本发明使得地面用户可根据探测的链路状态，自适应选择直连链路或者利用中继卫星进行传输。

Description

一种星地一体化网络中的卫星中继通信方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种星地一体化网络中的卫星中继通信方法。
背景技术
传统通信系统利用空间分集(Proakis J G.Digital Communications[M].NewYork:McGraw-Hill,1995)来有效避免无线信道衰落对通信链路的负面影响。通信端通过配备多个距离间隔足够的天线，使用多输入多输出(MultipleInput Multiple Output，MIMO)技术等来收发相同信息，提高传输的可靠性，也可通过多路传输，提高信道的传输容量。但是在实际部署的无线网络中，移动用户终端通常尺寸较小，体积重量要求较苛刻，很难在移动设备上部署多个天线，实现空间分集。针对这一问题，现有技术通过多用户的合作传输，构建一种新的空间分集形式，实现协作分集(Sendonaris A,Erkip E,Aazhang B.Usercooperation diversity–Part I:System description[J].IEEE Transactions onCommunications,2003,51(11):1927–1938.)。
合作传输中，信源发出的信号经一个或多个中继节点发送到信宿，通过接收多路信号实现空间分集。换句话说，通过在信源–信宿直连链路中引入中继节点，建立一个虚拟的多天线系统。由于信源发射的信号有多条传播路径到达信宿，包括直接路径和中继路径，通过信宿对接收信号的集总处理，大幅降低集总信号经历严重衰落的概率，实现高可靠的合作传输。研究证明，随着合作传输的协作分集阶数增加，通信系统的传输容量和频谱效率可进一步提升(Laneman J N,Tse D N C,Wornell G W.Cooperative diversity inwireless networks:Efficient protocols and outage behavior[J].IEEETransactions on Information Theory,2004,50(12):3062–3080.)。
通信系统里，通常有两种常见方式实现协作通信，即放大–转发和解码–转发方式(Laneman J N,Wornell G W.Distributed space-time-coded protocols forexploitingcooperative diversity in wireless networks[J].IEEE Transactions onInformation Theory,2003,49:2415–2425)。其中，放大–转发方式实现较为简单，中继节点收到信源发出的信号后，无须解调信息，直接将信号放大后发送至信宿。该方式的缺点是中继节点接收信号里的噪声同时被放大，产生噪声传递效应，影响传输性能。解码–转发方式下，中继节点收到信源发送的信号后会进行解码，经重新编码和调制后将再生信号转发至信宿。其中，中继使用与信源相同的码表编码的模式称为再生解码转发，采用独立码表编码的模式称为非再生解码转发。
作为无线协同网络中的关键技术，信道机会接入方法得到重点关注。其包括信道机会的识别和最优接入两个过程，核心思想是：共享信道的多用户在信道感知接入过程中相互配合协作，以高效的方式将有限信道接入机会动态地分配给多用户使用，实现信道资源的最优利用。通过挖掘协同网络蕴含的用户多样性与信道动态性增益，显著提升信道利用效率和网络性能(Conti M,Giordano S.Mobile ad hoc networking:milestones,challenges,and newresearch directions[J].IEEE Communications Magazine,2014,52(1):85–96)。
卫星通信技术是无线通信的重要组成技术，作为地面无线通信的重要补充，卫星通信尤其在荒凉区域或者偏远地带起到了不可或缺的作用。随着卫星通信的发展，越来越多的学术研究针对使用卫星作为通信中继，为地面网络提供信息传输进行探讨。其难点主要表现在以下几个方面：
信道质量动态性，即目前仍缺少有效的卫星中继传输协议，使得地面用户能够及时高效感知信道实时信息，有效利用信道空间与时间多样性以提高信道利用率。
信道接入竞争性，即地面网络采用分布式网络时，多个用户共享网络资源。在工作过程中，将存在多用户占用相同资源所造成干扰和碰撞的情况。在分布式中继网络中，目前仍未存在较好的解决方案。
发明内容
针对卫星网络通信中所存在的信道质量动态性和信道接入竞争性导致的通信质量下降的问题，本发明公开了一种星地一体化网络中的卫星中继通信方法，其利用星地一体化传输协议，设计相应的信息传输方法，进行信息传输。
所述的星地一体化传输协议，其具体包括，星地一体化网络包括地面网络和卫星，地面网络为分布式网络，其各个用户之间存在直连链路。每个用户采用随机发送RTS探测包的方式进行信道随机接入，对于竞争成功的用户，即成功用户，其接收用户根据RTS探测包估计当前时隙下的信道状态，然后根据所估计出的信道状态，发送CTS包给成功用户。接收用户称为终端。CTS包中包含可指示成功用户进行直连链路传输或者选用卫星中继节点进行信息传输的相关信息。当成功用户选择卫星中继节点作为中继进行信息传输时，则成功用户以广播方式发送RTS探测包给其所选择的J个卫星，然后被选择的卫星依次向终端发送RTS探测包。当终端接收到RTS探测包后，估计每颗被选择的卫星到终端的通信链路的状态以及成功用户到每颗被选择的卫星的通信链路的状态。最终，终端向成功用户发送CTS包，指示其选择直连链路进行数据传输、选择卫星中继进行数据传输或放弃此次信道接入竞争方式。
所述的设计相应的信息传输方法，即根据星地一体化传输协议，利用基于序贯决策的最优决策方法，设计信息传输方法，使得地面网络传输吞吐量达到最大。具体地，定义多个不同阈值函数，当终端观测到直连信道状态和卫星信道两跳信道状态后，通过比对阈值函数进行决策。
为实现地面网络传输吞吐量达到最大，建立信道竞争接入模型，定义目标收益函数为ZN(λ)＝YN-λTN，其中λ表示代价系数，当信道机会接入方法为N时，其获得的传输信息量为TN，时间成本为TN，寻找最优的信道机会接入方法N*，其能够获得目标函数的上界，即
Figure BDA0003550558220000031
在第k次信道成功竞争后，对于第2k-1次观测项，当成功用户接入直连信道，则得到成功用户接入直连信道的瞬时收益为Ya，Ya＝τdRd(k)，其中Rd(k)＝log2(1+hs(k))，为第k次信道成功竞争后选择的直连信道所传输的信息量，hs(k)表示第k次信道成功竞争后选择的直连信道的信道状态值。对于第2k次观测项，当终端决策不观测卫星中继信道，即a2k＝0，则其瞬时收益为-∞；若终端决定对an个卫星中继信道进行观测，则可获得瞬时收益Ya为：
Ya＝(τd-anτRTS-τRTS-τCTS)·max{Rd(k)，Rr(k)/2}，
其中，Rd(k)＝log2(1+hs(k))，
Figure BDA0003550558220000041
Rr(k)表示第k次信道成功竞争后选择的卫星中继信道所传输的信息量，
Figure BDA0003550558220000042
表示an个卫星中继信道的信道状态的最优值。相应的，在第k次信道成功竞争后，成功用户完成信道竞争和业务传输所需花费的时间为
Figure BDA0003550558220000043
其中τRTS和τCTS分别为RTS探测包和CTS包的持续时间，
Figure BDA0003550558220000044
为第l次信道成功竞争所花费的时间，
Figure BDA0003550558220000045
表示指示函数，若a2l＞0，则
Figure BDA0003550558220000046
若a2l＝0，则
Figure BDA0003550558220000047
a2l表示第l次信道成功竞争后所观测的卫星中继信道的数量。
基于所建立的信道竞争接入模型，根据序贯决策方法，设计最优信道机会接入方法N*(λ)，从而得到
Figure BDA0003550558220000048
对任意两个观测序列a和b，定义二者关系：b≥a，表示对
Figure BDA0003550558220000049
满足bi＝ai，且观测序列b的长度大于观测序列a的长度。定义Aa为观测序列a下的决策空间。对于观测序列a，定义
Figure BDA00035505582200000410
其中，Ua为观测序列a下的最优决策获得的最大收益期望。当观测序列a＝0时，期望收益表示为U0，且
Figure BDA00035505582200000411
Figure BDA0003550558220000057
表示基于观测序列a得到的观测信息，包括观测得到的直连信道的信道状态和观测卫星中继信道得到的信道状态。Zb表示基于序列b的目标收益函数，即Zb＝Zb(λ)＝YN-λTN。令
Figure BDA0003550558220000051
表示观测序列为a，观测信息为
Figure BDA0003550558220000058
且观测信道活动不停止时，即基于观测序列a又继续观测卫星中继信道j∈Aa，利用序贯决策获得的最大收益期望，其中U(a，j)表示基于观测序列a又继续观测卫星中继信道j∈Aa后，根据序贯决策方法进行最优决策能获得的最大收益期望。
根据序贯决策方法，设计最优信道机会接入方法N*(λ)，从而得到
Figure BDA0003550558220000052
其具体包括：
从|a|＝0开始，对于第n次观测，如果Za≥Va，那么终端发送CTS包信息，成功用户接入信道进行传输，其中，Za＝Za(λ)＝Ya-λTa，
Figure BDA0003550558220000053
否则，当n＝2k-1，观测序列更新为a＝(a，J*)，其中，J*＝min{j∈{0，1，2，...，L}：U(a，j)＝Va}，其含义为满足
Figure BDA0003550558220000054
时的最小j的值；当n＝2k时，观测序列更新为a＝(a，1)，其中数字1用来表示成功用户已进行第2k次观测。。
通过Bellman方程计算对Va和Ua进行计算；根据Ua定义，即基于观测序列a时的最优决策获得的最大收益期望，当观测序列|a|＝2k-1时，
Figure BDA0003550558220000055
|a|表示观测序列a的长度。当观测序列|a|＝2k时，
Figure BDA0003550558220000056
当a2k＞0时，其表达式为：
Ua＝max((τd-2·τRTS-a2k·τCTS))·max{Rd(k)，Rr(k)/2}-λ(Tc(k)+τd)，
U0-λ(Tc(k)+(2τRTS+a2k·τCTS)))；
当a2k＝0时，其表达式为
Figure BDA0003550558220000061
其中，Tc(k)表示从开始到第k次成功信道竞争以及前k-1次对中继卫星信道进行观测所花费的时间，其表达式为
Figure BDA0003550558220000062
其中，
Figure BDA0003550558220000063
表示前k次竞争信道花费的时间，
Figure BDA0003550558220000064
表示第1次信道竞争所花费的时间，
Figure BDA0003550558220000065
表示前k-1次对中继卫星信道进行观测所花费的时间。
综上可得，观测序列a下的最优决策获得的最大收益期望Ua的表达式为：
Figure BDA0003550558220000066
其中，Mj(hs(k))为在第k次成功信道竞争后，观测j个卫星中继信道所得到的收益期望。
基于所建立的信道竞争接入模型，根据序贯决策方法，设计最优信道机会接入方法，其具体包括：
对于代价系数λ＞0，最优序贯规划决策方法的实施过程为：第k次成功信道竞争后，对于第2k-1次观测，有：
如果对于
Figure BDA0003550558220000067
满足τdRd(k)-λτd≥Mj(hs(k))和τdRd(k)-λτd≥U0，那么停止观测，成功用户接入信道并利用直连信道传输。
如果
Figure BDA0003550558220000068
那么成功用户不观测卫星中继信道，放弃该次传输机会。
如果
Figure BDA0003550558220000071
那么成功用户随机观测J*个卫星中继信道，其中，
Figure BDA0003550558220000072
其含义为满足
Figure BDA0003550558220000073
时j的最小值。
对于第2k次观测，有：
如果满足(τd-2τRTS-J*τCTS)max(Rd(k)，Rr(k)/2)≥U0+λ(τd-2τRTS-J*τCTS)，那么成功用户停止该观测过程，选择卫星中继信道J*进行信息传输；否则，成功用户放弃该次传输机会，开始第k+1次信道竞争。
下面对本发明所涉及的几个概念进行详细说明。
成功用户：地面为一个分布式网络，每个用户以一定概率发送RTS探测包竞争信道。当仅有一个用户发送RTS探测包，则该用户竞争成功，将此用户称为成功用户。
终端：成功用户所发送信息的用户。
空闲时间δ：当没有用户占用信道的时间，该空间时间以δ为单位进行度量。
相干时间τd：信道保持恒定的最大时间范围，本发明中为每次用户传输的时间。
成功竞争：出现成功用户的过程。该过程中，成功用户发送RTS探测包，终端发送CTS包。在此前将经历多次信道竞争，即多个用户竞争该信道。
观测：在每次成功竞争过程中，存在两级观测过程，即终端获得信道状态信息的过程。第一级别观测过程中，成功用户发送RTS探测包，终端获得直连信道状态信息；第二级观测过程中，如果终端决定不观测卫星中继信道，则无后续观测，如果终端决定观测中继卫星信道，则观测信息为中继卫星两跳信道信息，因此定义观测序列：a＝(a1，a2，...，an)，其中，a2k-1＝1，表示第k次成功竞争过程中的第一级观测过程中终端获得直连信道状态信息，a2k∈{0，1，2，...，J}，表示第k次成功竞争过程中的第二级观测过程，其中，a2k＝0，表示终端发送CTS包中包含成功用户不观测中继卫星信道，a2k＝j，表示终端发送CTS包中包含成功用户观测的中继卫星信道数量j。
观测信息：对应于观测过程，终端在每次成功竞争后，在观测序列观测a下得到的信息，表示为
Figure BDA0003550558220000086
对于第l次成功竞争，其第2l-1次观测信息表示为
Figure BDA0003550558220000081
其中，s(l)表示第l次竞争成功用户，hs(l)表示第l次竞争成功用户的直连信道增益，
Figure BDA0003550558220000082
表示第l次信道竞争成功的时间，第2l次观测信息表示为：
Figure BDA0003550558220000083
其中，fs(l)，i(l)表示第l次成功用户s(l)到中继卫星i间的信道增益，gi，s(l)(l)表示中继卫星i到成功用户s(l)间的信道增益，则基于观测序列a的总观测信息表示为
Figure BDA0003550558220000084
其中，k为成功竞争的总次数。
收益函数：对应观测序列a，定义收益函数Ya，即观测序列为a时所能够得到的瞬时收益。
时间成本：对应观测序列a，定义时间成本Ta，即观测序列为a时用户完成信道竞争和信道接入所花费的时间。
信道机会接入方法：使用N表示决定停止观测时对应的序列观测历史，当信道机会接入方法为N时，其获得的传输信息量为YN，时间成本为TN。对于多次应用接入方法N后，得到的系统平均吞吐量为
Figure BDA0003550558220000085
为实现最大系统平均吞吐量，需要设计最优信道机会接入方法N*，使其实现系统平均吞吐量的最大化，即
Figure BDA0003550558220000091
本发明的有益效果为：
本发明设计了一种星地一体化网络中的卫星中继通信方法。具体地，对于地面通信网络，用户可选择直连链路进行传输，或者采用卫星中继进行传输。为最大化用户传输吞吐量，借助序贯决策理论，本发明设计一套阈值判决方法，使得地面用户可根据探测的链路状态，自适应选择直连链路或者利用中继卫星进行传输。
附图说明
图1是本发明的星地一体化卫星中继系统示意图；
图2是本发明的时隙协议设计示意图；
图3是不同接入时间对应的系统仿真图；
图4是不同信道参数的性能仿真图；
图5是不同系统参数对应的系统仿真图；
图6是不同方法对应的性能对比图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明内容，这里给出二个实施例。
图1是本发明的星地一体化卫星中继系统示意图；图2是本发明的时隙协议设计；图3是不同接入时间对应的系统仿真图；图4是不同系统参数对应的系统仿真图；图5是不同系统参数对应的系统仿真图；图6是不同方法对应的性能对比图。
实施例一：
本发明公开了一种星地一体化网络中的卫星中继通信方法，其利用星地一体化传输协议，设计相应的信息传输方法，进行信息传输。
所述的星地一体化传输协议，其协议设计如图2所示，其具体包括，星地一体化网络包括地面网络和卫星，地面网络为分布式网络，其各个用户之间存在直连链路。每个用户采用随机发送RTS探测包的方式进行信道随机接入，对于竞争成功的用户，即成功用户，其接收用户根据RTS探测包估计当前时隙下的信道状态，然后根据所估计出的信道状态，发送CTS包给成功用户。接收用户称为终端。CTS包中包含可指示成功用户进行直连链路传输或者选用卫星中继节点进行信息传输的相关信息。当成功用户选择卫星中继节点作为中继进行信息传输时，则成功用户以广播方式发送RTS探测包给其所选择的J个卫星，然后被选择的卫星依次向终端发送RTS探测包。当终端接收到RTS探测包后，估计每颗被选择的卫星到终端的通信链路的状态以及成功用户到每颗被选择的卫星的通信链路的状态。最终，终端向成功用户发送CTS包，指示其选择直连链路进行数据传输、选择卫星中继进行数据传输或放弃此次信道接入竞争方式。
具体地，成功用户首先发送RTS探测包给终端，终端回复CTS包给成功用户，指示其选择直连信道进行数据传输、选择卫星中继进行数据传输或放弃此次信道接入竞争方式。在接下来两个时隙中，无用户竞争信道，从而信道处于空闲状态。下一时隙中有多个用户同时竞争，发生冲突情况，即没有成功用户。下一时隙为空闲。下一时隙出现成功用户发送RTS，终端估计信道后发送CTS包指示其放弃此次传输机会。下一时隙为空闲。下一时隙出现成功用户发送RTS，终端发送CTS指示其观测中继卫星信道，再进行数据传输。下一时隙为空闲。下一时隙出现成功用户发送RTS，终端发送CTS指示其观测卫星中继信道，最终决定放弃此次传输机会。
所述的设计相应的信息传输方法，即根据星地一体化传输协议，利用基于序贯决策的最优决策方法，设计信息传输方法，使得地面网络传输吞吐量达到最大。具体地，定义多个不同阈值函数，当终端观测到直连信道状态和卫星信道两跳信道状态后，通过比对阈值函数进行决策。通过该方法，可实现网络吞吐量最大。卫星信道两跳信道状态是通过卫星进行中继通信的信道状态。
为实现地面网络传输吞吐量达到最大，建立信道竞争接入模型，定义目标收益函数为ZN(λ)=YN-λTN，其中λ表示代价系数，当信道机会接入方法为N时，其获得的传输信息量为YN，时间成本为TN，寻找最优的信道机会接入方法N*，其能够获得目标函数的上界，即
Figure BDA0003550558220000101
在第k次信道成功竞争后，对于第2k-1次观测项，当成功用户接入直连信道，则得到成功用户接入直连信道的瞬时收益为Ya，Ya＝τdRd(k)，其中Rd(k)＝log2(1+hs(k))，为第k次信道成功竞争后选择的直连信道所传输的信息量，hs(k)表示第k次信道成功竞争后选择的直连信道的信道状态值。对于第2k次观测项，当终端决策不观测卫星中继信道，即a2k＝0，则其瞬时收益为-∞；若终端决定对an个卫星中继信道进行观测，则可获得瞬时收益Ya为：
Ya＝(τd-anτRTS-τRTS-τCTS)·max{Rd(k)，Rr(k)/2}，
其中，Rd(k)＝log2(1+hs(k))，
Figure BDA0003550558220000111
Rr(k)表示第k次信道成功竞争后选择的卫星中继信道所传输的信息量，
Figure BDA0003550558220000112
表示an个卫星中继信道的信道状态的最优值。相应的，在第k次信道成功竞争后，成功用户完成信道竞争和业务传输所需花费的时间为
Figure BDA0003550558220000113
其中τRTS和τCTS分别为RTS探测包和CTS包的持续时间，
Figure BDA0003550558220000114
为第1次信道成功竞争所花费的时间，
Figure BDA0003550558220000115
表示指示函数，若a2l＞0，则
Figure BDA0003550558220000116
若a2l＝0，则
Figure BDA0003550558220000117
a2l表示第l次信道成功竞争后所观测的卫星中继信道的数量。
基于所建立的信道竞争接入模型，根据序贯决策方法，设计最优信道机会接入方法N*(λ)，从而得到
Figure BDA0003550558220000118
对任意两个观测序列a和b，定义二者关系：b≥a，表示对
Figure BDA0003550558220000119
满足bi＝ai，且观测序列b的长度大于观测序列a的长度。定义Aa为观测序列a下的决策空间。对于观测序列a，定义
Figure BDA00035505582200001110
其中，Ua为观测序列a下的最优决策获得的最大收益期望。当观测序列a＝0时，期望收益表示为U0，且
Figure BDA0003550558220000121
Figure BDA0003550558220000128
表示基于观测序列a得到的观测信息，包括观测得到的直连信道的信道状态和观测卫星中继得到的信道状态。Zb表示基于序列b的目标收益函数，即Zb＝Zb(λ)＝YN-λTN。令
Figure BDA0003550558220000122
表示观测序列为a，观测信息为
Figure BDA0003550558220000129
且观测信道活动不停止时，即基于观测序列a又继续观测卫星中继信道j∈Aa，利用序贯决策获得的最大收益期望，其中U(a，j)表示基于观测序列a又继续观测卫星中继信道j∈Aa后，根据序贯决策方法进行最优决策能获得的最大收益期望。
对于某一λ＞0，获得
Figure BDA0003550558220000123
的最优序贯规划决策方法N*(λ)可表示为：从|a|＝0开始，对于第n次观测，如果Za≥Va，那么终端发送CTS包信息，成功用户接入信道进行传输，其中，Za＝Za(λ)＝Ya-λTa，
Figure BDA0003550558220000124
否则，当n＝2k-1，观测序列更新为a＝(a，J*)，其中，J*＝min{j∈{0，1，2，...，L}：U(a，j)＝Va}，其含义为满足
Figure BDA0003550558220000125
时的最小j的值；当n＝2k时，观测序列更新为a＝(a，1)，其中数字1用来表示成功用户已进行第2k次观测。。
下面通过Bellman方程计算对Va和Ua进行计算；根据Ua定义，即基于观测序列a时的最优决策获得的最大收益期望，当观测序列|a|＝2k-1时，
Figure BDA0003550558220000126
|a|表示观测序列a的长度。当观测序列|a|＝2k时，
Figure BDA0003550558220000127
当a2k＞0时，其表达式为：
Ua＝max((τd-2·τRTS-a2k·τCTS))·max{Rd(k)，Rr(k)/2}-λ(Tc(k)+τd)，
U0-λ(Tc(k)+(2τRTS+a2k·τCTS)))；
当a2k＝0时，其表达式为
Figure BDA0003550558220000131
其中，Tc(k)表示从开始到第k次成功信道竞争以及前k-1次对中继卫星信道进行观测所花费的时间，其表达式为
Figure BDA0003550558220000132
其中，
Figure BDA0003550558220000133
表示前k次竞争信道花费的时间，
Figure BDA0003550558220000134
表示第1次信道竞争所花费的时间，
Figure BDA0003550558220000135
表示前k-1次对中继卫星信道进行观测所花费的时间。
综上可得，观测序列a下的最优决策获得的最大收益期望Ua的表达式为：
Figure BDA0003550558220000136
其中，Mj(hs(k))为在第k次成功信道竞争后，观测j个卫星中继信道所得到的收益期望。
基于所建立的信道竞争接入模型，根据序贯决策方法，设计最优信道机会接入方法，其具体包括：
对于代价系数λ＞0，最优序贯规划决策方法的实施过程为：第k次成功信道竞争后，对于第2k-1次观测，有：
如果对于
Figure BDA0003550558220000137
满足τdRd(k)-λτd≥Mj(hs(k))和τdRd(k)-λτd≥U0，那么停止观测，成功用户接入信道并利用直连信道传输。
如果
Figure BDA0003550558220000138
那么成功用户不观测卫星中继信道，放弃该次传输机会。
如果
Figure BDA0003550558220000141
那么成功用户随机观测J*个卫星中继信道，其中，
Figure BDA0003550558220000142
其含义为满足
Figure BDA0003550558220000143
时j的最小值。
对于第2k次观测，有：
如果满足(τd-2τRTS-J*τCTS)max(Rd(k)，Rr(k)/2)≥U0+λ(τd-2τRTS-j*τCTS)，那么成功用户停止该观测过程，选择卫星中继信道J*进行信息传输；否则，成功用户放弃该次传输机会，开始第k+1次信道竞争。
实施例二
本发明使用Monte-Carlo(蒙特卡洛)仿真来验证上述所提协议。假定分布式网络中有5个信源信宿对和6个中继卫星，信源到中继和信宿以及中继到信宿的无线信道服从瑞利衰落模型，信道衰落情况相互独立。信源节点的信道竞争参数设置为p＝0.3、δ＝25μs，τRTS＝τCTS＝50μs。直连信道的平均接收SNR为
Figure BDA0003550558220000144
第一跳平均接收SNR为
Figure BDA0003550558220000145
第二跳平均接收SNR为
Figure BDA0003550558220000146
且有
Figure BDA0003550558220000147
Figure BDA0003550558220000148
从1dB到5dB变化和信道最大接入时间τd从0.5ms到4ms变化。
图3给出了本发明所提的阈值结构对应的系统平均吞吐量(图中表示为‘解析’)，和网络实际仿真(图中显示为‘数值’)得到的系统平均吞吐量。可以看出，实验仿真所得结果和分析阈值所得的系统平均吞吐量结果匹配。
接下来再分析网络参数对信道接入方法系统性能的作用影响，结果如图4所示。给定
Figure BDA0003550558220000149
Figure BDA00035505582200001410
从1到5dB变化，
Figure BDA00035505582200001411
取值10和12dB。当τd从0.5ms增加到4ms，系统平均吞吐量不断增加。具体地，对于不同τd值下吞吐量曲线，当
Figure BDA00035505582200001412
从8dB到14dB变化时，系统吞吐量明显增加。
最后，将本发明所提方法，与现存方法进行对比。考虑下列五种方法：
不等待直接传输，即获胜信源具有直连信道和所有中继的SNR，选择直连信道进行传输；不等待全中继接入方法，即选择全中继进行传输；不等待单中继接入方法，即随机观测单个中继卫星进行传输；两级停止接入方法，即使用最优停止决策决定是否观测中继，利用最优单中继信道信息选择最优接入；最优单中继停止接入方法，获胜信源具有直连信道SNR和最优单中继两跳信道SNR信息，选择最优方式进行接入。
采用两组数据，分别为
Figure BDA0003550558220000151
Figure BDA0003550558220000152
实验结果如图6所示，表明本发明方法性能优于其他算法，验证本发明的有效性。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种星地一体化网络中的卫星中继通信方法，其特征在于，其利用星地一体化传输协议，设计相应的信息传输方法，进行信息传输；
所述的星地一体化传输协议，其具体包括，星地一体化网络包括地面网络和卫星，地面网络为分布式网络，其各个用户之间存在直连链路；每个用户采用随机发送RTS探测包的方式进行信道随机接入，对于竞争成功的用户，即成功用户，其接收用户根据RTS探测包估计当前时隙下的信道状态，然后根据所估计出的信道状态，发送CTS包给成功用户；接收用户称为终端；CTS包中包含可指示成功用户进行直连链路传输或者选用卫星中继节点进行信息传输的相关信息；当成功用户选择卫星中继节点作为中继进行信息传输时，则成功用户以广播方式发送RTS探测包给其所选择的J个卫星，然后被选择的卫星依次向终端发送RTS探测包；当终端接收到RTS探测包后，估计每颗被选择的卫星到终端的通信链路的状态以及成功用户到每颗被选择的卫星的通信链路的状态；最终，终端向成功用户发送CTS包，指示其选择直连链路进行数据传输、选择卫星中继进行数据传输或放弃此次信道接入竞争方式；
所述的设计相应的信息传输方法，即根据星地一体化传输协议，利用基于序贯决策的最优决策方法，设计信息传输方法，使得地面网络传输吞吐量达到最大；
为实现地面网络传输吞吐量达到最大，建立信道竞争接入模型，定义目标收益函数为ZN(λ)＝YN-λTN，其中λ表示代价系数，当信道机会接入方法为N时，其获得的传输信息量为YN，时间成本为TN，寻找最优的信道机会接入方法N*，其能够获得目标函数的上界，即
Figure FDA0003876255340000011
在第k次信道成功竞争后，对于第2k-1次观测项，当成功用户接入直连信道，则得到成功用户接入直连信道的瞬时收益为Ya，Ya＝τdRd(k)，其中Rd(k)＝log2(1+hs(k))，为第k次信道成功竞争后选择的直连信道所传输的信息量，hs(k)表示第k次信道成功竞争后选择的直连信道的信道状态值；对于第2k次观测项，当终端决策不观测卫星中继信道，即a2k＝0，则其瞬时收益为-∞；若终端决定对an个卫星中继信道进行观测，则可获得瞬时收益Ya为：
Ya＝(τd-anτRTS-τRTS-τCTS)·max{Rd(k),Rr(k)/2}，
其中，Rd(k)＝log2(1+hs(k))，
Figure FDA0003876255340000021
Rr(k)表示第k次信道成功竞争后选择的卫星中继信道所传输的信息量，
Figure FDA0003876255340000022
表示an个卫星中继信道的信道状态的最优值，τd表示相干时间，相干时间是信道保持恒定的最大时间范围；相应的，在第k次信道成功竞争后，成功用户完成信道竞争和业务传输所需花费的时间为
Figure FDA0003876255340000023
其中τRTS和τCTS分别为RTS探测包和CTS包的持续时间，
Figure FDA0003876255340000024
为第l次信道成功竞争所花费的时间，
Figure FDA0003876255340000025
表示指示函数，若a2l＞0，则
Figure FDA0003876255340000026
若a2l＝0，则
Figure FDA0003876255340000027
a2l表示第l次信道成功竞争后所观测的卫星中继信道的数量；
基于所建立的信道竞争接入模型，根据序贯决策方法，设计最优信道机会接入方法N*(λ)，从而得到
Figure FDA0003876255340000028
对任意两个观测序列a和b，定义二者关系：b≥a，表示对
Figure FDA0003876255340000029
满足bi＝ai，且观测序列b的长度大于观测序列a的长度；定义Aa为观测序列a下的决策空间；对于观测序列a，定义
Figure FDA00038762553400000210
其中，Ua为观测序列a下的最优决策获得的最大收益期望；当观测序列a＝0时，期望收益表示为U0，且
Figure FDA00038762553400000211
Figure FDA00038762553400000212
表示基于观测序列a得到的观测信息，包括观测得到的直连信道的信道状态和观测卫星中继信道得到的信道状态；Zb表示基于序列b的目标收益函数，即Zb＝Zb(λ)＝YN-λTN；令
Figure FDA00038762553400000213
表示观测序列为a，观测信息为
Figure FDA00038762553400000214
且观测信道活动不停止时，即基于观测序列a又继续观测卫星中继信道j∈Aa，利用序贯决策获得的最大收益期望，其中U(a,j)表示基于观测序列a又继续观测卫星中继信道j∈Aa后，根据序贯决策方法进行最优决策能获得的最大收益期望；
所述的根据序贯决策方法，设计最优信道机会接入方法N*(λ)，从而得到
Figure FDA0003876255340000031
其具体包括：
从|a|＝0开始，对于第n次观测，如果Za≥Va，那么终端发送CTS包信息，成功用户接入信道进行传输，其中，Za＝Za(λ)＝Ya-λTa，
Figure FDA0003876255340000032
否则，当n＝2k-1，观测序列更新为a＝(a,J*)，其中，J*＝min{j∈{0,1,2,...,L}:U(a,j)＝Va}，其含义为满足
Figure FDA0003876255340000033
时的最小j的值；当n＝2k时，观测序列更新为a＝(a,1)，其中数字1用来表示成功用户已进行第2k次观测。
2.如权利要求1所述的星地一体化网络中的卫星中继通信方法，其特征在于，
通过Bellman方程计算对Va和Ua进行计算；根据Ua定义，即基于观测序列a时的最优决策获得的最大收益期望，当观测序列|a|＝2k-1时，
Figure FDA0003876255340000034
|a|表示观测序列a的长度；当观测序列|a|＝2k时，
Figure FDA0003876255340000035
当a2k＞0时，其表达式为：
Figure FDA0003876255340000036
当a2k＝0时，其表达式为
Figure FDA0003876255340000041
其中，Tc(k)表示从开始到第k次成功信道竞争以及前k-1次对中继卫星信道进行观测所花费的时间，其表达式为
Figure FDA0003876255340000042
其中，
Figure FDA00038762553400000410
表示前k次竞争信道花费的时间，
Figure FDA0003876255340000044
表示第l次信道竞争所花费的时间，
Figure FDA0003876255340000049
表示前k-1次对中继卫星信道进行观测所花费的时间；
综上可得，观测序列a下的最优决策获得的最大收益期望Ua的表达式为:
Figure FDA0003876255340000046
其中，Mj(hs(k))为在第k次成功信道竞争后，观测j个卫星中继信道所得到的收益期望。
3.如权利要求1所述的星地一体化网络中的卫星中继通信方法，其特征在于，
基于所建立的信道竞争接入模型，根据序贯决策方法，设计最优信道机会接入方法，其具体包括：
对于代价系数λ＞0，最优序贯规划决策方法的实施过程为：第k次成功信道竞争后，对于第2k-1次观测，有：
如果对于
Figure FDA0003876255340000047
满足τdRd(k)-λτd≥Mj(hs(k))和τdRd(k)-λτd≥U0，那么停止观测，成功用户接入信道并利用直连信道传输；
如果U0＞max(τdRd(k)-λτd,
Figure FDA0003876255340000048
那么成功用户不观测卫星中继信道，放弃该次传输机会；
如果
Figure FDA0003876255340000051
那么成功用户随机观测J*个卫星中继信道，其中，
Figure FDA0003876255340000052
其含义为满足
Figure FDA0003876255340000053
时j的最小值；
对于第2k次观测，有：
如果满足(τd-2τRTS-J*τCTS)max(Rd(k),Rr(k)/2)≥U0+λ(τd-2τRTS-J*τCTS)，那么成功用户停止该观测过程，选择卫星中继信道J*进行信息传输；否则，成功用户放弃该次传输机会，开始第k+1次信道竞争。
CN202210262401.9A 2022-03-16 2022-03-16 一种星地一体化网络中的卫星中继通信方法 Active CN114630386B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210262401.9A CN114630386B (zh) 2022-03-16 2022-03-16 一种星地一体化网络中的卫星中继通信方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210262401.9A CN114630386B (zh) 2022-03-16 2022-03-16 一种星地一体化网络中的卫星中继通信方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114630386A CN114630386A (zh) 2022-06-14
CN114630386B true CN114630386B (zh) 2022-11-18

Family

ID=81901817

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210262401.9A Active CN114630386B (zh) 2022-03-16 2022-03-16 一种星地一体化网络中的卫星中继通信方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114630386B (zh)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112996019A (zh) * 2021-03-01 2021-06-18 军事科学院系统工程研究院网络信息研究所 基于多目标优化的太赫兹频段分布式星群接入控制方法
CN113162682A (zh) * 2021-05-13 2021-07-23 重庆邮电大学 一种基于pd-noma的多波束leo卫星系统资源分配方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110290593B (zh) * 2019-06-29 2020-10-30 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 基于双跳阈值决策的无线分布式网络机会信道接入方法
CN111511038B (zh) * 2019-12-30 2021-04-30 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 一种无线协同网络分布式信道智能感知与接入方法
CN112969240B (zh) * 2021-02-01 2022-09-20 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 基于纯阈值决策的异构无线分布式网络智能信道接入方法
CN113115471B (zh) * 2021-03-26 2022-07-26 天津(滨海)人工智能军民融合创新中心 一种异构无线协同网络分布式信道智能探测与接入方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112996019A (zh) * 2021-03-01 2021-06-18 军事科学院系统工程研究院网络信息研究所 基于多目标优化的太赫兹频段分布式星群接入控制方法
CN113162682A (zh) * 2021-05-13 2021-07-23 重庆邮电大学 一种基于pd-noma的多波束leo卫星系统资源分配方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114630386A (zh) 2022-06-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111511038B (zh) 一种无线协同网络分布式信道智能感知与接入方法
CN110290593B (zh) 基于双跳阈值决策的无线分布式网络机会信道接入方法
Afghah et al. Stochastic game theoretical model for packet forwarding in relay networks
Wang et al. OMAR: utilizing multiuser diversity in wireless ad hoc networks
Uddin et al. Carrier sensing-based medium access control protocol for WLANs exploiting successive interference cancellation
CN110381562B (zh) 基于双层松耦合最优停止的无线分布式协同网络接入方法
CN110351885B (zh) 基于阈值度量的无线分布式协同网络机会信道接入方法
CN112969240B (zh) 基于纯阈值决策的异构无线分布式网络智能信道接入方法
EP2250850B1 (en) Channel selection in an ad hoc wireless network
Iqbal et al. Access mechanism in wireless powered communication networks with harvesting access point
CN112867090B (zh) 一种军事作战通信链路选择机制度量方法
CN114630386B (zh) 一种星地一体化网络中的卫星中继通信方法
Narsani et al. Interference limited network for factory automation with multiple packets transmissions
CN110381559A (zh) 基于全局最优阈值决策的分布式无线网络频谱接入方法
Zhang et al. Opportunistic cooperative channel access in distributed wireless networks with decode-and-forward relays
Batool et al. Improvement of QoS through relay selection for hybrid SWIPT protocol
Fonseca A distributed procedure for carrier sensing threshold adaptation in CSMA-based mobile ad hoc networks
Zhu et al. Effective-capacity based auctions for relay selection over wireless cooperative communications networks
Omarov et al. Outage analysis of EH-based cooperative NOMA networks over generalized statistical models
KR20080086112A (ko) 이동 애드혹 네트워크의 라우팅 방법
Afsana et al. Multi-priority and trusted multi-path selection algorithm for ad-hoc network
Zhang et al. Network formation game for multi-hop wearable communications over millimeter wave frequencies
CN112601266B (zh) 一种延迟约束下的最优单中继分布式机会信道接入方法
Yunjie et al. Performance evaluation of an efficient cooperative channel reservation MAC protocol in wireless ad hoc networks
Cao et al. Relay selection for cooperative MAC considering retransmission overhead

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant