CN115102605A

CN115102605A - 结合均分与编码域非正交的低轨卫星星群组网方法

Info

Publication number: CN115102605A
Application number: CN202210654144.3A
Authority: CN
Inventors: 李旭; 杨明强; 梁亚楠; 仝欣
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2022-06-10
Filing date: 2022-06-10
Publication date: 2022-09-23
Anticipated expiration: 2042-06-10
Also published as: CN115102605B

Abstract

本发明提供一种结合均分与编码域非正交的低轨卫星星群组网方法，属于无线通信技术领域，依据低轨卫星星群拓扑预测结果确定当前网络拓扑图，确定本节点及其两跳邻居节点集合；按照节点号由小至大顺序，将C个控制时隙均分给多个节点用于发送控制消息；等待本节点分配的控制时隙到来，发送控制消息，其余时隙处于接收状态；等待控制时隙全部被占用后，依据接收到的邻居信息及拓扑预测结果；依据编码图样设计原则，确定各节点编码图样，等待数据时隙到来时，按照编码图样进行业务发送。本发明基于均分的低轨卫星网络调度以及基于编码非正交的数据传输，在提升了低轨卫星星群组网通信可靠性的基础上，降低了组网通信开销、提升了网络资源效率。

Description

结合均分与编码域非正交的低轨卫星星群组网方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种结合均分与编码域非正交的低轨卫星星群组网方法。

背景技术

近年来，随着卫星通信技术发展、卫星造价与发射成本持续降低、以及全球覆盖通信需求的增加，低轨卫星网络逐渐受到业界关注。低轨卫星星群网络利用星间链路将多颗卫星构成有机整体，不仅能够突破地形限制，实现全天候、广覆盖的数据通信，弥补地面通信系统不足，还可规避偏远地区建站难、星座中某颗卫星馈电链路失效等带来的负面影响，成为目前卫星行业的研究重点和发展趋势。

低轨卫星星群拓扑具备时变性特点，根据星群拓扑结构的周期性变化预测某时刻拓扑结构，利用该特征可简化星群组网设计复杂度。但由于低轨卫星星群存在空间环境与干扰复杂多变、卫星姿态控制与星间天线指向精度要求高等特征，带来链路时断时续等问题，无法直接利用拓扑预测结果，对星群节点可靠、高效组网通信提出了更高的挑战。现有研究中，一种方式从卫星网络拓扑结构周期性与规则性变化角度出发，基于系统周期分割思想或覆盖区域分割思想，将卫星网络结构由动态转化为静态并在静态结构下进行协议设计。随着星座规模的扩展，上述方法需要存储大量的拓扑快照与路由结果，对卫星存储能力提出了极高的要求；当链路时断时续、节点故障与毁伤等导致拓扑预测结果存在偏差时，完全依照拓扑预测使得数据传输可靠性难以保证。另一种研究思路为利用卫星网络与地面自组网的相似性(分布式结构、拓扑动态变化等)，将自组网主动路由、按需路由等思想应用其中，但在拓扑频繁变化、链路时断时续的卫星网络中，频繁路由与网络维护将带来长时延、大开销等问题。

编码域非正交技术通过在相同的时频资源叠加多个用户发送的信息，使用过载方式提升系统的频谱利用率，利用协作编码提升系统可靠性(如图1所示)。但目前研究大多集中于提高卫星通信的速率和接入用户数量等方面，未能充分利用编码域非正交思想提升系统资源效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种综合考虑星群拓扑可预测、链路时断时续特征，在保证星群组网通信可靠性的基础上，降低组网通信开销、提升网络资源效率的结合均分与编码域非正交的低轨卫星星群组网方法，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一方面，本发明提供一种结合均分与编码域非正交的低轨卫星星群组网方法，包括：

步骤S1：在当前帧开始时刻，依据低轨卫星星群拓扑预测结果确定当前网络拓扑图，确定本节点及其两跳邻居节点集合N_all；

步骤S2：按照节点号由小至大顺序，将C个控制时隙均分给N_all个节点用于发送控制消息，每个节点占用

个时隙；

步骤S3：等待本节点分配的控制时隙到来，发送控制消息，其余时隙处于接收状态；

步骤S4：等待控制时隙全部被占用后，依据接收到的邻居信息及拓扑预测结果，确定数据时隙占用节点集合N；

步骤S5：依据编码图样设计原则，确定各节点编码图样，等待数据时隙到来时，按照编码图样进行业务发送；

步骤S6：该帧结束后，重新执行步骤S1。

优选的，每帧包含C个控制时隙与D个数据时隙，节点占用控制时隙发送控制消息，占用数据时隙发送数据消息；其中，控制消息中包括节点运行状态、节点优先级、业务需求、业务需求优先级、自身维护拓扑与路由信息。

优选的，所述步骤S4中数据时隙占用节点集合确定原则为：若在该帧控制消息发送时间内收到某邻居节点的控制信息，则根据该信息内业务需求判断是否将节点加入集合中，并将加入集合的节点按照业务需求优先级进行排序；若由于链路波动等因素导致在该帧控制消息发送时间内未收到该邻居节点的控制消息，同样将该节点加入集合中，并根据前一帧或预设的节点优先级进行排序。

优选的，所述步骤五中编码图样设计原则为：首先计算数据时隙占用节点集合中节点i的第j个业务的权重Q_ij，Q_ij＝N_Dij×N_Mij；其中N_Dij表示该业务占用数据时隙数量需求，N_Mij表示业务优先级系数；其次，确定集合中各节点业务权重和

并将数据时隙个数D、权重和Q_all分别作为编码图样设计中的时隙节点与消息节点参数代入，判断Q_all是否超过数据时隙D支持最大容量；若是，删除集合中最低优先级业务申请，重新计算权重和并进行比较，否则，将最大化系统资源效率作为目标，采用差分进化优化方法，确定节点发送度分布，各节点各业务对应自身权重，确定自身编码图样。

优选的，对于仅获知节点优先级的节点，按照对应该节点优先级的预设业务需求与业务优先级系数进行计算。

第二方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如权上所述的结合均分与编码域非正交的低轨卫星星群组网方法。

第三方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序当在一个或多个处理器上运行时，用于实现如上所述的结合均分与编码域非正交的低轨卫星星群组网方法。

第四方面，本发明提供一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如上所述的结合均分与编码域非正交的低轨卫星星群组网方法的指令。

本发明有益效果：通过基于均分的低轨卫星网络维护与资源调度方法以及基于编码非正交的数据传输方法，在提升了低轨卫星星群组网通信可靠性的基础上，降低了组网通信开销、提升了网络资源效率。

本发明附加方面的优点，将在下述的描述部分中更加明显的给出，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的编码域非正交与反复重传机制可靠性对比示意图。

图2为本发明实施例所述的低轨卫星星群网络帧结构示意图。

图3为本发明实施例所述的低轨卫星星群组网流程示意图。

图4为本发明实施例所述的编码图样设计流程示意图。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

实施例1

如图1至图4所示，本实施例1提供一种结合均分与编码域非正交的的低轨卫星星群组网协议，该方法适用于拓扑结构可预测、星间链路时断时续的低轨卫星星群网络，具体过程为：

S1：在当前帧开始时刻，依据低轨卫星星群拓扑预测结果确定当前网络拓扑图，确定本节点及其两跳邻居节点集合N_all；

S2：按照节点号由小至大顺序，将C个控制时隙均分给N_all个节点用于发送控制消息，其中每个节点占用

个时隙；

S3：等待本节点分配的控制时隙到来，发送控制消息，其余时隙处于接收状态；

其中，控制消息中包括：节点运行状态、节点优先级、业务需求、业务需求优先级、自身维护拓扑与路由信息等。

S4：等待控制时隙全部被占用后，依据接收到的邻居信息及拓扑预测结果，确定数据时隙占用节点集合N；

其中，数据时隙占用节点集合确定原则为：

若在该帧控制消息发送时间内收到某邻居节点的控制信息，则根据该信息内业务需求判断是否将节点加入集合中，并将加入集合的节点按照业务需求优先级进行排序；若由于链路波动等因素导致在该帧控制消息发送时间内未收到该邻居节点的控制消息，同样将该节点加入集合中，并根据前一帧或预设的节点优先级进行排序。

S5：依据编码图样设计原则，确定各节点编码图样，等待数据时隙到来时，按照编码图样进行业务发送；

其中，编码图样设计原则为：

1)计算数据时隙占用节点集合中节点i的第j个业务的权重Q_ij，

Q_ij＝N_Dij×N_Mij。其中N_Dij表示该业务需求(即占用数据时隙数量)，N_Mij表示业务优先级系数(越高优先级系数越大，表征多传次数)。对于仅获知节点优先级的节点，按照对应该节点优先级的预设业务需求与业务优先级系数进行计算。

2)确定集合中各节点业务权重和

3)将数据时隙个数D、权重和Q_all分别作为编码图样设计中的时隙节点与消息节点参数代入，判断Q_all是否超过数据时隙D支持最大容量。若是，删除集合中最低优先级业务申请，执行步骤2)，否则执行步骤4)。

4)将最大化系统资源效率作为目标，采用差分进化优化方法，确定节点发送度分布，各节点各业务对应自身权重，确定自身编码图样。

S6：该帧结束后，重新执行步骤S1。

实施例2

本发明实施例2提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如上所述的结合均分与编码域非正交的低轨卫星星群组网方法，该方法包括：

个时隙；

步骤S6：该帧结束后，重新执行步骤S1。

实施例3

本发明实施例3提供一种计算机程序(产品)，包括计算机程序，所述计算机程序当在一个或多个处理器上运行时，用于实现如上所述的结合均分与编码域非正交的低轨卫星星群组网方法，该方法包括：

个时隙；

步骤S6：该帧结束后，重新执行步骤S1。

实施例4

本发明实施例4提供一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如上所述的结合均分与编码域非正交的低轨卫星星群组网方法的指令，该方法包括：

个时隙；

步骤S6：该帧结束后，重新执行步骤S1。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种结合均分与编码域非正交的低轨卫星星群组网方法，其特征在于，包括：

个时隙；

步骤S6：该帧结束后，重新执行步骤S1。

2.根据权利要求1所述的结合均分域编码域非正交的低轨卫星星群组网方法，其特征在于，每帧包含C个控制时隙与D个数据时隙，节点占用控制时隙发送控制消息，占用数据时隙发送数据消息；其中，控制消息中包括节点运行状态、节点优先级、业务需求、业务需求优先级、自身维护拓扑与路由信息。

3.根据权利要求1所述的结合均分域编码域非正交的低轨卫星星群组网方法，其特征在于，所述步骤S4中数据时隙占用节点集合确定原则为：若在该帧控制消息发送时间内收到某邻居节点的控制信息，则根据该信息内业务需求判断是否将节点加入集合中，并将加入集合的节点按照业务需求优先级进行排序；若由于链路波动等因素导致在该帧控制消息发送时间内未收到该邻居节点的控制消息，同样将该节点加入集合中，并根据前一帧或预设的节点优先级进行排序。

4.根据权利要求1所述的结合均分域编码域非正交的低轨卫星星群组网方法，其特征在于，所述步骤五中编码图样设计原则为：首先计算数据时隙占用节点集合中节点i的第j个业务的权重Q_ij，Q_ij＝N_Dij×N_Mij；其中N_Dij表示该业务占用数据时隙数量需求，N_Mij表示业务优先级系数；其次，确定集合中各节点业务权重和

5.根据权利要求4所述的结合均分域编码域非正交的低轨卫星星群组网方法，其特征在于，对于仅获知节点优先级的节点，按照对应该节点优先级的预设业务需求与业务优先级系数进行计算。

6.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如权利要求1-5任一项所述的结合均分与编码域非正交的低轨卫星星群组网方法。

7.一种计算机程序产品，其特征在于，包括计算机程序，所述计算机程序当在一个或多个处理器上运行时，用于实现如权利要求1-5任一项所述的结合均分与编码域非正交的低轨卫星星群组网方法。

8.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如权利要求1-5任一项所述的结合均分与编码域非正交的低轨卫星星群组网方法的指令。