CN115242291B - 基于时间相关性的6g低轨卫星网络参数设定方法 - Google Patents

基于时间相关性的6g低轨卫星网络参数设定方法 Download PDF

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CN115242291B CN202210778487.0A CN202210778487A CN115242291B CN 115242291 B CN115242291 B CN 115242291B CN 202210778487 A CN202210778487 A CN 202210778487A CN 115242291 B CN115242291 B CN 115242291B
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Abstract

本发明提出了基于时间相关性的6G低轨卫星网络参数设定方法，具体地，根据实际通信需求的覆盖位置与范围，确定卫星部署高度与具体数量；考虑到卫星的高速移动，动态调整网络参数，完成初始部署；考虑到卫星的高移动性，研究了网络拓扑的时间相关性，受卫星动态变化的影响，网络拓扑发生变化，传输链路时刻波动，结合网络拓扑的时间相关性统计卫星链路波动性；且随着传输距离动态变化，地面用户处性能波动，为提高用户处的网络性能建立考虑多时隙联合信干噪比的长期性能模型；考虑到网络的波动，定义了在一定程度上反映链路覆盖时间依赖性的联合覆盖概率；根据链路波动情况和网络覆盖性能随卫星部署参数的关系确定卫星最优部署参数设定。

Description

基于时间相关性的6G低轨卫星网络参数设定方法
技术领域
本发明涉及未来第六代移动通信(6th Generation，6G)技术领域，特别涉及低轨卫星(Low Earth orbit，简称为LEO)网络中基于时间相关性的网络参数设定方法。
背景技术
天地一体化网络是以地面网络为基础、以卫星网络为延伸，实现空、天、地信息网络的相互融合，为天基、空基、陆基、海基等提供信息通信保障的基础设施，是国家信息网络实现全球覆盖、宽带传输、军队联合作战等的必经之路。卫星通信具有覆盖范围广、通信容量大、传输质量好、组网方便迅速、便于实现全球无缝链接等众多优点，被认为是建立全球个人通信必不可少的一种重要手段，由多个卫星组成的星座可以实现真正的全球覆盖。因此，低轨卫星系统被认为是最有应用前景的卫星移动通信技术之一，低轨卫星星座将在未来的宽带通信中发挥重要作用。
低轨卫星星座将在未来的宽带通信中发挥重要作用。近年来，我们见证了低轨卫星星座的蓬勃发展，低轨卫星由于其轨道高度比较低，在进行通信时，存在双程时延低、星地链路损耗小、数据传输速率高等优点，但由于轨道运行周期短，网络拓扑变化比较快，在通信时既要保证通信质量，又要适应动态变化的网络拓扑。低轨卫星系统所面临的一个关键挑战是低轨卫星相对于地球表面的快速移动，即7.5公里/秒。即使对于地面静止的用户设备，这也会转化为传播条件的快速和连续变化，这对系统性能有明显的影响。
低轨卫星的移动性将是宽带卫星网络研究、设计和规划的关键，这种高移动性对传统的无线电移动性机制提出了新的重大挑战。在地面网络中，随着用户在特定区域内移动，阴影和多径条件会突然变化，从而导致接收信号发生大规模变化。在低轨卫星网络中，不仅用户的移动性会导致大规模衰落，低轨卫星的移动也会在传播信道中引入信号干扰，即引起视距(LoS)/非视距(NLoS)状态变化。低轨卫星位置的高速变化，导致卫星到用户间传输距离变化，同时为网络拓扑引入了随机性，导致低轨卫星站点空间分布和链路状态的改变，从而使得用户处的网络性能具有时变性。
因此，对由低轨卫星和用户的移动性引起的这种变化进行考虑至关重要，现有研究提出了一些低轨卫星基站的通信设备设计方案，以及一些低轨卫星部署方案，然而低轨卫星通信的具体实现中尚有一些亟待解决的问题：低轨卫星的高速移动带来网络的时变特性，这一特性在低轨卫星网络中引入了随机性并降低了空间和时间的相关性；用户处的网络性能在时间上波动，瞬时的性能指标并不能反应用户处的实际的通信质量，有必要测量多个时隙中链路状态和网络的时间相关性，进一步推导出长时平均性能指标；基于此优化低轨卫星部署，并设定网络参数以提高通信质量的一致性、稳定性和连续性。
发明内容
本发明提出了基于时间相关性的6G低轨卫星网络参数设定方法。
具体地，根据实际通信需求的覆盖位置与范围，确定低轨卫星部署高度与具体数量；考虑到低轨卫星的高速移动，动态调整网络参数，完成初始部署；考虑到低轨卫星的高移动性，研究了网络拓扑的时间相关性，受低轨卫星动态变化的影响，网络拓扑发生变化，传输链路时刻波动，结合网络拓扑的时间相关性统计低轨卫星链路波动性；且随着传输距离动态变化，地面用户处性能波动，为提高用户处的网络性能，并建立考虑多时隙联合信干噪比的长期性能模型，考虑到网络的波动，定义了在一定程度上反映链路覆盖时间依赖性的联合覆盖概率；根据链路波动情况和网络覆盖性能随低轨卫星部署参数的关系确定低轨卫星最优部署参数设定。
本发明的基于时间相关性的低轨卫星网络参数设定包括以下步骤：
步骤200，根据实际通信需求，确定卫星部署高度与具体数量。
近年来多家高科技企业纷纷投资低轨卫星通信领域，提出了OneWeb、Starlink等十余个低轨卫星通信系统方案，目标是实现全球互联网覆盖。
便于低轨卫星轨道控制，本发明在设计低轨卫星星座时采用回归轨道，即低轨卫星运行周期与地球自转周期成整数比。依据Ts/Te＝k/n确定低轨卫星周期Ts，其中k，n是整数，Te为地球自转周期。设定低轨卫星部署在受灾区域上空h的球壳表面上，通过
Figure BDA0003722318640000031
确定出低轨卫星高度h，其中/>
Figure BDA0003722318640000032
为地球半径，μ为开普勒常数。
为实现全球覆盖，设定低轨卫星总数
Figure BDA0003722318640000033
其中/>
Figure BDA0003722318640000034
为地球半径，h为卫星高度。
步骤210，考虑到卫星的高速移动，动态调整网络参数，完成初始部署。
在本发明的小区关联中，设定用户连接到最近的低轨卫星，
Figure BDA0003722318640000035
是从地球中心指向天顶和穹顶边缘测量的穹顶角，设定最大值即低轨卫星为用户提供服务的最大范围
Figure BDA0003722318640000036
其中/>
Figure BDA0003722318640000037
为地球半径，h为低轨卫星高度。在该范围内，考虑到低轨卫星的高速移动，动态调整网络参数即低轨卫星高度h和低轨卫星数量N。
步骤220，结合网络拓扑的时间相关性，统计卫星部署参数与链路干扰波动性的关系。
地面用户处信号强度：
Figure BDA0003722318640000041
其中，Pt是低轨卫星的发射功率，
Figure BDA0003722318640000042
和/>
Figure BDA0003722318640000043
是在时隙ti从服务卫星/>
Figure BDA0003722318640000044
到用户的链路的路径损耗和额外路径损耗，αi表示在第ti个时隙低轨卫星的波动角度。
自由空间路径增益
Figure BDA0003722318640000045
如下：
Figure BDA0003722318640000046
其中，lair表示地球表面与低轨卫星之间的气体和水蒸气的共振引起的空气吸收衰减，lo＝c2/(4πf)2表示路损常数，
Figure BDA0003722318640000047
表示地球的半径，h为低轨卫星高度，/>
Figure BDA0003722318640000048
是从地球中心指向天顶和穹顶边缘测量的穹顶角。
额外路径损耗
Figure BDA0003722318640000049
如下：
Figure BDA00037223186400000410
其中，低轨卫星到用户之间的LoS链路的概率
Figure BDA00037223186400000411
a和b为环境参量,低轨卫星到用户之间的NLoS链路的概率/>
Figure BDA00037223186400000412
μNLos，σLos，σNLos为环境参量，分别是对应的LoS和NLoS分量的均值和标准差参数。
为了捕捉稳定性和波动的变化规律，衡量网络性能在不同时隙的时间相关性。时间相关性反映了网络当前状态和过去状态之间的相关性，统计用户从其服务卫星接收到的信号的时间相关系数：
Figure BDA00037223186400000413
其中，
Figure BDA0003722318640000051
表示在时隙t1，t2处接收到的信号强度。
步骤230，建立考虑多时隙联合信干噪比的长期性能模型，考虑到网络的波动，定义在一定程度上反映链路覆盖时间依赖性的联合覆盖概率。
根据低轨卫星的初始部署和时间相关性的模型，计算任意用户的网络联合覆盖性能
Figure BDA0003722318640000052
并上报给低轨卫星，/>
Figure BDA0003722318640000053
的计算公式为：
Figure BDA0003722318640000054
其中，T代表接收信噪比的阈值，
Figure BDA0003722318640000055
表示在时刻ti用户处的信干噪比，表达式为：
Figure BDA0003722318640000056
其中，σ2是噪声强度，Pt是低轨卫星的发射功率，
Figure BDA0003722318640000057
和/>
Figure BDA0003722318640000058
是在时隙ti从服务卫星/>
Figure BDA0003722318640000059
到用户的链路的路径损耗和额外路径损耗，αi表示在第i个时隙低轨卫星的波动角度。
步骤240，根据链路波动情况和网络覆盖性能随卫星部署参数的关系确定卫星最优部署。
根据链路波动性随低轨卫星波动角度和低轨卫星高度的变化关系，确定低轨卫星的最优部署高度，进一步根据低轨卫星高度确定最优低轨卫星数量。根据网络覆盖性能随低轨卫星部署高度、数量和阈值的变化关系，确定低轨卫星的最优部署高度与数量。当低轨卫星数量发生变化后，需要重新优化低轨卫星的最优部署高度，进而给出最优部署。
有益效果
本发明提出了基于时间相关性的6G低轨卫星网络参数设定方法。本发明根据实际通信需求的覆盖位置与范围，确定低轨卫星部署高度与具体数量；考虑到低轨卫星的高速移动，动态调整网络参数，完成部署参数的设计。
本发明结合网络拓扑的时间相关性统计低轨卫星链路波动性，并建立考虑多时隙联合信干噪比的长期性能模型，定义了在一定程度上反映链路覆盖时间依赖性的联合覆盖概率；根据链路波动情况和网络覆盖性能随低轨卫星部署参数的关系确定低轨卫星的最优部署参数设定，根据实际低轨卫星系统的需求给出了部署参数的设计，对实际场景中低轨卫星基站的部署有指导意义。
本发明通过引入时间相关性因子，通过不同时隙累积干扰的相关系数来获取网络状态在不同时隙的相关关系，并基于此建立了网络覆盖概率模型，根据用户处的覆盖性能对低轨卫星的部署参数设计进行优化，以提高低轨卫星网络性能。
附图说明
图1是本发明的考虑时间相关性的低轨卫星星座的网络模型示意图；
图2是本发明的算法实施流程图；
图3是信号相关系数随低轨卫星波动角度的变化关系图；
图4是信号相关系数随低轨卫星高度的变化关系图；
图5是联合覆盖率随低轨卫星高度的变化关系图；
图6是联合覆盖率随信号阈值的变化关系图；
具体实施方式
本发明针对低轨卫星通信系统，提出了考虑实际相关性的低轨卫星参数设定方法，网络模型如附图1所示。附图1展示了低轨卫星通信的网络拓扑：
Figure BDA0003722318640000061
是从地球中心指向天顶和圆顶边缘测量的天顶角，其中地球的中心被记为O；距离用户最近的卫星给用户提供服务，记为服务卫星；其余在用户水平面以上的同信道卫星对用户提供同频干扰，记为干扰卫星。卫星基站服务的用户受到的累计干扰来自于两部分：信道噪声和其他卫星的干扰。α表示卫星波动情况，基于低轨卫星位置的运动导致传输距离的变化和拓扑变化，导致了站点空间分布和链路状态的改变，从而使得用户处的网络性能具有时变性。
本案例的算法流程如附图2所示，其具体的实施步骤为：
步骤300，根据实际通信需求确定卫星部署高度与具体数量。
设定N个低轨卫星部署在受灾区域上空h的轨道平面上，具体为：为便于低轨卫星轨道控制，我们设计低轨卫星星座采用回归轨道，即低轨卫星运行周期与地球自转周期成整数比。由Ts/Te＝k/n确定卫星周期，其中k，n是整数，Te＝86164s为地球自转周期。
求得卫星周期Ts后，确定出低轨卫星高度h如下：
Figure BDA0003722318640000071
其中
Figure BDA0003722318640000072
为地球半径，μ为开普勒常数。
为实现全球覆盖，设定低轨卫星总数
Figure BDA0003722318640000073
其中/>
Figure BDA0003722318640000074
为地球半径，h为卫星高度。
步骤310，考虑到卫星的高速移动，动态调整网络参数，完成初始部署。
低轨卫星的公转半径为
Figure BDA0003722318640000075
其中/>
Figure BDA0003722318640000076
表示地球的半径。在灵活的小区关联中，设定用户连接到最近的低轨卫星，/>
Figure BDA0003722318640000077
是从地球中心指向天顶和穹顶边缘测量的穹顶角，设定最大值为/>
Figure BDA0003722318640000078
其中/>
Figure BDA0003722318640000079
在该范围内，考虑到低轨卫星的高速移动，动态调整网络参数即低轨卫星高度h和低轨卫星数量N。
步骤320，结合网络拓扑的时间相关性，统计卫星部署参数与链路干扰波动性的关系。
地面用户处信号强度：
Figure BDA0003722318640000081
其中，Pt是低轨卫星的发射功率，
Figure BDA0003722318640000082
和/>
Figure BDA0003722318640000083
是在时隙ti从服务卫星/>
Figure BDA0003722318640000084
到用户的链路的路径损耗和额外路径损耗，αi表示在第ti个时隙低轨卫星的波动角度。
自由空间路径增益
Figure BDA0003722318640000085
如下：
Figure BDA0003722318640000086
其中，lair表示地球表面与低轨卫星之间的气体和水蒸气的共振引起的空气吸收衰减，lo＝c2/(4πf)2表示低轨卫星的路损常数，
Figure BDA0003722318640000087
表示地球的半径，h为低轨卫星高度，/>
Figure BDA0003722318640000088
是从地球中心指向天顶和低轨卫星穹顶边缘测量的穹顶角。
额外路径损耗
Figure BDA0003722318640000089
如下：
Figure BDA00037223186400000810
其中，低轨卫星到用户之间的LoS链路的概率
Figure BDA00037223186400000811
a和b为环境参量,低轨卫星到用户之间的NLoS链路的概率/>
Figure BDA00037223186400000812
μNLos，σLos，σNLos为环境参量，分别是对应的和LoS，NLoS分量的均值和标准差参数。
为了捕捉稳定性和波动的变化规律，衡量网络性能在不同时隙的时间相关性。时间相关性反映了网络当前状态和过去状态之间的相关性，根据
Figure BDA00037223186400000813
统计用户从其服务卫星接收到的信号的时间相关系数如下：
Figure BDA0003722318640000091
其中，Pt是低轨卫星的发射功率，
Figure BDA0003722318640000092
和/>
Figure BDA0003722318640000093
是在时隙ti从服务卫星/>
Figure BDA0003722318640000094
到用户的链路的路径损耗和额外路径损耗，/>
Figure BDA0003722318640000095
表示低轨卫星穹顶角的概率密度函数，α表示低轨卫星的波动角度。
步骤330，衡量卫星部署参数与网络覆盖性能的关系，进一步推导出长时平均性能指标，并建立考虑多时隙联合信干噪比的长期性能模型，定义了在一定程度上反映链路覆盖时间依赖性的联合覆盖概率。
根据低轨卫星的初始部署和时间相关性模型计算任意用户的网络联合覆盖性能，根据
Figure BDA0003722318640000096
计算n个时隙内任意用户的网络联合覆盖性能P如下：
Figure BDA0003722318640000097
其中，n为统计时隙数，Pt是低轨卫星的发射功率，
Figure BDA0003722318640000098
和/>
Figure BDA0003722318640000099
是在时隙ti从服务卫星/>
Figure BDA00037223186400000910
到用户的链路的路径损耗和额外路径损耗，αi表示在第i个时隙低轨卫星的波动角度，/>
Figure BDA00037223186400000911
表示低轨卫星穹顶角的概率密度函数，/>
Figure BDA00037223186400000912
即对应的低轨卫星穹顶角的累积分布函数。
步骤340，根据链路波动情况和网络覆盖性能随卫星部署参数的关系确定卫星最优部署
根据链路波动性ξs随低轨卫星波动角度α和低轨卫星高度h的变化关系，确定低轨卫星的最优部署高度，进一步根据低轨卫星高度确定最优卫星数量。
根据网络覆盖性能
Figure BDA0003722318640000101
随低轨卫星部署高度h、数量N和阈值T的变化关系，确定低轨卫星的最优部署高度与数量。当低轨卫星数量发生变化后，需要重新优化卫星的最优部署高度，进而给出最优参数设计。
仿真结果如附图3，附图4，附图5，附图6所示。附图3中给出了信号相关系数在不同的低轨卫星高度下随卫星波动角度的变化关系。信号相关系数体现了链路波动性大小，由图3所示，链路波动性随着低轨卫星波动角度的增加先增大后减小，信号相关性越大表示链路的波动性越小。
附图4给出在信号相关系数在不同的低轨卫星波动角度下随低轨卫星高度的变化关系，由图可见，随着高度的增加，信号相关系数逐渐增加，之后趋于不变。低轨卫星高度高度的增加使LoS链路的概率增加，即链路被阻塞的概率越小，不同时隙之间的链路阻塞的变化就越小，因此，信号相关系数越大，链路的波动性降低。
附图5给出在联合覆盖率在不同的时隙和低轨卫星数量下随低轨卫星高度的变化关系。联合覆盖率与低轨卫星高度的关系是先增后减，会达到一个最优的高度约500千米。一开始随着低轨卫星高度的增加，LoS传输的概率增加，这意味着传输链路的质量更好，不同时隙的环境传输的相似度较高，这两个因素导致联合覆盖率增加；然而，在联合覆盖率增加到峰值后，随着h的增加，传输距离的增加导致信号衰减更加严重，成为影响SIR的主要因素。此外，可以看出，同时，统计的时隙越多，联合覆盖率降低，可进一步根据实际通信需求对低轨卫星高度等进行调整。
附图6给出在联合覆盖率在不同的低轨卫星高度下随阈值的变化关系。随着阈值的增加，联合覆盖率降低，说明网络性能逐渐变差。根据实际通信需求设置网络覆盖性能P的阈值Tc，当P＜Tc，说明低轨卫星网络传输质量较差，无法对用户进行可靠的通信数据传输服务，需要调整网络参数设置。

Claims (4)

1.基于时间相关性的6G低轨卫星网络参数设定方法，其特征在于，包括：根据实际通信需求的覆盖位置与范围，确定卫星部署高度与具体数量；考虑到卫星的高速移动，动态调整网络参数，完成初始部署；考虑到卫星的高移动性，研究了网络拓扑的时间相关性，受卫星动态变化的影响，网络拓扑发生变化，传输链路时刻波动，结合网络拓扑的时间相关性统计卫星链路波动性,结合网络拓扑的时间相关性，统计卫星部署参数与链路干扰波动性的关系，计算出用户从其服务卫星接收到的信号的时间相关系数：
Figure FDA0004248801270000011
其中，
Figure FDA0004248801270000012
表示在时隙t1，t2处接收到的信号强度；
且随着传输距离动态变化，地面用户处性能波动，为提高用户处的网络性能，建立考虑多时隙联合信干噪比的长期性能模型，考虑到网络的波动，定义了在一定程度上反映链路覆盖时间依赖性的联合覆盖概率,建立考虑多时隙联合信干噪比的长期性能模型；根据卫星的初始部署和时间相关性的模型，计算任意用户的网络联合覆盖性能：
Figure FDA0004248801270000013
其中，T代表接收信噪比的阈值，SINRi表示在时刻ti用户处的信干噪比，表达式为：
Figure FDA0004248801270000014
其中，σ2是噪声强度，Pt是卫星的发射功率，
Figure FDA0004248801270000015
和/>
Figure FDA0004248801270000016
是在时隙ti从服务卫星/>
Figure FDA0004248801270000017
到用户的链路的路径损耗和额外路径损耗，αi表示在第ti个时隙卫星的波动角度；根据链路波动情况和网络覆盖性能随卫星部署参数的关系确定卫星最优部署参数设定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据实际通信需求确定卫星部署高度与具体数量；依据Ts/Te＝k/n确定卫星周期，其中k，n是整数，Te为地球自转周期；设定卫星部署在受灾区域上空h的球壳表面上，通过
Figure FDA0004248801270000021
确定出卫星高度h，其中/>
Figure FDA0004248801270000022
为地球半径，μ为开普勒常数；为实现全球覆盖，设定卫星总数/>
Figure FDA0004248801270000023
其中/>
Figure FDA0004248801270000024
为地球半径，h为卫星高度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设定用户连接到最近的卫星，
Figure FDA0004248801270000025
是从地球中心指向天顶和穹顶边缘测量的穹顶角，设定最大值即卫星为用户提供服务的最大范围
Figure FDA0004248801270000026
其中/>
Figure FDA0004248801270000027
Figure FDA0004248801270000028
为地球半径，h为卫星高度；在该范围内，考虑到卫星的高速移动，动态调整网络参数即卫星高度h和卫星数量N。
4.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，根据链路波动性随卫星波动角度和卫星高度的变化关系，确定卫星的最优部署高度，进一步根据卫星高度确定最优卫星数量；根据网络覆盖性能随卫星部署高度、数量和阈值的变化关系，确定卫星的最优部署高度与数量；当卫星数量发生变化后，需要重新优化卫星的最优部署高度，进而给出最优部署。
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