CN116321183A - 协调干扰的方法、系统及电子设备 - Google Patents

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CN116321183A CN202211711834.4A CN202211711834A CN116321183A CN 116321183 A CN116321183 A CN 116321183A CN 202211711834 A CN202211711834 A CN 202211711834A CN 116321183 A CN116321183 A CN 116321183A
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orbit satellite
earth orbit
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interference
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黄锐
赵冬
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刘悦
陈宏�
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Abstract

本申请公开了一种协调干扰的方法、系统及电子设备。其中，该方法包括：检测第一低地球轨道卫星的实时运行轨迹，其中，第一低地球轨道卫星用于传输数据；在检测到第一低地球轨道卫星运行至对地球静止轨道卫星存在干扰的干扰区域的情况下，发送协助感知指令至第二低地球轨道卫星；接收第二低地球轨道卫星返回的感知结果，其中，第二低地球轨道卫星用于对地球静止轨道卫星的频谱占用状态进行频谱感知生成感知结果；基于感知结果确定第一低地球轨道卫星的运行状态，其中，运行状态至少包括：第一低地球轨道卫星的发射功率。本申请解决了由于相关技术中卫星的频率资源利用率、吞吐量较低，且卫星之间存在信号互相干扰，整体效能较差的技术问题。

Description

协调干扰的方法、系统及电子设备
技术领域
本申请涉及卫星通信网络领域，具体而言，涉及一种协调干扰的方法、系统及电子设备。
背景技术
在未来6G移动通信系统中，将面临诸多的挑战和变革。近年来，星地网络实现了蓬勃发展，空间信息网络打破了各个系统重复建设、各自为政的不利现状，促使频率资源、空间轨道资源等各类资源统一、有序、高效的分配和使用，在人民生活的各个方面都发挥了重要作用。但随着人们对无线通信服务需求的猛增，可用频率资源越发紧缺，同时由于星-地间与星-星间干扰的存在，严重时使得整体效能不升反降。
目前全球卫星通信系统仍以静止轨道(GSO)卫星为主，不少频段采用了GSO为主用户的干扰保护策略，低轨互联网星座的发展势必对现有GSO的同频共存提出了严峻的挑战。
针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本申请实施例提供了一种协调干扰的方法、系统及电子设备，以至少解决由于相关技术中卫星的频率资源利用率、吞吐量较低，且卫星之间存在信号互相干扰，整体效能较差的技术问题。
根据本申请实施例的一个方面，提供了一种协调干扰的方法，包括：检测第一低地球轨道卫星的实时运行轨迹，其中，第一低地球轨道卫星用于传输数据；在检测到第一低地球轨道卫星运行至对地球静止轨道卫星存在干扰的干扰区域的情况下，发送协助感知指令至第二低地球轨道卫星；接收第二低地球轨道卫星返回的感知结果，其中，第二低地球轨道卫星用于对地球静止轨道卫星的频谱占用状态进行频谱感知生成感知结果；基于感知结果确定第一低地球轨道卫星的运行状态，其中，运行状态至少包括：第一低地球轨道卫星的发射功率。
可选地，基于感知结果确定第一低地球轨道卫星的运行状态，包括：在感知结果指示地球静止轨道卫星的信道状态为空闲状态，则确定第一低地球轨道卫星的工作模式为覆盖模式，且发射功率设置为第一发射功率
Figure BDA0004027973640000021
可选地，在感知结果指示地球静止轨道卫星的信道状态为繁忙状态，则确定第一低地球轨道卫星的工作模式为衬底模式，且发射功率设置为第二发射功率
Figure BDA0004027973640000022
其中，
Figure BDA0004027973640000023
可选地，基于感知结果确定第一低地球轨道卫星的运行状态，包括：检测地球静止轨道卫星的信道状态是否在连续的预定数量的时隙中均保持为空闲状态或者均保持为繁忙状态，得到检测结果；在检测结果指示信道状态在连续的预定数量的时隙中均保持为空闲状态或者均保持为繁忙状态的情况下，确定基于感知结果确定第一低地球轨道卫星的运行状态。
可选地，在检测结果指示信道状态在连续的预定数量的时隙中信道状态存在发生变化的情况下，对第一低地球轨道卫星的数据吞吐量进行优化。
可选地，对第一低地球轨道卫星的数据吞吐量进行优化，包括：生成优化问题，其中，优化问题的第一表达式P1为：
Figure BDA0004027973640000024
Figure BDA0004027973640000025
Figure BDA0004027973640000026
Figure BDA0004027973640000027
Figure BDA0004027973640000028
C5：Tmin≤Ts≤Θτ-Tt
C6：1≤Θ≤Θmax；
其中，
Figure BDA0004027973640000029
表示目标函数最大化时，/>
Figure BDA00040279736400000210
感知阶段的感知时长Ts以及频谱感知间隔Θ的取值，/>
Figure BDA00040279736400000211
表示第一低地球轨道卫星的平均吞吐量，约束(C1)要求第一低地球轨道卫星实现吞吐的最小速率大于目标阈值/>
Figure BDA00040279736400000212
约束(C2)将第一低地球轨道卫星的总发射功率限制在预定值/>
Figure BDA00040279736400000213
约束(C3)和(C4)分别将在GEO系统处的衬底模型下的平均干扰/>
Figure BDA0004027973640000031
和瞬时干扰/>
Figure BDA0004027973640000032
限制在预定阈值/>
Figure BDA0004027973640000033
之内；约束(C5)和(C6)分别用于限制感知时长和感知间隔，其中，τ表示时隙，Tt表示在吞吐量分析过程中向第一低地球轨道卫星反馈地球静止轨道卫星的信道状态所需用的时长；对优化问题进行求解。
可选地，对优化问题进行求解，包括：用二维线搜索法求解优化问题的表达式，以得到最优的Θ和Ts；将最优的Θ和Ts作为给定的Θ和Ts，将优化问题的第二表达式转化为第二表达式P2：确定采用凸优化技术来求解P2，确定P2的对偶函数；确定Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件是P2全局最优性的充要条件，确定P2的最优原始解和对偶解。
根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种协调干扰的系统，系统包括：用于传输数据的第一低地球轨道卫星，其中，第一低地球轨道卫星用于检测自身的实时运行轨迹，并在检测到第一低地球轨道卫星运行至对地球静止轨道卫星存在干扰的干扰区域的情况下，发送协助感知指令至第二低地球轨道卫星，并接收第二低地球轨道卫星返回的感知结果，并基于感知结果确定第一低地球轨道卫星的运行状态，其中，运行状态至少包括：第一低地球轨道卫星的发射功率；第二低地球轨道卫星，用于接收协助感知指令，对地球静止轨道卫星进行频谱感知生成感知结果，并将感知结果发送至第一低地球轨道卫星。
根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种协调干扰的装置，包括：检测模块，用于检测第一低地球轨道卫星的实时运行轨迹，其中，第一低地球轨道卫星用于传输数据；发送模块，用于在检测到第一低地球轨道卫星运行至对地球静止轨道卫星存在干扰的干扰区域的情况下，发送协助感知指令至第二低地球轨道卫星；接收模块，用于接收第二低地球轨道卫星返回的感知结果，其中，第二低地球轨道卫星用于对地球静止轨道卫星的频谱占用状态进行频谱感知生成感知结果；确定模块，用于基于感知结果确定第一低地球轨道卫星的运行状态，其中，运行状态至少包括：第一低地球轨道卫星的发射功率。
根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种非易失性存储介质，存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在设备执行任意一种协调干扰的方法。
根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种电子设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，处理器被配置为执行指令，以实现任意一种协调干扰的方法。
在本申请实施例中，采用由一颗地球静止轨道(GEO)卫星和两颗低地球轨道(LEO)卫星组成的空间信息网络的频谱共享框架，其中一个为频谱感知LEO(SLEO，即第二低地球轨道卫星)用于感知GEO的频谱占用状态，另一个为数据传输LEO(DLEO，即第一低地球轨道卫星)，被允许借助SLEO访问GEO的共享频谱。为了提高DLEO卫星的吞吐量，构建了一种基于两阶段的频谱共享框架目的，从而实现了从低轨卫星的角度考虑，协调其与高轨卫星和地面的干扰，在不干扰高轨卫星和地面两个节点的情况下，最大化低轨卫星的吞吐量的技术效果，进而解决了由于相关技术中卫星的频率资源利用率、吞吐量较低，且卫星之间存在信号互相干扰，整体效能较差的技术问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的一种可选的协调干扰的方法的流程示意图；
图2为本申请实施例中GEO卫星与LEO卫星之间卫星系统模型及干扰分析模型示意图；
图3为本申请实施例中GEO卫星与LEO卫星频谱共享优化问题流程示意图；
图4为本申请实施例中星地网络间干扰分析模型图；
图5为本申请实施例中星地网络频谱共享流程图；
图6是根据本申请实施例一种可选的协调干扰的装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
根据本申请实施例，提供了一种协调干扰的方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1是根据本申请实施例的协调干扰的方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S102，检测第一低地球轨道卫星的实时运行轨迹，其中，第一低地球轨道卫星用于传输数据；第一低地球轨道卫星即DLEO；
步骤S104，在检测到第一低地球轨道卫星运行至对地球静止轨道卫星存在干扰的干扰区域的情况下，发送协助感知指令至第二低地球轨道卫星，即SLEO；
步骤S106，接收第二低地球轨道卫星返回的感知结果，其中，第二低地球轨道卫星用于对地球静止轨道卫星的频谱占用状态进行频谱感知生成感知结果，地球静止轨道卫星即GEO；
步骤S108，基于感知结果确定第一低地球轨道卫星的运行状态，其中，运行状态至少包括：第一低地球轨道卫星的发射功率。
该协调干扰的方法中，通过检测第一低地球轨道卫星的实时运行轨迹，其中，第一低地球轨道卫星用于传输数据；在检测到第一低地球轨道卫星运行至对地球静止轨道卫星存在干扰的干扰区域的情况下，发送协助感知指令至第二低地球轨道卫星；接收第二低地球轨道卫星返回的感知结果，其中，第二低地球轨道卫星用于对地球静止轨道卫星的频谱占用状态进行频谱感知生成感知结果；基于感知结果确定第一低地球轨道卫星的运行状态，其中，运行状态至少包括：第一低地球轨道卫星的发射功率，从而实现了从低轨卫星的角度考虑，协调其与高轨卫星和地面的干扰，在不干扰高轨卫星和地面两个节点的情况下，最大化低轨卫星的吞吐量的技术效果，进而解决了由于相关技术中卫星的频率资源利用率、吞吐量较低，且卫星之间存在信号互相干扰，整体效能较差的技术问题。
可以理解的是，在本申请实施例中，采用由一颗地球静止轨道(GEO)卫星和两颗低地球轨道(LEO)卫星组成的空间信息网络的频谱共享框架，其中一个为频谱感知LEO(SLEO，即第二低地球轨道卫星)用于感知GEO的频谱占用状态，另一个为数据传输LEO(DLEO，即第一低地球轨道卫星)，被允许借助SLEO访问GEO的共享频谱。为了提高DLEO卫星的吞吐量，构建了一种基于两阶段的频谱共享框架目的。
本申请一些实施例中，基于感知结果确定第一低地球轨道卫星的运行状态，包括：在感知结果指示地球静止轨道卫星的信道状态为空闲状态，则确定第一低地球轨道卫星的工作模式为覆盖模式，且发射功率设置为第一发射功率
Figure BDA0004027973640000061
本申请另一些实施例中，在感知结果指示地球静止轨道卫星的信道状态为繁忙状态，则确定第一低地球轨道卫星的工作模式为衬底模式，且发射功率设置为第二发射功率
Figure BDA0004027973640000062
其中，/>
Figure BDA0004027973640000063
作为一种可选的实施方式，基于感知结果确定第一低地球轨道卫星的运行状态，还可以为检测地球静止轨道卫星的信道状态是否在连续的预定数量的时隙中均保持为空闲状态或者均保持为繁忙状态，得到检测结果；在检测结果指示信道状态在连续的预定数量的时隙中均保持为空闲状态或者均保持为繁忙状态的情况下，确定基于感知结果确定第一低地球轨道卫星的运行状态。
可选地，在检测结果指示信道状态在连续的预定数量的时隙中信道状态存在发生变化的情况下，对第一低地球轨道卫星的数据吞吐量进行优化。
具体的，对第一低地球轨道卫星的数据吞吐量进行优化，包括：生成优化问题，其中，优化问题的第一表达式P1为：
Figure BDA0004027973640000064
Figure BDA0004027973640000065
Figure BDA0004027973640000066
Figure BDA0004027973640000067
Figure BDA0004027973640000068
C5：Tmin≤Ts≤Θτ-Tt
C6：1≤Θ≤Θmax；
其中，
Figure BDA0004027973640000069
表示目标函数最大化时，/>
Figure BDA00040279736400000610
感知阶段的感知时长Ts以及频谱感知间隔Θ的取值，/>
Figure BDA00040279736400000611
表示第一低地球轨道卫星的平均吞吐量，约束(C1)要求第一低地球轨道卫星实现吞吐的最小速率大于目标阈值/>
Figure BDA00040279736400000612
约束(C2)将第一低地球轨道卫星的总发射功率限制在预定值/>
Figure BDA0004027973640000071
约束(C3)和(C4)分别将在GEO系统处的衬底模型下的平均干扰/>
Figure BDA0004027973640000072
和瞬时干扰/>
Figure BDA0004027973640000073
限制在预定阈值/>
Figure BDA0004027973640000074
之内；约束(C5)和(C6)分别用于限制感知时长和感知间隔，其中，τ表示时隙，Tt表示在吞吐量分析过程中向第一低地球轨道卫星反馈地球静止轨道卫星的信道状态所需用的时长；对优化问题进行求解。
本申请一些可选的实施例中，对优化问题进行求解，可以通过如下步骤实现：用二维线搜索法求解优化问题的表达式，以得到最优的Θ和Ts；将最优的Θ和Ts作为给定的Θ和Ts，将优化问题的第二表达式转化为第二表达式P2：确定采用凸优化技术来求解P2，确定P2的对偶函数；确定Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件是P2全局最优性的充要条件，确定P2的最优原始解和对偶解。
根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种协调干扰的系统，系统包括：用于传输数据的第一低地球轨道卫星，其中，第一低地球轨道卫星用于检测自身的实时运行轨迹，并在检测到第一低地球轨道卫星运行至对地球静止轨道卫星存在干扰的干扰区域的情况下，发送协助感知指令至第二低地球轨道卫星，并接收第二低地球轨道卫星返回的感知结果，并基于感知结果确定第一低地球轨道卫星的运行状态，其中，运行状态至少包括：第一低地球轨道卫星的发射功率；第二低地球轨道卫星，用于接收协助感知指令，对地球静止轨道卫星进行频谱感知生成感知结果，并将感知结果发送至第一低地球轨道卫星。
下面结合附图，对本申请的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本申请的保护范围并不受具体实施方式的限制。
图2为GEO卫星与LEO卫星之间卫星系统模型及干扰分析模型，包括：
只有当DLEO卫星移动到干扰区域时，DLEO和GEO卫星的接收信噪比才会发生显著变化。这意味着当DLEO卫星进入干扰区域时不能随意发射信号，以免对GEO系统产生干扰。因此，设想了一种依靠两个阶段来提高DLEO卫星吞吐量的频谱共享框架，其中DLEO卫星能够借助SLEO访问共享频谱。具体地说，在第一阶段，调用SLEO进行频谱感知，以检测GEO系统的频谱空洞，DLEO卫星可以在第二阶段下以覆盖模式和衬底模式访问共享频谱。
①卫星系统模型——考虑了LEO和GEO系统模型之间的频谱共享。GEO系统作为主用户，拥有使用该频率的优先权。LEO卫星充当二级系统，应进行协调，以避免扰乱现有的地球同步轨道系统。如图2所示，频谱感知LEO(SLEO)用于感知GEO的频谱占用状态，并允许数据传输LEO(DLEO)卫星借助SLEO访问GEO的共享频谱。此外，在这种认知卫星网络中，假设三个系统的地面站通过高速无损光纤连接并相互交换卫星星历。
该模型包括一颗DLEO卫星及其地面站，分别记为S3和E3；一颗GEO卫星及其地面站，其记录分别为S2和E2；一颗SLEO卫星及其地面站，其记录分别为S1和E1。在不失去一般性的情况下，S2及其地面站E2与地球的原点位于同一条线上。此外，在干扰分析中，E1、E2和E3的相对位置也是至关重要的因素。设σE1→E2、σE2→E3分别表示E1和E2，E2和E3之间的地心角。一般说来，这两个角度可以作为下一步干涉分析的常量。此外，{dEi→Ej|i∈(1，2，3)，j∈(1，2，3)}表示Ei和Ej之间的距离，{dSi→Sj|i∈(1，2，3)，j∈(1，2，3)}，表示Si和Sj之间的距离，以及{dEi→Sj|i∈(1，2，3)，j∈(1，2，3)}，表示Ei和Sj之间的距离。θ1～θ6分别是E2朝向S3，S3朝向E2，S3朝向E3，E3朝向S2，S2朝向E3、E2朝向S1的离轴角。设β表示S2和S3之间的地心角，α表示S1和S2之间的地心角。很明显，随着LEO卫星的移动，a，β会发生变化。另外，距离ds3→E2、dS2→S2、dS3→E3是β的函数，距离dS1→E2、dS1→S2是α的函数，可以改写为
Figure BDA0004027973640000081
Figure BDA0004027973640000082
Figure BDA0004027973640000083
Figure BDA0004027973640000084
Figure BDA0004027973640000085
其中R表示地球的半径，dS1、dS2、dS3分别表示S1、S2、S3到地心的距离。另外，角度θ1～θ6可以如下推导
Figure BDA0004027973640000091
Figure BDA0004027973640000092
Figure BDA0004027973640000093
Figure BDA0004027973640000094
Figure BDA0004027973640000095
Figure BDA0004027973640000096
其中
Figure BDA0004027973640000097
②干扰分析——如图2所示，GEO地面站和GEO卫星将分别受到下行链路中的DLEO卫星和上行链路中的DLEO地面站的干扰。同时，DLEO地面站和DLEO卫星也会受到高轨卫星系统的干扰。下行链路中干扰的分析方法类似于上行链路中的干扰分析方法。在本方案中，只讨论上行链路场景中的干扰。
DLEO地面站将信号发送到对应卫星，DLEO卫星接收到的信号的功率可以表示为
Figure BDA0004027973640000098
其中PS3为地面站发射功率，
Figure BDA0004027973640000099
为地面站发射天线的最大增益，/>
Figure BDA00040279736400000910
为地面站接收天线相对于卫星方向的增益，c为光速，f为频段中心频率。天线增益与发射机或接收机在波束方向上的离轴角度有关，可以通过波束方向和卫星和用户的位置向量来计算离轴角度。当卫星移动时，角度θ会发生变化，这会导致增益的动态变化。
计算天线增益的表达式为
Figure BDA0004027973640000101
其中，μ＝2.07123sin(θ)/sin(θ3dB)，J1和J3分别为一阶和三阶贝塞尔函数。θ为离轴角，θ为3dB波束宽度对应的角度，G0为离轴角为0时的最大天线增益，其表达式为
Figure BDA0004027973640000102
其中A代表天线面积，η代表天线效率。同时，DLEO可能会接收到来自GEO地面站的信号，因此，GEO地面站对DLEO卫星的干扰可以表示为
Figure BDA0004027973640000103
以PE2作为地球静止轨道站的发射功率，
Figure BDA0004027973640000104
作为地球静止轨道地面站向地球静止轨道卫星方向发射天线的增益，/>
Figure BDA0004027973640000105
作为地球静止轨道接收天线向地球静止轨道地球站方向发射天线的增益。
从上式可以看出，信号功率和干扰都与角度β有关。因此，可以得出结论，接收信噪比也是角度β的函数，可以表示如下
Figure BDA0004027973640000106
N0＝kTnB (16)
其中k是Boltzmann常数，Tn表示接收器的等效噪声温度，B表示应答器带宽。GEO接收来自GEO地球站的信号，同时也可以接收来自DLEO地球站的信号。LEO处接收信号的功率可表示为
Figure BDA0004027973640000111
以PE2为GEO地面站的发射功率，
Figure BDA0004027973640000112
为GEO地面站发射天线的最大增益，/>
Figure BDA0004027973640000113
为GEO接收天线的最大增益。低轨地面站对地球静止轨道卫星的干扰可表示为
Figure BDA0004027973640000114
以PE3作为地面站的发射功率，
Figure BDA0004027973640000115
作为地面站向地球同步轨道方向发射天线的增益，/>
Figure BDA0004027973640000116
作为地面站接收天线向地面站方向的增益。因此地球静止轨道的接收信噪比也是角度β的函数，它可以表示如下；
Figure BDA0004027973640000117
③感知卫星分析一一此处，分析了SLEO在第一阶段下的频谱感知。当DLEO移动到干扰区域时，DLEO地面站将请求信息通过地面光纤系统发送给SLEO系统进行频谱感知，然后再发送信号。根据SLEO系统返回的感知结果，选择共享频谱接入方式。具体地说，SLEO接收到的GEO信号可以写为
Figure BDA0004027973640000118
Figure BDA0004027973640000119
以
Figure BDA00040279736400001110
作为地球静止轨道地面站对卫星方向的增益，以/>
Figure BDA00040279736400001111
作为卫星接收天线的最大增益。此外，H0表示没有GEO系统的假设；H1表示GEO系统运行的假设。因此，SLEO的接收信噪比可以表示为
Figure BDA0004027973640000121
显然，接收信噪比是角度α的函数，并且随α变化。还可以推导出检测概率和虚警概率如下
Figure BDA0004027973640000122
Figure BDA0004027973640000123
其中，ε代表检测阈值，Ts是感知时间，fs是SLEO的采样频率。显然，检测概率和虚警概率是角度α和检测时间Ts的函数。
④GEO系统活动模型
将地球静止轨道系统的状态建模为一个二态开关马尔可夫链。由于卫星信道可以看作是AWGN信道，其中信道增益是固定的，因此SLEO系统可以通过重复访问GEO覆盖区域来获得训练序列，而不需要任何先验知识。由于GEO参数的估计精度取决于训练序列的长度，为了简单起见，下面的分析假定估计误差可以忽略。隐马尔可夫模型的转移矩阵为
Figure BDA0004027973640000124
图3为GEO卫星与LEO卫星频谱共享优化问题流程，如图3所示，包括：
S301，检测间隔分析：
在实际应用中，DLEO卫星通过干扰区域的时间是一个常数，可以划分为相同的时隙τ。由于GEO系统的未来状态在一定程度上是可以预测的，因此由多个时隙组成的频谱感知间隔Θ(简称间隔)是吞吐量分析中的一个关键因素。每个间隔分为三个阶段：感知阶段的感知时长Ts、检测结果报告阶段Tt(即在吞吐量分析过程中向第一低地球轨道卫星反馈所述地球静止轨道卫星的信道状态所需用的时长)和DLEO系统传输阶段TLEO，TLEO＝2τ-Ts-Tt。
GEO系统的活动很难准确预测，它可能会在连续几个时隙内改变其状态。通过研究一段时间内的平均空闲/忙碌时间来解决这个问题。设随机变量X1表示在Θ个连续时隙期间忙碌时隙的数目。然而，不同的信道状态具有不同的持续时间概率密度函数。因此，对于两种情况，独立地推导出X1的平均值：初始信道状态为忙或空闲。
情况1：当前真实通道状态为忙，X1的期望值可重写为
Figure BDA0004027973640000131
其中b是在Θ个时隙期间状态改变的次数。注意，若b为奇数，则意味着最后一个信道状态必须为忙，若为偶数，则意味着最后一个状态必须为空闲。因此，
Figure BDA0004027973640000132
由下式提供
Figure BDA0004027973640000133
其中
Figure BDA0004027973640000134
并且/>
Figure BDA0004027973640000135
可以由下式给出
Figure BDA0004027973640000136
其中
Figure BDA0004027973640000137
情况2：当前真实通道状态为空闲，X1的期望值可重写为：
Figure BDA0004027973640000141
注意，如果b为偶数，则意味着最后一个信道状态一定是忙的，如果是奇数，则意味着最后一个状态一定是空闲的。因此，
Figure BDA0004027973640000142
的表达式为
Figure BDA0004027973640000143
其中
Figure BDA0004027973640000144
且/>
Figure BDA00040279736400001411
可以由下式给出
Figure BDA0004027973640000146
其中
Figure BDA0004027973640000147
S302，优化问题建立：
在干扰区域中，DLEO能够在覆盖模式和底层模式下访问共享频谱。具体地，如果连续Θ个时隙的当前真信道状态为空闲，则DLEO工作在覆盖模式，发射功率设置为
Figure BDA0004027973640000148
如果当前真信道状态为忙，则DLEO工作在衬底模式，发射功率设置为/>
Figure BDA0004027973640000149
显然是/>
Figure BDA00040279736400001410
如表1所示：
Figure BDA0004027973640000151
此外，值得注意的是，GEO系统的活动状态可能不会保持连续的Θ个时隙，并且GEO系统的真实当前状态可能会改变。因此，当当前感知结果为空闲时，由于当前GEO系统的真实信道状态已变为忙，使用
Figure BDA0004027973640000152
作为发射功率可能会对GEO系统造成一定的干扰。此外，频谱感知的不完善特性也可能导致一定的干扰。因此，对于表1中列出的四种不同情况，DLEO系统的有用吞吐量如下所示
Figure BDA0004027973640000153
Figure BDA0004027973640000154
Figure BDA0004027973640000155
Figure BDA0004027973640000156
其中，v1、v2、v3和v4定义为
Figure BDA0004027973640000157
Figure BDA0004027973640000158
Figure BDA0004027973640000159
Figure BDA00040279736400001510
该步骤目标是最大化DLEO系统的吞吐量，同时满足相应的约束条件。根据表1，当频谱感知间隔为Θ时，DLEO系统每时隙的平均吞吐量如下
Figure BDA0004027973640000161
其中，U00、U01、U10和U11分别表示四种情况的概率。由于P(H0)和P(H1)是GEO系统的空闲状态和忙碌状态的概率，因此它们可以定义为
U00＝P(H0)(1-PfS1)
U01＝P(H0)(PfS1)
U10＝P(H1)(1-PdS1)
U11＝P(H1)(PdS1) (38)
当频谱感知间隔为Θ时，对GEO系统的平均干扰为
Figure BDA0004027973640000162
其中，将GS3{β}定义为
Figure BDA0004027973640000163
此外，SLEO的感知时间Ts也被并入作为优化变量。具体地，对于给定的目标虚警概率PfS1，检测概率PdS1为
Figure BDA0004027973640000164
这表明，较高的Ts导致较低的PfS1和较高的PdS1，从而改善系统性能。然而，增加Ts也会导致用于数据传输的时间减少从而降低系统吞吐量。因此，从式23和式24考虑约束Tmin，
Figure BDA0004027973640000171
此外，检测间隔Θmax的最大值是有限的。一方面，由于GEO系统的活动状态不能长时间保持不变，较大的Θmax会浪费计算资源。另一方面，DLEO卫星处于高速运动状态，间隔过大会导致该时隙内信噪比的动态变化，从而影响算法的精度。在不失通用性的前提下，根据GEO的状态转移矩阵和DLEO的高动态性，将Θmax设置为一个小整数。
具体地说，给出以下优化问题：
Figure BDA0004027973640000172
Figure BDA0004027973640000173
Figure BDA0004027973640000174
Figure BDA0004027973640000175
Figure BDA0004027973640000176
C5：Tmin≤Ts≤Θτ-Tt
C6：1≤Θ≤Θmax
(43)
约束(C1)要求DLEO系统实现的最小速率大于目标阈值
Figure BDA0004027973640000177
约束(C2)将DLEO地面站的总发射功率限制在预定值/>
Figure BDA0004027973640000178
约束(C3)和(C4)分别将在GEO系统处的衬底模型下的平均干扰和瞬时干扰强加给小于预定阈值/>
Figure BDA0004027973640000179
最后一个约束fC5)和(C6)限制感知时间和感知间隔。
S303，优化问题求解：
用二维线搜索法求解(43)，以得到最优的Θ和Ts。因此，给定Θ和Ts，(43)可以转化为以下问题
Figure BDA0004027973640000186
P2可以用凸优化技术来求解，其拉格朗日由下式给出
Figure BDA0004027973640000182
其中(μ0，μ1，κ，η)表示与(C2)、(C3)、(C4)中的约束相关联的拉格朗日乘数。因此，P2的对偶函数由下式给出
Figure BDA0004027973640000183
由于P2是一个具有强对偶性的凸优化问题，因此Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件是P2全局最优性的充要条件，由下式给出
Figure BDA0004027973640000184
Figure BDA0004027973640000185
Figure BDA0004027973640000191
/>
Figure BDA0004027973640000192
和/>
Figure BDA0004027973640000193
分别表示P2的最优原始解和对偶解。然后，通过解方程(49)得到(50)和(51)。首先，/>
Figure BDA0004027973640000194
由下式给出
Figure BDA0004027973640000195
Figure BDA0004027973640000196
Figure BDA0004027973640000197
类似地，
Figure BDA0004027973640000198
由下式给出
Figure BDA0004027973640000199
Figure BDA00040279736400001910
Figure BDA00040279736400001911
其中[x]+表示max(x，0)。由于(48)中有四个方程，需要讨论16种情况才能得到最佳值。但是，有10种情况要么与实际情况不符，要么相互矛盾，因此只需考虑6种情况，如表2所示，即经过6次迭代即可获得最优解。因此，在满足(47)的值集合中选择最小的LE3→S3作为最优解，表示为
Figure BDA0004027973640000201
值得注意的是，满足(47)(48)和(49)的
Figure BDA0004027973640000202
是唯一确定的，因为六个变量是六个独立方程的解。如表2所示：
Figure BDA0004027973640000203
图4为星地网络间干扰分析模型图，如图4所示，图中给出了卫星网络上行链路和地面网络之间基于感知的频率共享模型。其中，地面网络作为主用户，从基站到地面用户的链路为主用户链路；卫星网络作为次级用户，终端到卫星的上行链路为次级用户链路。在该场景中，卫星终端在为用户提供通信保障服务的同时，具备周期感知地面网络工作状态的能力；同时，卫星作为感知网络的决策中心，能够根据终端上报的感知结果对地面网络的工作状态做出最终决策，并将决策结果广播至各个终端。从卫星网络的感知结果来看，若发生漏检，即地面网络处于活动状态，却没有被正确检测到时，卫星网络、地面网络同时使用相同频率，卫星不但可以收到自己终端发射的通信信号，还会接收到来自地面基站的信号，后者会对接收造成干扰。这里，假设卫星通信上行链路和干扰链路都是加性高斯白噪声信道，且相互独立。本申请聚焦基于感知的卫星上行链路的吞吐量问题，对于传输链路的自由空间传播损耗、收发天线的增益和方向性等影响都在卫星接收端做归一化处理。
图5为星地网络频谱共享流程图，如图5所示，该流程包括：
S501，决策数据选取；S502，求解虚警概率、检测概率；S503，求解吞吐量。
本申请针对感知信道具有时变特性的问题，提出基于多时隙感知的频谱共享方式，从降低虚警概率的角度增加卫星终端接入信道的机会，达到提高频谱利用率的目的。
卫星终端对周围射频环境进行周期性的感知，本质上讲是一个二元假设检验问题，利用Γ1表示地面网络活动状态，Γ0表示地面网络空闲状态。每帧的时长为T，每帧中感知持续总时间为τ，但被分成M个离散的子时隙，ζ为每个子时隙的感知时长，则在每一帧中有τ＝Mζ，这样每个小的感知时隙对应的样本点数记为N1＝N/M，假设N1是整数。与前面周期感知检测类似，假设第k个子时隙的接收信号也有如下两种情况
Figure BDA0004027973640000211
其中，信道系数hk是一个具有零均值、单位方差的高斯随机变量，并且对于所有的M个子时隙来说，它们之间相互独立。假设地面网络的发送信号功率和噪声功率在一帧中保持不变，即对于第k个时隙存在
Figure BDA0004027973640000212
和/>
Figure BDA0004027973640000213
且所有M个子时隙中状态不会改变，也就是说地面网络都处于活动状态或空闲状态。
具体的，S501，决策数据选取：
多时隙频谱感知的目的在于，利用一帧中M个子时隙的数据进行联合感知，决定地面网络的状态。本研究场景中卫星网络采用数据融合方式对多时隙采集数据进行融合判决，即卫星终端采集的各个子时隙数据将汇聚到具有决策能力的卫星，卫星接收到所有感知数据后，采用单用户连续感知类似的判决方法做最后的决策。假设Tk(y)是第k个子时隙的数据
Figure BDA0004027973640000214
利用数据融合，则最终决策用的数据为
Figure BDA0004027973640000215
/>
其中，gk≥0是第k个子时隙的数据权重，且
Figure BDA0004027973640000216
对于检测概率阈值/>
Figure BDA0004027973640000217
实现最小虚警概率的最佳gi由柯西-施瓦兹不等式可证
Figure BDA0004027973640000221
S502，求解虚警概率、检测概率：
当信道系数hk未知时，可以通过简化的方式将
Figure BDA0004027973640000222
此时，可以得到虚警概率和检测概率分别为
Figure BDA0004027973640000223
Figure BDA0004027973640000224
S503，求解吞吐量：
其中，
Figure BDA0004027973640000225
在时变信道下，如果要求每帧的检测概率pd都等于阈值/>
Figure BDA0004027973640000226
由于采用多时隙感知，则每帧之间的能量检测阈值ε会不相同，因此得到的各帧对应的虚警概率pf也不尽相同。这里，对于给定的检测时长τ，将所有帧的平均虚警概率表示为/>
Figure BDA0004027973640000227
定义归一化的平均吞吐量为：
Figure BDA0004027973640000228
容易注意到的是，本申请为解决相关技术中的星-星、星-地网络之间的频谱共享模型受干扰影响大和吞吐量缺陷小而设计，本申请基于高轨卫星、低轨卫星和地面三者所构成的星地融合多层多维网络，提出了一种解决低轨卫星和高轨卫星之间的同频干扰问题和星地网络间的频率干扰问题的干扰协调方法，旨在由高、低、地构成的多层多维网络中，从低轨卫星的角度考虑，协调其与高轨卫星和地面的干扰，在不干扰高轨卫星和地面两个节点的情况下，最大化低轨卫星的吞吐量。即本申请综合考虑了高低地三个节点的资源占用而设计了这样一种干扰协调方法。
图6是根据本申请实施例一种协调干扰的装置，如图6所示，该装置包括：
检测模块60，用于检测第一低地球轨道卫星的实时运行轨迹，其中，第一低地球轨道卫星用于传输数据；
发送模块62，用于在检测到第一低地球轨道卫星运行至对地球静止轨道卫星存在干扰的干扰区域的情况下，发送协助感知指令至第二低地球轨道卫星；
接收模块64，用于接收第二低地球轨道卫星返回的感知结果，其中，第二低地球轨道卫星用于对地球静止轨道卫星的频谱占用状态进行频谱感知生成感知结果；
确定模块66，用于基于感知结果确定第一低地球轨道卫星的运行状态，其中，运行状态至少包括：第一低地球轨道卫星的发射功率。
该装置中，检测模块60，用于检测第一低地球轨道卫星的实时运行轨迹，其中，第一低地球轨道卫星用于传输数据；发送模块62，用于在检测到第一低地球轨道卫星运行至对地球静止轨道卫星存在干扰的干扰区域的情况下，发送协助感知指令至第二低地球轨道卫星；接收模块64，用于接收第二低地球轨道卫星返回的感知结果，其中，第二低地球轨道卫星用于对地球静止轨道卫星的频谱占用状态进行频谱感知生成感知结果；确定模块66，用于基于感知结果确定第一低地球轨道卫星的运行状态，其中，运行状态至少包括：第一低地球轨道卫星的发射功率，实现了从低轨卫星的角度考虑，协调其与高轨卫星和地面的干扰，在不干扰高轨卫星和地面两个节点的情况下，最大化低轨卫星的吞吐量的技术效果，进而解决了由于相关技术中卫星的频率资源利用率、吞吐量较低，且卫星之间存在信号互相干扰，整体效能较差的技术问题。
根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种非易失性存储介质，存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在设备执行任意一种协调干扰的方法。
具体地，上述存储介质用于存储以下功能的程序指令，实现以下功能：
检测第一低地球轨道卫星的实时运行轨迹，其中，第一低地球轨道卫星用于传输数据；在检测到第一低地球轨道卫星运行至对地球静止轨道卫星存在干扰的干扰区域的情况下，发送协助感知指令至第二低地球轨道卫星；接收第二低地球轨道卫星返回的感知结果，其中，第二低地球轨道卫星用于对地球静止轨道卫星的频谱占用状态进行频谱感知生成感知结果；基于感知结果确定第一低地球轨道卫星的运行状态，其中，运行状态至少包括：第一低地球轨道卫星的发射功率。
根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种电子设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，处理器被配置为执行指令，以实现任意一种协调干扰的方法。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (11)

1.一种协调干扰的方法，其特征在于，包括：
检测第一低地球轨道卫星的实时运行轨迹，其中，所述第一低地球轨道卫星用于传输数据；
在检测到所述第一低地球轨道卫星运行至对地球静止轨道卫星存在干扰的干扰区域的情况下，发送协助感知指令至第二低地球轨道卫星；
接收所述第二低地球轨道卫星返回的感知结果，其中，第二低地球轨道卫星用于对所述地球静止轨道卫星的频谱占用状态进行频谱感知生成所述感知结果；
基于感知结果确定所述第一低地球轨道卫星的运行状态，其中，所述运行状态至少包括：所述第一低地球轨道卫星的发射功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于感知结果确定所述第一低地球轨道卫星的运行状态，包括：
在所述感知结果指示所述地球静止轨道卫星的信道状态为空闲状态，则确定所述第一低地球轨道卫星的工作模式为覆盖模式，且所述发射功率设置为第一发射功率
Figure FDA0004027973630000011
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述感知结果指示所述地球静止轨道卫星的信道状态为繁忙状态，则确定所述第一低地球轨道卫星的工作模式为衬底模式，且所述发射功率设置为第二发射功率
Figure FDA0004027973630000012
其中，/>
Figure FDA0004027973630000013
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于感知结果确定所述第一低地球轨道卫星的运行状态，包括：
检测所述地球静止轨道卫星的信道状态是否在连续的预定数量的时隙中均保持为所述空闲状态或者均保持为所述繁忙状态，得到检测结果；
在检测结果指示所述信道状态在连续的预定数量的时隙中均保持为所述空闲状态或者均保持为所述繁忙状态的情况下，确定基于感知结果确定所述第一低地球轨道卫星的运行状态。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在检测结果指示所述信道状态在连续的预定数量的时隙中信道状态存在发生变化的情况下，对所述第一低地球轨道卫星的数据吞吐量进行优化。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述第一低地球轨道卫星的数据吞吐量进行优化，包括：
生成优化问题，其中，所述优化问题的第一表达式P1为：
Figure FDA0004027973630000021
其中，
Figure FDA0004027973630000022
表示目标函数最大化时，/>
Figure FDA0004027973630000023
感知阶段的感知时长Ts以及频谱感知间隔Θ的取值，/>
Figure FDA0004027973630000024
表示所述第一低地球轨道卫星的平均吞吐量，约束(C1)要求第一低地球轨道卫星实现吞吐的最小速率大于目标阈值/>
Figure FDA0004027973630000025
约束(C2)将第一低地球轨道卫星的总发射功率限制在预定值/>
Figure FDA0004027973630000026
约束(C3)和(C4)分别将在GEO系统处的衬底模型下的平均干扰/>
Figure FDA0004027973630000027
和瞬时干扰/>
Figure FDA0004027973630000028
限制在预定阈值/>
Figure FDA0004027973630000029
之内；约束(C5)和(C6)分别用于限制感知时长和感知间隔，其中，τ表示时隙，Tt表示在吞吐量分析过程中向第一低地球轨道卫星反馈所述地球静止轨道卫星的信道状态所需用的时长；
对所述优化问题进行求解。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对所述优化问题进行求解，包括：
用二维线搜索法求解所述优化问题的表达式，以得到最优的Θ和Ts；
将最优的Θ和Ts作为给定的Θ和Ts，将所述优化问题的第二表达式转化为第二表达式P2：
确定采用凸优化技术来求解所述P2，确定所述P2的对偶函数；
确定Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件是所述P2全局最优性的充要条件，确定所述P2的最优原始解和对偶解。
8.一种协调干扰的系统，其特征在于，所述系统包括：
用于传输数据的第一低地球轨道卫星，其中，所述第一低地球轨道卫星用于检测自身的实时运行轨迹，并在检测到所述第一低地球轨道卫星运行至对地球静止轨道卫星存在干扰的干扰区域的情况下，发送协助感知指令至第二低地球轨道卫星，并接收所述第二低地球轨道卫星返回的感知结果，并基于感知结果确定所述第一低地球轨道卫星的运行状态，其中，所述运行状态至少包括：所述第一低地球轨道卫星的发射功率；
所述第二低地球轨道卫星，用于接收所述协助感知指令，对所述地球静止轨道卫星进行频谱感知生成感知结果，并将所述感知结果发送至所述第一低地球轨道卫星。
9.一种协调干扰的装置，其特征在于，包括：
检测模块，用于检测第一低地球轨道卫星的实时运行轨迹，其中，所述第一低地球轨道卫星用于传输数据；
发送模块，用于在检测到所述第一低地球轨道卫星运行至对地球静止轨道卫星存在干扰的干扰区域的情况下，发送协助感知指令至第二低地球轨道卫星；
接收模块，用于接收所述第二低地球轨道卫星返回的感知结果，其中，第二低地球轨道卫星用于对所述地球静止轨道卫星的频谱占用状态进行频谱感知生成所述感知结果；
确定模块，用于基于感知结果确定所述第一低地球轨道卫星的运行状态，其中，所述运行状态至少包括：所述第一低地球轨道卫星的发射功率。
10.一种非易失性存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行权利要求1至7中任意一项所述协调干扰的方法。
11.一种电子设备，其特征在于，包括：
处理器；
用于存储所述处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行所述指令，以实现如权利要求1至7中任一项所述协调干扰的方法。
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CN117375706A (zh) * 2023-12-04 2024-01-09 成都本原星通科技有限公司 一种面向接收端的低轨卫星星间干扰优化方法和系统
CN117375706B (zh) * 2023-12-04 2024-03-12 成都本原星通科技有限公司 一种面向接收端的低轨卫星星间干扰优化方法和系统

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