CN116633423A - 一种基于可重构智能表面的低轨卫星辅助通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于可重构智能表面的低轨卫星辅助通信方法，包括：构建低轨卫星辅助通信系统，获取低轨卫星辅助通信系统的状态信息，根据RIS的有效接收区域和地面通信设备发射天线波束在RIS处的覆盖区域建立信号的失准衰落参数表达式，根据低轨卫星辅助通信系统的状态信息和信号的失准衰落参数表达式构建RIS接收到的信号表达式；根据RIS接收到的信号表达式和M‑PSK调制信号的角频率计算RIS接收信号的误差概率；根据RIS接收信号的误差概率与预设的误差概率目标值进行对比，然后对地面通信设备发射信号的方向进行调整或对RIS的接收相位和振幅进行调整直到误差概率小于目标预设值为止。
Description
技术领域
本发明属于低轨卫星通信技术领域，特别是涉及一种基于可重构智能表面的低轨卫星辅助通信方法。
背景技术
随着空间技术的发展，大规模低轨卫星LEO(Low Earth Orbit)星群已经能够提供无处不再的全球覆盖通信，在诸如陆地网络未覆盖的公海、山脉和沙漠的恶劣环境中，低轨卫星在补充地面通信方面起着重要作用。在这些没有地面网络覆盖的区域，通信设备可以通过接入低轨卫星网络，实现与外界的通信。在星地通信过程中，考虑到传输距离长且LEO卫星和地面通信设备传输功率的限制，可以通过使用可重构智能表面来辅助星地之间进行通信。
可重构智能表面（RIS）辅助无线通信是6G的重要技术之一，其中可重构智能反射面是一种可以在特定频段内对电磁波进行精确调节的表面结构，由数百至数千个小尺寸的天线、传感器或反射单元组成。这些小单元可以被编程控制，以实现对电磁波的散射、反射、干涉和聚焦等效果。在星地之间的通信过程中，可重构智能表面通过调节反射信号的幅度、频率及波束形成方向，提高反射信号的功率以补偿长传播距离的路径损耗，以此实现通信质量的提高。但是由于在整个通信过程中，地面通信设备发送的信号在低轨卫星处的波束覆盖区和可重构智能表面有效接收区域存在指向误差，即存在未对准（失准）现象，导致该通信方式在传统无线通信衰落基础上，增加了信号的失准衰落现象。同时由于星地之间的无线通信路径经过了对流层、平流层、电离层等各气层且太阳闪烁现象的存在也会干扰无线信道的传输特征，传统的无线通信衰落模型不能够很好的贴合该场景实际。
综上所述，由于失准衰落现象的存在和路径损耗，以及信道中存在的噪声、太阳闪烁现象、温度等因素都可能造成接收信号的比特差错概率较大，目前针对可重构智能表面及其在低轨卫星上的运用研究处于起步阶段，且缺乏对失准衰落的考虑，因此需要设计一套综合考虑该衰落的信号误差判断方案，根据判断结果反馈给低轨卫星或者地面通信设备进行调整，以此提高通信效率。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种基于可重构智能表面的低轨卫星辅助通信方法，已解决由于失准现象导致的接收信号误码率大于目标值的问题，为了达到以上目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：
一种基于可重构智能表面的低轨卫星辅助通信方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：构建低轨卫星辅助通信系统，该系统包括：地面通信设备和具有RIS的低轨卫星；所述地面通信设备采用M-PSK调制发送信号；
S2：获取低轨卫星辅助通信系统的状态信息，所述状态信息包括：低轨卫星和地面通信设备之间的距离、地面通信设备发射天线的发射功率、在太阳闪烁效应下地面通信设备和RIS之间的信道系数、地面通信设备和RIS之间信道的噪声、以及RIS反射单元的单元数量；
S3：根据RIS的有效接收区域和地面通信设备发射天线波束在RIS处的覆盖区域建立信号的失准衰落参数表达式；
S4：根据低轨卫星辅助通信系统的状态信息和信号的失准衰落参数表达式构建RIS接收到的信号表达式；
S5：根据RIS接收到的信号表达式和M-PSK调制信号的角频率计算RIS接收信号的误差概率；
S6：根据RIS接收信号的误差概率与预设的误差概率目标值进行对比，若超过目标值，则对地面通信设备发射信号的方向进行调整或对RIS的接收相位和振幅进行调整直到误差概率小于目标预设值为止。
优选地，所述信号的失准衰落参数表达式包括：
定义RIS的有效接收区域中心与地面通信设备发射天线波束在RIS处的覆盖区域中心之间的指向误差为，则失准衰落参数表达式为：
其中，表示信号的失准衰落参数表达式，/>表示RIS有效接收区域的半径，/>表示地面通信设备发射天线波束在RIS处覆盖区域的半径，/>表示误差函数，/>为信号波长，/>表示RIS的接收增益。
优选地，所述RIS接收到的信号表达式包括：
其中，表示地面通信设备发射天线的发射功率，/>表示地面通信设备和RIS之间的路径损耗，/>表示RIS的单元数量，/>表示在太阳闪烁效应下地面通信设备和RIS之间的信道系数，/>表示RIS第/>个反射单元的相移，/>表示信号的失准衰落参数，/>表示地面通信设备端发送的信号，/>表示RIS接收到的信号；/>表示地面通信设备和RIS之间信道的噪声，即均值为零且方差为/>的加性高斯白噪声，/>表示虚数单位。
优选地，所述地面通信设备和RIS之间的路径损耗包括：
其中，表示地面通信设备和RIS之间的路径损耗；/>表示信号在对流层的路径损耗；/>表示信号在平流层的路径损耗；/>表示信号在电离层的路径损耗；/>、/>和/>表示权重参数因子；/>、/>、/>、/>、/>和/>表示经验系数，/>表示/>的期望；f表示信号的频率；d表示信号在对流层中的路径长度；/>表示对流层的相对折射率；/>表示对流层的大气参数，/>表示大气参数修正因子；h为信号在平流层中的路径长度；p表示平流层中的气压，t表示平流中的温度；/>表示电离层中垂直于上行通信链路方向上的总电子密度；/>和/>分别表示信号的起始频率和终止频率；/>为信号在电离层中经过的路径长度。
优选地，所述计算地面通信设备利用M-PSK调制信号的误差概率包括：
其中，表示地面通信设备和RIS之间信道的噪声的方差，/>表示RIS的瞬时接收信噪比；
S52：由于太阳闪烁下面通信设备和RIS之间的信道系数服从莱斯分布，则在太阳闪烁效应下地面通信设备和RIS之间的信道系数表示为，当/>时得到RIS的最大瞬时信噪比表达式；
其中，表示RIS的最大瞬时信噪比表达式；/>表示莱斯分布中第i条路径的幅度衰减参数；/>表示莱斯分布中第i条路径的相位偏移；
S53：根据地面通信设备利用M-PSK调制信号的角频率、地面通信设备的发射功率、RIS反射单元的数量、以及地面通信设备和RIS之间的路径损耗计算地面通信设备利用M-PSK调制信号的比特差错概率表达式；
S54：S54：根据地面通信设备利用M-PSK调制信号的比特差错概率表达式和RIS的最大瞬时信噪比表达式利用非中心卡方分布的矩母生成函数计算RIS接收信号的误差概率。
优选地，所述地面通信设备利用M-PSK调制信号的比特差错概率表达式包括：
其中，P表示地面通信设备利用M-PSK调制信号的比特差错概率，表示圆周率，/>表示M-PSK调制信号的角频率，/>表示对M-PSK调制信号的角频率积分。
优选地，所述RIS接收信号的误差概率包括：
其中，表示非中心卡方分布的矩母生成函数，/>表示RIS接收信号的误差概率，表示矩母生成函数期望,/>表示矩母生成函数方差。
优选地，所述非中心卡方分布的矩母生成函数包括：
其中，表示信号的波长，/>是自变量、/>是自由度、/>是指数函数。
本发明至少具有以下有益效果：
本发明充分考虑失准衰落现象的存在对造成接收信号的比特差错概率较大的问题，根据RIS的有效接收区域和地面通信设备发射天线波束在RIS处的覆盖区域建立信号的失准衰落参数表达式，定义了RIS的有效接收区域和地面通信设备发射天线波束在RIS处的覆盖区域未对准情况下的失准衰落系数，同时综合考虑大气各层的损耗特性，将路径损耗表示为各层路径损耗加权和，并根据太阳闪烁效应下存在的信道函数，计算RIS接收到的信号表达式，计算RIS的最大瞬时信噪比表达式，结合非中心卡方分布矩母函数和地面通信设备利用M-PSK调制信号的比特差错概率表达式计算RIS接收信号的误差概率；将得到的误差概率与目标值进行比对，若大于目标值则反馈地面通信设备进行信号方向调整和低轨卫星自身接收姿态调整，周期性执行该对比流程并进行调整，保证接收信号尽可能低于目标值，提高通信质量。
附图说明
图1为本发明中低轨卫星辅助通信系统的示意图。
图2为本发明辅助通信方法流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提供一种基于可重构智能表面的低轨卫星辅助通信方法，利用可重构智能表面上反射单元对信号幅度和相位的调整，增加反射信号的功率；在失准衰落存在的情况下，给出失准衰落带来影响的计算方式，根据计算结果与目标值进行比对，周期性的反馈给低轨卫星和地面通信设备进行调整。
如图1和图2所示，一种基于可重构智能表面的低轨卫星辅助通信方法，包括：
S1：构建低轨卫星辅助通信系统，该系统包括：地面通信设备和具有RIS的低轨卫星；所述地面通信设备采用M-PSK调制（相位调制）发送信号；
在本实施例中，具有可重构智能表面（RIS）的低轨卫星包括：卫星主体、两个太阳能帆板和RIS；所述两个太阳能帆板分贝设置在卫星主体两侧，用于将太阳能转化为电能，为卫星主体进行供能；所述RIS设置在太阳能帆板的对地面即与地面相对的那一面，用于对地面通信设备发射的信号进行反射；所述RIS通过卫星主体进行控制。
S2：获取低轨卫星辅助通信系统的状态信息，所述状态信息包括：低轨卫星和地面通信设备之间的距离、地面通信设备发射天线的发射功率、在太阳闪烁效应下地面通信设备和RIS之间的信道系数、地面通信设备和RIS之间信道的噪声、以及RIS反射单元的单元数量；
S3：根据RIS的有效接收区域和地面通信设备发射天线波束在RIS处的覆盖区域建立信号的失准衰落参数表达式；
优选地，所述信号的失准衰落参数表达式包括：
定义RIS的有效接收区域中心与地面通信设备发射天线波束在RIS处的覆盖区域中心之间的指向误差为，则失准衰落参数表达式为：
其中，表示信号的失准衰落参数表达式，/>表示RIS有效接收区域的半径，/>表示地面通信设备发射天线波束在RIS处覆盖区域的半径，/>表示误差函数，/>为信号波长，/>表示RIS的接收增益。
在本实施例中，信号的失准衰落参数表达式取决于、和指向误差为，指向误
差取决于RIS的有效接收区域中心与地面通信设备发射天线波束在RIS处的覆盖区域中心
之间的距离，RIS的有效接收区域中心和地面通信设备发射天线波束在RIS处的覆盖区域中
心取决于地面通信设备和RIS的位置，地面通信设备和RIS的位置均服从独立的正太分布，
因此符合高斯分布，具体的推导过程在本发明中不做赘述；
在本实施例中，由于收发方向上的位移遵循独立同高斯分布，指向误差可通过适合于高空开放空间环境的Nakagami-m分布来建模。结合衰落系数表达式，得到失准衰落分布函数表达式：
其中，是链路平均失准衰落，m表示分布参数，为伽马函数。
S4：根据低轨卫星辅助通信系统的状态信息和信号的失准衰落参数表达式构建RIS接收到的信号表达式；
优选地，所述RIS接收到的信号表达式包括：
其中，表示地面通信设备发射天线的发射功率，/>表示地面通信设备和RIS之间的路径损耗，/>表示RIS的单元数量，/>表示在太阳闪烁效应下地面通信设备和RIS之间的信道系数，/>表示RIS第/>个反射单元的相移，/>表示信号的失准衰落参数，/>表示地面通信设备端发送的信号，/>表示RIS接收到的信号；/>表示地面通信设备和RIS之间信道的噪声，即均值为零且方差为/>的加性高斯白噪声，/>表示虚数单位。
在本实施例中，所述地面通信设备和RIS之间的路径损耗包括：
其中，表示地面通信设备和RIS之间的路径损耗；/>表示信号在对流层的路径损耗；/>表示信号在平流层的路径损耗；/>表示信号在电离层的路径损耗；/>、/>和/>表示权重参数因子；/>、/>、/>、/>、/>和/>表示经验系数，/>表示/>的期望；f表示信号的频率；d表示信号在对流层中的路径长度；/>表示对流层的相对折射率；/>表示对流层的大气参数，/>表示大气参数修正因子；h为信号在平流层中的路径长度；p表示平流层中的气压，t表示平流中的温度；/>表示电离层中垂直于上行通信链路方向上的总电子密度；/>和/>分别表示信号的起始频率和终止频率；/>为信号在电离层中经过的路径长度。
在本实施例中在本实施例中表示信号在对流层的路径损耗；表示信号在平流
层的路径损耗；表示信号在电离层的路径损耗分别参考、和模型，、、、、和表示经验系数、表示大气参数修正因子基于ITU-RP.676、835、533-14为标准进行查询得
到。
S5：根据RIS接收到的信号表达式和M-PSK调制信号的角频率计算RIS接收信号的误差概率；
优选地，所述计算RIS接收信号的误差概率包括：
S51：根据RIS接收到的信号表达式计算RIS的瞬时接收信噪比表达式；
其中，表示地面通信设备和RIS之间信道的噪声的方差，/>表示RIS的瞬时接收信噪比；
S52：由于太阳闪烁下面通信设备和RIS之间的信道系数服从莱斯分布，则在太阳闪烁效应下地面通信设备和RIS之间的信道系数表示为，当/>时得到RIS的最大瞬时信噪比表达式；
其中，表示RIS的最大瞬时信噪比表达式；/>表示莱斯分布中第i条路径的幅度衰减参数；/>表示莱斯分布中第i条路径的相位偏移；
S53：根据地面通信设备利用M-PSK调制信号的角频率、地面通信设备的发射功率、RIS反射单元的数量、以及地面通信设备和RIS之间的路径损耗计算地面通信设备利用M-PSK调制信号的比特差错概率表达式；
优选地，所述地面通信设备利用M-PSK调制信号的比特差错概率表达式包括：
其中，P表示地面通信设备利用M-PSK调制信号的比特差错概率，表示圆周率，/>表示M-PSK调制信号的角频率，/>表示对M-PSK调制信号的角频率积分。
S54：根据地面通信设备利用M-PSK调制信号的比特差错概率表达式和RIS的最大瞬时信噪比表达式利用非中心卡方分布的矩母生成函数计算RIS接收信号的误差概率。
优选地，所述RIS接收信号的误差概率包括：
其中，表示调制信号的角频率，/>表示非中心卡方分布的矩母生成函数，/>表示RIS接收信号的误差概率，/>表示矩母生成函数期望,/>表示矩母生成函数方差。
优选地，所述非中心卡方分布的矩母生成函数包括：
其中，表示信号的波长，/>是自变量、/>是自由度、/>是指数函数。
在本实施例中，由于信号失准衰落参数的分布服从高斯分布，太阳闪烁下面通信设备和RIS之间的信道系数服从莱斯分布（一种特殊的高斯分布），因此RIS的最大瞬时信噪比服从N元高斯分布。
S6：根据RIS接收信号的误差概率与预设的误差概率目标值进行对比，若超过目标值，则对地面通信设备发射信号的方向进行调整或对RIS的接收相位和振幅进行调整直到误差概率小于目标预设值为止。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种基于可重构智能表面的低轨卫星辅助通信方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：构建低轨卫星辅助通信系统，该系统包括：地面通信设备和具有RIS的低轨卫星；所述地面通信设备采用M-PSK调制发送信号；
S2：获取低轨卫星辅助通信系统的状态信息，所述状态信息包括：低轨卫星和地面通信设备之间的距离、地面通信设备发射天线的发射功率、在太阳闪烁效应下地面通信设备和RIS之间的信道系数、地面通信设备和RIS之间信道的噪声、以及RIS反射单元的单元数量；
S3：根据RIS的有效接收区域和地面通信设备发射天线波束在RIS处的覆盖区域建立信号的失准衰落参数表达式；
S4：根据低轨卫星辅助通信系统的状态信息和信号的失准衰落参数表达式构建RIS接收到的信号表达式；
S5：根据RIS接收到的信号表达式和M-PSK调制信号的角频率计算RIS接收信号的误差概率；
S6：根据RIS接收信号的误差概率与预设的误差概率目标值进行对比，若超过目标值，则对地面通信设备发射信号的方向进行调整或对RIS的接收相位和振幅进行调整直到误差概率小于目标预设值为止。
2.根据权利要求1所述的一种基于可重构智能表面的低轨卫星辅助通信方法，其特征在于，所述信号的失准衰落参数表达式包括：
定义RIS的有效接收区域中心与地面通信设备发射天线波束在RIS处的覆盖区域中心之间的指向误差为r，则失准衰落参数表达式为：
其中，ζ表示信号的失准衰落参数表达式，表示RIS有效接收区域的半径，/>表示地面通信设备发射天线波束在RIS处覆盖区域的半径，/>表示误差函数，/>为信号波长，/>表示RIS的接收增益。
3.根据权利要求1所述的一种基于可重构智能表面的低轨卫星辅助通信方法，其特征在于，所述RIS接收到的信号表达式包括：
其中，表示地面通信设备发射天线的发射功率，/>表示地面通信设备和RIS之间的路径损耗，/>表示RIS的单元数量，/>表示在太阳闪烁效应下地面通信设备和RIS之间的信道系数，/>表示RIS第ⅰ个反射单元的相移，/>表示信号的失准衰落参数，/>表示地面通信设备端发送的信号，/>表示RIS接收到的信号；/>地面通信设备和RIS之间信道的噪声，即均值为零且方差为/>的加性高斯白噪声，/>表示虚数单位。
4.根据权利要求3所述的一种基于可重构智能表面的低轨卫星辅助通信方法，其特征在于，所述地面通信设备和RIS之间的路径损耗包括：
其中，表示地面通信设备和RIS之间的路径损耗；/>表示信号在对流层的路径损耗；表示信号在平流层的路径损耗；/>表示信号在电离层的路径损耗；/>、/>和/>表示权重参数因子；/>、/>、/>、/>、/>和/>表示经验系数，/>表示/>的期望；f表示信号的频率；d表示信号在对流层中的路径长度；/>表示对流层的相对折射率；/>表示对流层的大气参数，/>表示大气参数修正因子；h为信号在平流层中的路径长度；p表示平流层中的气压，t表示平流中的温度；/>表示电离层中垂直于上行通信链路方向上的总电子密度；/>和/>分别表示信号的起始频率和终止频率；/>为信号在电离层中经过的路径长度。
5.根据权利要求3所述的一种基于可重构智能表面的低轨卫星辅助通信方法，其特征在于，所述计算RIS接收信号的误差概率包括：
S51：根据RIS接收到的信号表达式计算RIS的瞬时接收信噪比表达式；
其中，表示地面通信设备和RIS之间信道的噪声的方差，/>表示RIS的瞬时接收信噪比；
S52：由于太阳闪烁下面通信设备和RIS之间的信道系数服从莱斯分布，则在太阳闪烁效应下地面通信设备和RIS之间的信道系数表示为，当/>时得到RIS的最大瞬时信噪比表达式；
其中，表示RIS的最大瞬时信噪比表达式；/>表示莱斯分布中第i条路径的幅度衰减参数；/>表示莱斯分布中第i条路径的相位偏移；
S53：根据地面通信设备利用M-PSK调制信号的角频率、地面通信设备的发射功率、RIS反射单元的数量、以及地面通信设备和RIS之间的路径损耗计算地面通信设备利用M-PSK调制信号的比特差错概率表达式；
S54：根据地面通信设备利用M-PSK调制信号的比特差错概率表达式和RIS的最大瞬时信噪比表达式利用非中心卡方分布的矩母生成函数计算RIS接收信号的误差概率。
6.根据权利要求5所述的一种基于可重构智能表面的低轨卫星辅助通信方法，其特征在于，所述地面通信设备利用M-PSK调制信号的比特差错概率表达式包括：
其中，P表示地面通信设备利用M-PSK调制信号的比特差错概率，表示圆周率，/>表示M-PSK调制信号的角频率，/>表示对M-PSK调制信号的角频率积分。
7.根据权利要求6所述的一种基于可重构智能表面的低轨卫星辅助通信方法，其特征在于，所述RIS接收信号的误差概率包括：
其中，表示调制信号的角频率，/>表示非中心卡方分布的矩母生成函数，/>表示RIS接收信号的误差概率，/>表示矩母生成函数期望,/>表示矩母生成函数方差。
8.根据权利要求6所述的一种基于可重构智能表面的低轨卫星辅助通信方法，其特征在于，所述非中心卡方分布的矩母生成函数包括：
其中，表示信号的波长，/>是自变量、/>是自由度、/>是指数函数。
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