卫星组网交叉信息融合通信路由方法转让专利
申请号 : CN202110562345.6
文献号 : CN113329466B
文献日 : 2022-05-06
发明人 : 姜逸飞 , 蒋向前 , 刘文政 , 吴树范 , 李仕海 , 魏骁 , 莫乾坤
申请人 : 上海交通大学 , 上海宇航系统工程研究所
摘要 :
权利要求 :
1.一种卫星组网交叉信息融合通信路由方法,其特征在于,包括:步骤1、物理层通过微波天线与空间交换信号能量,当接收到数传信号、遥控/遥测信号或信令信号中的任何一种时,提取出接收信号的数据帧信息、发射端和空间信道的物理状态特性,获取接收信号物理参数;
步骤2、数据链路层通过与物理层之间的信号接口接收数据帧,当接收到数传帧、遥控/遥测帧或信令帧中的任何一种数据帧时,通过数据链路层提取数据帧中的网络包、发射端和空间信道的链路状态特性、网络包的链路参数;
步骤3、网络层通过与数据链路层之间的信号接口接收网络包,当接收到数传包、遥控/遥测包或信息包中的任何一种网络包时,通过网络层提取接收网络包中原始状态特性参数;
步骤4、应用层根据上层需求和预存的星座信息,产生轨道外推信息并传输至网络层;
步骤5、网络层根据来自物理层的物理状态特性参数、来自数据链路层的链路状态特性参数、来自网络层的网络状态特性参数和来自应用层的轨道外推信息,通过预处理算法分别提取出空间衰减、多普勒频移、空间噪声、信号漂移、误码特性和位置信息,利用本节点的应用层信息,提取矢量链路、节点功耗和节点状态信息;
步骤6、网络层通过自适应加权算法融合步骤5得到的空间衰减、多普勒频移、空间噪声、信号漂移、误码特性和位置信息,通过优化算法方法得到网络路由数据、链路层控制信息和物理层控制信息;
步骤7、数据链路层根据来自网络层的网络包数据和链路控制信息,将网络包构造成参照CCSDS标准的数据帧,并与资源复用控制信息一起传送至物理层;
步骤8、物理层根据来自数据链路层的数据帧和资源复用控制信息以及来自网络层的物理层控制信息,将数据帧调制为数据流并通过空间信道发射数据流信号;
步骤9、通过射频前端系统将数据流信号辐射至空间段,并在接收端节点通过步骤1至步骤4接收并提取接收信号,实现卫星节点根据当前时间邻居节点的状态、空间信道的状态和本节点的状态动态调整网络层路由信息、链路层控制信息和物理层控制信息;
所述的接收信号物理状态特性参数包括:接收功率、接收频率、信噪比、调制方式和码速率;
所述的数据链路层包含:帧解析模块、编码解析模块、数据校验模块;
所述的数据帧包括:数传帧、遥控/遥测帧和信令帧;
所述的链路状态特性包括:误码率、编码方式和资源复用方式;
所述的原始状态特性参数包括:拓扑信息、发射端和空间信道的网络状态特性,具体包括:功率、频率、信噪比、调制方式、码速率、误码率、编码方式、网络拓扑结构、网络连通性和轨道信息;
所述的网络包包括:数传包、遥控/遥测包和信息包;
所述的应用层是指:卫星系统的星务计算机分系统、载荷分系统和控制分系统;
所述的上层需求是指:由应用层中的各分系统产生的通信业务需求;
所述的节点是指:在卫星网络的拓扑结构中,将每颗卫星定义为一个节点。
2.根据权利要求1所述的卫星组网交叉信息融合通信路由方法,其特征是,所述的物理层包含:依次相连的微波天线、射频前端系统和数字基带系统,其中:射频前端系统包括:低噪放、耦合器、混频器和模数转换器;数字基带系统包括:数字滤波器、数字混频器、数字变换器。
3.根据权利要求1所述的卫星组网交叉信息融合通信路由方法,其特征是,所述的网络层包含:网络包数据解析模块、路由算法模块和路由状态模块。
4.根据权利要求1所述的卫星组网交叉信息融合通信路由方法,其特征是,所述的轨道外推信息,基于卫星轨道研制阶段所设计的轨道六要素,并结合在轨实际运行状态,计算得到卫星未来的轨道状态,即轨道外推信息。
5.根据权利要求1所述的卫星组网交叉信息融合通信路由方法,其特征是,所述的预处理算法是指:利用从物理层、链路层和网络层提取的原始状态特性参数提取出:空间衰减、多普勒频移、空间噪声、信号漂移、误码特性和位置信息;
所述的空间衰减Lbf=32.5+20lgF+20lgD,其中:f为工作频点,D为传输距离;
所述的多普勒频移 其中:f为工作频点,c为光速,v为相对速度,θ为相对夹角;
所述的空间噪声是指宇宙空间各种射电源包括辐射电磁波的太阳、月球、行星等天体和星际物质的辐射传播到地球表面所形成的噪声;
所述的信号漂移 其中:D为传输距离,c为电磁波速度,T为码元周期;
所述的误码特性 其中:r为信噪比,erfc为误差函数;
所述的位置信息 其中:delay为空间信号传输延时、c为电磁波传输速度、ofs为偏移量。
6.根据权利要求1所述的卫星组网交叉信息融合通信路由方法,其特征是,所述的应用层信息包含:由星务计算机产生的任务需求信息,由卫星遥感载荷产生的数传需求信息、由卫星通信载荷产生的通信需求信息和由轨道控制计算机产生的轨道信息。
7.根据权利要求1所述的卫星组网交叉信息融合通信路由方法,其特征是,所述的矢量链路、节点功耗和节点状态信息通过以下方式得到:通过基于姿轨控计算机的卫星轨道信息外推计算模块和各个卫星节点之间的勤务信令提取出卫星组网的矢量链路信息;通过每颗卫星各自星务计算机得到各自的节点功耗信息,并通过勤务信令交换给其他网络节点;
节点状态信息由每颗卫星的星务计算机通过各分系统和单机的遥测信号统计得到,并利用勤务信令进行交互。
8.根据权利要求1所述的卫星组网交叉信息融合通信路由方法,其特征是,所述的自适应加权算法是指:Goal(x,y,z)=l*∑ai*xi+m*∑bj*yj+n*Σck*zk,其中:l、m、n为归一化权重,满足l+m+n=1;x、y、z分别为网络层信息、链路层信息和物理层信息的定量表达式;a、b、c分别表示每个层中各信息的权重;
所述的优化算法是指:通过自适应加权得到当前环境下自适应加权算法计算得到的结果,即目标函数Goal(x,y,z)的值,并将该值与预设的阈值Vt进行对比,对目标函数对应的通信方案进行预筛选,经过预筛选之后的所有通信方案各自对应一个目标函数Goald(x,y,z),最终根据目标函数的值选择通信方案。
9.根据权利要求1所述的卫星组网交叉信息融合通信路由方法,其特征是,所述的网络路由数据用于网络层构造发射网络包,具体包括:下一跳路由节点、包接收回复状态和网络任务调度信息;
所述的链路控制信息用于数据链路层构造发射数据帧,具体包括:帧长度、编码方式、差错控制方式和资源复用信息;
所述的物理层控制信息用于物理层构造发射数据流,具体包括:调制方式、码速率、带宽和发射功率;
所述的资源复用控制信息是指:空间信道的时间复用、频率复用、码型复用和方向复用。
说明书 :
卫星组网交叉信息融合通信路由方法
技术领域
背景技术
面节点之间的连接中断、通信干扰、能量不足和信号遮挡等问题。为解决上述问题,并最大
程度地提升通信效率(包括时间效率、频谱效率和能量效率)和服务质量(包括通信延时、通
信速率和通信可靠性),一种涉及多源信息融合技术的组网路由方法是提升卫星组网通信
质量和通信效率的关键突破口。目前已有的卫星网络技术,都是单一地从网络层、链路层或
者物理层的单源信息出发,并未涉及多源信息融合,所以整体性能不够完善,无法真正实现
动态调整的高效目的。
发明内容
层;链路层从获得的数据帧中提取网络包和链路状态特性传送至网络层;网络层将从物理
层和数据链路层获得的状态特性参数融入网络层的路由算法,并反向控制物理层和数据链
路层的通信体质,实现在轨自适应组网。
理状态特性,获取接收信号物理参数。
器、数字混频器、数字变换器。
射端和空间信道的链路状态特性、网络包的链路参数。
性参数。
性和轨道信息。
法分别提取出空间衰减、多普勒频移、空间噪声、信号漂移、误码特性和位置信息,利用本节
点的应用层信息,提取矢量链路、节点功耗和节点状态信息。
信息。
矢量链路信息;通过每颗卫星各自星务计算机得到各自的节点功耗信息,并通过勤务信令
交换给其他网络节点;节点状态信息由每颗卫星的星务计算机通过各分系统和单机的遥测
信号统计得到,并利用勤务信令进行交互。
信息和物理层控制信息。
息的定量表达式;a、b、c分别表示每个层中各信息的权重。
应的通信方案进行预筛选,经过预筛选之后的所有通信方案各自对应一个目标函数Goald
(x,y,z),最终根据目标函数的值选择通信方案。
状态和本节点的状态动态调整网络层路由信息、链路层控制信息和物理层控制信息。
传统卫星通信方式由于通信模式和参数的不可变,导致通信方法无法随着外部空间环境和
内部卫星状态的变化而随之改变,造成通信效率较低的状态;2)通过物理层关键参数提取,
实时掌握节点状态和信道物理状态,并根据不同状态驱动不同的物理层通信体制,动态自
适应调整物理层参数和卫星通信模式,改善通信时延参数;3)通过链路层关键参数提取,实
时掌握数据链路状态,并根据不同的链路状态驱动不同的数据链路体制,动态自适应调整
链路层参数和卫星通信模式,提高通信可靠性参数。
附图说明
具体实施方式
接收空间电磁信号,进行滤波、放大、混频、调制/解调处理并得到数据帧信息流和物理状态
特性;物理层向数据链路层的数据通道传送从空间电磁波中提取的数据帧,向网络层的控
制通道传送物理状态信息;数据链路层向网络层的数据通道传送从数据帧中提取的网络
包,向网络层的控制通道传送链路状态特性;网络层将数据链路层上传的网络包提取出信
息数据传输至应用层,作为业务数据供应用层使用,同时提取网络拓扑和动态性能作为网
络状态特性;网络层不仅需要接收来自物理层和数据链路层的状态信息,还需要接收应用
层的轨道外推信息、业务需求和本节点状态参数;通过预处理算法分别提取出空间衰减、多
普勒频移、空间噪声、信号漂移、误码特性、复用效率和位置信息,经过加权算法得到目标函
数值,由目标函数值来选择通信方案,通信方案包含:网络控制信息、链路控制信息和物理
层控制信息,用于反向控制网络层、数据链路层和物理层。
表示每个层中各信息的权重,该加权算法的计算结果即为目标函数值,作为通信模式选择
的依据。一般而言,现将目标函数值Goal(x,y,z)预设的阈值Vt进行对于,对本目标函数对
应的通信方案进行预筛选,经过预筛选之后的所有通信方案各自对应一个目标函数Goald
(x,y,z),最终根据目标函数的值选择通信方案。其中goal[1](x,y,z)=l*∑ai*xi;goal[2]
(x,y,z)=m*∑bj*yj;
息。其中空间衰减Lbf,多普勒频移Δf,空间噪声n,信号漂移:ΔM为物理层特性参数;误码
特性:BER,复用效率:η为链路层特性参数;位置信息:D为空间信道特性参数。
z),得到目标函数值Goal(x,y,z)和控制目标函数goal[1](x,y,z)、goal[2](x,y,z)和goal
[3](x,y,z)。将上述目标函数,与预设阈值Vt、Vtx、Vty和Vty进行比较,实现网络层预算法,并
对自适应加权算法的结果,即目标函数值进行比较后选择最优解。
至网络层、链路层和物理层作为自适应通信体质参数调整的依据。
角为45°;每个通信簇内包括四个节点,每个节点之间的夹角为5°;相邻轨道面的簇间相位
差为0°的具体环境设置。
发射功率可选项为:1W、10W和20W。
码;资源复用可选项:TDMA和CDMA。
帧传送至链路层接口。
至网络层接口。
包括下一跳节点信息和接口信息,链路控制信息包括帧长度、编码方式、差错控制和复用方
式,物理层控制信息包括调制方式、码速率、带宽和发射功率。
跳完成,时间延迟约为6秒,经过约1万km空间距离传输。
体现出自适应通信体质在大通信成本(距离远)的情况下,会提高通信效率(降低时延)。
内,既通信成本较低的情况下,启用低频带占用率状态,既BW=1mHz;当跳数在4~6跳之间,
既中等通信成本的情况下,启用中频带占用率状态,既BW=30mHz;当跳数在7跳时,为本仿
真环境的最高通信成本状态,启用高频带占用率状态,既BW=100mHz。
法通过实时接收的信息,提取出邻居节点、空间信道和本节点的状态信息,将状态信息作为
核心加权算法的输入,得到网络层、链路层和物理层控制信息。此方法使通信体质迎合网络
节点的实时状态和空间信道的实时状态,提高通信效率和可靠性。
限,在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。