本發(fā)明屬于本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于地理位置信息的衛(wèi)星中繼選擇優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星移動通信憑借其覆蓋范圍廣、不受地理條件影響等優(yōu)勢，可以與地面通信系統(tǒng)形成互補，廣泛應(yīng)用于地面通信系統(tǒng)不易覆蓋或建設(shè)成本過高的區(qū)域。在地面無線網(wǎng)絡(luò)基站受到破壞時(如抗震救災(zāi)時),衛(wèi)星通信能夠及時、可靠地保障通信服務(wù)，發(fā)揮了極其重要的作用。

但是，地球表面的源節(jié)點發(fā)送信息到衛(wèi)星中繼的過程中以及衛(wèi)星中繼轉(zhuǎn)發(fā)信息回到地球表面上目的節(jié)點的過程中，無線信號都有可能會發(fā)生中斷，而中斷概率是用來衡量通信系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，中斷概率通常與信道的分布特性有關(guān)，且中斷概率pout(rd)與數(shù)據(jù)速率門限r(nóng)d相對應(yīng)。在傳統(tǒng)的循環(huán)調(diào)度中繼選擇方案下，系統(tǒng)發(fā)生中斷的頻率較高，通信系統(tǒng)的性能有待提高。

本發(fā)明主要公開了一種基于地理位置信息的衛(wèi)星中繼選擇優(yōu)化方法，考慮了無線信息發(fā)送源節(jié)點和目的接收節(jié)點的實際地理位置信息，旨在通過利用多衛(wèi)星中繼選擇來進行源節(jié)點信息到目的節(jié)點的中繼轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)化，降低無線信息傳輸?shù)闹袛喔怕蕪亩岣呦到y(tǒng)的安全可靠性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對背景技術(shù)的不足提供了一種基于地理位置信息的衛(wèi)星中繼選擇優(yōu)化方法，考慮到無線信息發(fā)送源節(jié)點和目的接收節(jié)點的地理位置信息等實際情形，應(yīng)用于衛(wèi)星作為傳輸中繼的通信系統(tǒng)中，所述系統(tǒng)包括地球表面上的一個發(fā)送源節(jié)點、一個目的接收節(jié)點和位于高空中的多個衛(wèi)星中繼。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案

一種基于地理位置信息的衛(wèi)星中繼選擇優(yōu)化方法，具體包含如下步驟：

步驟1，源節(jié)點將信息發(fā)送給所有的衛(wèi)星中繼；

步驟2，根據(jù)源節(jié)點到衛(wèi)星中繼的瞬時信道狀態(tài)信息，計算出源節(jié)點到衛(wèi)星中繼的信道容量；

步驟3，獲取能夠成功解碼源節(jié)點信息的一組衛(wèi)星中繼集合；

步驟4，根據(jù)衛(wèi)星中繼到目的節(jié)點的瞬時信道狀態(tài)信息，選擇信道狀態(tài)信息最佳的一個衛(wèi)星作為中繼，并根據(jù)瞬時信道狀態(tài)信息計算該衛(wèi)星中繼到目的節(jié)點的信道容量。

作為本發(fā)明一種基于地理位置信息的衛(wèi)星中繼選擇優(yōu)化方法的進一步優(yōu)選方案，在步驟2中，源節(jié)點到衛(wèi)星中繼的瞬時信道狀態(tài)信息的信道特性具體如下：

其中，為源節(jié)點到衛(wèi)星中繼的瞬時信道狀態(tài)信息的信道特性，x為δi＝0.5ωi/(2bi²mi+biωi)，βi＝0.5/bi，ωi是視距傳播分量的平均功率，2bi是多徑分量的平均功率，mi的取值范圍在[0,∞]，其服從nakagami分布，1f1(.,.,.)為超幾何分布函數(shù)。

作為本發(fā)明一種基于地理位置信息的衛(wèi)星中繼選擇優(yōu)化方法的進一步優(yōu)選方案，在步驟3中，源節(jié)點到各衛(wèi)星中繼的信道容量具體為：

其中，csi為源節(jié)點到各衛(wèi)星中繼的信道容量，其中，c為光速，gr為接收端天線增益，gs為發(fā)射端天線增益；fi為第i種無線通信制式的工作頻率；d為無線用戶終端至基站的距離；n為無線信道中的衰落因子，γ＝ps/n0，ps為源節(jié)點的發(fā)送功率，n0為信道中的背景噪聲功率，hsi為信道的瞬時狀態(tài)增益。

作為本發(fā)明一種基于地理位置信息的衛(wèi)星中繼選擇優(yōu)化方法的進一步優(yōu)選方案，在步驟4中，最佳衛(wèi)星中繼滿足條件具體如下：

其中，dn為表示成功解碼源節(jié)點信息的衛(wèi)星中繼集合，cid為衛(wèi)星中繼將信息轉(zhuǎn)發(fā)到地球表面上的目的節(jié)點的信道容量。

作為本發(fā)明一種基于地理位置信息的衛(wèi)星中繼選擇優(yōu)化方法的進一步優(yōu)選方案，在步驟4，最佳衛(wèi)星中繼到目的節(jié)點的信道容量：

其中，cbd為最佳衛(wèi)星中繼到目的節(jié)點的信道容量，dn表示成功解碼源節(jié)點信息的衛(wèi)星中繼集合，則表示解碼源節(jié)點信息失敗的衛(wèi)星中繼集合。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1)本發(fā)明的衛(wèi)星中繼選擇方案相比于現(xiàn)有的循環(huán)調(diào)度中繼選擇方案可以降低系統(tǒng)的中斷概率；

2)本中繼選擇方案能夠在相同條件下實現(xiàn)比現(xiàn)有的循環(huán)調(diào)度中繼選擇方案更好的性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中基于地理位置信息的衛(wèi)星中繼選擇優(yōu)化方法的系統(tǒng)模型圖；

圖2是本發(fā)明一種基于地理位置信息的衛(wèi)星中繼選擇優(yōu)化方法的流程圖；

圖3是本發(fā)明中的系統(tǒng)中斷概率與發(fā)射功率的關(guān)系曲線圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明：

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本實施例系統(tǒng)模型包括地球表面上的一個發(fā)送源節(jié)點、一個目的接收節(jié)點和位于高空中的多個衛(wèi)星中繼，采用多個衛(wèi)星中繼傳輸是為了提高系統(tǒng)傳輸信息的可靠性。

一種基于地理位置信息的衛(wèi)星中繼選擇優(yōu)化方法，考慮到無線信息發(fā)送源節(jié)點和目的接收節(jié)點的地理位置信息等實際情形，應(yīng)用于衛(wèi)星作為傳輸中繼的通信系統(tǒng)中，所述系統(tǒng)包括地球表面上的一個發(fā)送源節(jié)點、一個目的接收節(jié)點和位于高空中的多個衛(wèi)星中繼。

如圖2所示，該方法包括以下步驟：首先源節(jié)點將信息發(fā)送給所有的衛(wèi)星中繼，根據(jù)源節(jié)點到衛(wèi)星中繼的瞬時信道狀態(tài)信息，由此計算出源節(jié)點到衛(wèi)星中繼的信道容量；其次判斷哪些衛(wèi)星中繼能夠成功解碼源節(jié)點發(fā)來的信息，并選擇出能夠成功解碼源節(jié)點信息的一組衛(wèi)星中繼集合；最后根據(jù)衛(wèi)星中繼到目的節(jié)點的瞬時信道狀態(tài)信息，選擇信道狀態(tài)信息最佳的一個衛(wèi)星作為中繼，并根據(jù)瞬時信道狀態(tài)信息計算該衛(wèi)星中繼到目的節(jié)點的信道容量。

1、獲取信道狀態(tài)信息

1)衛(wèi)星信道的特性：衛(wèi)星信道的傳輸特性服從陰影萊斯分布，所以衛(wèi)星信道中的傳播信號分為兩路：一路是視距傳播信號，另一路是多徑分量。其信道特性如下：

其中δi＝0.5ωi/(2bi²mi+biωi)，βi＝0.5/bi，ωi是視距傳播分量的平均功率，2bi是多徑分量的平均功率，mi的取值范圍在[0,∞]，其服從nakagami分布，1f1(.,.,.)為超幾何分布函數(shù)；

2)由于衛(wèi)星通信是遠距離通信，所以會受到大尺度衰落的影響，在此場景下，無線信道中無線用戶終端的發(fā)射功率與基站的接收功率關(guān)系如下：

其中ps為發(fā)送端的發(fā)送功率，pr為接收端的接收功率，c為光速；gr為接收端天線增益，gs為發(fā)射端天線增益；fi為第i種無線通信制式的工作頻率；n為無線信道中的衰落因子；|hi|²為第i種無線通信制式的瞬時信道狀態(tài)信息，其可以通過信道估計方法獲取。為便于后面分析，可以令

其中d為源節(jié)點以及目的節(jié)點到衛(wèi)星中繼的距離，其計算表達式如下：

結(jié)合實際的地理位置信息，可以根據(jù)源節(jié)點、目的節(jié)點和衛(wèi)星的經(jīng)緯度來確定其距離，這即是本發(fā)明中基于地理位置信息的主要體現(xiàn)，其中r為地球半徑，h為衛(wèi)星距離地球表面的高度，wa、ja為衛(wèi)星相對于地面的緯度和經(jīng)度，wb、jb是為地球上節(jié)點的經(jīng)度和緯度。

3、計算本系統(tǒng)中源節(jié)點到衛(wèi)星中繼、衛(wèi)星中繼到目的節(jié)點的信道容量，并提出本發(fā)明的中繼選擇的具體方案，其主要過程如下：

1)源節(jié)點到各衛(wèi)星中繼的信道容量為：其中γ＝ps/n0，ps為源節(jié)點的發(fā)送功率，n0為信道中的背景噪聲功率，hsi為信道的瞬時狀態(tài)增益。我們假設(shè)系統(tǒng)要求的最低信息傳輸速率為rd，解碼成功的衛(wèi)星中繼，其信道容量大于最低信息傳輸速率，滿足條件：解碼失敗的衛(wèi)星中繼，其信道容量小于最低信息傳輸速率，即：此時系統(tǒng)通信便發(fā)生了中斷；

2)本發(fā)明中的衛(wèi)星中繼選擇方案如下：假設(shè)有n個衛(wèi)星中繼，分別記為r1,r2,...,rn，在衛(wèi)星中繼接收到源節(jié)點發(fā)送的信息后，衛(wèi)星中繼對接收到的信息進行解碼，在解碼成功的衛(wèi)星集合中選擇到目的節(jié)點的信道狀態(tài)信息最佳的一個衛(wèi)星中繼，由該衛(wèi)星中繼將信息轉(zhuǎn)發(fā)到地球表面上的目的節(jié)點，其信道容量可表示為：

本方案中最佳衛(wèi)星中繼滿足條件：

當(dāng)最佳衛(wèi)星中繼轉(zhuǎn)發(fā)信息時，該衛(wèi)星中繼到目的節(jié)點的信道容量為：

其中dn表示成功解碼源節(jié)點信息的衛(wèi)星中繼集合，則表示解碼源節(jié)點信息失敗的衛(wèi)星中繼集合。

當(dāng)cbd＜rd時，地球表面上的目的節(jié)點將不能接收到衛(wèi)星中繼轉(zhuǎn)發(fā)的信息，該衛(wèi)星中繼在轉(zhuǎn)發(fā)信息的過程中也會發(fā)生中斷；

3)綜上所述，系統(tǒng)的中斷概率pout可表示為：

上式中的γ＝ps/n0，n0＝ktb，k為玻爾茲曼常量，t為當(dāng)前溫度，b為傳輸信號的帶寬。

本發(fā)明提供了一種基于地理位置信息的衛(wèi)星中繼選擇優(yōu)化方法，應(yīng)用于衛(wèi)星作為傳輸中繼的通信系統(tǒng)中，具體步驟包括：

1)在傳輸時隙t之前，源節(jié)點獲得衛(wèi)星中繼的信道瞬時增益為hsi，并根據(jù)gps系統(tǒng)得到發(fā)送節(jié)點、目的節(jié)點、衛(wèi)星中繼的經(jīng)緯度等地理位置信息。

2)給定時隙t的總發(fā)射功率ps，其中c為光速，取3*10⁸米每秒；gr為接收端天線增益，取10dbi；gs為發(fā)射端天線增益，取0dbi；fi為第i種無線通信制式的工作頻率，本處衛(wèi)星發(fā)送信號的頻段是c波段，取9ghz；d為無線用戶終端至基站的距離，可以根據(jù)得到的經(jīng)緯度信息計算得出；n為無線信道中的衰落因子，取2。

3)根據(jù)本方案中提出的中繼選擇優(yōu)化方案，選擇成功解碼的衛(wèi)星中繼到目的節(jié)點信道狀態(tài)信息最佳的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信息，衛(wèi)星中繼以與源節(jié)點相同的發(fā)送功率ps轉(zhuǎn)發(fā)信號。

4)傳輸結(jié)束進入下一個時隙，重新執(zhí)行步驟1)。

本發(fā)明所提出的中繼選擇方案與循環(huán)調(diào)度選擇方案的對比如圖3所示。其中衛(wèi)星中繼個數(shù)n取4和6，發(fā)射功率ps從37db到47db，且間隔為1db，由圖中可以看出，本發(fā)明所提出的中繼選擇方案性能在衛(wèi)星中繼數(shù)目相同的情況下，明顯好于循環(huán)調(diào)度方案，當(dāng)發(fā)送端發(fā)射功率越來越大時，系統(tǒng)的中斷概率也越來越低，系統(tǒng)的性能也隨之顯著提高；另外，在發(fā)射功率相同的情況下，衛(wèi)星中繼數(shù)目越多，本中繼選擇方案的性能也隨之提高，而循環(huán)調(diào)度選擇方案的性能幾乎沒有隨衛(wèi)星中繼數(shù)目的增加而提高。