一种卫星链路功率结合算力优化的方法

技术领域

本发明属于卫星通讯切换技术领域，具体涉及一种卫星链路功率结合算力优化的方法。

背景技术

系统的星载计算机采用实时多任务操作系统和嵌入式微机，可以在高度集成化的硬件平台上完成处理多个用户与卫星间的通信、系统资源管理、用户位置管理等多项任务。卫星通信资源实现按需分配，提高信道的利用率，以便在有限的通信时间窗口传递更多的有效信息。在地面的用户终端设备也采用实时多任务操作系统和嵌入式微机，以便实现用户终端设备的小型化。同时，系统采用这样的设计可以实现通信协议、信令结构的重新加载和更新。与一般的计算机应用相比，嵌入式实时应用系统是具有处理高速、配置专一、结构坚固可靠等特点的实时系统，相应的软件系统应当具有特色、要求更高且具有实时性。切换也属于网络控制的范畴，鉴于它是蜂窝移动通信系统中的一项重要技术内容；切换工作的宗旨是保证在用户通话过程中，系统能持续性地提供信道连接。在地面蜂窝系统中，当一个正在通话的用户从一个小区的覆盖范围移动到另外一个小区的覆盖范围时，切换就产生了。在卫星蜂窝系统中，卫星的移动性使切换问题变得更为复杂。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种卫星链路功率结合算力优化的方法，能够解决现有技术中卫星的移动性使卫星蜂窝系统切换变得更为复杂的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种卫星链路功率结合算力优化的方法，包括

S101：生成卫星关联标识，所述卫星关联标识基于通讯系统维度对卫星进行分类及数据聚合后生成，所述基于通讯系统维度对卫星进行分类用以形成卫星系统分类及子类，所述卫星关联标识用于将分类后的所述卫星与切换预测方法之间建立关联；

S102：解析所述卫星关联标识，基于所述卫星关联标识获得实际卫星链路功率，所述实际卫星链路包括收到的卫星链路功率、卫星通讯切换时消耗的功率和自然环境影响造成的功率损失之和。

进一步地，所述S101具体包括：

对预设切换方式提取切换关键字或关键词带入所述卫星系统分类及子类中进行数据聚合，所述关键词或关键词通过卫星日志数据获得，所述预设切换方式包括信道切换、波束间切换、卫星间切换、关口切换以及网络切换。

进一步地，所述数据聚合通过特征提取模型计算得到，所述特征提取模型用于判断所述数据聚合的效果。

进一步地，所述切换预测方法包括获取所述预设切换方式的预设次数的切换触发值，以及获取每种所述预设切换方式的历史平均切换临界值，根据所述切换触发值以及所述历史平均切换临界值完成切换预测。

进一步地，所述解析卫星关联标识包括获取当前卫星所属分类以及卫星通讯切换方法，所述卫星通讯切换方法用于计算所述卫星通讯切换时消耗的功率。

进一步地，所述卫星通讯切换时消耗的功率采用算力量化模型计算得到，所述算力量化模型为：

进一步地，所述自然环境造成的功率损失为卫星从发射端到接收端自然环境造成的功率损失，所述自然环境造成的功率损失基于太赫兹自然环境衰减模型得到。

进一步地，所述太赫兹衰减模型包括的天气情况为雨水通信、云雾通信、降雪通信以及沙尘气候。

进一步地，所述卫星通讯系统为6G卫星系统。

第二方面，本发明实施例提供了一种卫星链路功率结合算力优化的系统，包括：

生成模块，所述生成模块用于生成卫星关联标识，所述卫星关联标识基于通讯系统维度对卫星进行分类及数据聚合后生成，所述基于通讯系统维度对卫星进行分类用以形成卫星系统分类及子类，所述卫星关联标识用于将分类后的所述卫星与切换预测方法之间建立关联；

解析模块，所述解析模块用于解析所述卫星关联标识，基于所述卫星关联标识获得实际卫星链路功率，所述实际卫星链路功率包括收到的卫星链路功率、卫星通讯切换时消耗的功率和自然环境影响造成的功率损失之和。

在本发明实施例中，通过生成卫星关联标识，卫星关联标识基于通讯系统维度对卫星进行分类及数据聚合后生成，基于通讯系统维度对卫星进行分类用以形成卫星系统分类及子类，卫星关联标识用于将分类后的卫星与切换预测方法之间建立关联；解析卫星关联标识，基于卫星关联标识获得实际卫星链路功率，实际卫星链路包括收到的卫星链路功率、卫星通讯切换时消耗的功率和自然环境影响造成的功率损失之和。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种卫星链路功率结合算力优化的方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种卫星的分类示意图；

图3是本发明实施例提供的一种卫星移动造成的波束切换示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例、参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本发明实施例提供一种卫星链路功率结合算力优化的方法进行详细地说明。

参照图1，示出了本发明实施例提供的一种卫星链路功率结合算力优化的方法的流程示意图。

本发明实施例提供的一种卫星链路功率结合算力优化的方法，包括：

S101：生成卫星关联标识，卫星关联标识基于通讯系统维度对卫星进行分类及数据聚合后生成，基于通讯系统维度对卫星进行分类用以形成卫星系统分类及子类，卫星关联标识用于将分类后的卫星与切换预测方法之间建立关联。

进一步地，基于通讯系统维度对卫星进行分类的分类结果可参考图2，例如，按照卫星通信范围，可以将其分为全球卫星系统、国际卫星系统、区域卫星系统以及国内卫星系统；按照是否有源可将其分为有源卫星通信系统以及无源卫星通信系统；按照复用方式的差异，可将其分为频分复用卫星通信系统、时分复用卫星通信系统、空分复用卫星通信系统、码分复用卫星通信系统以及混合多址卫星通信系统；按照频率范围，可将其分为太赫兹卫星通信系统、特高频卫星通信系统、超高频卫星通信系统、极高频卫星通信系统以及激光卫星通信系统；按照业务范围的不同，可将其分为固定业务卫星通信系统，移动业务卫星通信系统，广播电视卫星通信系统，科学实验卫星通信系统，以及气象、导航、教学、军事卫星通信系统；按照运动方式，可将其分为同步卫星通信系统以及运动卫星通信系统，进一步地，运动卫星通信系统还可进一步做子类划分，分为随机运动卫星通信系统以及相位运动卫星通信系统。其中，本领域技术人员可以根据实际需求对卫星进行分类，本发明实施例对此不做限定。

进一步地，所述S101具体包括：对预设切换方式提取切换关键字或关键词带入所述卫星系统分类及子类中进行数据聚合，所述关键词或关键词通过卫星日志数据获得，所述预设切换方式包括信道切换、波束间切换、卫星间切换、关口切换以及网络切换。

可选地，预设切换方式包括信道切换、波束间切换、卫星间切换、关口切换以及网络切换。

电波传播环境的变化或者干扰情况的变化会使目前用户的通信信道变得不可用，此时，系统需要将用户切换到同一波束的另外一个可用信道上。另外，动态信道分配也会启动波束内的信道切换。

图3是本申请实施例提供的一种卫星移动造成的波束切换示意图，在地面蜂窝系统中，用户自身的移动会导致小区间的信道切换，对应到卫星蜂窝系统中就是波束的切换。对于非GEO(Geosynchronous orbit，地球同步轨道)的卫星蜂窝系统来说，用户移动造成的小区切换几乎可以忽略不计，卫星的移动才是绝大部分切换产生的原因。如图3所示，某个用户起初在卫星的波束1中通信，虽然他没有移动，但是因为卫星在移动，所以经过一定时间后覆盖他的波束不再是波束1而是后面的波束2；如果用户的通话没有结束，就需要将通信切换到波束2。但是过于频繁的切换对系统来说不是一件好事，实现切换需要一系列信令方面的操作，频繁切换将使系统的信令负荷加重。另外，切换失败的概率也会增大，而切换失败将导致用户的通话过程被中途打断，这种情况被称为掉话。相对于阻塞来说，用户对掉话这种情况更难以接受，因此在系统设计过程中应更重视降低掉话率。着眼于这一点，许多系统采取了一些降低切换频率的波束设计，其中的一种方法是固定波束在地面的位置，卫星在移动过程中通过位置计算，控制投向地面的波束的方向，卫星在相对地面前移时，波束在相对卫星后移，固定波束在地面的位置以减少切换频率，采用这种方法的卫星系统有ICO(中圆轨道)、Teledesic(全球卫星通信网络)等。另一种方法是不把波束设计成常规的圆形，而是设计成长条形状。例如全球星(Globalstar)系统的波束设计，它的每个波束都是长条形状，长条的方向和卫星的移动方向一致，除非卫星移出用户的视野，否则不会发生切换。

即使没有间切的题，窝系也有卫星间切换的问题。如果正在为用户服务的卫星用通话结束之前离开了用户的，通话就需要被切换到后面的卫星上，卫星切换的问题主要存在于LEO(低轨道)卫星系统中，MEO(中轨道)卫星系统基本可以不用考虑此问题。例如ICO系统中卫星的平均视在时间约为2h,而铱星(Iridium)系统的平均视在时间是9min。因此在ICO系统中，卫星切换几乎不会发生，而在铱星系统中极有可能发生。

还有一种切换问题就是在通话过程中切换了关口站，例如，用户通话起初通过卫星A连接到关口站1，在通话结束之前，卫星A离开了关口站1的视野，而后面跟来的卫星还没有进入用户的视野，因此通话不能被切换到后面的卫星。此时，卫星A进入了关口站2的视野，因此用户通话只能被切换到关口站2，否则只有掉话。关口切换涉及更多的信令交互，还需要变更用户通话在地面网络的路由，一般来说应该通过事先周全的设计尽量加以避免。

为了降低用户的通话费用，许多卫星蜂窝系统都设计成双模运行模式，同时支持地面移动网络和卫星移动网络，如果地面移动网络可用，则优先使用地面移动网络。假如用户的呼叫是在卫星移动网络中建立的，但在通话过程中发现地面移动网络可用，则需要将后面的通话切换到地面移动网络中。反之，在地面移动网络中接通电话的用户在其通话过程中移出了地面移动网络的服务区，需要切换到卫星移动网络继续通话。

进一步地，通过卫星日志数据获取切换方式的关键词或者关键字，将获取的关键词或者关键词带入卫星系统分类及子类中进行数据聚合，以形成卫星关联标识。

进一步地，S101具体还包括所述数据聚合通过特征提取模型计算得到，所述特征提取模型用于判断所述数据聚合的效果。

进一步地，特征提取模型可以包括均方根标准差计算(Root-Mean-SquareStandard Deviation，RMSSTD)方法进行计算。RMSSTD用于计算群体中所有变量的综合标准差，RMSSTD越小表明群体内(簇内)个体对象的相似程度越高，聚合效果越好，计算公式如下：

其中，Si代表第i个变量在各群内的标准差之和，p为变量数量。

进一步地，特征提取模型可以采用R平方(R-Square)确定系数计算数据聚合的效果。R-Square表示聚合后群体间差异的大小，也就是聚合结果可以在多大比例上解释原数据的方差，R-Square越大表明群体间(簇间)的相异性越高，聚合效果就越好。R-Square计算公式如下：

其中，W代表聚合分组后的各组内部的差异程度，B代表聚合分组后各组之间的差异程度，T代表聚合分组后所有数据对象总的差异程度，并且T＝W+B。

按照聚合的思想来看，一个好的聚合结果，应该是在R-Square E[0,11]的范围内，并且Sanare越接近1越好，这说明了各个群类之间的差异，即B越大，而同组内(簇内)各对象间的差异，即W越小，这正是聚合分析所希望达到的效果。计算公式如下：

其中p代表有p个指标(变量),n代表有n个组员，

进一步地，所述切换预测方法包括获取所述预设切换方式的预设次数的切换触发值，以及获取每种所述预设切换方式的历史平均切换临界值，根据所述切换触发值以及所述历史平均切换临界值完成切换预测。

可选地，切换预测方法可以获取信道切换、波束间切换、卫星间切换、关口切换以及网络切换最近10次的切换触发值。

可选地，切换预测方法可以获取信道切换、波束间切换、卫星间切换、关口切换以及网络切换最近18次的切换触发值。

其中，本领域技术人员可以根据实际情况调整获取信道切换、波束间切换、卫星间切换、关口切换以及网络切换的切换触发值的次数，本发明实施例对此不做限定。

可选地，根据切换触发值以及历史平均切换临界值进行切换预测，如果所获取的切换触发值超过历史平均切换临界值，则预测切换成功概率增加10％，如果获取的切换触发值低于历史平均切换临界值，则预测切换成功概率降低10％。

S102：解析所述卫星关联标识，基于所述卫星关联标识获得实际卫星链路功率，所述实际卫星链路功率包括收到的卫星链路功率、卫星通讯切换时消耗的功率和自然环境影响造成的功率损失之和。

进一步地，所述解析卫星关联标识包括获取当前卫星所属分类以及卫星通讯切换方法，所述卫星通讯切换方法用于计算所述卫星通讯切换时消耗的功率。

进一步地，所述卫星通讯切换时消耗的功率采用算力量化模型计算得到，所述算力量化模型为：

式中，C

进一步地，所述自然环境造成的功率损失为卫星从发射端到接收端自然环境造成的功率损失，所述自然环境造成的功率损失基于太赫兹自然环境衰减模型得到。

可选地，所述太赫兹衰减模型包括的天气情况为雨水通信、云雾通信、降雪通信以及沙尘气候。其中，不同的自然天气，将采用不同的计算公式计算无线电波信号衰减程序。

(1)雨水通信信号的衰减及衰减阈值设置

无线电波在视距传输时，除了在空气中衰减，还会遇到雨水的衰减；若在下雨时传播。降雨量导致的衰减率y如式(5)所示。

γR＝KR

其中，R为降雨量，单位为mmh。K和A分水平、垂直两种不同情况下极化时的参数。具体算法此处不予讨论。

根据公式(5)以及取不同的频率和降雨量，通过仿真可以得到衰减率和降雨量的关系，衰减率将随着降雨量的增加而增加，且增速较快。

进一步地，雨水通信信号的阈值设置单位为dB/km。

(2)云、雾通信信号的衰减及衰减阈值设置

云、雾衰减率可以用经验公式来计算，具体算法如式(6)所示。

在公式(6)中，f为工作频率，单位为GHz：为能见度。

国际上对能见度的规定是：密雾，V＜50m；浓雾，50m＜V＜200m；轻雾，200m＜＜500m。衰减率随频率和可见度变化关系的可见度选取范围为20～500m。

进一步地，本申请中大气衰减率的分析频率取值范围为0～350GHz，具体取值范围本领域技术人员还可根据需求设定，本发明实施例对此不做限定。

进一步地，云、雾通信信号的阈值设置单位：dB/km和GHz20～500m(可见度)。

(3)降雪通信信号的衰减及衰减阈值设置

由降雪引起的电波衰减率y可以近似地用式(7)表示

γ

在公式(7)中，f为工作频率，单位为Gz：为降雪强度(mmh)，y的单位为dm即每小时降雪在单位容积内积雪溶化成水的高度。其中，对于150GHz以上的频率受到降雪强度的影响较大，150GHz以下的频率受到降雪强度的影响相对较小。

进一步地，降雪通信信号阈值设置方式为高于150GHz以上的频率受到降雪强度的影响较大，建议告警。

(4)沙尘气候特征衰减率及衰减阈值设置

若常出现浮尘、扬沙和沙尘暴3种天气情况，对通信信号的衰减影响较为明显；沙尘暴天气中有较大沙尘粒子和较小的粉尘粒子，对毫米波、太赫兹波的传播影响较大。沙尘可以分为自然形成和人工形成两种。其中，人工形成的沙尘涉及爆炸或车辆行进产生的沙尘。沙粒的形状具有复杂的多样性，各区域环境以及沙尘的成因不同，沙粒的形状也有所不同。沙尘粒分布接近于对数正态分布，其计算方法如式(8)所示。

在公式(8)中；N为沙尘的体密度(1/m

特征衰减率L的计算方法如公式(9)所示。

其中，和分别为湿沙尘的复介电常数的实部和虚部，N为自然形成和人工形成的沙尘样品的体密度、lnD的均值m和标准偏差，f为频率。

参加表1，示出了本申请实施例中沙粒粒径分布的统计参数。

表1沙粒粒径分布的统计参数

民用移动通信系统主要面临的是自然沙尘(例如沙尘、雾霾天气)情况导致的频率损耗，本申请实施例中可采用自然沙尘参数进行仿真，在20℃下，获取频率从0～350GHz，水含量从0～30％沙尘天气不同的频率和水含量下的特征衰减率。在20GHz频段以下，特征衰减率随着频率的增加而明显增加，高于20GHz频段后，特征衰减率随着频率的增加比较平缓，同时随着沙尘中的水含量变化不明显，水含量越多衰耗越小。对于一定水含量的频率从0～350GHz，温度从0℃～60℃对应的特征衰减率，特征衰减率只随频率增大而衰耗增大，基本不随温度而变化。

进一步地，沙尘气候阈值设置方式为在20GHz频段以下，特征衰减率随着频率的增加而明显增加，高于20GHz频段后，特征衰减率随着频率的增加比较平缓。

进一步地，本发明实施例中的卫星通讯系统属于6G卫星通讯系统。

第二方面，本发明实施例提供了一种卫星链路功率结合算力优化的系统，包括：

生成模块，所述生成模块用于生成卫星关联标识，所述卫星关联标识基于通讯系统维度对卫星进行分类及数据聚合后生成，所述基于通讯系统维度对卫星进行分类用以形成卫星系统分类及子类，所述卫星关联标识用于将分类后的所述卫星与切换预测方法之间建立关联；

解析模块，所述解析模块用于解析所述卫星关联标识，基于所述卫星关联标识获得实际卫星链路功率，所述实际卫星链路包括收到的卫星链路功率、卫星通讯切换时消耗的功率和自然环境影响造成的功率损失之和。

进一步地，本发明实施例提供的一种卫星链路功率结合算力优化的系统还包括：

计算模块，计算模块用于对预设切换方式提取切换关键字或关键词带入所述卫星系统分类及子类中进行数据聚合，所述关键词或关键词通过卫星日志数据获得，所述预设切换方式包括信道切换、波束间切换、卫星间切换、关口切换以及网络切换。

进一步地，所述数据聚合通过特征提取模型计算得到，所述特征提取模型用于判断所述数据聚合的效果。

进一步地，所述切换预测方法包括获取所述预设切换方式的预设次数的切换触发值，以及获取每种所述预设切换方式的历史平均切换临界值，根据所述切换触发值以及所述历史平均切换临界值完成切换预测。

进一步地，所述解析卫星关联标识包括获取当前卫星所属分类以及卫星通讯切换方法，所述卫星通讯切换方法用于计算所述卫星通讯切换时消耗的功率。

进一步地，所述卫星通讯切换时消耗的功率采用算力量化模型计算得到，所述算力量化模型为：

进一步地，所述自然环境造成的功率损失为卫星从发射端到接收端自然环境造成的功率损失，所述自然环境造成的功率损失基于太赫兹自然环境衰减模型得到。

进一步地，所述太赫兹衰减模型包括的天气情况为雨水通信、云雾通信、降雪通信以及沙尘气候。

进一步地，所述卫星通讯系统为6G卫星通讯系统。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。