[發明專利]一種星地激光通信網絡最大化網絡連通率的實現方法

有效

• 申請號: 201910506219.1
• 申請日: 2019-06-12
• 公開（公告）號: CN110572198B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 龔淑蕾;沈弘;趙康僆;李文峰;張興敢
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H04B7/185
• 分類號: H04B7/185;H04B10/118;H04B10/50
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

一種星地激光通信網絡中最大化網絡連通率的實現方法。最大化網絡連通率目標問題建模，假設系統總共有N個地面站，選擇其中的K個地面站與系統中的衛星進行通信；通過一個連續約束0≤x_i≤1來對原二進制約束進行松弛；問題是一個非光滑整數規劃問題，先使用光滑函數來逼近原非光滑函數，接著對二進制約束進行松弛，最后，對于轉化后的問題提供一種基于梯度投影的求解方法，并進一步提出一種高效算法來獲取可行的二進制解，實現最大化星地激光通信網絡的連通率的地面站選擇方案。

技術領域

本發明屬于衛星通信領域，涉及一種地面站調度技術，提供了星地激光通信網絡中一種最大化網絡連通率的實現方法。

背景技術

現代衛星通信對傳輸速率要求的不斷增長是衛星系統設計中面臨的一個非常具有挑戰性的任務。激光通信具有更大的帶寬，可實現大容量高速率的通信需求，能顯著提高衛星網絡的數據速率。此外，以激光為載體，光束可以被壓縮在很小范圍內，對光束進行攔截或是干擾是很困難的，使其通信安全性比傳統微波通信更高。激光束較小的發射孔徑使天線的尺度大大減小，可滿足衛星載荷重量輕、體積小的需求。隨著捕獲、瞄準、跟蹤(Acquisition，Tracking and Pointing，ATP)技術的不斷發展，星地激光通信受到全球各國的重視，目前對星地激光通信的研究已成為一個熱門領域。星地激光衛星通信的主要缺點是星地激光通信鏈路對云層阻塞非常敏感。由于大氣云層的存在，激光鏈路會發生中斷，從而嚴重影響系統性能。站址分集通過增加與多個地面站間的光鏈路數量，可提高系統可靠性和網絡連通率，即系統中至少有一個地面站連接到衛星的概率。因此，在星地激光通信網絡中，考慮如何有效的選擇地面站，既不使系統有過大的計算開銷，又能最大限度地提高星地激光網絡的連通率是非常有必要的。

發明內容

本發明的目的是，在星地激光通信網絡中提供一種最大化網絡連通率的實現方法，該方法能夠在降低計算復雜度的情況下獲得接近最優窮舉搜索算法性能，提高星地激光通信網絡中的網絡連通率。

本發明的技術方案是：一種星地激光通信網絡最大化網絡連通率的實現方法，首先，構建最大化星地激光通信網絡的連通率的目標問題。該問題是一個非光滑整數規劃問題，先使用光滑函數來逼近原非光滑函數，接著對二進制約束進行松弛，最后，對于轉化后的問題提供一種基于梯度投影的求解方法，并進一步提出一種高效算法來獲取可行的二進制解，實現最大化星地激光通信網絡的連通率的地面站選擇方案。

具體以如下4個按序進行的步驟：

1)最大化網絡連通率目標問題建模

假設系統總共有N個地面站，選擇其中的K個地面站與系統中的衛星進行通信。云層數據C由一個N×N_samples的數據矩陣來表示，N_samples表示地面站在時間維度上的采樣數據點個數。如果第i個地面站與衛星之間的鏈路在某取樣的時刻j存在云層遮擋，則C的第i行第j列元素，即取樣值c_i,j為1，否則c_i,j為0。通常情況下，系統網絡連通率可表達式為

其中，M表示可用性要求，H(·)表示離散階躍函數。集合S由所選K個地面站的序號組成。

為每個地面站定義一個二進制變量x_i，如果選擇第i個地面站，那么x_i等于1，否則x_i等于0。根據這個定義，用來代替式(1)中的然后，我們將最大化星地激光通信網絡的連通率地面站選擇問題表述為：

其中，第一個等式約束表示集合S的大小是K。

2)目標問題表達式(2)轉化