一種基于能量有效的分布式星群節(jié)點(diǎn)選擇方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于能量有效的分布式星群節(jié)點(diǎn)選擇方法。在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，高軌道衛(wèi)星被分解為分布式衛(wèi)星群，該分布式衛(wèi)星群有上百個衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)組成。在衛(wèi)星群與地面終端進(jìn)行通信的過程中，使用大量的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，會消耗很大的功率，所以本發(fā)明針對這種情況提出了一種有效的節(jié)點(diǎn)選擇方法。在系統(tǒng)的信道容量大于一定的門限值時，聯(lián)合優(yōu)化了發(fā)送衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)，發(fā)送衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)子集，可服務(wù)移動終端子集?？紤]到能量效率函數(shù)的特殊性，即聯(lián)合優(yōu)化等價于分步優(yōu)化，首先，確定不同移動終端的大尺度衰落因子，從中選擇出最優(yōu)的大尺度衰落因子，然后確定最優(yōu)的發(fā)送衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)目和相應(yīng)的子集。
【專利說明】-種基于能量有效的分布式星群節(jié)點(diǎn)選擇方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于能量有效的分布式星群節(jié)點(diǎn)選 擇方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 考慮到LTE和LTE-A無線通信系統(tǒng)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，如；無縫全球漫游、多媒體通 信、服務(wù)質(zhì)量管理W及高用戶吞吐量等，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)得到了廣泛的關(guān)注。衛(wèi)星移動通 信系統(tǒng)的組成部分有：衛(wèi)星、移動用戶、網(wǎng)關(guān)、衛(wèi)星控制中也、網(wǎng)絡(luò)控制中也。該些組成部分 使得直連接入網(wǎng)絡(luò)、邊遠(yuǎn)陸地網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)服務(wù)、交互式多媒體服務(wù)之間的連接成為可能。
[0003] 根據(jù)衛(wèi)星所在的軌道，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)可W分為兩類：低/中軌衛(wèi)星（LE0/ME0) 和高軌衛(wèi)星佑E0)。LEO和ME0的典型軌道高度分別是1200km和18000km，該些衛(wèi)星經(jīng)常是 幾個衛(wèi)星組成星群一起工作。GE0的典型軌道高度是36000km。在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，由 于長距離的空間傳播，信道會受到降雨衰減、多普勒頻移、陰影衰落W及多徑衰落等影響， 傳播環(huán)境很差。
[0004] "分離的航天器"是美國在2006年提出的概念，與傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比， 該種分離的結(jié)構(gòu)能夠提供更多的靈活性和魯棒性。在2007年美國國防部先進(jìn)研究項目局 值A(chǔ)RPA)提出了一個"F6"系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要目標(biāo)是；證明和探索把一個衛(wèi)星的功能分成 多個部分的好處。該種衛(wèi)星系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)能夠提高軌道衛(wèi)星的適應(yīng)性和存活性，同時能夠縮 短衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展時間。
[0005] 眾所周知，在無線通信系統(tǒng)中，增加天線數(shù)對無線通信系統(tǒng)總是有利的，受到該點(diǎn) 的啟發(fā)W及F6系統(tǒng)的特點(diǎn)，研究人員最近的研究方向集中到把一個衛(wèi)星分裂成分布式衛(wèi) 星群，該分布式衛(wèi)星群有上百顆通信衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)。分布式衛(wèi)星群中的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間的通信介 質(zhì)是具有高可靠性的光纖。在具有可持續(xù)性和成本效率高的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，能量消 耗是一個基本的問題。毫無疑問，使用越多的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，所消耗的能量就越大。
[0006] 基于上述問題，本發(fā)明所提出的是一種基于能量有效的分布式星群節(jié)點(diǎn)選擇方 法。該方法對H個參數(shù)，發(fā)送衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)個數(shù)、發(fā)送衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)子集、可服務(wù)移動終端子集進(jìn)行 了與聯(lián)合優(yōu)化等價的分步優(yōu)化，復(fù)雜度很低。首先根據(jù)預(yù)編碼矩陣確定整個系統(tǒng)的信道容 量，然后再確定衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中的功率消耗模型。最后對發(fā)送衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)、發(fā)送衛(wèi)星節(jié) 點(diǎn)子集、可服務(wù)移動終端子集進(jìn)行了聯(lián)合優(yōu)化。本發(fā)明的有益效果是：在考慮發(fā)送端分布 式衛(wèi)星群中衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的功耗，電路中的其他部分功耗（如；基帶DS巧，接收端移動終端射頻 鏈路功率消耗的鏈路模型中，分析并給出了衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)能量效率最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)選擇方 法，使得衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的能量效率有極大的提高；所給出的預(yù)編碼矩陣在分布式衛(wèi)星 群中衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于移動終端數(shù)的情況下，使得信道容量的表達(dá)式由對數(shù)行列式形式 轉(zhuǎn)化成了加和對數(shù)形式，極大的簡化了能量效率的求解問題；對能量效率的各個參數(shù)，發(fā) 射端衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)目及子集和可服務(wù)移動終端子集進(jìn)行了與聯(lián)合優(yōu)化等價的分布優(yōu)化，極大 的降低了衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中能效的計算復(fù)雜度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明能夠在計算復(fù)雜度不高的情況下，通過節(jié)點(diǎn)選擇的方式提高整個系統(tǒng)的能 量效率?？紤]衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)下行鏈路，使用(FDM技術(shù)，通過對發(fā)送衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)、發(fā)送衛(wèi) 星節(jié)點(diǎn)子集、可服務(wù)移動終端子集的聯(lián)合優(yōu)化來最大化系統(tǒng)的能量效率。
[0008] 具體步驟為：
[0009] 步驟一：下行鏈路的接收信號為
[0010]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于能量有效的分布式星群節(jié)點(diǎn)選擇方法，其特征在于：本發(fā)明考慮的系統(tǒng)是 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)下行鏈路，使用OFDM。衛(wèi)星群中的發(fā)送衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于移動終端用 戶數(shù)時，小尺度衰落因子的影響消失，根據(jù)接收信號的表達(dá)式，確定預(yù)編碼矩陣：
G是信道矩陣，（廣表示取共軛，G=H?De，H是小尺度衰落矩陣，〇0是大尺度衰落矩 陣，大尺度衰落主要包括陰影衰落和路徑損耗。在分布式衛(wèi)星群中衛(wèi)星數(shù)K遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于移動 終端數(shù)L時，小區(qū)容量為：
式中9{成比例與發(fā)送信噪比，0k是大尺度衰落因子。 由于衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的衛(wèi)星群中有大量的衛(wèi)星，在整個系統(tǒng)工作時，會消耗很大的 能量，因此需要對整個通信系統(tǒng)的功耗進(jìn)行建模，總的功率消耗模型PSUffl可建模為： PSUm= ￡ ?t+KPct+LPcr+Pc〇. e是功率放大器效率，Pt是衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率，K是發(fā)送衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)目，Pet表示發(fā)送衛(wèi) 星節(jié)點(diǎn)鏈路所消耗的功率，P"表示移動終端接收端RF鏈所消耗的功率，P。。是電路的其他 部分所消耗的功率，比如，數(shù)字信號處理。

2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)中分布式星群的能量有效的節(jié)點(diǎn)選擇方 法，其特征在于，確定預(yù)編碼矩陣，其預(yù)編碼矩陣的選取要滿足在發(fā)送衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)大 于移動終端數(shù)目時，使得此時的信道容量表達(dá)式僅與信道的大尺度衰落因子有關(guān)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)中分布式星群的能量有效的節(jié)點(diǎn)選擇方 法，其特征在于，確定一個小區(qū)信道容量門限，該信道容量門限所對應(yīng)的發(fā)送衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù) 應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可服務(wù)的終端數(shù)，在發(fā)明實現(xiàn)過程中只要發(fā)送衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)個數(shù)大于等于十倍的可 服務(wù)移動終端數(shù)，我們就認(rèn)為遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于成立。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)中分布式星群的能量有效的節(jié)點(diǎn)選擇方
【文檔編號】H04L25/03GK104485988SQ201410479668
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】劉元安, 胡碧波, 謝剛, 楊亞霖, 劉凱明, 劉芳 申請人:北京郵電大學(xué)