基于时间相关性的6G低轨卫星网络参数设定方法技术

本发明专利技术提出了基于时间相关性的6G低轨卫星网络参数设定方法，具体地，根据实际通信需求的覆盖位置与范围，确定卫星部署高度与具体数量；考虑到卫星的高速移动，动态调整网络参数，完成初始部署；考虑到卫星的高移动性，研究了网络拓扑的时间相关性，受卫星动态变化的影响，网络拓扑发生变化，传输链路时刻波动，结合网络拓扑的时间相关性统计卫星链路波动性；且随着传输距离动态变化，地面用户处性能波动，为提高用户处的网络性能建立考虑多时隙联合信干噪比的长期性能模型；考虑到网络的波动，定义了在一定程度上反映链路覆盖时间依赖性的联合覆盖概率；根据链路波动情况和网络覆盖性能随卫星部署参数的关系确定卫星最优部署参数设定。参数设定。参数设定。

【技术实现步骤摘要】
基于时间相关性的6G低轨卫星网络参数设定方法


[0001]本专利技术涉及未来第六代移动通信(6th Generation，6G)
，特别涉及低轨卫星(Low Earth orbit，简称为LEO)网络中基于时间相关性的网络参数设定方法。

技术介绍

[0002]天地一体化网络是以地面网络为基础、以卫星网络为延伸，实现空、天、地信息网络的相互融合，为天基、空基、陆基、海基等提供信息通信保障的基础设施，是国家信息网络实现全球覆盖、宽带传输、军队联合作战等的必经之路。卫星通信具有覆盖范围广、通信容量大、传输质量好、组网方便迅速、便于实现全球无缝链接等众多优点，被认为是建立全球个人通信必不可少的一种重要手段，由多个卫星组成的星座可以实现真正的全球覆盖。因此，低轨卫星系统被认为是最有应用前景的卫星移动通信技术之一，低轨卫星星座将在未来的宽带通信中发挥重要作用。
[0003]低轨卫星星座将在未来的宽带通信中发挥重要作用。近年来，我们见证了低轨卫星星座的蓬勃发展，低轨卫星由于其轨道高度比较低，在进行通信时，存在双程时延低、星地链路损耗小、数据传输速率高等优点，但由于轨道运行周期短，网络拓扑变化比较快，在通信时既要保证通信质量，又要适应动态变化的网络拓扑。低轨卫星系统所面临的一个关键挑战是低轨卫星相对于地球表面的快速移动，即7.5公里/秒。即使对于地面静止的用户设备，这也会转化为传播条件的快速和连续变化，这对系统性能有明显的影响。
[0004]低轨卫星的移动性将是宽带卫星网络研究、设计和规划的关键，这种高移动性对传统的无线电移动性机制提出了新的重大挑战。在地面网络中，随着用户在特定区域内移动，阴影和多径条件会突然变化，从而导致接收信号发生大规模变化。在低轨卫星网络中，不仅用户的移动性会导致大规模衰落，低轨卫星的移动也会在传播信道中引入信号干扰，即引起视距(LoS)/非视距(NLoS)状态变化。低轨卫星位置的高速变化，导致卫星到用户间传输距离变化，同时为网络拓扑引入了随机性，导致低轨卫星站点空间分布和链路状态的改变，从而使得用户处的网络性能具有时变性。
[0005]因此，对由低轨卫星和用户的移动性引起的这种变化进行考虑至关重要，现有研究提出了一些低轨卫星基站的通信设备设计方案，以及一些低轨卫星部署方案，然而低轨卫星通信的具体实现中尚有一些亟待解决的问题：低轨卫星的高速移动带来网络的时变特性，这一特性在低轨卫星网络中引入了随机性并降低了空间和时间的相关性；用户处的网络性能在时间上波动，瞬时的性能指标并不能反应用户处的实际的通信质量，有必要测量多个时隙中链路状态和网络的时间相关性，进一步推导出长时平均性能指标；基于此优化低轨卫星部署，并设定网络参数以提高通信质量的一致性、稳定性和连续性。

技术实现思路

[0006]本专利技术提出了基于时间相关性的6G低轨卫星网络参数设定方法。
[0007]具体地，根据实际通信需求的覆盖位置与范围，确定低轨卫星部署高度与具体数
量；考虑到低轨卫星的高速移动，动态调整网络参数，完成初始部署；考虑到低轨卫星的高移动性，研究了网络拓扑的时间相关性，受低轨卫星动态变化的影响，网络拓扑发生变化，传输链路时刻波动，结合网络拓扑的时间相关性统计低轨卫星链路波动性；且随着传输距离动态变化，地面用户处性能波动，为提高用户处的网络性能，并建立考虑多时隙联合信干噪比的长期性能模型，考虑到网络的波动，定义了在一定程度上反映链路覆盖时间依赖性的联合覆盖概率；根据链路波动情况和网络覆盖性能随低轨卫星部署参数的关系确定低轨卫星最优部署参数设定。
[0008]本专利技术的基于时间相关性的低轨卫星网络参数设定包括以下步骤：
[0009]步骤200，根据实际通信需求，确定卫星部署高度与具体数量。
[0010]近年来多家高科技企业纷纷投资低轨卫星通信领域，提出了OneWeb、Starlink等十余个低轨卫星通信系统方案，目标是实现全球互联网覆盖。
[0011]便于低轨卫星轨道控制，本专利技术在设计低轨卫星星座时采用回归轨道，即低轨卫星运行周期与地球自转周期成整数比。依据T
s
/T
e
＝k/n确定低轨卫星周期T
s
，其中k，n是整数，T
e
为地球自转周期。设定低轨卫星部署在受灾区域上空h的球壳表面上，通过确定出低轨卫星高度h，其中为地球半径，μ为开普勒常数。
[0012]为实现全球覆盖，设定低轨卫星总数其中为地球半径，h为卫星高度。
[0013]步骤210，考虑到卫星的高速移动，动态调整网络参数，完成初始部署。
[0014]在本专利技术的小区关联中，设定用户连接到最近的低轨卫星，是从地球中心指向天顶和穹顶边缘测量的穹顶角，设定最大值即低轨卫星为用户提供服务的最大范围其中为地球半径，h为低轨卫星高度。在该范围内，考虑到低轨卫星的高速移动，动态调整网络参数即低轨卫星高度h和低轨卫星数量N。
[0015]步骤220，结合网络拓扑的时间相关性，统计卫星部署参数与链路干扰波动性的关系。
[0016]地面用户处信号强度：
[0017][0018]其中，P
t
是低轨卫星的发射功率，和是在时隙t
i
从服务卫星到用户的链路的路径损耗和额外路径损耗，α
i
表示在第t
i
个时隙低轨卫星的波动角度。
[0019]自由空间路径增益如下：
[0020][0021]其中，l
air
表示地球表面与低轨卫星之间的气体和水蒸气的共振引起的空气吸收衰减，l
o
＝c2/(4πf)2表示路损常数，表示地球的半径，h为低轨卫星高度，是从地球中心
指向天顶和穹顶边缘测量的穹顶角。
[0022]额外路径损耗如下：
[0023][0024]其中，低轨卫星到用户之间的LoS链路的概率a和b为环境参量,低轨卫星到用户之间的NLoS链路的概率μ
NLos
，σ
Los
，σ
NLos
为环境参量，分别是对应的LoS和NLoS分量的均值和标准差参数。
[0025]为了捕捉稳定性和波动的变化规律，衡量网络性能在不同时隙的时间相关性。时间相关性反映了网络当前状态和过去状态之间的相关性，统计用户从其服务卫星接收到的信号的时间相关系数：
[0026][0027]其中，表示在时隙t1，t2处接收到的信号强度。
[0028]步骤230，建立考虑多时隙联合信干噪比的长期性能模型，考虑到网络的波动，定义在一定程度上反映链路覆盖时间依赖性的联合覆盖概率。
[0029]根据低轨卫星的初始部署和时间相关性的模型，计算任意用户的网络联合覆盖性能并上报给低轨卫星，的计算公式为：
[0030][0031]其中，T代表接收信噪比的阈值，表示在时刻t
i
用户处的信干噪比，表达式为：
[0032][0033]其中，σ2是噪本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于时间相关性的6G低轨卫星网络参数设定方法，其特征在于，包括：根据实际通信需求的覆盖位置与范围，确定卫星部署高度与具体数量；考虑到卫星的高速移动，动态调整网络参数，完成初始部署；考虑到卫星的高移动性，研究了网络拓扑的时间相关性，受卫星动态变化的影响，网络拓扑发生变化，传输链路时刻波动，结合网络拓扑的时间相关性统计卫星链路波动性；且随着传输距离动态变化，地面用户处性能波动，为提高用户处的网络性能，建立考虑多时隙联合信干噪比的长期性能模型，考虑到网络的波动，定义了在一定程度上反映链路覆盖时间依赖性的联合覆盖概率；根据链路波动情况和网络覆盖性能随卫星部署参数的关系确定卫星最优部署参数设定。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据实际通信需求确定卫星部署高度与具体数量；依据T
s
/T
e
＝k/n确定卫星周期，其中k，n是整数，T
e
为地球自转周期；设定卫星部署在受灾区域上空h的球壳表面上，通过确定出卫星高度h，其中为地球半径，μ为开普勒常数；为实现全球覆盖，设定卫星总数其中为地球半径，h为卫星高度。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，设定用户连接到最近的卫星，是从地球中心指向天顶和穹顶边缘测量的穹顶角，设定最大值即卫星为用户提供服务的最大范围其中其中为地球半径，h为...

【专利技术属性】
技术研发人员：何元，李卓阳，彭进霖，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：