一种基于自适应选择的深空协作中继传输方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于自适应选择的深空协作中继传输方法及系统，方法包括如下步骤：(1)建立深空协作中继传输模型；(2)启用双跳自由空间光中继链路进行信号传输；(3)双跳自由空间光中继链路信道估计；(4)传输策略选择；(5)基于最佳传输策略，获取关键性能指标。本发明专利技术依据信道估计结果，建立可靠的深空协作中继传输链路，采用自适应协作技术增大深空探测器所接收信号的信噪比，增强通信系统的智能化，降低复杂深空环境对深空通信性能的影响，提升系统通信质量和网络的传输效益，具有实际工程应用意义。应用意义。应用意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自适应选择的深空协作中继传输方法及系统


[0001]本专利技术属于深空通信
，特别涉及一种基于自适应选择的深空协作中继传输方法及系统。

技术介绍

[0002]深空通信是深空信息传输的重要方式，随超远距离探测任务变化呈现传输机会和传输资源的受限性。此外，深空太阳风等离子体、宇宙空间噪声、太阳耀斑、周期性太阳黑子爆发等复杂环境已成为深空通信的不确定因素，给深空通信带来极为恶劣的影响，严重降低深空通信性能，极大制约探测的深度与广度。现如今，面向复杂深空环境特性，建立可靠的深空通信系统，成为各航天机构在通信任务规划阶亟需开展的重要工作。
[0003]传统的深空射频直传系统受到复杂深空环境的影响，呈现链路脆弱、信噪比极低的特点，且面临设备制造工艺瓶颈和无线性能极限的制约。光通信凭借其大带宽、高速率、高安全性和抗电磁干扰等优点，成为深空通信的新技术增长点，并已在部分深空通信系统中得到应用。然而，太阳风湍流和卫星轨道摄动给深空光通信系统的稳定运行带来严重挑战，极大地降低通信链路可靠性。
[0004]近年来，深空中继通信采用多种信号转发模式辅助卫星将信号发送至目标探测器，为深空通信系统带来较大的空间分集增益，使得系统能够在满足特定的可靠性条件下实现传输效率的提升，并已成为提升深空通信系统性能的共识。然而，深空中继系统的设计复杂性必然带来系统性能的额外开销，进而抵消掉分集增益。因此，如何结合射频直传与光通信的优势，设计一种深空中继传输方案，以提高深空中继通信性能成为深空通信亟待解决的重要问题。
专利
技术实现思路

[0005]为了解决现有技术存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于自适应选择的深空协作中继传输方法及系统，本专利技术包含地球同步卫星、深空中继卫星、深空探测器。本专利技术传输技术方案存在两条可供使用的通信链路，分别是1)双跳自由空间光(FSO)中继链路：地球同步卫星基于光通信技术将信号传输到中继卫星，中继卫星再将光信号经过放大转发后传输至深空探测器；2)射频(RF)直传链路：地球同步卫星以广播的模式将射频信号直接传输到深空探测器。基于工程实践考虑，本专利技术考虑太阳风等离子体密度的快速起伏变化对射频和光信号所带来的大尺度衰减和小尺度衰落。此外，本专利技术技术方案进一步考虑太阳风等离子体吸收和卫星摄动变化对光信号所带来的能量衰减、瞄准误差和到达角起伏的影响。本专利技术采用信道估计为系统链路建立提供判决依据，采用自适应协作技术增大深空探测器所接收信号的信噪比，提高了系统通信质量，建立可靠的信号传输机制。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0007]一种基于自适应选择的深空协作中继传输方法，采用信道估计为深空通信系统的链路建立提供判决依据，采用自适应协作技术增大深空探测器所接收信号的信噪比，提高
系统通信质量，建立相对可靠的信号传输机制；其具体步骤如下：
[0008](1)建立通用可行的深空协作中继传输模型，包含地球同步卫星、深空中继卫星、深空探测器，地球同步卫星作为信源端，中继卫星视为中继节点，深空探测器作为信宿端。该传输方案存在两条可启用的通信链路，分别是1)双跳自由空间光(FSO)中继链路：地球同步卫星基于光通信技术将信号传输到中继卫星，中继卫星再将光信号经过信号处理后传输至深空探测器；2)射频(RF)直传链路：地球同步卫星以广播的模式将射频信号直接传输到深空探测器。对于双跳FSO中继链路，考虑链路节点均配备FSO天线，并在中继卫星预置放大转发协议，地球同步卫星和中继卫星具备实现FSO信号发送所必须的软硬件条件；对于RF直传链路，考虑链路节点均配备RF天线。受太阳风等离子体密度的快速起伏变化，射频和光信号均出现信号大尺度衰减和小尺度衰落。此外，考虑太阳风等离子体吸收和卫星摄动变化，光信号会进一步遭受能量衰减、瞄准误差和到达角起伏的影响。
[0009](2)启用双跳自由空间光中继链路进行信号传输；双跳FSO中继链路包含地球同步卫星到中继卫星链路、中继卫星到深空探测器链路。地球同步卫星向中继卫星发送经过MPSK调制的光信号，中继卫星基于放大转发协议将接收的光信号进行处理并转发至深空探测器，深空探测器对接收到的光信号进行解调获取信息。优选的传输方案同时考虑太阳风等离子体吸收、太阳风湍流、指向误差和到达角波动等四种影响因素。太阳风等离子体吸收和太阳风湍流用于表征光信号在太阳风等离子体中传输时所遭受的吸收和闪烁影响，分别采用Beer
‑
Lambert定律和M
á
laga分布模型进行刻画。传输方案使用零瞄准误差和瑞利分布模型刻画卫星摄动和轨迹变化所带来的瞄准误差和到达角起伏的影响。
[0010](3)双跳自由空间光中继链路信道估计；对所建立的深空协作中继传输方案的双跳FSO中继链路进行信道估计，得到该链路的信道状态信息(瞬时信噪比)，并将双跳FSO中继链路的信道状态信息反馈至地球同步卫星，为地球同步卫星的后续信号发送提供决策依据。
[0011](4)传输策略选择；基于信道估计结果，为系统选择最佳的传输策略。当双跳FSO中继链路的瞬时信噪比大于等于系统预置切换信噪比时，地球同步卫星仅启用双跳FSO中继链路进行通信；当双跳FSO中继链路的瞬时信噪比小于系统预置切换信噪比时，系统在继续使用双跳FSO中继链路的同时，启用RF直传链路，即地球同步卫星同时发送具有相同信息的光信号和射频信号。优选的，对于所述RF直传链路，传输模型采用α
‑
η
‑
κ
‑
μ分布模型刻画太阳风湍流对射频信号闪烁的影响。在深空探测器使用最大比合并技术对同时接收到的光信号和射频信号进行合并处理。深空探测器将接收到的光信号和射频信号进行相位调整与同步均衡，然后对两个信号分别进行放大，增益为自身衰落系数，再对两个信号进行同项相加，最后解调获得基带信号。输出瞬时信噪比为FSO中继链路的瞬时信噪比与RF链路的瞬时信噪比之和。
[0012](5)基于最佳传输策略，获取系统关键性能指标。
[0013]本专利技术还公开了一种基于自适应选择的深空协作中继传输系统，用于执行上述方法，其包括如下模块：
[0014]传输模型建立模块：建立深空协作中继传输模型，所述的传输模型具有两条能启用的通信链路，分别是：1)双跳自由空间光中继链路：地球同步卫星基于光通信技术将信号传输到深空中继卫星，深空中继卫星再将光信号经过信号处理后传输至深空探测器；2)射
频直传链路：地球同步卫星以广播的模式将射频信号直接传输到深空探测器；
[0015]信号传输模块：启用双跳自由空间光中继链路进行信号传输；
[0016]信道估计模块：双跳自由空间光中继链路信道估计；
[0017]传输策略选择模块：当双跳自由空间光中继链路的瞬时信噪比大于等于预置切换信噪比时，地球同步卫星仅使用自由空间光中继链路进行通信；当双跳自由空间光中继链路的瞬时信噪比小于预置切换信噪比时，在使用双跳自由空间光中继链路的同时，进一步启用射频直传链路，即地球本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应选择的深空协作中继传输方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)建立深空协作中继传输模型，所述的传输模型具有两条能启用的通信链路，分别是：1)双跳自由空间光中继链路：地球同步卫星基于光通信技术将信号传输到深空中继卫星，深空中继卫星再将光信号经过信号处理后传输至深空探测器；2)射频直传链路：地球同步卫星以广播的模式将射频信号直接传输到深空探测器；(2)启用双跳自由空间光中继链路进行信号传输；(3)双跳自由空间光中继链路信道估计；(4)传输策略选择；当双跳自由空间光中继链路的瞬时信噪比大于等于预置切换信噪比时，地球同步卫星仅使用自由空间光中继链路进行通信；当双跳自由空间光中继链路的瞬时信噪比小于预置切换信噪比时，在使用双跳自由空间光中继链路的同时，进一步启用射频直传链路，即地球同步卫星同时发送具有相同信息的光信号和射频信号；(5)基于最佳传输策略，获取关键性能指标。2.如权利要求1所述一种基于自适应选择的深空协作中继传输方法，其特征在于，在步骤(2)中，分别采用Beer
‑
Lambert定律、M
á
laga分布模型、零瞄准误差和瑞利分布模型刻画受外界对光信号传输所带来太阳风等离子体吸收、太阳风湍流、指向误差和到达角波动的影响。3.如权利要求2所述一种基于自适应选择的深空协作中继传输方法，其特征在于，步骤(2)中，第i跳FSO中继链路所接收到的信号分别表示为：y1＝Rh1x1+n1，y2＝GRh2y1+n2，其中，i＝1，2；R表示光电探测器的响应率，h
i
代表第i跳FSO信道的衰减系数，x1为第一跳FSO链路中平均光功率值为P
t
光信号，n
i
是第i跳背景噪声，G表示中继端对信号施加的增益值；背景噪声是FSO链路的主要噪声，其均值为零且方差其中e为基元电荷，B
e
代表FSO信号的带宽，P
b
代表背景光功率；P
b
＝N
b
B
o
Ω
FOV
A
r
，N
b
是波长的辐射光谱，B
o
为接收机滤波带宽；Ω
FOV
＝2π(1
‑
cos(θ
FOV
))是接收机处的视场，A
r
代表接收机透镜面积，θ
FOV
代表接收机处的视场角；考虑光信号的外差检测和强度调制直接检测，第i跳FSO链路的瞬时信噪比表示为其中，τ＝1和τ＝2表示系统分别采用外差检测和强度调制直接检测；第i跳FSO链路的衰减系数写为第i跳FSO链路的衰减系数写为表示第i跳链路的太阳风等离子体吸收衰减系数，表示第i跳链路的太阳风湍流衰减系数，表示第i跳链路的指向误差衰减系数，表示第i跳链路的到达角波动衰减系数；因此，关于h
i
的概率密度函数PDF表示为其中，其中，其中，是Meijer
‑
G函数，A
i
和是常量，φ
i
和分别表示第i跳链路光散射过程中的大尺度和小尺度涡旋，ζ表示离轴涡流获得的散射部分的功率，χ为来自相干贡献的功率，w
zi
表示第i跳链路的光束宽度，σ
ri
表示第i跳链路中接收机处光束中心与探测器中心距离的标准差，σ
0i
表示第i跳链路接收机处光入射角度与孔径法线偏差角的标准
差，r
ai
表示第i跳链路接收机孔径半径；利用积分公式，h
i
的累积概率分布函数CDF表示为考虑第i跳FSO链路关于瞬时信噪比的CDF改写为：其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐冠军，宋朝晖，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：