[发明专利]一种星地激光通信网络最大化网络连通率的实现方法

说明书

一种星地激光通信网络中最大化网络连通率的实现方法。最大化网络连通率目标问题建模，假设系统总共有N个地面站，选择其中的K个地面站与系统中的卫星进行通信；通过一个连续约束0≤x_i≤1来对原二进制约束进行松弛；问题是一个非光滑整数规划问题，先使用光滑函数来逼近原非光滑函数，接着对二进制约束进行松弛，最后，对于转化后的问题提供一种基于梯度投影的求解方法，并进一步提出一种高效算法来获取可行的二进制解，实现最大化星地激光通信网络的连通率的地面站选择方案。

技术领域

本发明属于卫星通信领域，涉及一种地面站调度技术，提供了星地激光通信网络中一种最大化网络连通率的实现方法。

背景技术

现代卫星通信对传输速率要求的不断增长是卫星系统设计中面临的一个非常具有挑战性的任务。激光通信具有更大的带宽，可实现大容量高速率的通信需求，能显著提高卫星网络的数据速率。此外，以激光为载体，光束可以被压缩在很小范围内，对光束进行拦截或是干扰是很困难的，使其通信安全性比传统微波通信更高。激光束较小的发射孔径使天线的尺度大大减小，可满足卫星载荷重量轻、体积小的需求。随着捕获、瞄准、跟踪(Acquisition，Tracking and Pointing，ATP)技术的不断发展，星地激光通信受到全球各国的重视，目前对星地激光通信的研究已成为一个热门领域。星地激光卫星通信的主要缺点是星地激光通信链路对云层阻塞非常敏感。由于大气云层的存在，激光链路会发生中断，从而严重影响系统性能。站址分集通过增加与多个地面站间的光链路数量，可提高系统可靠性和网络连通率，即系统中至少有一个地面站连接到卫星的概率。因此，在星地激光通信网络中，考虑如何有效的选择地面站，既不使系统有过大的计算开销，又能最大限度地提高星地激光网络的连通率是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的是，在星地激光通信网络中提供一种最大化网络连通率的实现方法，该方法能够在降低计算复杂度的情况下获得接近最优穷举搜索算法性能，提高星地激光通信网络中的网络连通率。

本发明的技术方案是：一种星地激光通信网络最大化网络连通率的实现方法，首先，构建最大化星地激光通信网络的连通率的目标问题。该问题是一个非光滑整数规划问题，先使用光滑函数来逼近原非光滑函数，接着对二进制约束进行松弛，最后，对于转化后的问题提供一种基于梯度投影的求解方法，并进一步提出一种高效算法来获取可行的二进制解，实现最大化星地激光通信网络的连通率的地面站选择方案。

具体以如下4个按序进行的步骤：

1)最大化网络连通率目标问题建模

假设系统总共有N个地面站，选择其中的K个地面站与系统中的卫星进行通信。云层数据C由一个N×N_samples的数据矩阵来表示，N_samples表示地面站在时间维度上的采样数据点个数。如果第i个地面站与卫星之间的链路在某取样的时刻j存在云层遮挡，则C的第i行第j列元素，即取样值c_i,j为1，否则c_i,j为0。通常情况下，系统网络连通率可表达式为

其中，M表示可用性要求，H(·)表示离散阶跃函数。集合S由所选K个地面站的序号组成。

为每个地面站定义一个二进制变量x_i，如果选择第i个地面站，那么x_i等于1，否则x_i等于0。根据这个定义，用来代替式(1)中的然后，我们将最大化星地激光通信网络的连通率地面站选择问题表述为：

其中，第一个等式约束表示集合S的大小是K。

2)目标问题表达式(2)转化