[发明专利]一种空天地一体化空间信息网络优化传输方法

说明书

本发明涉及空间信息网络技术领域，具体是涉及一种天空地一体化卫星/HAP/地面网络能效优化组网传输方案，主要针对应急通信需求，给出了ISHT(Integrated Satellite/HAP/Terrestrial)网络架构的组成和系统模型。用户设备(User Equipment,UE)接收处理卫星和高空平台(High Altitude Platform,HAP)的链路状态广播(Link‑State Advertisement,LSA)信息，计算最优的发送功率，从而大幅度降低用户和HAP的能耗。在平坦慢衰落Rician信道中，本发明使用最快梯度法和差分方程法推导了用户和HAP最优发送功率。

技术领域

本发明涉及空间信息网络技术领域，具体涉及一种空天地一体化空间信息网络优化传输方法。

背景技术

作为信息网络基础设施，空间信息网络的空间段、临近空间段和地面段应该是一个统一的有机融合的一体化网络。由卫星、HAP、UE(用户终端)组成的一体化卫星/HAP/地面(ISHT)网络优化组网问题越来越受到人们的关注。

应急通信等非常态通信被认为是空间信息网络的重要应用场景之一。应急通信系统通过各种类型的终端和传感器设备为灾民和救援队员提供信息传递服务。在灾难救援过程中，应急通信网络的信息交换能力可以为救援队提供有力的情报 (如语音、视频、图片和各种环境监测数据等)支援，提高救援队之间的协作效率和快速响应能力；还可以使灾民能够进行有效的呼救，提高救援精准度，降低灾害引起的生命财产损失。在地震、洪涝等自然灾害或战争等人为灾害发生时，地面通信基础设施遭到损毁而不能工作，在这样的极端环境下一体化卫星/HAP 网络架构被认为最具有应用前景，但却远没有充分开放利用。与地面无线移动通信网络相比，空间信息网络能够不依赖于地面基础设施，即使地面网络遭到损毁，卫星和HAP依然可以为灾区民众、救援队员以及信息采集传感器设备提供无线通信和数据传输服务。HAP可以实现大规模的用户接入，灵活的网络扩展，低时延的通信；卫星则通过回程链路把信息传递给核心网络和救援指挥机构，因此空间信息网络是在大规模自然和人为灾害进行应急救援、灾后重建过程中，建立应急通信系统的最佳方式。

对于应急通信应用，执行任务时间为几天或数周，一般倾向于选择更轻便灵活、响应速度快的小型UAV，这样的平台具有非常有限的太阳能收集和存储能力。因此，相比于卫星平台，在很多时候HAP不仅是功率受限系统而且是能量受限系统。进一步，由于灾区的地面电力基础设施受到损毁，电能的匮乏也是制约地面终端工作的重要因素。在HAP和用户终端都受能量约束情况下，如何进行有效的网络运行，深入的网络优化，提高能量的使用效率就成为应急通信的重要研究课题，因此本章着眼研究应急场景下一体化卫星/HAP/地面网络能效优化组网传输问题。

发明内容

为了实现以上目的，本发明提供了ISHT网络架构的组成和系统模型，考虑了HAP与卫星融合的异构网络情况下，衰落信道条件的能效传输问题，提出了最佳信息传输策略，有效解决了复杂网络环境下网络优化与传输问题，具体的技术方案如下：

1系统模型

本节建立了应急通信中ISHT网络模型，当灾难发生时可通过图1的网络结构搭建应急通信系统。如图1所示系统主要包含三个部分，即空间段、临近空间段和地面段。因此ISHT网络是一个典型的分层系统，接下来分别对这三层进行详细描述。

1.1空间段

空间段主要由一颗在GEO轨道的通信卫星组成，该GEO卫星可以是空间信息网络中执行平常任务的卫星，也可以是其它系统的通信卫星，例如商业卫星通信系统或者海事卫星通信系统的卫星。在灾害发生时，临时调用/租用该卫星而不用专门为应急通信研发和发射专用的卫星，这样不仅可以提高应急通信系统的响应速度，还可以降低应急通信系统的建设、维护和使用成本。如1所示，在应急通信中空间段发挥的主要作用包括以下四个方面：

1)把数据回传到地面核心网络，即：回程链路，一般工作在Ka/Ku频段或为激光链路；