一种具备切换感知能力的电力终端星地融合传输增强方法与流程

本发明涉及卫星通信，具体涉及一种具备切换感知能力的电力终端星地融合传输增强方法。

背景技术：

1、电力通信系统作为支撑电网智能化升级、服务企业数字化转型的重要基石，其通信网络的构建模式、通信通道的组织方式也面临全新挑战和创新动力。随着电网服务区域愈加辽阔、终端设备规模不断扩大、超视距工作数量激增，对电力通信系统提出了三方面的迫切需求，即广域宽带覆盖、大规模终端接入与应急通信需求。为此，建设“骨干+接入、有线+无线、地面+空中+天基”的一体化电力通信网络，特别是发挥天基卫星网络的独特优势，是颇具潜力的解决方案。

2、相比于传统的高轨高通量卫星和地面网络(光纤、光缆+铁塔、基站)，低轨卫星互联网具有显著的广覆盖、低延时、宽带化、低成本等优势。例如，面向电网生产运行业务场景，低轨卫星网络结合电力专网实现无公网区域输电线路监测通信，提供大带宽、海量物联和专网应用服务，满足地质灾害监测、杆塔倾斜监测、风偏舞动监测的物联网传感器、气象监测模块、巡检无人机等不同终端设备的宽/窄带卫星通信需求。因此，低轨卫星在电力通信业务的应用前景势必进一步扩展。

3、然而，低轨卫星强移动性会导致终端的频繁切换问题，这对通信服务质量带来负面影响。具体而言，在终端的通信链路在相邻卫星之间发生切换时，由于卫星通信系统的长传输时延，数据分组很容易丢失或引起重传，这极大浪费了星上受限的资源，同时难以确保终端服务的连续性。在现有的卫星通信物理层研究中，切换问题较少被考虑，也鲜有文献讨论如何从星载阵列波束成形设计的角度保证发生切换之前及时地向终端传输数据分组。此外，针对星载资源受限的挑战，有必要采用星地融合传输的方式，利用地基网络弥补卫星网络的服务空缺。

4、对此，本发明提出一种具备切换感知能力的电力终端星地融合传输增强方法。针对待切换的电力终端，卫星主动减小块长度并采用短包通信方式，保证在剩余可视时间内数据分组的及时传输，从而为电力终端提供不间断的通信服务。此后，本发明通过构造替代函数，有效近似了待切换终端在有限块长度域的通信速率，并将低轨卫星波束成形设计问题有效转化为标准的半正定松弛问题，可以采用成熟的方法直接求解。

技术实现思路

1、本发明公开了一种具备切换感知能力的电力终端星地融合传输增强方法，面向典型电力通信业务场景，针对低轨卫星强移动性导致的电力终端切换频繁问题，提出具备切换感知能力的星载大规模阵列波束成形与地基网络协同传输设计方法，所述方法的步骤如下：

2、步骤1、建立包含一般终端与待切换终端的低轨卫星地面融合通信系统模型，在计及多普勒频移、传输时延及阵列响应矢量的基础上对星地链路的信道进行建模，并根据电力终端接收信号表达式得到一般终端及待切换终端的通信速率函数；

3、步骤2、以卫星发射功率最小化为目标，基于电力终端信干噪比的鲁棒约束以及待切换终端的剩余可视时间传输约束，联合优化卫星波束成形与地基网络传输；

4、步骤3、基于s-procedure方法将信干噪比鲁棒约束转化为凸约束，构造替代函数近似待切换终端的通信速率函数，并将剩余可视时间传输约束等值为凸约束；

5、步骤4、根据步骤2中发射功率最小化的目标函数与经过步骤3转化后的约束条件，采用半正定松弛方法求解波束赋形优化问题，进而通过高斯随机法获得卫星波束成形向量。

6、本发明引入剩余可视时间传输约束实现了具备切换感知能力的低轨卫星波束成形设计，确保待切换终端服务的不间断性，同时问题的求解过程仅采用估计信道状态信息，极大提升了所提方法在实际卫星通信系统的适用性。具体过程如下：

7、本发明提出的低轨卫星地面融合通信系统模型包含多个低轨卫星以及m个广泛部署的电力终端，并考虑电力业务数据下行传输的场景。其中，卫星配备大规模天线阵列，发射嵌入业务数据信息的波束与地面电力终端通信。该星载均匀平面阵列平行于地面，天线数量为n＝nx×ny，其中nx和ny分别为x轴和y轴方向的天线数量。此外，由于低轨卫星的移动性，终端可以进一步划分为一般终端与待切换终端。具体而言，待切换终端指位于低轨卫星覆盖范围边缘的终端，其将要中断与当前卫星的连接，并与下一卫星建立连接，即发生切换。为确保通信服务的不间断性，当前卫星需要在剩余的可视时间内完成与待切换终端的数据传输。定义为电力终端的集合，其中代表一般终端，代表待切换终端，同时假设每个电力终端配备了各向同性的单个天线。

8、此后，对卫星与终端之间的星地链路进行建模。总体而言，低轨卫星与终端m信道的时频响应可以表达为

9、

10、其中，l代表多径链路的索引，lm指卫星与终端m之间的传输路径总数，hm，l为复增益，υm，l为多普勒频移，τm，l为传输时延，um，l为星载天线阵列的响应矢量。下面对信道参数进行详细描述。

11、1)多普勒频移：由于低轨卫星与地面终端相对速度较大，星地链路信道的多普勒频移通常远大于地面无线信道。多普勒频移υm，l主要包含由卫星及终端引起的两部分，即其中指卫星移动引起的频移对于相同终端m的不同传输路径是相同的，且其中fc、vm、c和φm分别为载频、卫星速度、光速和视轴；对于移动类业务终端，如巡检机器人、巡航直升机，可采用与地面网络相同的方法建模，固定终端的

12、2)传输时延：星地链路的长通信距离会引起较大的传输时延。τm，l计算为

13、τm，l＝-rτtdsln(xl)

14、其中，rτ、tds和xl分别为时延分布概率因子、时延扩展和复高斯随机变量。由于τm，l会导致较大的信息反馈时延，在卫星发射端获得实时的信道状态信息是不现实的，实际卫星通信系统的发射波束设计通常采用估计信道状态信息，即非理想信道状态信息。

15、3)阵列响应矢量：定义电力终端m相对卫星的方位角与升降角分别为和θm，由于地面散射物体与终端的距离远小于星地链路长度，各传输路径在信道模型中对应的角度都可近似为和θm，因此有阵列响应矢量可表达为

16、

17、其中，为张量积，并且假设天线间距为半波长。

18、根据上述信道参数，下面基于星地链路的统计特性进行信道建模。由于星地链路通常存在视距传输成分，可采用莱斯模型将统计信道建模为

19、

20、其中，对应视距成分，非视距成分中的每个元素服从均值为0方差为1的复高斯分布，即瑞利分布，κm代表莱斯因子，为平均信道增益，可以计算为

21、

22、其中，gsat和gter分别为卫星与电力终端的天线增益，d0为卫星轨道高度。

23、定义卫星向电力终端传输的信号为s＝[s1，...，sm]t，满足同时卫星采用波束成形向量{w1，...，wm}对信号进行预编码，则卫星的发射信号为因此，电力终端m的接收信号写作

24、

25、其中，为高斯白噪声，为噪声功率。可见接收信号表达为终端有用信号、波束间干扰和噪声的叠加，本发明拟通过合理的波束成形设计提升有用信号的接收强度，同时抑制波束间干扰。

26、对于一般终端计算其频谱效率(bps/hz)为

27、

28、其中，γm为终端m的信干噪比，计算为

29、

30、对于即将中断与当前卫星链路的待切换终端，需要减小其块长度并采用短包通信方式。因此，待切换终端的频谱效率需要在有限块长度域进行计算，写作

31、

32、其中，b为数据分组的块长度，∈m为解码错误率阈值，v(γm)代表信道弥散，表达为

33、

34、此后，定义b为系统带宽，则电力终端的通信速率可以计算为rm＝b·sem。

35、考虑到实际卫星通信系统的传输时延，实时的信道状态信息一般无法获得。为此，本发明拟采用估计的非理想csi设计波束赋形。具体而言，描述一个以最小化卫星发射功率为目标的星载大规模阵列波束赋形优化问题，考虑电力终端信干噪比的鲁棒约束以及待切换终端的剩余可视时间传输约束，该问题描述如下：

36、

37、s.t.c1:

38、c2:

39、c3:

40、其中，γth为电力终端的信干噪比阈值，ρ为可容忍的中断概率，c1指任一电力终端的可靠传输概率应高于1-ρ，即信噪比鲁棒约束；d为传输数据量，δm为终端m的剩余可视时间，c2表示任一待切换终端的数据传输时延应低于当前卫星的剩余可视时间，即剩余可视时间传输约束；c3表示卫星发射功率约束，在具体求解过程中可以暂时忽略c3导出最优波束成形矢量，如果该结果不满足c3，则令‖wm‖2较大且处于地面网络覆盖范围的终端切换至地基网络并由地面基站提供服务，即可获得星地协同传输设计结果。

41、该问题求解可以划分为以下几步：

42、1)采用半正定松弛的思想，变换待优化波束赋形矢量的形式，并重新描述优化问题。定义秩1矩阵并且wm≥0，进而将上述问题重新描述为

43、

44、s.t.c1:

45、c2:

46、c3:

47、c4:

48、其中，c3和c4分别表示矩阵wm为半正定且秩为1。

49、2)基于s-procedure方法将电力终端信干噪比鲁棒约束c1转化为矩阵正定的确定性约束。具体而言，考虑理想信道状态信息与估计信道状态信息的关系其中为非理想信道状态，em表示信道状态信息的估计误差，假设为循环对称复高斯分布，满足其中cm为协方差矩阵。此外，假设hm位于以为球心，以ζm为半径的球形域，表达为

50、

51、根据s-procedure方法，约束c1可以转化为

52、

53、其中，ωm为增加的优化变量。

54、此后，本发明给出球形域半径ζm的确定方法。当上述转化后的约束被满足时，可以推导出

55、

56、因此应确保以满足约束c1。由于服从以2n为自由度的卡方分布，即则可得到

57、

58、其中指卡方分布的累积分布函数。因此，根据累积分布函数查找函数值为1-ρ对应的自变量，则可得出ζm的取值。

59、3)构造替代函数近似待切换终端的通信速率函数，并将剩余可视时间传输约束c2等值为凸约束。具体而言，定义则有同样采用估计信道状态信息来计算信干噪比，则有

60、

61、其中，是对矩阵hm的估计。

62、进而将代入到通信速率表达式近似并将约束c2转化为

63、

64、下面，本发明拟从高信干噪比情况出发对上述约束进行等值，再推广到取任何值的情况。

65、当时，可得进而推导出

66、

67、上式可等值为

68、

69、其中

70、

71、上述等值约束的左边项是相对wj的线性函数，因此该约束为凸约束。

72、接下来，推广至取任何值的情况，受到前述特殊情况的启发，转化约束的核心思想是在固定点构造替代函数近似为保证等值后约束的凸性，替代函数的形式为并且有

73、

74、其中上式表示替代函数与原函数在点的函数值与一阶导数值相等，从而计算出替代函数的参数p和q如下：

75、

76、

77、此后，将替代函数代入到转化后的约束c2可得

78、

79、上式可以进一步等值为

80、

81、其中

82、

83、可见该等值约束的左边项是相对wj的线性函数，该约束为凸约束。

84、通过上述流程，本发明在任一固定点将剩余可视时间传输约束c2等值为凸约束，之后将更新为求解出的进而通过迭代来不断逼近真实的信干噪比。更具体的，在每次迭代中，需要求解的问题如下：

85、

86、s.t.c1:

87、c2:

88、c3:

89、c4:

90、基于半正定松弛的思想忽略秩1约束c4，上述问题转化为标准的凸优化问题，可以直接采用内点法求解。此后，为了从矩阵wm中重构出波束成形矢量wm，本发明采用高斯随机化方法，随机生成p组随机向量并从中筛选满足约束c1和c2的可行解。最后，选取使得目标函数的卫星发射功率最小的向量为最优的随机向量，从而重构波束成形矢量

91、4)迭代求解步骤3)中的凸优化问题，获得原始波束成形设计问题的近似最优解。通过步骤3)已经得出对于固定的波束成形矢量wm，将wm代入信干噪比的表达式即可计算出本轮迭代的信干噪比，同时更新如下：

92、

93、进而根据更新并重新求解步骤3)中的凸优化问题。上述流程不断重复，直至相邻两次迭代中信干噪比的变化小于预设的阈值，迭代收敛，最终获得近似最优的卫星波束成形矢量wm。

94、本发明有益的技术效果：首先，本发明针对待切换电力终端引入了剩余可视时间传输约束，考虑短包通信方式并在有限块长度域评估待切换终端的通信速率，有效确保星载阵列波束赋形结果满足待切换终端的不间断服务需求，从而实现切换感知。其次，本发明结合卫星通信系统的实际情况，利用非理想信道状态信息设计卫星波束赋形，同时引入电力终端信干噪比的鲁棒约束来增强波束赋形结果的鲁棒性，从而增强了所提技术方法在实际系统的适用性。最后，本发明采用s-procedure方法、替代函数构造以及凸近似技术将棘手的信干噪比鲁棒约束与剩余可视时间传输约束等值为凸约束，进而通过标准的半正定松弛与凸优化方法求解，因此所提技术方法具有较强的可实施性。