[发明专利]一种适用于低轨卫星网络的能量受限终端随机接入方法

说明书

本发明公开一种适用于低轨卫星网络的能量受限终端随机接入方法，该方法包括以下步骤：S1：初始化低轨卫星网络的场景参数及算法参数；S2：随机给定初始策略和能量价值函数；S3：求取拉格朗日系数并更新能量价值函数；S4：更新终端在不同能量下以不同能量发送的能量‑动作价值函数并计算能量‑动作概率；S5：计算评估参数，并更新拉格朗日系数的上下限，最终返回最优阈值；S6：每个时隙各终端判断各个数据包的效用观测值与最优阈值的关系，并据此选择不同的能量进行发送或选择不发送该数据包。本发明实现了低轨卫星网络的终端高效能、高长期平均效用值、低丢包率通信，其实现方法简单，手段灵活。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种适用于低轨卫星网络的能量受限终端随机接入方法。

背景技术

近年来随着低轨卫星网络的迅速发展，低轨卫星物联网需求得到迅猛增长。据2017年美国北方天空研究公司预测，低轨卫星物联网服务的市场规模将从2020年的不到2000万美元增长至2027年的1.3亿美元，平均年增长率接近70％。届时，通过低轨卫星物联网获取应用的终端数量将突破370万，在全部卫星物联网终端数量中的占比将达到三成以上。这些低轨卫星物联网终端普遍配备能量捕获设备，使其可以通过从周围环境中收集太阳能、风能等各种能量来为自身提供持续的能量，实现长时间自主的数据采集和传输。由于能量捕获具有随机性和间断性，这对终端的数据发送提出了新的挑战。此外，在低轨卫星物联网系统中，由于卫星数目庞大密集，同一区域内的物联网终端可以被多颗卫星共同覆盖；而配备相控阵天线的物联网终端可以通过波束赋形等技术形成多个波束同时接入多颗卫星。

对于这种物联网终端系统来说，高效的基于能量的终端接入方法是实现卫星系统高吞吐量通信的关键，然而目前的研究者们针对低轨卫星物联网应用提出的终端接入方法并没有考虑终端能量消耗问题，仅考虑了系统丢包率和吞吐量方面的性能；考虑了终端能量动态变化的终端接入方法仅仅针对于传统的地面物联网场景，不能直接应用于低轨卫星物联网场景中，因为它们面向的是传统的单基站、网络固定的场景。所以需要根据低轨卫星物联网场景中多颗卫星共同覆盖一个区域、卫星覆盖区域终端数目动态变化、配备了相控阵天线的物联网终端可以生成多个波束同时与多颗卫星进行通信等新的特点，设计更适合的终端接入方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种适用于低轨卫星网络的能量受限终端随机接入方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种适用于低轨卫星网络的能量受限终端随机接入方法，每个终端配备多波束相控阵天线，可同时向所有低轨卫星发送数据包，且终端具有能量捕获能力；每个时隙各终端采集到的数据包的数目和低轨卫星数目相同，各数据包具有效用值且各数据包的效用值独立同分布；各终端仅知道自己此刻的能量和数据包的效用值的带有干扰的观测值，不知道其它终端的能量和数据包效用值；所有终端、所有数据包的接入方法均相同；各卫星与各终端之间的信道为带有衰落的冲突信道，即只有当某数据包的信噪比大于信噪比阈值且同时没有其它数据包到达同一卫星时该数据包才会被正确接收；

该方法包括如下步骤：

S1：初始化低轨卫星网络的场景参数，包括低轨卫星数目N、低轨卫星覆盖范围内的终端数目U、终端的平均能量捕获效率B、终端的电池容量e_max、平均信噪比增益K′、信噪比阈值γ；初始化二分算法精度∈_BM、策略迭代算法精度∈_PIA以及拉格朗日系数λ的上限下限λ_L＝0；

S2：随机给定初始策略η₀和初始能量价值函数v₀，其中η₀需满足下式条件：且其中表示对其进行向下取整。其中η₀(e，t)表示在终端能量为e的条件下，数据包以能量t发送的概率；t＝0即为不发送。