一种面向海事通信的空天地海一体化传输方法

本发明属于海事无线通信领域，尤其涉及一种面向海事通信的空天地海一体化传输方法。

背景技术：

1、海洋覆盖了地球表面超过70％的面积，与生态平衡、经济发展、国防建设紧密相关。近年来，人类的海上活动日益频繁，对海事通信的需求量不断提高；同时海洋第三产业迅速兴起，对多样化海事通信业务提出了新的需求。然而，现有的海事通信系统架构难以克服恶劣的海上环境因素和稀疏的用户分布问题，提供可靠、高速的海上通信服务仍旧是一项挑战。因此，建立新一代的海事通信网络架构愈发重要。

2、针对上述问题，相关研究工作采用了多种海事无线通信技术。例如岸基基站通信技术成熟，但服务范围局限于近海。海事卫星覆盖范围广，在远海通信中发挥着重要的作用，但相关费用高昂且存在显著的通信延迟。无人机和无人船可以利用其高机动性、易部署性，充当无线网络中的移动中继器，但无人机受限于海风和负载，而无人船的通信性能随海浪起伏存在不小的波动。

3、总而言之，各种通信方式都有各自的优势，但劣势也很明显，单凭一种方式难以真正建立起高速、低成本、可靠和广覆盖的海事通信系统。因此需要对已有的海事通信系统进行有效的系统融合，基于太空域、空域、陆域和海域4种通信方式，构建跨域协同的海事通信系统。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服海事通信存在的挑战、构建一体化的海事通信网络，并提供一种面向海事通信的空天地海一体化传输方法。

2、为了实现上述发明目的，本发明具体采用如下技术方案：

3、一种面向海事通信的空天地海一体化传输方法，包括以下步骤：

4、s1.构建一个面向海事通信的空天地海一体化系统，所述空天地海一体化系统包含岸基基站、无人船、无人机和卫星，由岸基基站、无人船、无人机和卫星间的协作为大范围海域的海事用户提供服务；

5、s2.海事用户向控制中心发送通信请求，控制中心接收通信请求后获取当前时隙内的用户位置信息和信道信息，并根据一种空天地海一体化通信链路分配方法为发送通信请求的海事用户分配相应的通信装置和通信资源；

6、s3.基于用户位置信息和信道信息，利用一种波束成形和运行轨迹联合优化方法，计算当前时隙下系统的最优发射波束和无人船、无人机的轨迹坐标；

7、s4.基于所得到的最优发射波束和轨迹坐标，地面基站、无人船、无人机和卫星相应地调整发射波束和位置坐标，对发送数据进行波束成形后，在下行链路上广播发送数据；

8、s5.海事用户接收到发送数据后进行解码，获得所发送的信息；

9、s6.在下一时隙开始后，重新获取用户位置信息和信道信息，重复执行步骤s3～s5，完成n段时隙的通信服务，实现空天地海一体化系统在整个服务时间内的信息传输。

10、在上述方案基础上，各步骤可以采用如下优选的具体方式实现。

11、作为优选，步骤s2中，一种空天地海一体化通信链路分配方法具体为：空天地海一体化系统按照离岸距离由近到远将服务海域划分为沿海、近海、中海和远海，控制中心根据用户所处的海域分配不同的通信链路；其中，岸基基站为处于沿海的用户直接提供通信服务；卫星为处于远海的用户直接提供通信服务；无人船和无人机从起始点出发，沿设计的轨迹移动，无人船接收来自地面基站发射的信号并分别转发给处于近海的用户，无人机接收来自地面基站发射的信号并转发给处于中海的用户。

12、作为优选，步骤s3中，一种波束成形和运行轨迹联合优化方法具体为：

13、s31.基于岸基基站、无人船、无人机和卫星的位置坐标，利用下行信道估计的方法获取当前时隙内系统各通信链路的信道状态信息hb,i、hb,v、hb,a、hv,i、ha,i、hs,i；其中，hb,i、hb,v、hb,a分别表示基站到用户、无人船、无人机的信道状态信息，hv,i、ha,i、hs,i分别表示无人船、无人机、卫星到用户的信道状态信息；

14、s32.初始化迭代次数l＝0和时隙序号n，分别设置发射波束初始值以及轨迹坐标初始值：

15、

16、其中，wbj、wbv、wba分别表示基站到用户、无人船、无人机的发射波束；wvj、waj、wsj分别表示无人船、无人机、卫星的发射波束；其中上标(0)表示第0轮迭代；分别表示第0轮迭代时给定的基站到用户、无人船、无人机的发射波束初始值；分别表示第0轮迭代时给定的无人船、无人机、卫星的发射波束初始值；分别表示第0轮迭代时给定的无人船、无人机的轨迹坐标初始值；qv[n-1]、qa[n-1]分别表示n-1时隙内无人船、无人机的轨迹坐标；pb、pv、pa、ps分别表示基站、无人船、无人机、卫星的天线最大输出功率；nb、nv、na、ns分别表示基站、无人船、无人机、卫星的天线数；mb、mv、ma、ms分别表示基站、无人船、无人机、卫星服务的用户数；分别表示长度为nb、nv、na、ns的全1行向量的转置，t表示转置；

17、s33.在第l轮迭代中，引入如下中间变量：

18、

19、

20、其中，tba和tbv分别表示无人机、无人船信号接收速率的中间变量t，tbi、tvi、tai、tsi分别表示基站用户、无人船用户、无人机用户、卫星用户信号接收速率的中间变量t，分别表示基站、无人船、无人机、卫星的用户集合，bj、vj、aj、sj分别表示第j个基站用户、无人船用户、无人机用户和卫星用户，bi、vi、ai、si分别表示第i个基站用户、无人船用户、无人机用户和卫星用户，均表示取决于发射波束和信道状态信息的中间变量，用作优化问题的松弛变量；σ表示累加；

21、以最大化最低用户信号接收速率为优化目标，式中，表示定义为，rbi、rvi、rai、rsi分别表示基站用户bi、无人船用户vi、无人机用户ai、卫星用户si的信号接收速率，表示任意符号，基于第l轮迭代的给定发射波束集合和第l轮迭代的给定轨迹坐标集合通过优化发射波束，建立波束成形优化问题：

22、

23、其中，优化问题内表示符号i可以替换为任意bi、vi、ai、si；上标(l)表示第l轮迭代；rai和rvi分别表示rai和rvi对应的松弛变量；分别表示基站到用户、无人船、无人机链路的加性高斯噪声的方差；分别表示无人船、无人机和卫星到用户链路的加性高斯噪声的方差；分别表示任意的基站用户、无人船用户、无人机用户、卫星用户；hb,bi、hb,a、hb,v分别表示基站到基站用户bi、无人机、无人船的信道状态信息，hv,bi、hv,vi、hv,ai、hv,si分别表示无人船到基站用户、无人船用户、无人机用户、卫星用户的信道状态信息，以上四类可被总结为hv,i；，ha,bi、ha,vi、ha,ai、ha,si分别表示无人机到基站用户、无人船用户、无人机用户、卫星用户的信道状态信息，以上四类可被总结为ha,i，hs,bi、hs,vi、hs,ai、hs,si分别表示卫星到基站用户bi、无人船用户、无人机用户、卫星用户的信道状态信息，以上四类可被整理为hs,i；

24、将第l轮迭代的函数表达式记为：

25、

26、其中，h和w分别表示信道状态信息参数和发射波束参数，hh、w(l)和w(l)h分别表示相应的信道状态信息共轭转置、第l轮迭代给定的发射波束及其共轭转置；re{·}表示取复数的实部；

27、将信号接收速率表达式分量上界表达式记为：

28、

29、其中，z∈{bi,ba,bv,ai,vi,si}表示下标z可以替换为下标bi,ba,bv,ai,vi,si之一；e表示自然常数；表示下标z所对应的加性高斯噪声方差；表示将下标z所对应的中间变量tz表达式中的发射波束{wbi、wbv、wba、wvi、wai、wsi}对应替换为中的给定发射波束；

30、使用内点法求解波束成形优化问题，得到第l轮迭代优化后的发射波束，记为

31、s34.在第l轮迭代中，引入如下中间变量：

32、

33、

34、其中dba和dbv分别表示无人机、无人船信号接收速率的中间变量；dbi、dvi、dai、dsi分别表示基站用户、无人船用户、无人机用户、卫星用户信号接收速率的中间变量；qb、qi、qbi、qvi、qai、qsi分别表示基站、用户、基站用户、无人船用户、无人机用户、卫星用户的轨迹坐标；hb、hv、ha、hi分别表示基站、无人船、无人机和用户的天线高度；hb,v、hb,a分别表示基站到无人船、无人机信道状态信息中与轨迹坐标无关的矩阵共轭转置；hv,bi、hv,vi、hv,ai、hv,si分别表示无人船到基站用户bi、无人船用户vi、无人机用户ai和卫星用户si的信道状态信息中与轨迹坐标无关的矩阵共轭转置，以上四类可被总结为hv,i；ha,bi、ha,vi、ha,ai、ha,si分别表示无人机到基站用户bi、无人船用户vi、无人机用户ai和卫星用户si的信道状态信息中与轨迹坐标无关的矩阵共轭转置，以上四类可被总结为ha,i；lb,a，kb,v，la,ai，kv,ai，kv,vi，la,vi，kv,si，la,si，la,bi，kv,bi均表示取决于运行轨迹的中间变量，用作优化问题的松弛变量；

35、以最大化最低用户信号接收速率η为优化目标，基于第l+1轮迭代给定的发射波束集合和第l轮给定的轨迹坐标集合通过优化轨迹坐标，建立轨迹坐标优化问题：

36、

37、其中，优化问题内δτ表示时隙长度；vc和vw分别表示测算的海浪速度和海风速度，和分别表示无人船和无人机的最大移动速度；和分别表示无人船和无人机的最大转向角度；qv[n]、qa[n]分别表示n时隙内无人船、无人机的轨迹坐标；qv[n-2]、qa[n-2]分别表示n-2时隙内无人船、无人机的轨迹坐标；qv[1]、qa[1]分别表示1时隙内无人船、无人机的轨迹坐标；x表示x轴单位向量；ok表示第k个障碍物坐标位置；rsh和rob,k分别表示无人船与海上用户和第k个障碍物的安全距离；qv[0]、qa[0]分别表示0时隙内无人船、无人机的轨迹坐标；

38、将信号接收速率表达式分量下界表达式记为：

39、

40、其中，和表示将下标z所对应的kz、lz、dz表达式中的qz替换为对应的给定轨迹坐标

41、使用内点法求解轨迹坐标优化问题，得到优化后的轨迹坐标，记为

42、s35.基于第l轮迭代优化后的发射波束和轨迹坐标令l＝l+1，重复执行一种波束成形和运行轨迹联合优化方法中的步骤s33～s34，直到满足η(l)-η(l-1)≤ε时退出迭代，输出当前时隙内最优发射波束和最优轨迹坐标其中，η(l)、η(l-1)分别表示第l轮、第l-1轮迭代后从轨迹坐标优化问题得到的目标函数值，ε表示收敛阈值。

43、作为优选，步骤s3中，所述收敛阈值设置为0.001。

44、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

45、本发明提出的方法同时利用地面基站、无人船、无人机、卫星之间的协同工作，有效地扩大海事通信系统的覆盖范围，在对不同通信装置取长补短的同时，制定了空天地海一体化的协作策略。本发明提出的一种波束成形和运行轨迹联合优化方法有效地将无法直接求解的非凸优化问题转变为可以直接求解的优化问题，具有较高的效率和较强的系统性能提升。