一种对抗链路抖动的低轨计算星座星地通信方法及系统与流程

本发明涉及卫星通信与人工智能交叉领域，具体涉及一种对抗链路抖动的低轨计算星座星地通信方法及系统。

背景技术：

1、随着低轨卫星星座技术的快速发展，特别是太空计算星座的兴起，星地通信面临前所未有的技术挑战。低轨卫星运行高度通常在300-2000公里，飞行速度大于7公里/秒，导致星地链路具有以下显著特征：

2、1. 链路抖动剧烈

3、低轨卫星高速运动导致多普勒频移快速变化，典型多普勒频移变化率可达±10khz/s。同时，大气扰动、电离层闪烁等因素进一步加剧链路质量波动。在单次过境过程中（7-10分钟），链路误码率可能从10-7量级波动至10-3量级，传统通信系统难以适应如此剧烈的链路抖动。

4、2. 带宽高度不对称

5、低轨计算星座的星地通信频段以x频段为主，在典型的x频段星地通信中，上行链路受限于频率使用政策限制，载波带宽最大15mhz，而下行链路带宽最大可达375mhz。这种高度不对称的带宽特性使得传统对称传输协议效率低下，特别是在计算任务场景下，需要在有限的上行带宽和通信时段内完成任务注入，在高带宽下行链路中快速回传计算结果。

6、3. 链路衰减动态变化

7、低轨计算卫星与地面站通信过程中，其通信距离、电磁波穿越大气路径处于动态变化中，链路衰减经历由大到小再变大的过程，这种动态变化下，对于计算星座任务中涉及的关键控制指令传输、业务数据传输的影响范围和影响程度各异。

8、4. 现有技术方案的局限性

9、4.1 物理层技术

10、固定调制编码方案：无法适应链路质量的快速变化，导致在链路质量恶化时传输效率急剧下降；

11、传统自适应调制编码（acm）：基于当前链路状态的反应式调整，存在滞后性，无法应对突发性链路抖动；

12、单一纠错编码：固定长度的fec编码无法在不同链路质量条件下实现最优性能。

13、4.2 链路层协议

14、标准ipoc协议：采用固定帧结构，无法根据链路抖动程度动态调整帧格式；

15、传统aos帧结构：缺乏针对链路抖动的补偿机制，无法有效应对突发误码和时延抖动。

16、4.3 传输层协议

17、tcp协议：面向地面有线网络设计，其拥塞控制机制在高时延、高误码的空间链路上表现不佳，容易将链路误码误判为网络拥塞，导致传输效率下降；

18、udp协议：虽然避免了tcp的拥塞控制问题，但缺乏可靠性保证，无法满足计算任务传输的可靠性要求；

19、dtn协议：虽然能够容忍链路中断，但其"束层"封装的高开销（通常＞30%）难以满足通信劣化场景卫星计算任务的实时性要求。

20、在太空计算星座逐渐成为航天领域新型型号任务的趋势下，迫切需要结合星座计算任务的通信特点设计对抗链路抖动的星地通信方法及系统，提高任务执行效率与成功率。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种对抗链路抖动的低轨计算星座星地通信方法及系统，通过物理层到传输层的全栈对抗性设计，实现链路抖动的主动预测、动态适应和智能补偿，显著提升低轨计算星座星地通信的可靠性和传输效率。

2、本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

3、一种对抗链路抖动的低轨计算星座星地通信方法，该方法包括：

4、s1：采集包括信道质量数据、网络状态数据及环境资源数据在内的多源数据；

5、s2：采用链路抖动预测模型，预测下一控制周期的链路抖动趋势，并识别突发干扰和链路异常抖动事件；计算抖动等级、抖动持续时间和抖动影响范围；

6、s3：在物理层，根据链路抖动预测结果，从预设的调制编码方案库中动态选择最优调制编码方案；通过设置切换滞后阈值，避免因链路抖动导致的频繁切换；并根据链路抖动程度动态调整发射功率，基于轨道动力学模型预测提前补偿多普勒频移；

7、s4：在链路层，采用增强型ipoc帧结构，设计抖动补偿字段，并根据链路抖动程度动态调整纠错编码区长度；还根据链路抖动程度动态选择封装方式，根据预测的链路抖动持续时间动态调整分片大小，以在不同链路质量条件下实现纠错性能与传输效率的平衡；

8、s5：在网络层，在低轨卫星过境窗口内设计路由保持模式，当预测到将出现短暂性链路抖动时，提前调整路由策略，实现路由保持模式切换，避免因链路抖动导致的路由震荡和网络层连接中断；

9、s6：在传输层，根据链路抖动预测结果，进行抖动感知的quic协议增强和抖动感知的cfdp协议增强。

10、一种星地网关设备，用于实现对抗链路抖动的低轨计算星座星地通信方法，其包括星载网关设备和地面网关设备，所述星载网关设备和地面网关设备均包括基带模块和协议栈处理模块；

11、所述基带模块包括动态调制编码方案选择器、自适应功率控制单元和多普勒频移预补偿单元；其中，动态调制编码方案选择器用于根据链路抖动预测结果选择最优调制编码方案，并通过设置切换滞后阈值，避免因链路抖动导致的频繁切换；自适应功率控制单元用于根据链路抖动程度动态调整发射功率；多普勒频移预补偿单元用于基于轨道动力学模型预测提前补偿多普勒频移；

12、所述协议栈处理模块包括链路层对抗单元和网络层对抗单元，链路层对抗单元采用增强型ipoc帧结构，设计抖动补偿字段，并根据链路抖动程度动态调整纠错编码区长度；还根据链路抖动程度动态选择封装方式，根据预测的链路抖动持续时间动态调整分片大小，以在不同链路质量条件下实现最优的纠错性能与传输效率的平衡；网络层对抗单元用于基于链路抖动预测结果，当预测到链路将出现短暂抖动时，提前调整路由策略，实现路由保持模式切换，避免因链路抖动导致的路由震荡和网络层连接中断。

13、本发明的有益效果如下：

14、1. 全栈链路抖动对抗架构，系统性解决链路抖动问题

15、从物理层自适应调制编码到传输层基于链路抖动预测模型预测选择传输层协议，形成端到端的链路抖动对抗设计，显著提升系统在剧烈链路抖动环境下的稳定性。

16、2. 链路抖动预测驱动，实现前瞻性资源调度

17、基于多源数据融合的链路抖动预测模型，提前预测10~30秒链路抖动趋势，实现资源的前瞻性分配，避免传统反应式调度的滞后性。

18、3. x频段不对称链路专用优化，最大化带宽利用率

19、针对x频段上行和下行的不对称特性，设计专用的调制编码方案库和带宽分配策略，在链路余量动态变化条件下实现星地上下行带宽的高效可靠利用。

20、4. 链路抖动感知的路由优化机制，避免路由震荡

21、基于链路抖动预测结果，当预测到链路将出现短暂抖动时，提前调整路由策略，实现路由保持模式切换，显著提升网络层连接的持续性与稳定性。

22、5. 计算任务感知的智能通信调度，提升任务完成效率

23、根据计算任务类型分配不同qos等级，结合7-10分钟过境窗口，动态调整上下行带宽分配比例，最大化任务完成率。