高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

面向低轨卫星的时空特征融合LSTM松弛测量方法

杨孟欣 张青婷 曾令昕 顾忆宵 曾丹 夏斌

杨孟欣, 张青婷, 曾令昕, 顾忆宵, 曾丹, 夏斌. 面向低轨卫星的时空特征融合LSTM松弛测量方法[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT251146
引用本文: 杨孟欣, 张青婷, 曾令昕, 顾忆宵, 曾丹, 夏斌. 面向低轨卫星的时空特征融合LSTM松弛测量方法[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT251146
YANG Mengxin, ZHANG Qingting, ZENG Lingxin, GU Yixiao, ZENG Dan, XIA Bin. A Spatio-Temporal Feature Fusion LSTM Relaxation Measurement Method for LEO Satellites[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT251146
Citation: YANG Mengxin, ZHANG Qingting, ZENG Lingxin, GU Yixiao, ZENG Dan, XIA Bin. A Spatio-Temporal Feature Fusion LSTM Relaxation Measurement Method for LEO Satellites[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT251146

面向低轨卫星的时空特征融合LSTM松弛测量方法

doi: 10.11999/JEIT251146 cstr: 32379.14.JEIT251146
基金项目: 重庆市自然科学基金项目 (CSTB2024NSCQ-LMX0024)
详细信息
    作者简介:

    杨孟欣:女,硕士生,研究方向为卫星通信、分布式学习

    张青婷:女,工程师,研究方向为卫星通信、地面5G通信

    曾令昕:男,高级工程师,研究方向为卫星通信、信号处理

    顾忆宵:男,讲师,研究方向为卫星通信、边缘计算、人工智能等

    曾丹:女,教授,研究方向为计算机视觉与模式识别

    夏斌:男,教授,研究方向为卫星通信,通感一体网络

    通讯作者:

    顾忆宵 yxgu@shu.edu.cn

  • 中图分类号: TN927.2

A Spatio-Temporal Feature Fusion LSTM Relaxation Measurement Method for LEO Satellites

Funds: Natural Science Foundation of Chongqing, China (CSTB2024NSCQ-LMX0024)
  • 摘要: 为降低低轨(LEO, Low Earth Orbit)卫星系统的高动态性导致的终端频繁链路测量,现有松弛测量方案主要采用基于静态阈值或常规的时空预测模型的方法。然而,在卫星的高动态性导致不同历史时刻的测量数据和不同测量指标的重要性随之动态演化,而传统方法难以捕获这种时空重要性的动态变化。为此,针对上述挑战,该文提出一种面向低轨卫星的时空特征融合长短期记忆递归神经网络(Long Short-Term Memory, LSTM)松弛测量方法。首先,建立了LEO卫星通信系统模型,以获取所需要的历史测量数据。之后,构建了集成双重注意力机制的LSTM预测模型,实现对关键历史时刻与动态重要特征的精准聚焦,从而完成对测量频点集合与测量周期的精准预测。随后,在选择的测量频点集合和松弛周期下,执行自适应的链路测量。仿真结果表明,相较于基线方法,该文所提出的松弛测量方案在确保链路可靠性的同时,可以显著降低终端的测量频次。并且,与基线相比,在更大的速度和松弛周期下,具有更强的自适应性。
  • 图  1  星地直连通信系统

    图  2  链路松弛测量流程

    图  3  DA-LSTM预测模型架构

    图  4  预测模型训练准确率变化

    图  5  预测模型训练损失值变化

    图  6  测量频次与通信性能之间的权衡

    图  7  测量频次与通信性能之间的权衡

    图  8  不同终端速度下算法性能对比

    图  9  不同最大松弛周期下算法性能对比

    表  1  具体仿真参数配置

    系统参数参数设置
    轨道面数、每个轨道卫星数6、10
    相位因子1、2
    倾角55°、89°
    卫星频段n510、n511、n512
    偏心率0.001020
    轨道高度875 km、925 km
    天线增益、带宽B16 dBi, 380 MHz
    下载: 导出CSV

    表  2  神经网络模型参数

    系统参数参数设置
    损失函数均方误差(MSE)
    优化器Adam
    激活函数ReLU、Softmax
    可学习参数量308.5 K
    学习率0.00001
    下载: 导出CSV

    表  3  终端测量平均性能(%)

    传统松弛测量方法LSTM松弛测量方法本文松弛测量方法
    测量频次降低率60.3862.9272.57
    最佳频点RSRP相对值97.5797.6899.89
    下载: 导出CSV
  • [1] 何元智, 肖永伟, 张世杰, 等. 全球泛在连接新模式: 手机直连卫星关键技术及挑战[J]. 电子与信息学报, 2024, 46(5): 1591–1603. doi: 10.11999/JEIT240032.

    HE Yuanzhi, XIAO Yongwei, ZHANG Shijie, et al. A novel pattern for global ubiquitous interconnection: Key technologies and challenges of direct-to-smartphone[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2024, 46(5): 1591–1603. doi: 10.11999/JEIT240032.
    [2] IMT-2030(6G)推进组. 6G总体愿景与潜在关键技术白皮书[R]. 2021. (查阅网上资料, 未找到本条文献报告编号和出版年以及作者信息, 请确认).

    IMT-2030(6G) Promotion Group. 6G overall vision and potential key technology white paper[R]. 2021.
    [3] 苏昭阳, 刘留, 艾渤, 等. 面向低轨卫星的星地信道模型综述[J]. 电子与信息学报, 2024, 46(5): 1684–1702. doi: 10.11999/JEIT230941.

    SU Zhaoyang, LIU Liu, AI Bo, et al. Survey of satellite-ground channel models for low earth orbit satellites[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2024, 46(5): 1684–1702. doi: 10.11999/JEIT230941.
    [4] YUE Pingyue, AN Jianping, ZHANG Jiankang, et al. Low earth orbit satellite security and reliability: Issues, solutions, and the road ahead[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2023, 25(3): 1604–1652. doi: 10.1109/COMST.2023.3296160.
    [5] 3GPP. TR 38.331-2022 NR Radio Resource Control (RRC) protocol specification[S]. Sophia Antipolis, France: 3GPP. 2022. (查阅网上资料, 未找到本条文献信息, 请确认).
    [6] 3GPP. TR 38.821-2020 Solutions for NR to support non-terrestrial networks (NTN)[S]. Sophia Antipolis, France: 3GPP. 2020. (查阅网上资料, 未找到本条文献信息, 请确认).
    [7] PARK S and KIM J. Trends in LEO satellite handover algorithms[C]. 2021 Twelfth International Conference on Ubiquitous and Future Networks (ICUFN), Jeju Island, Korea, 2021: 422–425. doi: 10.1109/ICUFN49451.2021.9528738.
    [8] JUAN E, LAURIDSEN M, WIGARD J, et al. Handover solutions for 5G low-earth orbit satellite networks[J]. IEEE Access, 2022, 10: 93309–93325. doi: 10.1109/ACCESS.2022.3203189.
    [9] Nokia Siemens Networks and Nokia Corporation. Small cell signal based control of inter-frequency measurements[R]. TSG-RAN WG2 Meeting #77bis, 2012. (查阅网上资料, 未找到本条文献信息, 请确认).
    [10] 郑景仁. NTN中的测量和小区重选[P]. 中国, 118216179A, 2024.

    ZHENG Jingren. Measurement and cell reselection in NTN[P]. CN, 118216179A, 2024.
    [11] 孔繁华, 邝奕如, 徐海博, 等. 测量放松方法及装置[P]. 中国, 115460660A, 2022.

    KONG Fanhua, KUANG Yiru, XU Haibo, et al. Measurement relaxation method and device[P]. CN, 115460660A, 2022.
    [12] LUO Hejia, WANG Yu, WANG Xiaolu, et al. The present application provides a communication method and apparatus, relates to the technical field of wireless[P]. CN, WO2023061166A1, 2023.
    [13] 何燃燃, 张艳霞, 肖潇. 测量控制方法、终端及网络侧设备[P]. 中国, 117440395A, 2024.

    HE Ranran, ZHNAG Yanxia, and XIAO Xiao. Measurement control method, terminal and network side equipment[P]. CN, 117440395A, 2024.
    [14] 胡奕, 李海涛. NTN中非连接态终端的RRM测量方式确定方法、装置及介质[P]. 中国, 202180101902.2, 2024.

    HU Yi and LI Haitao. Method and device for determining RRM (Radio Resource Management) measurement mode of non-connected terminal in NTN (Network Temporary Network), and medium[P]. CN, 202180101902.2, 2024.
    [15] WANG Juan, SUN Lijuan, ZHOU Jian, et al. An adaptive dynamic channel allocation algorithm based on a temporal–spatial correlation analysis for LEO satellite networks[J]. Applied Sciences, 2022, 12(21): 10939. doi: 10.3390/app122110939.
    [16] 李学华, 廖海龙, 张贤, 等. 面向低轨卫星通信网络的联邦深度强化学习智能路由方法[J]. 电子与信息学报, 2025, 47(8): 2652–2664. doi: 10.11999/JEIT250072.

    LI Xuehua, LIAO Hailong, ZHANG Xian, et al. Federated deep reinforcement learning-based intelligent routing design for LEO satellite networks[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(8): 2652–2664. doi: 10.11999/JEIT250072.
    [17] 彭亮, 闫杰, 魏鹏, 等. 低轨卫星网络中基于时空相关性的不完全时间序列流量预测[J]. 信息与电子工程前沿(英文版), 2025, 26(5): 788–804. doi: 10.1631/FITEE.2300873.

    PENG Liang, YAN Jie, WEI Peng, et al. Spatio-temporal correlation-based incomplete time-series traffic prediction for LEO satellite networks[J]. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 2025, 26(5): 788–804. doi: 10.1631/FITEE.2300873.
    [18] ORTIZ F, VASQUEZ-PERALVO J A, QUEROL J, et al. Harnessing supervised learning for adaptive beamforming in multibeam satellite systems[C]. 2024 IEEE International Conference on Machine Learning for Communication and Networking (ICMLCN), Stockholm, Sweden, 2024: 386–392. doi: 10.1109/ICMLCN59089.2024.10624792.
    [19] SU Yongtao, LIU Yaoqi, ZHOU Yiqing, et al. Broadband LEO satellite communications: Architectures and key technologies[J]. IEEE Wireless Communications, 2019, 26(2): 55–61. doi: 10.1109/MWC.2019.1800299.
    [20] 王瀚萱, 陈子博, 孙耀华. 低轨卫星通信中的波束跳变和频率复用方法研究[J]. 电子技术应用, 2023, 49(5): 24–29. doi: 10.16157/j.issn.0258-7998.233990.

    WANG Hanxuan, CHEN Zibo, and SUN Yaohua. Study on beam hopping and frequency reuse in LEO satellite communication[J]. Application of Electronic Technique, 2023, 49(5): 24–29. doi: 10.16157/j.issn.0258-7998.233990.
    [21] 3GPP. TR 38.811-2018 Study on New Radio (NR) to support non-terrestrial networks[S]. 2018. (查阅网上资料, 未找到本条文献出版信息, 请确认).
    [22] VASWANI A, SHAZEER N, PARMAR N, et al. Attention is all you need[C]. Proceedings of the 31st International Conference on Neural Information Processing Systems, Long Beach, USA, 2017: 6000–6010. doi: 10.5555/3295222.3295349. (查阅网上资料,未找到本条文献doi信息,请确认).
    [23] 张弓, 马福建, 聂欣, 等. PULSAR低轨卫星导航星座性能分析研究[J]. 航天器工程, 2024, 33(1): 1–10. doi: 10.3969/j.issn.1673-8748.2024.01.001.

    ZHANG Gong, MA Fujian, NIE Xin, et al. Study on performance of PULSAR low earth orbit constellation satellite for navigation[J]. Spacecraft Engineering, 2024, 33(1): 1–10. doi: 10.3969/j.issn.1673-8748.2024.01.001.
  • 加载中
图(9) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  10
  • HTML全文浏览量:  5
  • PDF下载量:  0
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2025-11-01
  • 修回日期:  2025-11-22
  • 录用日期:  2026-01-06
  • 网络出版日期:  2026-01-10

目录

    /

    返回文章
    返回