CN103249151B - 一种haps通信信道分配方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于HAPS通信领域，提供了一种HAPS通信信道分配方法、装置及系统，所述方法包括：当发生呼叫接入或者小区切换时，分别计算呼叫用户与高空平台的收发链路距离；根据所述收发链路距离由小到大依次检测距离所述呼叫用户最近的M个高空平台是否满足接入条件，是则终止检测，否则继续检测直至检测完所述M个高空平台；当检测到满足接入条件的高空平台时，将所述呼叫用户接入当前高空平台，否则阻塞所述呼叫用户。本发明实时监测小区用户与高空平台之间的收发链路距离，由此进行动态的无线信道分配，解决了高空平台通信中由于负载不均等原因造成的无线资源无法满足用户需求的问题，有效地提高了系统的整体性能。

Description

一种HAPS通信信道分配方法、装置及系统

技术领域

本发明属于高空平台(highaltitudeplatformstations，HAPS)通信领域，尤其涉及一种HAPS通信信道分配方法、装置及系统。

背景技术

高空平台通信网络是指在近地空间的高度约20-100Km，长驻空间5-10年，准静止、可装载一定规模有效载荷的高空平台所构成的网络。高空平台利用其良好的电波传输特性实现地面用户之间、高空平台之间或者高空平台与卫星之间的通信连接，具有布局灵活、应用广泛、成本低廉和安全可靠等优点，使得高空平台通信受到广泛关注。

利用多个具有相同带宽的高空平台来为一个共同的区域服务能够极大地增加用户容量，并提高频谱利用率。然而，现有的信道分配方法没有考虑到高空平台通信网络的特殊结构，或者无法公平地根据业务类型对信道进行分配，或者在对信道进行分配的同时没有考虑到各业务的服务质量。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种HAPS通信信道分配方法，旨在对各类通信业务的服务质量进行保障的同时，提高高空平台通信网络的资源利用率。

本发明实施例是这样实现的，一种HAPS通信信道分配方法，所述方法包括：

当发生呼叫接入或者小区切换时，分别计算呼叫用户与高空平台的收发链路距离；

根据所述收发链路距离由小到大依次检测距离所述呼叫用户最近的M个高空平台是否满足接入条件，是则终止检测，否则继续检测直至检测完所述M个高空平台，所述接入条件为当前高空平台具备剩余信道且平均信噪比大于第一预设门限；

当检测到满足接入条件的高空平台时，将所述呼叫用户接入当前高空平台，否则阻塞所述呼叫用户。

本发明实施例的另一目的在于提供一种HAPS通信信道分配装置，所述装置包括：

计算模块，用于当发生呼叫接入或者小区切换时，分别计算呼叫用户与高空平台的收发链路距离；

接入条件检测模块，用于根据所述收发链路距离由小到大依次检测距离所述呼叫用户最近的M个高空平台是否满足接入条件，是则终止检测，否则继续检测直至检测完所述M个高空平台，所述接入条件为当前高空平台具备剩余信道且平均信噪比大于第一预设门限；

信道分配模块，用于当检测到满足接入条件的高空平台时，将所述呼叫用户接入当前高空平台，否则阻塞所述呼叫用户。

本发明实施例的另一目的在于提供一种HAPS通信信道分配系统，所述系统包括如上所述的信道分配装置。

本发明实施例提出了一种基于高空平台通信网络的信道分配方法，其将无线链路功率通过收发链路距离来表现，实时监测小区用户与高空平台之间的收发链路距离，由此进行动态的无线信道分配，解决了高空平台通信中由于负载不均等原因造成的无线资源无法满足用户需求的问题，有效地提高了系统的整体性能。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的高空平台通信系统的网络结构图；

图2是本发明第二实施例提供的HAPS通信信道分配方法的实现流程图；

图3是本发明第二实施例提供的HAPS通信信道分配方法对当前高空平台的平均信噪比是否不大于第一预设门限进行检测的实现流程；

图4是本发明第三实施例提供的HAPS通信信道分配装置的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提出了一种基于高空平台通信网络的信道分配方法，其将无线链路功率通过收发链路距离来表现，实时监测小区用户与高空平台之间的收发链路距离，由此进行动态的无线信道分配，解决了高空平台通信中由于负载不均等原因造成的无线资源无法满足用户需求的问题，有效地提高了系统的整体性能。

图1示出了本发明第一实施例提供的高空平台通信系统的网络结构图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

如图1所示，该网络结构为一个装配有有效载荷和多波束相阵天线的多高空平台通信系统，多个高空平台11与地球自转保持同步，可长期驻留空中，其重叠覆盖区域内可包含数个小区12，通过多个高空平台11实现地面用户之间、高空平台11之间以及高空平台11与卫星13之间的通信连接。假设系统具有基站位置保持机制，或者调整波束指向能够补偿由高空平台移动所造成的剩余指向误差，则各小区12用户天线的波束增益最大方向无偏差地指向接入高空平台11，且所有高空平台11均等角度的位于同一个圆上。

需要说明的是，典型的高空平台通信的覆盖区域分为内环区和外环区，其中，仰角大于30度的区域为内环区，小于30度的为外环区。在内环区域内，电波传播基本为恒参信道，可以按照一般的微波链路进行分析，而在外环区域内，由于地形、建筑、植被等的反射，以及高空平台本身的随机摆动与反射，造成地面接收电平严重衰落，由恒参信道逐渐变为莱斯信道，因此，本发明实施例的应用背景为高空平台的内环交叠区域。

图2示出了本发明第二实施例提供的HAPS通信信道分配方法的实现流程，详述如下：

在步骤S201中，当发生呼叫接入或者小区切换时，分别计算呼叫用户与每个高空平台的收发链路距离。

在本实施例中，当高空平台通信系统所覆盖小区区域内产生呼叫时，其首先判断该呼叫是否已接入，当该呼叫未接入时，则需要通过本发明实施例提供的信道分配方法为该呼叫分配信道从而接入该呼叫，而在呼叫接入之后，一旦检测到其发生了小区切换，则也需要通过本发明实施例提供的信道分配方法动态地再根据小区切换的实际情况为该呼叫重新分配优选信道。

作为本发明的一个实施例，当接入呼叫且在呼叫过程中未发生小区切换时，则计算该用户接入的信噪比，当其值不大于第二预设门限时，则阻塞该呼叫用户。

在步骤S202中，根据所述收发链路距离由小到大依次检测距离所述呼叫用户最近的M个高空平台是否满足接入条件，是则终止检测，否则继续检测直至检测完所述M个高空平台，所述接入条件为当前高空平台具备剩余信道且用户接入的信噪比大于第一预设门限。

作为本发明的一个实现示例，M可以选取一个合适的值，例如M可以为4，该值的选取通常需要考虑到取值太小时为呼叫用户分配信道时可考虑的高空平台数量太少，同时需要考虑到取值太大时对那些收发链路距离过大的高空平台也要进行考察，大大降低了系统的工作效率。

优选地，可以按照收发链路距离的大小，由小到大地将M个高空平台的索引号存入数组distance[M]中，并按照distance[0]、distance[1]、......、distance[M-1]的顺序依次检测作为数组元素的索引号所对应的高空平台。在本实施例中，所述索引号为高空平台的编号，每个索引号对应一个唯一的高空平台。

在步骤S203中，当检测到满足接入条件的高空平台时，将所述呼叫用户接入当前高空平台，否则阻塞所述呼叫用户。

在本实施例中，对检测到具备剩余信道且平均信噪比大于第一预设门限的高空平台时，即将呼叫用户接入该高空平台，以完成对此次呼叫的信道分配，若均没有满足接入条件的高空平台，则代表当前没有满足服务质量的多余信道可以分配，即阻塞该呼叫用户。

下面通过具体的应用环境来对本发明第二实施例提供的信道分配方法进行说明：

假设高空平台通信网络的信道总数为N，各小区的业务量分别是A₁，A₂，...，A_K，其中，K表示高空平台通信网络的小区复用方式，且K≥2。记小区i所需要的信道数随时间变化为c_i(t)，令假定小区1，2，...，K中被占用的信道数分别为F₁，F₂，...，F_K，高空平台通信网络剩余可以使用的信道数为D，则系统在正常的运行条件下，必须满足：

$\left.\begin{array}{c}{F}_1+D\≥C_1\\ F_2+D\≥C_2\\ .\\ .\\ .\\ F_K+D\≥C_k\\ \underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i+D\≤N\end{array}\right\}$

则由上式可以得到：且明显地：

当D_min≥0，则意味着在一个区群中各小区在各自的服务等级下所需要的信道数量的最大值大于系统可用信道总数，此时，如果各小区的业务需求同时达到峰值，则系统肯定无法满足所要求的性能指标；

当D_min＝0，则意味着系统所能提供的容量刚好满足区群内各小区用户的最大需求，此时，系统刚好满足各小区最大业务所需要的信道数，这也是系统资源利用率最高的情况，剩余信道数D＝0。

当D_min≤0，则意味着系统提供的信道数量大于在一个区群中各小区在各自的业务服务等级下所需要的信道峰值数量之和，此时服务中用户的需求没有达到系统容量，因此只需要给各小区分配一定的信道数量即可满足需求。

本发明实施例提供的基于高空平台通信网络的信道分配方法即是在当D_min≤0的情况下，系统剩余信道资源的动态分配问题，此时，系统具有的剩余信道的数量为

图3示出了在上述具体的应用场景下对当前高空平台的平均信噪比是否不大于第一预设门限进行检测的实现流程，详述如下：

在步骤S301中，分别计算检测的当前高空平台a与呼叫用户的收发链路距离以及高空平台b、高空平台c、......与呼叫用户的收发链路距离 $H_b=\sqrt{{(x_b-x_u)}^2+{(y_b-y_u)}^2+h^2},$ ......，其中，呼叫用户在空间内的坐标为(x_u，y_u，0)、其当前高空平台a在空间内的坐标为(x_a，y_a，h)，其他高空平台在空间内的坐标分别为(x_b，y_b，h)、(x_c，y_c，h)、......。

在步骤S302中，分别计算呼叫用户与当前高空平台a的连线及呼叫用户与高空平台b、高空平台c、......的连线的夹角 ......，其中，H_sb、H_sc、......分别为检测的当前高空平台a与高空平台b、高空平台c之间的距离。

在步骤S304中，计算呼叫用户对当前高空平台a上指向其所处小区基站的干扰功率以及分别计算呼叫用户对高空平台b、高空平台c、......上指向其所处小区基站的干扰功率 $P_{r,j}\left(H_b\right)=\frac{P_t{G}_t\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ab}}\right)G_r\left({\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bii}}\right){\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^2{H}_b^2},$ $P_{r,j}\left(H_c\right)=\frac{P_t{G}_t\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ac}}\right)G_r\left({\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{cii}}\right){\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^2{H}_c^2},$ ......，其中，P_t为呼叫用户的发射功率，G_t为发射天线的增益，G_r为接收天线的增益，Φ_aii、Φ_bii、......分别为位于小区i的呼叫用户到当前高空平台a的连线与高空平台a、高空平台b、......到小区i的中心的连线的夹角，λ为波长。

在步骤S305中，计算高空平台a的接入信道信噪比。

在本实施例中，高空平台a的接入信道信噪比可以通过测量获取。

图4示出了本发明第三实施例提供的HAPS通信信道分配装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

参照图4，该信道分配装置可以应用于高空平台通信系统中，具体包括：

计算模块41，当发生呼叫接入或者小区切换时，分别计算呼叫用户与高空平台的收发链路距离。

接入条件检测模块42，根据所述收发链路距离由小到大依次检测距离所述呼叫用户最近的M个高空平台是否满足接入条件，是则终止检测，否则继续检测直至检测完所述M个高空平台，所述接入条件为当前高空平台具备剩余信道且平均信噪比大于第一预设门限。

信道分配模块43，当检测到满足接入条件的高空平台时，将所述呼叫用户接入当前高空平台，否则阻塞所述呼叫用户。

具体地，接入条件检测模块42包括：

数组生成单元421，按照所述收发链路距离的大小，由小到大地将所述M个高空平台的索引号存入数组中，每个索引号用于唯一标识一个高空平台。

检测单元422，依次检测所述数组中的索引号所对应的高空平台是否满足接入条件。

该信道分配装置还包括：

接入信噪比检测模块44，计算所述呼叫用户接入当前高空平台的接入信噪比，当所述接入信噪比不大于第二预设门限时，阻塞所述呼叫用户。

本发明实施例提出的HAPS通信信道分配方法将无线链路功率通过收发链路距离来表现，实时监测小区用户与高空平台之间的收发链路距离，由此进行动态的无线信道分配，解决了高空平台通信中由于负载不均等原因造成的无线资源无法满足用户需求的问题，有效地提高了系统的整体性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高空平台HAPS通信信道分配方法，其特征在于，所述方法包括：

当发生呼叫接入或者小区切换时，分别计算呼叫用户与高空平台的收发链路距离；

根据所述收发链路距离由小到大依次检测距离所述呼叫用户最近的M个高空平台是否满足接入条件，是则终止检测，否则继续检测直至检测完所述M个高空平台，所述接入条件为当前高空平台具备剩余信道且平均信噪比大于第一预设门限；

当检测到满足接入条件的高空平台时，将所述呼叫用户接入当前高空平台，否则阻塞所述呼叫用户；

其中，判断所述平均信噪比是否不大于第一预设门限包括：

分别计算检测的当前高空平台a与呼叫用户的收发链路距离，以及高空平台b、高空平台c、……与呼叫用户的收发链路距离 $H_b=\sqrt{{(x_b-x_u)}^2+{(y_b-y_u)}^2+h^2},H_c=\sqrt{{(x_c-x_u)}^2+{(y_c-y_u)}^2+h^2},$ ……，其中，呼叫用户在空间内的坐标为(x_u,y_u,0)、其当前高空平台a在空间内的坐标为(x_a,y_a,h)，其他高空平台在空间内的坐标分别为(x_b,y_b,h)、(x_c,y_c,h)、……；

分别计算呼叫用户与当前高空平台a的连线及呼叫用户与高空平台b、高空平台c、……的连线的夹角 ……，其中，H_sb、H_sc、……分别为检测的当前高空平台a与高空平台b、高空平台c之间的距离；

计算呼叫用户对当前高空平台a上指向其所处小区基站的干扰功率以及分别计算呼叫用户对高空平台b、高空平台c、……上指向其所处小区基站的干扰功率 ……，其中，P_t为呼叫用户的发射功率，G_t为发射天线的增益，G_r为接收天线的增益，Φ_aii、Φ_bii、……分别为位于小区i的呼叫用户到当前高空平台a的连线与高空平台a、高空平台b、……到小区i的中心的连线的夹角，λ为波长；

计算高空平台a的接入信道信噪比。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述收发链路距离由小到大依次检测距离所述呼叫用户最近的M个高空平台是否满足接入条件的步骤包括：

按照所述收发链路距离的大小，由小到大地将所述M个高空平台的索引号存入数组中，每个索引号用于唯一标识一个高空平台；

依次检测所述数组中的索引号所对应的高空平台是否满足接入条件。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述将所述呼叫用户接入当前高空平台的步骤之后，所述方法还包括：

当在呼叫过程中未发生小区切换时，计算所述呼叫用户接入当前高空平台的接入信噪比，当所述接入信噪比不大于第二预设门限时，阻塞所述呼叫用户。

4.一种HAPS通信信道分配装置，其特征在于，所述装置包括：

计算模块，用于当发生呼叫接入或者小区切换时，分别计算呼叫用户与高空平台的收发链路距离；

接入条件检测模块，用于根据所述收发链路距离由小到大依次检测距离所述呼叫用户最近的M个高空平台是否满足接入条件，是则终止检测，否则继续检测直至检测完所述M个高空平台，所述接入条件为当前高空平台具备剩余信道且平均信噪比大于第一预设门限；

信道分配模块，用于当检测到满足接入条件的高空平台时，将所述呼叫用户接入当前高空平台，否则阻塞所述呼叫用户；

其中，判断所述平均信噪比是否不大于第一预设门限包括：

分别计算检测的当前高空平台a与呼叫用户的收发链路距离，以及高空平台b、高空平台c、……与呼叫用户的收发链路距离 $H_b=\sqrt{{(x_b-x_u)}^2+{(y_b-y_u)}^2+h^2},H_c=\sqrt{{(x_c-x_u)}^2+{(y_c-y_u)}^2+h^2},$ ……，其中，呼叫用户在空间内的坐标为(x_u,y_u,0)、其当前高空平台a在空间内的坐标为(x_a,y_a,h)，其他高空平台在空间内的坐标分别为(x_b,y_b,h)、(x_c,y_c,h)、……；

分别计算呼叫用户与当前高空平台a的连线及呼叫用户与高空平台b、高空平台c、……的连线的夹角 ……，其中，H_sb、H_sc、……分别为检测的当前高空平台a与高空平台b、高空平台c之间的距离；

计算呼叫用户对当前高空平台a上指向其所处小区基站的干扰功率以及分别计算呼叫用户对高空平台b、高空平台c、……上指向其所处小区基站的干扰功率 ……，其中，P_t为呼叫用户的发射功率，G_t为发射天线的增益，G_r为接收天线的增益，Φ_aii、Φ_bii、……分别为位于小区i的呼叫用户到当前高空平台a的连线与高空平台a、高空平台b、……到小区i的中心的连线的夹角，λ为波长；

计算高空平台a的接入信道信噪比。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述接入条件检测模块包括：

数组生成单元，用于按照所述收发链路距离的大小，由小到大地将所述M个高空平台的索引号存入数组中，每个索引号用于唯一标识一个高空平台；

检测单元，用于依次检测所述数组中的索引号所对应的高空平台是否满足接入条件。

6.如权利要求4所述装置，其特征在于，所述装置还包括：

接入信噪比检测模块，用于当在呼叫过程中未发生小区切换时，计算所述呼叫用户接入当前高空平台的接入信噪比，当所述接入信噪比不大于第二预设门限时，阻塞所述呼叫用户。

7.一种HAPS通信信道分配系统，其特征在于，所述系统包括如权利要求4至6任一项所述的HAPS通信信道分配装置。