CN105827301A - 认知星地一体化系统中联合频谱效率及干扰抑制的最优禁区宽度方法 - Google Patents

Abstract

认知星地一体化系统中联合频谱效率及干扰抑制的最优禁区宽度方法，涉及信息与通信技术领域，为了解决地面组件与卫星组件的同频干扰等问题。本发明所构建的系统模型由一个多波束卫星，多个地面辅助组件和地球站组成，主要是针对点波束内地球站对相邻点波束内的地面用户的上行链路造成干扰的场景分析。为了减少点波束边缘的CGC所受的干扰，本发明采用了禁区原则，利用改进的频分复用方案，对认知星地一体化系统中同频干扰及频谱有效性进行了理论分析与仿真验证，同时，本发明联合考虑频谱效率与干扰抑制两方面，提出了能使系统在可接收的干扰水平下实现最大的频谱效率的最优EA策略。

Description

认知星地一体化系统中联合频谱效率及干扰抑制的最优禁区宽度方法

技术领域

本发明涉及信息与通信技术领域，具体涉及在认知星地一体化系统中对既能保证频谱有效性，又能抑制组件间干扰的最优EA策略的技术。

背景技术

太空域和信息域是国家经济发展和军事斗争两个重要战略制高点，目前，我国已经有近百颗的空间飞行器在轨运行，覆盖了通信、导航、中继、深空探测、载人航天等所有领域，同时配套使用的地面网系统也日益成熟，包括卫星运控站、测控站、上行站、监测站等。卫星通信已经成为信息化时代不可缺少的通信方式。这种通信方式具有宽频带、大容量、广覆盖的优势，但也存在阴影衰落严重等问题。

针对卫星通信的缺点，地面无线通信网络由于系统容量大，通信质量好，频带利用率高，手机发射功率低，而且频率规划灵活，可以覆盖城市及室内等等优点，可以作为卫星通信的必要补充，但是地面通信在偏远农村地区覆盖不彻底，而且在城市环境中，会有严重的噪声和干扰，卫星通信恰巧可以弥补地面通信的不足。随着卫星通信技术的日益成熟及地面互联网技术的迅速发展，针对以上提到的卫星与地面通信的优缺点，需要综合考虑两种通信方式，利用卫星连接远程地面互联网，建立空天地一体化的信息网络。

国际电信联盟(ITU)提出了认知星地一体化的概念，认为它是能发挥重要作用的下一代的网络。此外，在欧洲技术平台NETWORLD2020，卫星工作组颁布了关于在5G中卫星作用的白皮书。卫星网络能够为人口低密度区域提供最佳且最综合的覆盖，而地面网络或者是地面组件能够为高密度人口区域，如城市环境，提供最高的带宽和最低成本的覆盖，所以，认知星地一体化网络的设计是有广阔前景的。

认知星地一体化系统是由基于多波束空间卫星网络SBN(SatelliteBasedNetwork)和辅助地面组件CGC(ComplementaryGroundComponents)构成。CGC并不等同于移动服务运营商所使用的独立的地面基站，它们与卫星组件使用相同的频率资源，并受相同的网络管理机制制约，与集成的用户设备(UE)通信。CGC也可以复用除所在点波束频率之外的卫星频率,CGC可以增强卫星由于严重阴影衰落而难以覆盖的区域，特别是在高楼密集的城市。

在实际通信过程中，认知星地一体化网络将会带来很多优势，但也会面临很多挑战，特别是干扰问题。无线通信的快速发展，增加了对频谱资源的需求，频谱稀缺的问题变得日益严重。由于频谱资源的匮乏，在卫星和地面网络中利用频分复用技术，能够有效改善频谱的有效性，扩大系统容量。然而，当卫星网络和辅助地面组件CGC以相同的频率同时发送信息时，将会导致同频干扰的问题，如何在满足系统要求的干扰水平下，使频谱利用率达到最优是一体化的卫星地面通信系统亟待解决的关键问题。

近几年来，国内外有很多研究涉及到认知星地一体化网络中干扰模型建立及频率复用策略。Deslandes等人构造了一个由多波束卫星、地面基站以及混合的地面和卫星用户终端组成的模型，主要分析了地面用户上行信号干扰卫星用户的上行信号的情形。Kang等人构造了一个由多波束卫星、地面辅助组件(CGCs)和移动地球站组成的干扰模型主要针对地面组件CGC对卫星上行链路的干扰进行分析。Deslandes、Kang以及Dae-subOh等人阐述了禁区EZ的概念，它是位于蜂窝边缘的一个特定的区域，其中的地面基站不能使用同蜂窝和邻近蜂窝的频率波段，有效的改善了系统的性能。

但是在认知星地一体化系统中，存在很多同频干扰的场景，除上面提到的两种干扰场景外，还有地球站对相邻波束内的地面用户的上行链路造成干扰、CGC的下行信号链路干扰卫星下行信号等很多场景，而目前的大多数研究都集中对地面用户上行信号干扰卫星用户上行信号的场景分析，而很少涉及到其他干扰场景，同时在认知星地一体化系统中也缺乏对所有干扰场景的概括分析，此外，对于上述研究所提到的禁区，目前的研究只是停留在仿真验证EA可以减少系统所受的干扰水平，而且会降低系统的频谱利用率，对如何在权衡系统可接受的干扰水平与频率利用率的前提下，在不同的频率复用下寻求最佳的EA取值使系统的性能最优而缺乏研究。

发明内容

本发明是为了解决目前认知星地一体化系统中在频谱效率及干扰估计方面存在的以下问题：

(1)、干扰场景单一，缺乏对其他干扰场景的建模研究；

(2)、缺乏在多种频率复用因子下的干扰估计与频谱有效性的研究；

(3)、没有寻找到最佳禁区EA的取值使系统性能最优；

从而提出了一种认知星地一体化系统中联合频谱效率及干扰抑制的最优禁区宽度方法。

认知星地一体化系统中联合频谱效率及干扰抑制的最优禁区宽度方法，

设一个点波束内只有一个地球站，并且分布于点波束的中心，并能够与卫星通信，同时设在点波束内的CGC是随机分布的，建立系统模型；

它包括以下步骤：

步骤A、估计组件间的干扰水平的步骤，具体为：

步骤A1、设输入输入CGC数量M，点波束半径R，EA宽度值W，地球站的发射功率P_t,Ci，地球站发射天线增益G_t,Ci，CGC的接收天线增益G_r；

步骤A2、根据系统模型计算中心波束内M个CGC的位置矩阵z；

步骤A3、根据系统模型计算相邻地球站的位置矩阵ES_pos；

步骤A4、根据EA宽度值W值，将CGC划分为七块，得到位置矩阵R_i和元素个数n_i,i＝0,1,...,6；

步骤A5、分割卫星频段成n部分{f_i}，i＝1,2,...,n,设外层循环迭代数的初始值i＝0；

步骤A6、等分R_i成n-1部分，分别分配频段f_j，j＝1,2,...,n，设内层循环迭代数的初始值p＝1；

当频率复用因子n＝7且p≤n₀时，执行以下步骤：

步骤A7、对R_i内每个坐标z(p)，定位唯一同频地球站，计算距离d和路径损耗L_c；

步骤A8、根据公式：

I_j＝P_t,Ci+G_t,Ci+G_r-L_ci(dBW)

计算每个CGC受到的干扰功率,存入矩阵I₀，令p＝p+1；

式中：j是CGC在中心点波束内的标号，i是频段的标号，1≤i≤6；P_t,Ci是指在相邻的工作频率是f_i的点波束内地球站的发射功率；G_t,Ci是指在相邻的工作频率是f_i的点波束内地球站指向第n个CGC的发射天线增益；G_r是指CGC的接收天线增益；L_ci是指从中心波束内工作在f_i的第j个CGC到相邻点波束同频地球站的路径损耗；

步骤A9、当p>n_i时，退出内层循环，令i＝i+1；

当i≤6时执行以下步骤：

步骤A10、等分R_i成n-2部分，分别分配频段f_j，j＝1,2,..,5，设内层循环迭代数p＝1；

当p≤n_i时，返回执行步骤A7：

当i>6时，执行以下步骤：

步骤A11、退出外层循环，得到M个CGC所受到的干扰功率{I_m}，m＝0,1,...,6；

步骤A12、绘制复用因子为n时的干扰水平CDF曲线；

步骤B、估计组件间的干扰水平的步骤，具体为：

步骤B1、输入M，R，复用因子n，令i＝1，W＝0；

当W≤R时，执行以下步骤：

步骤B2、根据W取值，把中心波束内的CGC分割成七块，位置矩阵分别是R_m，m＝0,1,...,6，得到区域R_i内CGC的数量n_i；

步骤B3、把工作频段划分成n段，计算子频带带宽B_sub，N_in，N_out；

步骤B4、根据公式：

$B_{avail}=\frac{B_{sub}\·\[N_{in}\·(n-2)+N_{out}\·(n-1)\]}{B_{all}}$

计算B_avail,令i＝i+1,W＝W+1500；

式中，N_in和N_out分别指中心波束在EA内部和外部的CGC数量，n频率复用因子，B_sub是指子频带的带宽，B_all是指系统使用的全部的频带带宽；

步骤B5、循环停止后，绘制复用因子为n时的标准有效带宽B_avail随W的变化曲线；

步骤C、寻求最佳禁区(EA)宽度的实现步骤：

步骤C1、输入M，R,链路有效性L_a，复用因子n；

步骤C2、令i＝1，W＝0，计算p＝[L_a·M+1]，并向负无穷方向取整；

当W≤R时，执行以下步骤：

步骤C3、计算复用因子n，EA宽度值是W的所有CGC的干扰功率,存储于矩阵I；

步骤C4、对矩阵I中的元素由小到大排序，存储到矩阵I'；

步骤C5、取矩阵I'的第p个元素，存储于矩阵I_accept(i)，令i＝i+1,W＝W+1500；

步骤C6、循环停止后，得到在不同的L_a与n下I_accept随W的变化曲线；取曲线转折点处对应的W值，即：为最佳的禁区EA宽度。

当复用因子n为3或4时，步骤A7和A8分别由步骤A71至步骤A73替换：

步骤A71、对R_i内坐标为z(p)的CGC，定位同频地球站个，计算距离d和路径损耗L_c，m＝1；

当m≤q时，循环执行步骤A72：

步骤A72、根据公式：

$I_j=\underset{p=1}{\overset{q}{\Σ}}{I}_{j,p}=\underset{p=1}{\overset{q}{\Σ}}(P_{t,Cip}+G_{t,Cip}+G_r-L_{Cip})$

计算坐标为z(p)的CGC受到的第m个地球站的干扰功率,存入矩阵I(m)，m＝m+1；

式中：q是指与中心波束第j个CGC同频的地球站的个数；下标C_ip是指工作在f_i频段的第p个相邻点波束；

当m>q时，执行以下步骤：

步骤A73、对矩阵I按行求和，得到坐标为z(p)的CGCs受到的合计干扰功率,存入矩阵I_i，p＝p+1；

执行完以上三步后，执行步骤A9。

本发明具有以下特点和显著进步：

1、本发明概括说明了在认知星地一体化系统中可能存在的干扰场景，并对目前较少研究的一种场景进行建模分析；

2、相比于传统的频率复用方案，本发明所提出的改进的频率复用方案更能有效的减弱CGC所受的干扰水平；

3、针对目前大多数研究只在某一复用因子下进行，本发明研究了复用因子分别是3,4,7时的干扰水平与频谱有效性随EA取值的变化情况，提供了更多的参考；

4、本发明在兼顾系统频谱效率与可接受的干扰水平的前提下，在不同的复用因子场景下，相应找到了使系统性能最优的EA宽度值W。

附图说明

图1是认知星地一体化系统中组件间的干扰场景示意图；

图2是卫星组件与CGC之间改进的频分复用方案的原理示意图；

图3是中心波束内的CGC受到合计干扰的场景示意图；

图4是计算中心波束内所有CGC所受的干扰水平的流程示意图；

图5是在不同W下估计系统的频谱有效性的流程示意图；

图6是仿真可接受干扰水平随W的变化情况的流程示意图；

图7是复用因子是3时CGC所受到的干扰仿真示意图；

图8是复用因子是4时CGC所受到的干扰仿真示意图；

图9是复用因子是7时CGC所受到的干扰仿真示意图；

图10是EA的宽度W对EA内CGC数量的影响仿真示意图；

图11是三种频率复用因子下，系统标准有效带宽随W的变化情况仿真示意图；

图12至图14是不同的复用因子及链路有效性下，可接受干扰水平随W的变化情况仿真示意图；

具体实施方式

具体实施方式、认知星地一体化系统中联合频谱效率及干扰抑制的最优禁区宽度方法，认知星地一体化系统中可能存在的组件间的干扰场景如图1所示。

图1中的颜色标识说明了CGC可以复用卫星频率。与地球站的发射功率相比，本发明忽略了卫星用户的存在。场景①描述的是点波束内的地球站对相邻波束内的地面用户的上行链路造成干扰，这会导致CGC接收的信号质量下降。由于点波束的覆盖范围远大于CGC的覆盖范围，在一个点波束内会存在数以万计的同频CGC，位于点波束边缘的CGC将会遭受更严重的干扰问题，因此同频的地球站对CGC的干扰不容忽视。场景①是本发明主要考虑的情况。

场景②描述的是CGC的下行信号链路干扰了卫星到地球站的下行信号。场景③描述的是地面用户对相邻点波束内的地球站的上行信号造成干扰。在这种场景下，可以区分两种干扰情况：单个实体的干扰问题(即当一个地面用户与卫星之间存在LOS且处于点波束的边缘区域时，对地球站进行干扰)和合计干扰问题(即在点波束内所有同频的地面用户对地球站的干扰)。场景④描述的是卫星的下行信号干扰了CGC的下行信号。应当注意到在地面蜂窝系统中有一个大的动态范围，因此通过稍微减小CGC的蜂窝半径，可以减轻干扰强度。场景⑤和⑥描述的是地面蜂窝系统中的同频干扰问题。通过使用合适的频率复用策略和适当调整CGC的发射功率，可以减轻地面系统的同频干扰问题。

针对图1中干扰场景①中点波束边缘的CGC将会受到相邻点波束同频的ES的严重干扰问题，对其进行建模，采取了禁区(EA)的原则，在这一区域的CGC不可以使用所在点波束与相邻点波束的频率。图2以频分复用因子是7为例，说明了卫星组件与CGC之间改进的频分复用方案。图中点波束内的白色区域表示禁区，W是指EA的宽度，0≤W≤R。

本发明假设一个点波束内只有一个地球站，并且分布于点波束的中心与卫星通信，同时假设在点波束内的CGC是随机分布的。建立了系统模型后，本发明在频率复用因子分别是3,4,7时，进行组件间的干扰估计、频谱有效性分析以及寻找使系统性能最优的最佳EA宽度W。具体实现步骤分三部分叙述如下：

(1)估计组件间的干扰水平由以下步骤实现：

步骤一、输入CGC数量M，点波束半径R，EA宽度值W，地球站的发射功率P_t,Ci，地球站发射天线增益G_t,Ci，CGC的接收天线增益G_r；

步骤二、从模型中计算中心波束内M个CGC的位置矩阵z；

步骤三、从模型中计算相邻地球站的位置矩阵ES_pos；

步骤四、根据W值，划分CGC成七块，得到位置矩阵R_i和元素个数n_i,i＝0,1,...,6；

步骤五、分割卫星频段成n部分{f_i}，i＝1,2,...,n,迭代数数i＝0；

步骤六、等分R_i成n-1部分，分别分配频段f_j，j＝1,2,...,n，迭代数p＝1；

当频率复用因子n＝7且p≤n₀时，执行以下步骤：

步骤七、对R_i内每个z(p)，定位唯一同频地球站，计算距离d和路径损耗L_c；

步骤八、根据公式(1)计算每个CGC受到的干扰功率,存入矩阵I₀，p＝p+1；

步骤九、当p>n_i时，退出内层循环，i＝i+1；

当i≤6时执行以下步骤：

步骤十、等分R_i成n-2部分，分别分配频段f_j，j＝1,2,..,5，迭代数p＝1；

当p≤n_i时返回执行步骤七：

步骤十一、当i>6时，退出外层循环，得到M个CGC所受到的干扰功率{I_m}，m＝0,1,...,6；

步骤十二、画出复用因子是n时的干扰水平CDF曲线；

当复用因子n是3或4时，不能再用公式(1)计算，因为对于每个CGC受到的不是单一地球站的干扰，而是多个地球站的合计干扰，应用公式(3)来计算。上述步骤七和八应更改为：

步骤一、对R_i内坐标为z(p)的CGC，定位同频地球站q个，计算距离d和路径损耗L_c，m＝1；

当m≤q时，循环执行步骤二：

步骤二、根据公式(3)计算坐标为z(p)的CGC受到的第m个地球站的干扰功率,存入矩阵I(m)，m＝m+1；

当m>q时，执行以下步骤：

步骤三、对矩阵I按行求和，得到坐标为z(p)的CGCs受到的合计干扰功率,存入矩阵I_i，p＝p+1；

执行完以上三步后，继续执行步骤九。

(2)估计系统的频谱有效性的实现步骤：

步骤一、输入M，R，复用因子n，令i＝1，W＝0；

当W≤R时执行以下步骤：

步骤二、根据W取值，把中心波束内的CGC分割成七块，位置矩阵分别是R_m，m＝0,1,...,6，得到区域R_i内CGC的数量n_i；

步骤三、把工作频段划分成n段，计算子频带带宽B_sub，N_in，N_out；

步骤四、根据公式(5)计算B_avail,i＝i+1,W＝W+1500；

步骤五、循环停止后，画出复用因子是n时的标准有效带宽B_avail随W的变化曲线。

(3)寻求最佳EA宽度的实现步骤：

步骤一、输入M，R,链路有效性L_a，复用因子n；

步骤二、令i＝1，W＝0，计算p＝[L_a·M+1](取整)；

当W≤R时执行以下步骤：

步骤三、计算复用因子n，EA宽度值是W的所有CGC的干扰功率,存储于矩阵I；

步骤四、对矩阵I中的元素由小到大排序，存储到矩阵I'；

步骤五、取矩阵I'的第p个元素，存储于矩阵I_accept(i)，i＝i+1,W＝W+1500；

步骤六、循环停止后，得到在不同的L_a与n下I_accept随W的变化曲线。取曲线转折点处对应的W值，即为最佳的EA宽度。

以上是该发明具体的实现步骤，下面从理论角度进行阐述分析。

在频率复用因子为7的场景中，本发明以工作频段是f₇的点波束作为中心波束，来分析其内的CGC受到相邻点波束内的ES的干扰情况。如果令中心波束内工作在f_i的第j个CGC所受到的干扰为I_j,那么I_j可以由下式计算：

I_j＝P_t,Ci+G_t,Ci+G_r-L_ci(dBW)(1)

其中，j是CGC在中心点波束内的标号，i是频段的标号，1≤i≤6。P_t,Ci是指在相邻的工作频率是f_i的点波束内地球站的发射功率；G_t,Ci是指在相邻的工作频率是f_i的点波束内地球站指向第n个CGC的发射天线增益；G_r是指CGC的接收天线增益；L_ci是指从中心波束内工作在f_i的第j个CGC到相邻点波束同频地球站的路径损耗。

在本发明中，为了简化仿真程序，假设地球站的仰角是高于48°，此时用于干扰计算的地球站朝向地平线方向的离轴天线增益G_t,Ci是一个常数，为-10dBi。ITU-R管理规范也对地面站的EIRP进行了限定，以保护其他的地面站，在本发明仿真中研究最糟糕的情况，即使用极限值40dBW。

在估计中，使用的传输模型是自由空间损耗，L_Ci可由下式计算得到：

L_Ci＝32.45+20lg(d_Ci)+20lg(f_i)(dB)(2)

在上式中，d_Ci是指中心波束内工作在f_i的第j个CGC到相邻点波束同频地球站的距离。d_Ci单位是km,f_i单位是MHz。

当频率复用因子n是3或4时，中心波束内的第j个CGC的干扰不能按照公式(1)计算。因为此种情况下，第j个CGC不是受单个地球站的干扰，而是多个地球站的合计干扰。如图3所示：假设中心波束的CGC工作在f₂频段，则此时会同时受到相邻三个点波束C₂、C₄和C₆的同频地球站的干扰。此时CGC所受到干扰水平是三个干扰值之和。

由此，得到此时干扰水平的计算公式：

$I_j=\underset{p=1}{\overset{q}{\Σ}}{I}_{j,p}=\underset{p=1}{\overset{q}{\Σ}}(P_{t,Cip}+G_{t,Cip}+G_r-L_{Cip})---\left(3\right)$

其中，q是指与中心波束第j个CGC同频的地球站的个数。下标C_ip是指工作在f_i频段的第p个相邻点波束。

假设中心波束内CGC的总数是M，为了得到M个CGC的干扰水平分布规律，以及得到复用因子取值与干扰水平的关系，定义CGC的累积概率分布函数：

$F_X\left(x\right)=p(I_j\≤x)=\frac{\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}\mathrm{\ϵ}(x-I_j)}{M}---\left(4\right)$

其中，ε(t)是阶跃函数。

为了在不同的复用因子下估计系统的频谱有效性，通过定义标准有效带宽来衡量系统的频谱有效性：

$B_{avail}=\frac{B_{sub}\·\[N_{in}\·(n-2)+N_{out}\·(n-1)\]}{B_{all}}---\left(5\right)$

上式中，N_in和N_out分别指中心波束在EA内部和外部的CGC数量，n频率复用因子，B_sub是指子频带的带宽，B_all是指传统模式下中心波束内每个CGC允许使用的频带资源的总和。

在联合考虑干扰水平与频谱有效性的同时，为了得到最佳的EA值，需要考虑系统可接受干扰水平与EA大小的关系，定义链路有效性L_a：

$L_a=p(I_j<I_{accept})=\frac{\underset{j=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}\mathrm{\&epsiv;}(I_{accept}-I_j)}{M}---\left(6\right)$

其中：I_accept是指系统可接受的干扰水平，I_j是指中心波束内第j个CGC所受到的干扰，N是中心波束内CGC的总数。

本发明在Matlab平台上进行了仿真验证，仿真参数为：

具体的仿真结果如下：

(1)三种频率复用因子下，EA的宽度W对CGC所受干扰水平分布的影响，参见图7至9。

从仿真结果图可以看出，随着EA的增大，干扰水平的CDF曲线越快接近1，对中心波束内CGC的干扰水平在不断减小。这是因为，在EA内的CGC不会接受来自最近的相邻波束的ES的干扰。比如以频率复用因子是7时为例，在传统模式下，即W＝0时，CGC接收的干扰值不大于-114dBW的概率是72.7％，而在改进模式中，当W＝20km时，其概率是78％，当W＝40km时，其概率是82.5％，当W＝60km时，其概率值是85％。

比较图7至图9，也可以发现随着频率复用因子的增加，干扰水平在不断减小。以W＝20km为例，当干扰水平的CDF取0.8时，在复用因子是3时，对应的干扰水平是-346.3dB,当复用因子是4时，其值是-231.6dB,当复用因子是7时，其值是-113.8dB。

(2)EA的宽度W对EA内CGC数量的影响，参见图10。

(3)三种频率复用因子下，系统标准有效带宽随W的变化情况，参见图11。

从仿真结果图可以看出，系统标准有效带宽随W的变化趋势与CGC数量随EA的变化趋势恰好相反，这是因为EA中的CGC不允许使用所在点波束和相邻点波束的频段，能够使用除所在点波束之外的频率的CGC就越少，由图10曲线可以看出，提高频率复用因子，可以增大频率利用率，同时W越大，系统的标准有效带宽越小，即频率利用率越小，而由图8可知EA增大可以减小CGC所受到的干扰。因此在决定EA宽度W取值时，应充分权衡系统可接受的干扰水平与频率利用率两个因素。

(4)不同的复用因子及链路有效性下，可接受干扰水平随W的变化情况，参见图12至图14。

由仿真结果图可以看出，随着W增大，系统可接受的干扰水平在不断减小，曲线前半部分下降趋势明显，而后半部分则趋于平缓。这说明，可以通过选择一个W值，使系统可接受的干扰水平维持稳定，W如果取值过大，将会造成系统频谱利用率下降(图12已经证明)，应该联合考虑系统可接受的干扰水平与频谱有效性，可以得出在曲线由急剧下降到平缓的转折点处所对应的W值就是最优的EA宽度。以图14为例具体说明。当要求系统的链路有效性是99％时，可取W＝37km,当链路有效性是95％、90％和85％时，EA的宽度分别可设置成W＝45km、58km和68km。

经上述仿真试验验证，本发明具有以下特点和显著进步：

1、本发明概括说明了在认知星地一体化系统中可能存在的干扰场景，并对目前较少研究的一种场景进行建模分析；

2、相比于传统的频率复用方案，本发明所提出的改进的频率复用方案更能有效的减弱CGC所受的干扰水平；

3、针对目前大多数研究只在某一复用因子下进行，本发明研究了复用因子分别是3,4,7时的干扰水平与频谱有效性随EA取值的变化情况，提供了更多的参考；

4、本发明在兼顾系统频谱效率与可接受的干扰水平的前提下，在不同的复用因子场景下，相应找到了使系统性能最优的EA宽度值W。

Claims (3)

1.认知星地一体化系统中联合频谱效率及干扰抑制的最优禁区宽度方法，其特征是：

设一个点波束内只有一个地球站，并且分布于点波束的中心，并能够与卫星通信，同时设在点波束内的辅助地面组件(CGC)是随机分布的，建立系统模型；

该方法包括以下步骤：

步骤A、估计组件间的干扰水平的步骤，具体为：

步骤A1、设输入输入CGC数量M，点波束半径R，EA宽度值W，地球站的发射功率P_t,Ci，地球站发射天线增益G_t,Ci，CGC的接收天线增益G_r；

步骤A2、根据系统模型计算中心波束内M个CGC的位置矩阵z；

步骤A3、根据系统模型计算相邻地球站的位置矩阵ES_pos；

步骤A4、根据EA宽度值W值，将CGC划分为七块，得到位置矩阵R_i和元素个数n_i,i＝0,1,...,6；

步骤A5、分割卫星频段成n部分{f_i}，i＝1,2,...,n,设外层循环迭代数的初始值i＝0；

步骤A6、等分R_i成n-1部分，分别分配频段f_j，j＝1,2,...,n，设内层循环迭代数的初始值p＝1；

当频率复用因子n＝7且p≤n₀时，执行以下步骤：

步骤A7、对R_i内每个坐标z(p)，定位唯一同频地球站，计算距离d和路径损耗L_c；

步骤A8、根据公式：

I_j＝P_t,Ci+G_t,Ci+G_r-L_ci(dBW)

计算每个CGC受到的干扰功率,存入矩阵I₀，令p＝p+1；

式中：j是CGC在中心点波束内的标号，i是频段的标号，1≤i≤6；P_t,Ci是指在相邻的工作频率是f_i的点波束内地球站的发射功率；G_t,Ci是指在相邻的工作频率是f_i的点波束内地球站指向第n个CGC的发射天线增益；G_r是指CGC的接收天线增益；L_ci是指从中心波束内工作在f_i的第j个CGC到相邻点波束同频地球站的路径损耗；

步骤A9、当p>n_i时，退出内层循环，令i＝i+1；

当i≤6时执行以下步骤：

步骤A10、等分R_i成n-2部分，分别分配频段f_j，j＝1,2,..,5，设内层循环迭代数p＝1；

当p≤n_i时，返回执行步骤A7：

当i>6时，执行以下步骤：

步骤A11、退出外层循环，得到M个CGC所受到的干扰功率{I_m}，m＝0,1,...,6；

步骤A12、绘制复用因子为n时的干扰水平CDF曲线；

步骤B、估计组件间的干扰水平的步骤，具体为：

步骤B1、输入M，R，复用因子n，令i＝1，W＝0；

当W≤R时，执行以下步骤：

步骤B2、根据W取值，把中心波束内的CGC分割成七块，位置矩阵分别是R_m，m＝0,1,...,6，得到区域R_i内CGC的数量n_i；

步骤B3、把工作频段划分成n段，计算子频带带宽B_sub，N_in，N_out；

步骤B4、根据公式：

$B_{avail}=\frac{B_{sub}\&CenterDot;\&lsqb;N_{in}\&CenterDot;(n-2)+N_{out}\&CenterDot;(n-1)\&rsqb;}{B_{all}}$

计算B_avail,令i＝i+1,W＝W+1500；

式中，N_in和N_out分别指中心波束在EA内部和外部的CGC数量，n频率复用因子，B_sub是指子频带的带宽，B_all是指传统模式下中心波束内每个CGC允许使用的频带资源的总和；

步骤B5、循环停止后，绘制复用因子为n时的标准有效带宽B_avail随W的变化曲线；

步骤C、寻求最佳禁区(EA)宽度的实现步骤：

步骤C1、输入M，R,链路有效性L_a，复用因子n；

步骤C2、令i＝1，W＝0，计算p＝[L_a·M+1]，并向负无穷方向取整；

当W≤R时，执行以下步骤：

步骤C3、计算复用因子n，EA宽度值是W的所有CGC的干扰功率,存储于矩阵I；

步骤C4、对矩阵I中的元素由小到大排序，存储到矩阵I'；

步骤C5、取矩阵I'的第p个元素，存储于矩阵I_accept(i)，令i＝i+1,W＝W+1500；

步骤C6、循环停止后，得到在不同的L_a与n下I_accept随W的变化曲线；取曲线转折点处对应的W值，即：为最佳的禁区EA宽度。

2.根据权利要求1所述的认知星地一体化系统中联合频谱效率及干扰抑制的最优禁区宽度方法，其特征在于当复用因子n为3或4时，步骤A7和A8分别由步骤A71至步骤A73替换：

步骤A71、对R_i内坐标为z(p)的CGC，定位同频地球站的数量q，计算距离d和路径损耗L_c，m＝1；

当m≤q时，循环执行步骤A72：

步骤A72、根据公式：

$I_j=\underset{p=1}{\overset{q}{\&Sigma;}}{I}_{j,p}=\underset{p=1}{\overset{q}{\&Sigma;}}(P_{t,Cip}+G_{t,Cip}+G_r-L_{Cip})$

计算坐标为z(p)的CGC受到的第m个地球站的干扰功率,存入矩阵I(m)，m＝m+1；

式中：q是指与中心波束第j个CGC同频的地球站的个数；下标C_ip是指工作在f_i频段的第p个相邻点波束；

当m>q时，执行以下步骤：

步骤A73、对矩阵I按行求和，得到坐标为z(p)的多个地面辅助组件(CGCs)受到的合计干扰功率,存入矩阵I_i，p＝p+1；

执行完以上三步后，执行步骤A9。

3.根据权利要求1所述的根据权利要求1所述的认知星地一体化系统中联合频谱效率及干扰抑制的最优禁区宽度方法，其特征在于该方法的应用场景为：点波束内的地球站对相邻波束内的地面用户的上行链路造成干扰，导致CGC接收的信号质量下降的场合。