CN106850036A - 一种基于优先级的中轨卫星系统可移动点波束调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于优先级的中轨卫星系统可移动点波束调度方法。该方法同时考虑了降雨衰减对系统带来的影响，策略执行过程中涉及两类用户，即普通用户和特殊用户，特殊用户的优先级较高。并且，本发明构建了可移动点波束的调度优化模型，该模型针对特殊用户引入了余量衰减因子，旨在考虑降雨环境下为特殊用户优先提供服务质量的同时最大化覆盖用户的数量，在此基础上通过二分图法求出该模型的近似最优解。

Description

一种基于优先级的中轨卫星系统可移动点波束调度方法

技术领域

本发明涉及一种基于优先级的中轨卫星系统可移动点波束调度方法，特别是应用于卫星通信系统的波束调配与管理方案设计

背景技术

通信卫星的有效载荷需求不断增强，由于可移动点波束能够灵活调整天线指向，实现局部区域信号覆盖，并且具有结构简单、精度高等优点，因此被越来越多的应用于各类航天器上。当卫星天线需要覆盖特定区域内的多个目标时，为了保证特定目标的增益要求，同时使得可移动点波束的资源利用率得到某种程度上的最大化，就需制定天线指向策略，并在此基础上寻找可移动点波束的最优指向点，通过最优化算法确定指向位置。

同时，随着卫星通信的发展以及终端用户业务需求量的不断增大，拥有较高频段带宽的Ka频段，越来越受到重视并已开始投入使用。目前，O3b公司计划部署的16颗卫星中，每颗卫星包含12个可移动点波束，其中10个点波束为用户波束，其余2个点波束为信关站波束，并且波束均采用Ka频段，以实现用户的宽带接入。因此，采用Ka频段的可移动点波束能够为用户提供高速率大带宽服务，并且可以实现用户的按需覆盖。然而，在实际的使用过程中，Ka频段卫星通信系统链路性能会受到降雨衰减的影响，进而导致信道条件发生恶化。另一方面，在卫星通信系统中，可能要同时支持地面普通终端及一些快速移动终端的通信，这些终端具有不同的优先级。在降雨条件下，如何设计合适的点波束调度策略以抵抗降雨衰减的影响，同时对不同优先级的用户提供服务质量保证未曾有公开文献报道。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术不足，通过点波束调度，首先保证高优先级用户的服务质量，有效克服降雨环境对Ka频段卫星通信系统所带来的影响，进一步增强通信卫星的业务支持能力，以便为天地一体化信息网络、一带一路等国家重大规划中的通信卫星等各类卫星系统提供支撑。

本发明的技术方案是：一种基于优先级的中轨卫星系统可移动点波束调度方法，步骤如下：

1)设移动卫星通信系统中有S颗卫星，每颗卫星包含Q个可移动点波束；

2)设置三个集合：卫星集S_set、可移动点波束集B_set和用户集U_set；；将可移动点波束集合B_set划分为S个子集(B_set)₁，(B_set)₂，…，(B_set)_S；

3)轮询卫星集S_set中的每个卫星节点，从用户集U_set中找出与第i颗卫星处于物理可见的用户集(V_i)_set；

4)对于卫星集S_set中的第i个卫星节点，轮询该卫星节点的Q个可移动点波束；对可移动点波束j，对用户集(V_i)_set中的每个用户进行遍历，计算(V_i)_set中与该用户处于同一波束覆盖范围内的用户数Cover_ijk，其中角标i表示第i个卫星节点，角标j代表第j个可移动点波束，角标k表示第k个用户；

5)计算则第i颗卫星的第j个可移动点波束的中心指向Cover_ijk最大值所对应的用户C_ijk，最终生成用户集(C_ijk)_set；

6)令(V_i)_set＝(V_i)_set-(C_ijk)_set，对第i颗卫星的第j+1号可移动点波束，重复执行步骤4)-步骤5)，直至Q个可移动点波束遍历完成，记最终被卫星i服务的用户集合为(SU_i)_set；

7)对第i+1颗卫星，更新(V_j+1)_set，即(V_i)_set＝(V_i)_set-(SU_i)_set，重复执行步骤3)-步骤6)，直至遍历完所有用户或所有卫星，完成用户与用户之间的通信。

步骤4)中判断用户是否在同一波束覆盖范围内的准则为：

建立通过点波束调度为用户提供通信服务的数学模型：

obj max(Nc)

s.t.α≥Elevation_th

β≤Swing_th

θ≤Hpbw_th

其中，表示在可移动点波束指向调度完成后可以被覆盖的用户数量；bc_ij表示第i颗卫星的第j号可移动点波束覆盖的用户数量，其中1≤i≤S，1≤j≤Q；α为卫星-用户连线与地平线的夹角，Elevation_th为用户终端的最低通信仰角；β为用户-卫星连线与卫星-地心连线的夹角，Swing_th为卫星可移动点波束摆动的最大范围；θ为用户-卫星连线与卫星-波束中心连线的夹角，即相对于天线功率方向图最大方向的角度，Hpbw_th为卫星可移动点波束天线的半功率角；E_b/N₀为用户通过链路预算所获得的下行链路信噪比；D_t为用户的解调门限；F_m为考虑降雨影响的衰减余量因子；

对于高优先级用户，通过链路预算所获得的下行链路信噪比大于用户的解调门限与衰减余量因子之和，则认为用户在同一波束覆盖范围内；

对于低优先级用户，通过链路预算所获得的下行链路信噪比大于用户的解调门限，则认为用户在同一波束覆盖范围内。

所述用户通过链路预算所获得的下行链路信噪比E_b/N₀的具体方法为：

E_b/N₀＝[C/N]_d-10lgR_b+10lg(B)；

其中，R_b为下行链路信息传输速率；B为接收机带宽；[C/N]_d为卫星下行链路的载噪比；

[C/N]_d＝[EIRP]_s-L_d-ΔL_d+[G/T]_e-10lg(kB)；

其中，[EIRP]_s为卫星可移动点波束等效全向辐射功率；L_d为下行链路自由空间传播损耗；ΔL_d为下行链路附加损耗，包括大气吸收、指向误差和极化误差；[G/T]_e为地面终端品质因数；k为玻尔兹曼常数；其中，[EIRP]_s和L_d的计算方法如下：

[EIRP]_s＝P_s-L_t+G_t；

其中，P_s为卫星可移动点波束额定输出功率；L_t为发射系统馈线损耗；G_t为可移动点波束发射天线增益；即卫星到地面终端的距离；λ为下行链路工作波长；根据电磁场理论，G_t的计算方法如下：

其中，G₀为天线功率方向图最大方向的发射增益；P(θ)为均匀圆孔径场分布的归一化功率方向函数，J₁(x)为一阶Bessel函数；D为天线的口径。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明设计一种基于优先级的中轨卫星系统可移动点波束调度方法，该方法同时考虑了降雨衰减对系统带来的影响。策略执行过程中涉及两类用户，即普通用户和特殊用户，特殊用户的优先级较高。

本发明构建了可移动点波束的调度优化模型，该模型针对特殊用户引入了衰减余量因子，旨在考虑降雨环境下为特殊用户优先提供服务质量的同时最大化覆盖用户的数量，在此基础上通过二分图法求出该模型的近似最优解。

附图说明

图1为卫星点波束指向示意图；

图2为卫星集S_set、可移动点波束集B_set和用户集U_set及其对应关系；

图3为本发明的基于用户优先级的抵抗降雨衰减的点波束调度方法的执行过程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。

为了求解如模型(1)所示的可移动点波束调度优化模型，本发明设置了三个集合：卫星集S_set、可移动点波束集B_set和用户集U_set，如图2所示。

在有S颗卫星的移动卫星通信系统中，倘若每颗卫星包含Q个可移动点波束，则可移动点波束集合B_set可以划分为S个子集(B_set)₁，(B_set)₂，…，(B_set)_S。由于某一特定可移动点波束能够覆盖多个用户，而一个用户只能够使用一个可移动点波束进行通信，因此本发明所建立优化模型(1)可以归纳为求解集合B_set与集合U_set中元素的最佳匹配，一种匹配关系如图2所示。目前，信息科学领域中许多待解决的组合优化问题可被转换为二分图的最大权完美匹配问题。本发明采用二分图最大权匹配方法对优化模型(1)进行求解。方法的具体求解过程如图3所示。

该方法包含如下步骤：

一种基于优先级的中轨卫星系统可移动点波束调度方法，其特征在于步骤如下：

1)设移动卫星通信系统中有S颗卫星，每颗卫星包含Q个可移动点波束；

2)设置三个集合：卫星集S_set、可移动点波束集B_set和用户集U_set；；将可移动点波束集合B_set划分为S个子集(B_set)₁，(B_set)₂，…，(B_set)_S；

3)轮询卫星集S_set中的每个卫星节点，从用户集U_set中找出与第i颗卫星处于物理可见的用户集(V_i)_set；

4)对于卫星集S_set中的第i个卫星节点，轮询该卫星节点的Q个可移动点波束；对可移动点波束j，对用户集(V_i)_set中的每个用户进行遍历，计算(V_i)_set中与该用户处于同一波束覆盖范围内的用户数Cover_ijk，其中角标i表示第i个卫星节点，角标j代表第j个可移动点波束，角标k表示第k个用户；其中判断用户是否在同一波束覆盖范围内的准则为：

建立通过点波束调度为用户提供通信服务的数学模型：

obj max(Nc)

s.t.α≥Elevation_th

β≤Swing_th

θ≤Hpbw_th

其中，表示在可移动点波束指向调度完成后可以被覆盖的用户数量；bc_ij表示第i颗卫星的第j号可移动点波束覆盖的用户数量，其中1≤i≤S，1≤j≤Q；α为卫星-用户连线与地平线的夹角，Elevation_th为用户终端的最低通信仰角；β为用户-卫星连线与卫星-地心连线的夹角，Swing_th为卫星可移动点波束摆动的最大范围；θ为用户-卫星连线与卫星-波束中心连线的夹角，即相对于天线功率方向图最大方向的角度，Hpbw_th为卫星可移动点波束天线的半功率角；E_b/N₀为用户通过链路预算所获得的下行链路信噪比；D_t为用户的解调门限；F_m为考虑降雨影响的衰减余量因子；

对于高优先级用户，通过链路预算所获得的下行链路信噪比大于用户的解调门限与衰减余量因子之和，则认为用户在同一波束覆盖范围内；

对于低优先级用户，通过链路预算所获得的下行链路信噪比大于用户的解调门限，则认为用户在同一波束覆盖范围内。

5)计算则第i颗卫星的第j个可移动点波束的中心指向Cover_ijk最大值所对应的用户C_ijk，最终生成用户集(C_ijk)_set；

6)令(V_i)_set＝(V_i)_set-(C_ijk)_set，对第i颗卫星的第j+1号可移动点波束，重复执行步骤4)-步骤5)，直至Q个可移动点波束遍历完成，记最终被卫星i服务的用户集合为(SU_i)_set；

7)对第i+1颗卫星，更新(V_j+1)_set，即(V_i)_set＝(V_i)_set-(SU_i)_set，重复执行步骤3)-步骤6)，直至遍历完所有用户或所有卫星，完成用户与用户之间的通信。

所述用户通过链路预算所获得的下行链路信噪比E_b/N₀的具体方法为：

E_b/N₀＝[C/N]_d-10lgR_b+10lg(B)；

其中，R_b为下行链路信息传输速率；B为接收机带宽；[C/N]_d为卫星下行链路的载噪比；

[C/N]_d＝[EIRP]_s-L_d-ΔL_d+[G/T]_e-10lg(kB)；

其中，[EIRP]_s为卫星可移动点波束等效全向辐射功率；L_d为下行链路自由空间传播损耗；ΔL_d为下行链路附加损耗，包括大气吸收、指向误差和极化误差；[G/T]_e为地面终端品质因数；k为玻尔兹曼常数；其中，[EIRP]_s和L_d的计算方法如下：

[EIRP]_s＝P_s-L_t+G_t；

其中，P_s为卫星可移动点波束额定输出功率；L_t为发射系统馈线损耗；G_t为可移动点波束发射天线增益；即卫星到地面终端的距离；λ为下行链路工作波长；根据电磁场理论，G_t的计算方法如下：

其中，G₀为天线功率方向图最大方向的发射增益；P(θ)为均匀圆孔径场分布的归一化功率方向函数，J₁(x)为一阶Bessel函数；D为天线的口径。

Claims (3)

1.一种基于优先级的中轨卫星系统可移动点波束调度方法，其特征在于步骤如下：

1)设移动卫星通信系统中有S颗卫星，每颗卫星包含Q个可移动点波束；

2)设置三个集合：卫星集S_set、可移动点波束集B_set和用户集U_set；；将可移动点波束集合B_set划分为S个子集(B_set)₁，(B_set)₂，…，(B_set)_S；

3)轮询卫星集S_set中的每个卫星节点，从用户集U_set中找出与第i颗卫星处于物理可见的用户集(V_i)_set；

4)对于卫星集S_set中的第i个卫星节点，轮询该卫星节点的Q个可移动点波束；对可移动点波束j，对用户集(V_i)_set中的每个用户进行遍历，计算(V_i)_set中与该用户处于同一波束覆盖范围内的用户数Cover_ijk，其中角标i表示第i个卫星节点，角标j代表第j个可移动点波束，角标k表示第k个用户；

5)计算则第i颗卫星的第j个可移动点波束的中心指向Cover_ijk最大值所对应的用户C_ijk，最终生成用户集(C_ijk)_set；

6)令(V_i)_set＝(V_i)_set-(C_ijk)_set，对第i颗卫星的第j+1号可移动点波束，重复执行步骤4)-步骤5)，直至Q个可移动点波束遍历完成，记最终被卫星i服务的用户集合为(SU_i)_set；

7)对第i+1颗卫星，更新(V_j+1)_set，即(V_i)_set＝(V_i)_set-(SU_i)_set，重复执行步骤3)-步骤6)，直至遍历完所有用户或所有卫星，完成用户与用户之间的通信。

2.根据权利要求1所述的一种基于用户优先级划分的中轨卫星系统可移动点波束调度方法，其特征在于：步骤4)中判断用户是否在同一波束覆盖范围内的准则为：

建立通过点波束调度为用户提供通信服务的数学模型：

obj max(Nc)

s.t.α≥Elevation_th

β≤Swing_th

θ≤Hpbw_th

其中，表示在可移动点波束指向调度完成后可以被覆盖的用户数量；bc_ij表示第i颗卫星的第j号可移动点波束覆盖的用户数量，其中1≤i≤S，1≤j≤Q；α为卫星-用户连线与地平线的夹角，Elevation_th为用户终端的最低通信仰角；β为用户-卫星连线与卫星-地心连线的夹角，Swing_th为卫星可移动点波束摆动的最大范围；θ为用户-卫星连线与卫星-波束中心连线的夹角，即相对于天线功率方向图最大方向的角度，Hpbw_th为卫星可移动点波束天线的半功率角；E_b/N₀为用户通过链路预算所获得的下行链路信噪比；D_t为用户的解调门限；F_m为考虑降雨影响的衰减余量因子；

对于高优先级用户，通过链路预算所获得的下行链路信噪比大于用户的解调门限与衰减余量因子之和，则认为用户在同一波束覆盖范围内；

对于低优先级用户，通过链路预算所获得的下行链路信噪比大于用户的解调门限，则认为用户在同一波束覆盖范围内。

3.根据权利要求2所述的一种基于用户优先级划分的中轨卫星系统可移动点波束调度方法，其特征在于：所述用户通过链路预算所获得的下行链路信噪比E_b/N₀的具体方法为：

E_b/N₀＝[C/N]_d-10lg R_b+10lg(B)；

其中，R_b为下行链路信息传输速率；B为接收机带宽；[C/N]_d为卫星下行链路的载噪比；

[C/N]_d＝[EIRP]_s-L_d-ΔL_d+[G/T]_e-10lg(kB)；

其中，[EIRP]_s为卫星可移动点波束等效全向辐射功率；L_d为下行链路自由空间传播损耗；ΔL_d为下行链路附加损耗，包括大气吸收、指向误差和极化误差；[G/T]_e为地面终端品质因数；k为玻尔兹曼常数；其中，[EIRP]_s和L_d的计算方法如下：

[EIRP]_s＝P_s-L_t+G_t；

$L_d=10\lg {\left(\frac{4\mathrm{\π}\left|\stackrel{\→}{SA}\right|}{\mathrm{\λ}}\right)}^2;$

其中，P_s为卫星可移动点波束额定输出功率；L_t为发射系统馈线损耗；G_t为可移动点波束发射天线增益；即卫星到地面终端的距离；λ为下行链路工作波长；根据电磁场理论，G_t的计算方法如下：

$G_t=G_0\×P\left(\mathrm{\θ}\right)=G_0\×\frac{4{J_1}^2(\mathrm{\π}\mathrm{\θ}D/\mathrm{\λ})}{{(\mathrm{\π}\mathrm{\θ}D/\mathrm{\λ})}^2}$

其中，G₀为天线功率方向图最大方向的发射增益；P(θ)为均匀圆孔径场分布的归一化功率方向函数，J₁(x)为一阶Bessel函数；D为天线的口径。