CN107835528B - 星地一体化网络中基于干扰避免的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于兼顾公平性的能量高效的星地一体化网络中基于干扰避免的资源分配方法，涉及信息与通信技术领域。所述方法包括如下步骤：步骤一：根据小区内CGC基站或用户的位置，获得所述CGC基站或用户对应的不同频段的卫星波束隔离度，并按照隔离度大小将不同频段的卫星波束进行排序；步骤二：给小区的边缘用户进行资源分配时，优先分配具有高隔离度的卫星波束。本发明针对地面网络终端上行链路对卫星干扰的场景，采用了通过对隔离度进行分级排序，采取给用户分配资源是首选较高隔离度频率的资源分配方法，从根本上降低了同频干扰。在保证星地一体化网络吞吐量、能量效率、抗干扰性能较高的同时保证小区簇之间的公平性。

Description

星地一体化网络中基于干扰避免的资源分配方法

技术领域

本发明涉及信息与通信技术领域，具体涉及基于CGC基站位置和终端状态的资源分配 方法。

背景技术

卫星网络与地面网络相辅相成互相影响，共同作用于地面用户。将地面用户主要分为 两大类：卫星网络终端用户以及地面基站用户。星地频谱共享方法的提出大幅度提升了系 统的频谱利用率，然而这也面临另一个困扰，卫星网络与地面网络之间的会产生一定的同 频干扰，这导致星地链路同频干扰大幅度降低，信干噪比(SINR,Signal toInterference plus Noise Radio)、能量效率较低。因此，不断优化星地频谱共享方法已成为当前研究 的热点问题。

星地一体化网络能够充分利用卫星网络广阔的服务区域以及地面网络的用户密集自 适应云接入的互补优势，从而实现高速移动宽带网络的全天候以及全地域无缝覆盖，满足 各类用户对于全球全天候无缝覆盖通信的客观需求。星地一体化网络融合了地面网络和卫 星网络的各自的优势，既可以为人口稀少地区提供最有效的覆盖也可以为人口密集区域提 供高容量和经济的服务。此外，在星地一体化网络中，用户只需使用一个通用终端便可以 和卫星或地面网络进行通信，克服了以往需要普及度很低的专用终端的缺点，这个特点在 抗险救灾方面有着很大的应用潜力。星地一体化网络是实现全球无缝覆盖的有效方式，具 有较强的发展前景，代表了未来网络的发展方向。

当今社会，随着信息需求量的飞速增长，频谱资源越来越有限。星地一体化网络中频 谱共享技术的提出有效地解决这一问题。与此同时，现有的频谱共享方法也带来了巨大的 同频干扰。很自然的，可以借鉴地面LTE-A网络中干扰避免的思想提出一种建立保护区的 干扰避免方法。如果能实现这一设想，毫无疑问将大大降低星地一体化网络频谱共享方法 案对地面终端与CGC基站的同频干扰问题，为星地一体化网络中干扰优化带来新的曙光。 目前，关于星地一体化网络的研究主要集中在欧美国家。在2001年，由MobileSatellite Venture(MSV)率先提出构建星地一体化网络的设想。继MSV公司之后，全球星(GlobalStar) 公司、中圆轨道公司、地网星(TerreStar)公司以及其他卫星移动运营商都相继开始基于 ATC技术构建自己的星地一体化系统。MSV所提出的星地一体化系统主要由两部分构成： 基于卫星和卫星信关站的天基网络(Space Based Network,SBN)和基于地面辅助组件 (Ancillary Terrestrial Component,ATC)的辅助地面网络(AncillaryTerrestrial Network,ATN)。可以看出辅助地面网络并不是一个与卫星网络相互独立的网络，而是相 互融合相互协作的关系。基于ATC技术的星地一体化系统重要特征即频谱共享技术。许多 科学家在此基础上建立不同的星地频谱共享方法来有效进行干扰避免。

现有卫星一体化干扰研究场景多为卫星网络终端上行链路对CGC的干扰，并没有考虑 地面上行链路对卫星的干扰：现有的星地一体化网络所采用的频率复用方法针对地面终端 上行链路对卫星干扰严重、吞吐量低且能效低；在频率资源分配方面，现有的资源调度方 法并没有兼顾到地面软频率复用策略，因而星地一体化系统吞吐量提升有限且小区间公平 性较差。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种基于兼顾公平性的能量高效的星地一体化网络中基于 干扰避免的资源分配方法。

本发明的星地一体化网络中基于干扰避免的资源分配方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：根据小区内CGC基站或用户的位置，获得所述CGC基站或用户对应的不同频 段的卫星波束隔离度，并按照隔离度大小将不同频段的卫星波束进行排序；

步骤二：给小区的边缘用户进行资源分配时，优先分配具有高隔离度的卫星波束。

优选的是，所述步骤一还包括：

将隔离度最高的卫星波束与隔离度最低的卫星波束分为一组，隔离度次高的卫星波束 与隔离度次低的卫星波束分为一组，依此类推进行分组；

所述步骤二中，给小区的边缘用户进行资源分配的方法为：为某小区的边缘用户分配 一组卫星波束，当该小区的边缘用户密度较低时，优先分配给该边缘用户高隔离度的卫星 波束，当该小区的边缘用户密度过半直至趋于满载时，同时将所述一组频段中的低隔离度 的卫星波束分配给该用户。

优选的是，所述方法还包括：

所述小区中心的用户采用全频段复用。

优选的是，所述步骤一还包括：

通过CGC基站或用户到目标卫星波束中心的方向角，进而实现设置所述CGC基站或用 户对应目标卫星波束的隔离度。

优选的是，所述CGC基站或用户到相应目标卫星波束中心的方向角：

其中CGC基站或用户在卫星多波束分布区域内的位置坐标为(x_t,y_t)，目标卫星波束 中心的位置坐标为(x_s,y_s)；

根据获得方向角θ和卫星多波束天线的方向，得到所述目标卫星波束中心在此CGC基 站或用户方向的接收增益Gr，满足Gr<G_max-Z-EZ，获得目标卫星波束形成的保护区 提供的隔离度EZ，G_max为卫星多波束天线的最大增益，Z表示目标卫星波束的宽度，单 位dB。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本 发明的目的。

本发明的有益效果在于，本发明针对地面网络终端上行链路对卫星干扰的场景，采用 了通过对隔离度进行分级排序，采取给用户分配资源是首选较高隔离度频率的资源分配方 法，从根本上降低了同频干扰。本发明采用基于干扰避免的资源分配方法，在兼顾小区间 公平性的同时，结合地面软频率复用策略，提出一种能量高效的星地软频率复用策略。在 保证星地一体化网络吞吐量、能量效率、抗干扰性能较高的同时保证小区簇之间的公平性。

附图说明

图1是本发明中星地一体化网络覆盖示意图；

图2是卫星多波束分布及频率复用方式示意图，其中km表示千米；

图3是基于CGC技术的星地一体化网络架构；

图4是地面网络终端干扰类型示意图，其中LOS表示视距，NLOS表示非视距；

图5是现有卫星网络与地面网络频率复用的原理示意图，其中f1-f7表示卫星频带；

图6是现有星地频谱共享方法的原理示意图；

图7是基于保护区的星地频谱共享方法的原理示意图；

图8是卫星波束频段隔离度示意图；

图9是卫星上行链路干扰噪声比INR(interference-to-noise ratio)的累积分布曲线CDF(cumulative distribution function，)随保护区大小变化情况，图中EE(energy efficiency)表示能量效率；

图10是地面网络终端在距离地面基站不同位置R时的平均信干噪比SINR随保护区大小变化情况；

图11是本发明具体实施例的原理示意图；

图12是用户密度较低时，三小区在本发明与现有方法下的平均信干噪比SINR；

图13是三小区在本发明与现有方法下的平均信干噪比SINR随用户密度变化情况；

图14是三小区满载时在本发明与现有方法下的小区总吞吐量对比示意图；

图15是本发明与现有方法的能效随用户密度变化情况。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方法进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组 合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施方式所述的星地一体化网络中基于干扰避免的资源分配方法，包括如下步骤：

步骤一：根据小区内CGC(Complementary Ground Component，补充地面组件)基站或用户的位置，获得所述CGC基站或用户对应的不同频段的卫星波束隔离度，并按照隔离度大小将不同频段的卫星波束进行排序；

步骤二：给小区的边缘用户进行资源分配时，优先分配具有高隔离度的卫星波束。

现有频率复用方式中，处于相邻卫星波束边缘的CGC基站或地面网络终端会对卫星产 生严重的同频干扰，为了减弱这种干扰，本实施方式引入了保护区。根据Friis传输方程 式，卫星接收到信号的强度与卫星天线的接收增益有关。根据Friis传输方程可以得出距 离波束中心越远，卫星天线的接收增益越低。因此，增大卫星波束与其相邻基波束基站的 边缘基站间的同频复用距离即可降低同频干扰。根据建立的保护区，确定各频段的隔离度。 本实施方式对频段隔离度进行排序，优先分配较高隔离度频率的资源，从根本上降低同频 干扰。

优选实施例中，步骤一还包括：

将隔离度最高的卫星波束与隔离度最低的卫星波束分为一组，隔离度次高的波束与隔 离度次低的波束分为一组，依此类推进行分组；

步骤二中，给小区的边缘用户进行资源分配的方法为：为某小区的边缘用户分配一组 卫星波束频段，当该小区的边缘用户密度较低时，优先分配给该边缘用户高隔离度的卫星 波束频段，当该小区的边缘用户密度过半直至趋于满载时，同时将所述一组频段中的低隔 离度的卫星波束频段分配给该用户。

本实施方式在解决同频干扰的同时，将分组后的频段资源分配给用户，保证了小区间 的公平性，根据用户密度变化情况分配资源，实现高能量效率高的星地软频率复用。

优选实施例中，

当为小区进行资源分配时，小区中心的用户采用全频段复用，小区边缘的用户采用上 述方法进行资源分配。小区中心用户受干扰小，所以本实施方式使小区的中心用户采用全 频段复用，保证小区中心用户的能量效率。

优选实施例中，所述步骤一还包括：

通过CGC基站或用户到目标卫星波束中心的方向角，进而实现设置所述CGC基站或用 户对应目标卫星波束的隔离度。

本实施方式根据CGC基站或用户的地理情况，计算CGC基站或用户到目标卫星波束中 心的方向角，所述CGC基站或用户到相应目标卫星波束中心的方向角：

其中CGC基站或用户在卫星多波束分布区域内的位置坐标为(x_t,y_t)，目标卫星波束 中心的位置坐标为(x_s,y_s)；

根据获得方向角θ和卫星多波束天线的方向，得到所述目标卫星波束中心在此CGC基 站或用户方向的接收增益Gr，满足Gr<G_max-Z-EZ，获得目标卫星波束形成的保护区 提供的隔离度EZ，G_max为卫星多波束天线的最大增益，Z表示目标卫星波束的宽度，单 位dB。

本实施方式给出通过设置CGC基站到相应目标卫星波束中心的方向角，获得CGC基站 方向的接收增益Gr，根据接收增益Gr获得目标卫星波束形成的保护区提供的隔离度EZ。

具体实施例：本实施例的大致思路为：星地一体化网络覆盖示意图如图1所示，在现有的星地一体化频谱共享方案基础上通过建立保护区抑制干扰，对频段隔离度进行排序，进一步找出影响该方案中信干噪比的因素。与地面软频率复用策略相结合进而提出一种基于兼顾小区间公平性的能量高效的星地频率复用方法，包括：

步骤A、基于CGC技术的星地一体化网络架构如图3所示，建立星地一体化频谱共享模型，该阶段具体为：

步骤A1、卫星采用37个多波束技天线，MSS频段采用七色复用，7个卫星波束为一簇，频率复用因子为7，卫星多波束分布及频率复用方式如图2所示；

步骤A2、天线的最大增益取50dBi，半波束角为0.15度，采用的是全向天线；

步骤A3、CGC基站发射功率p_CGC，卫星发射功率p_S，CGC基站发射功率最大不超过24dBm，最小不小于-30dBm，卫星网络终端的发射功率恒为24dBm；

步骤A4、地面网络终端所处的环境为城市，卫星网络终端所处的环境为开阔地，卫星移动信道模型采用基于马可夫链的三状态模型，其中卫星信号的衰落主要由自由空间路径损耗和阴影衰落组成，阴影衰落服从对数正态分布，分布的参数和终端所处的环境有关：

步骤A5、卫星与CGC基站的用户带宽均为180KHz，载波频率2GHz，小区半径R₁，卫星波束半径R₂：

步骤A6、卫星波束数量为N，每个波束下M个基站；

地面网络终端与卫星的干扰一共分四类，分别为：地面网络终端上行链路信号对卫星 的干扰、CGC基站下行链路信号对卫星网络终端的干扰、卫星网络终端上行链路信号对CGC 基站的干扰和卫星下行链路信号对地面网络终端的干扰。在这四种干扰场景中，如图4 所示，地面网络终端上行链路信号对卫星的干扰最为严重，因此本实施方式主要针对这类 干扰场景进行分析，并且进一步讨论这类场景下的系统能效、吞吐量等性能指标影响因素：

CGC基站可以采用多种方式复用卫星网络频率，现有的频率复用方法如图5所示，这 种方法的基本原则是：除了当前所在卫星波束所使用的频率外，CGC基站可以使用整个系 统频段内其他的所有频率。在图5所示的频率复用方式中，处于相邻卫星波束边缘的CGC基站会对卫星产生严重的同频干扰。为了减弱这种干扰，本实施例引入了保护区的概念，如图7所示。根据Friis传输方程式，卫星接收到信号的强度与卫星天线的接收增益有关。根据Friis传输方程可以得出距离波束中心越远，卫星天线的接收增益越低。因此，增大 卫星波束与其相邻基波束基站的边缘基站间的同频复用距离即可降低同频干扰。

基于保护区的星地频谱共享方法的示意图如图7所示。图中阴影区域表示相应卫星波 束的保护区。在保护区内，相应卫星波束的频率不能被CGC基站复用，只有在保护区外的CGC基站才可以使用这个卫星波束的频率；

根据图7所示模型可知，保护区的大小会对星地之间的干扰产生重要的影响。然而大 的保护区也会降低地面CGC频谱利用率，从而降低地面网络的容量，因此需要折中考量保 护区大小。保护区越大可使用的频段隔离度则越高。步骤B、定义保护区大小EZ，单位：dB：

CGC基站在图1中的位置坐标为(x_t,y_t)，目标卫星波束中心的位置坐标为(x_s,y_s)。根据下式可以计算出CGC基站到目标卫星波束中心的方向角：

图2给出了卫星多波束分布及频率复用方式示意图。得到方向角θ之后，根据图2中的卫星多波束天线方向图可以得到目标卫星波束在此CGC基站方向的接收增益Gr。规 定只有满足以下条件，CGC基站才可以使用目标卫星波束所使用的频率：

Gr<G_max-3-EZ

其中，G_max为卫星多波束天线的最大增益，在这里为50dBi，3表示3dB波束宽度， EZ为保护区提供的隔离度大小。

初始化天线半波束角，发射功率，信道模型等系统参数。

星地一体化网络吞吐量可以表达为公式：

h_if——所有蜂窝基站到第f个基站的第i个用户的下行信道向量；

ω_if——所有蜂窝基站到第f个基站的第i个用户的下行预编码向量；

h_is——卫星蜂窝基站到用户i的下行信道向量；

ω_is——卫星到第i个用户的下行预编码向量；

σ²——加性高斯白噪声的方差。

系统的能量效率为：

C表示系统吞吐量p_tot表示系统总功耗；B表示系统带宽；K_f表示基站个数；F表 示用户个数；SINR_if表示信干噪比；P_if表示发射功率；P_C表示电路能耗；

进一步考虑地面网络终端数量对SINR的影响。随着地面网络终端数量的增大，卫星 上行链路的干扰功率也越来越大，当地面用户接近满载时，基于保护区的频率复用方法将 趋于无效。

考虑到地面网络终端发射功率增大的情况下，干扰功率随之增大，卫星上行链路的 SINR也会下降。地面用户越是趋于小区边缘，该用户的吞吐量及抗干扰能力越低，这类用户上行链路对卫星干扰越为严重。

步骤C、对隔离度进行排序，对于其中一个波束内的基站，对其他六个频段按保护区 大小降序排列分为六级保护如图8所示。

CGC基站信号的链路损耗可以由下式计算：

PL＝128.1+37.6log₁₀(R)+log(F)

其中R(单位：km)表示地面网络终端到基站的距离，log(F)表示服从对数正态分布的 阴影衰落，这里不予考虑。

卫星信号的链路损耗只考虑自由空间的衰落，不考虑雨衰等天气的影响。可以由下式 计算：

PL＝92.45+20log₁₀f+20log₁₀d

式中f表示载波频率(单位：GHz)，d表示信号传播的距离(单位：km)。由于地面网络终端数量很多，叠加起来干扰很大，因此基站上行链路对卫星干扰随着地面网络终端数量以及发射功率的增大而增大。

为进一步找出影响上行链路信干噪比因素，引入主要干扰源的概念，像干扰大小降序 排列。图9给出星地链路能量效率随保护区大小变化情况。可以发现，随着保护区增大， 使用频段的隔离度越大，系统能量效率越高。

图10给出了地面网络终端在距离地面基站不同位置R时的SINR随保护区大小变化情况，随着R的减小，地面网络终端越趋近于地面基站中心。其发射功率的增加对于星地 链路信干噪比和能量效率影响越大，这是由于地面网络终端距离基站越近，接收到的有用 信号就越强，地面网络终端下行链路的SINR与能量效率就越高这是从增大有用信号接收 强度考虑的。此外随着保护区的增大，地面网络终端下行链路能效和SINR二者逐步上升， 这是由于保护区大小直接减小干扰的大小，而且该地面终端的用户与卫星之间的距离增 大，卫星信号链路衰减略有增大，进一步降低了卫星下行链路造成的干扰。这是从降低干 扰的角度提升系统的信干噪比和能量效率。

图11是本发明提出的能量高效的星地软频率复用方法的原理示意图。其中，小 区一、小区二与小区三为一簇，位于卫星波束F1之内，该簇小区与周边六个卫星波 束的隔离度如图所示。图中小区一、小区二与小区三中心区域采用全频复用策略。本 实施例基于公平性，首先将该基站/用户位置对应的不同频段的卫星波束隔离度进行 排序。将隔离度最高的波束F5与隔离度最低的波束F4分为一组，隔离度次高的波束 F3与隔离度次低的波束F6分为一组以此类推。当波束边缘有用户接入，首先接入较 高隔离度的保护的频段，当用户密度较小时始终采用较优的频段，当隔离度高的频段 无法有效覆盖用户后再接入较低级别隔离度保护的频段。

仿真实验：

现有的星地软频率复用方法如图5所示，将地面三个小区划分为一簇，首先分析在不同用户密度下三个小区在现有的星地软频率复用方法和本发明实施例能量高效 的星地软频率复用方法下的信干噪比进行仿真，结果如图12和图13所示。

仿真结果表明，本发明提出的能量高效的星地频谱共享方法用户受到来自卫星的信干噪比在小区一高于现有方法15dB，小区三高于现有方法10dB，小区二两种方法 SINR持平，因此在用户密度较低时，本发明提出的方法在SINR性能指标上具有明显 的优势。当用户密度较低时，本发明所提出的方法SINR具有明显的优势，随着小区 用户越来越多直至区域满载，本发明提出的方法信干噪比有所下降，但是整簇小区 SINR要明显高于现有星地软频率复用方法。

图14表明在考虑能量高效的星地软频率复用方法在最差的情况下，即三小区皆满载时小区两种不同方法下的吞吐量对比。仿真结果表明，当小区满载时，本发明所 提出的能量高效星地软频率复用方法在三小区吞吐量较为相近，并且都保持在较高的 吞吐量水平上。然而，现有方法小区间吞吐量差异悬殊，不利于小区间用户公平性的 实现。小区一和小区三吞吐量过低影响到这两个小区的有效覆盖面积，因此，本发明 提出的能量高效的星地软频率复用方法具有更强的用户公平性。同时，本发明所提出 的方法，每簇小区总吞吐量为3591+3738+3885＝11214Mbit/s，高于现有方法下 的吞吐量，因此，本发明提出的能量高效的星地软频率复用方法能够兼顾小区间公平 性和每簇小区的高吞吐量。

图15为本发明能量高效的星地软频率复用方法的能量效率在不同用户密度下的仿真结果。仿真结果表明，当用户密度较小时本文所提出的方法的能量效率相较于现 有方法具有明显的优势，随着用户趋于满载，系统能效有所降低，但是新方法在能效 的最低值依然要高于原始方法的最大值。这就表明，本发明提出的频率分配策略是具 有较高能量效率的一种频率复用方法。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例 仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多 修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范 围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要 求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他 所述实施例中。

Claims (4)

1.一种星地一体化网络中基于干扰避免的资源分配方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一：根据小区内CGC基站或用户的位置，获得所述CGC基站或用户对应的不同频段的卫星波束隔离度，并按照隔离度大小将不同频段的卫星波束进行排序；

步骤二：给小区的边缘用户进行资源分配时，优先分配具有高隔离度的卫星波束；

所述步骤一还包括：

将隔离度最高的卫星波束与隔离度最低的卫星波束分为一组，隔离度次高的卫星波束与隔离度次低的卫星波束分为一组，依此类推进行分组；

所述步骤二中，给小区的边缘用户进行资源分配的方法为：为某小区的边缘用户分配一组卫星波束，当该小区的边缘用户密度较低时，优先分配给该边缘用户高隔离度的卫星波束，当该小区的边缘用户密度过半直至趋于满载时，同时将所述一组频段中的低隔离度的卫星波束分配给该用户。

2.根据权利要求1所述的星地一体化网络中基于干扰避免的资源分配方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述小区中心的用户采用全频段复用。

3.根据权利要求1所述的星地一体化网络中基于干扰避免的资源分配方法，其特征在于，所述步骤一还包括：

通过CGC基站或用户到目标卫星波束中心的方向角，进而实现设置所述CGC基站或用户对应目标卫星波束的隔离度。

4.根据权利要求3所述的星地一体化网络中基于干扰避免的资源分配方法，其特征在于，所述CGC基站或用户到相应目标卫星波束中心的方向角：

其中CGC基站或用户在卫星多波束分布区域内的位置坐标为(x_t,y_t)，目标卫星波束中心的位置坐标为(x_s,y_s)；

根据获得方向角θ和卫星多波束天线的方向，得到所述目标卫星波束中心在此CGC基站或用户方向的接收增益Gr，满足Gr<G_max-Z-EZ，获得目标卫星波束形成的保护区提供的隔离度EZ，G_max为卫星多波束天线的最大增益，Z表示目标卫星波束的宽度，单位dB。

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