CN109121147B - 一种基于跳波束调度资源的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于跳波束调度资源的方法，包括下列步骤：将卫星覆盖区域划分成多个小区；将每个小区划分成多个大小相等的矩形单元；用第一三维矩阵表示每个矩形单元在不同时刻的实际信道容量；用第二三维矩阵表示在不同时刻是否对每个矩形单元服务，其中第二三维矩阵的元素1表示在某个时刻用跳波束服务相应矩形单元，元素0表示在某个时刻不服务相应矩形单元；用第一三维矩阵与第二三维矩阵的乘积表示目标矩阵；调整第二三维矩阵，使得目标矩阵的全部元素之和最大；以及根据调整后的第二三维矩阵服务相应矩形单元。通过该方法，可以针对低轨卫星快速移动的场景，优化各卫星覆盖区的跳波束资源分配，从而更好地调度宝贵的空间资源。

Description

一种基于跳波束调度资源的方法

技术领域

本发明总体而言涉及卫星通信领域，具体而言涉及一种基于跳波束调度资源的方法。

背景技术

近年来，随着低轨卫星(LEO,low-earth orbit satellite)移动通信技术的发展，低轨卫星通信业务由于其自身的优势已引起了人们的广泛关注。随着国家的战略需求不断拓展，人们已经不再仅仅满足于地面现有的通信技术，而是着眼于实现天地一体化的、覆盖全球化、个人移动通信网络的多媒体卫星通信系统，低轨宽带卫星组网通信技术则是实现通信全球化和商业化的重要手段。然而，由于轨道高度低、卫星覆盖范围不断变化，低轨卫星往往面临着复杂多变的电磁环境和各式各样的干扰；各个国家对于通信卫星的频段划分也不尽相同，使得低轨卫星通信的资源动态变化；除此之外，不同地区的卫星用户终端分布情况各不相同，使得地轨卫星通信的用户需求分布也动态变化。因此，面对资源和需求动态变化的挑战，针对于低轨卫星环境的复杂性，如何高效地调度宝贵的空间资源以满足低轨卫星通信的业务需求，成为业界广泛关注亟需解决的问题。

跳波束技术，作为一种最灵活的技术，被证明能够提高卫星资源在带宽和功率方面的使用效率。跳波束技术为时域带宽分配提供了便利的平台，通过改变跳变波束在每个小区的驻留时间，即时隙数目，可以实现星上带宽资源共享。

然而，目前大多数现有的GEO卫星的跳波束方案并不能用于LEO卫星。跳波束技术目前只应用于高轨卫星，其中一个典型的案例是美国国家宇航局的先进通信技术卫星(ACTS)，ACTS通信有效载荷使用了多波束、高增益的跳波束天线，允许使用较小直径的地球站天线，可以按需提供完整的语音、视频和数据通信服务。大量研究已显示出跳波束的技术优越性，但是现有技术仍然需要一种可用于低轨卫星的、基于跳波束技术优化资源分配的方案。

发明内容

从现有技术出发，本发明的任务是提供一种基于跳波束调度资源的方法，通过该方法，可以针对低轨卫星快速移动的场景，优化各卫星覆盖区的跳波束资源分配，从而更好地调度宝贵的空间资源，满足卫星通信业务需求。

根据本发明，前述任务通过一种基于跳波束调度资源的方法来解决，该方法包括下列步骤：

将卫星覆盖区域划分成多个小区；

将每个小区划分成多个大小相等的矩形单元；

用第一三维矩阵表示每个矩形单元在不同时刻的实际信道容量；

用第二三维矩阵表示在不同时刻是否对每个矩形单元服务，其中第二三维矩阵的元素1表示在某个时刻用跳波束服务相应矩形单元，元素0表示在某个时刻不服务相应矩形单元；

用第一三维矩阵与第二三维矩阵的乘积表示目标矩阵；

调整第二三维矩阵，使得目标矩阵的全部元素之和最大；以及

根据调整后的第二三维矩阵服务相应矩形单元。

在本发明的一个优选方案中规定，第一三维矩阵为A(m,n,k),其中m和n分别为矩形单元的行列号并且k为时刻，并且其中每个矩形单元在每个时刻的实际信道容量为下面两项中的较小者：

卫星为每个矩形单元提供的最大信道容量；以及

每个矩形单元中所有用户信道容量需求之和。

通过该优选方案，可以简单地对各小区的用户资源需求建模。但是在此应当指出，在本发明的教导下，其它建模方式也是可设想的。

在本发明的另一优选方案中规定，第二三维矩阵为B(m,n,k,s)，其中m和n分别为矩形单元的行列号并且k为时刻,并且s为卫星覆盖区所能提供的跳波束数目。通过该优选方案，可以简单地跳波束调度方案建模。但是在此应当指出，在本发明的教导下，其它建模方式也是可设想的。

在本发明的一个扩展方案中规定，所述方法被用于低轨卫星通信。

在本发明的另一扩展方案中规定，卫星覆盖每个小区的时间相等。

本发明至少具有下列有益效果：(1)本发明的调度方案考虑到低轨卫星的快速移动场景和各小区的用户动态变化场景，较好地优化了跳波束的资源调度，这是因为对各小区的用户资源需求建模和对跳波束调度方案的建模都考虑到时间维度、即其数据均随时间动态变化，因此最后的调度结果完美地解决了调度的时变性和最优性；(2)本发明的调度优化算法计算简单，因此可节约计算资源、尤其是宝贵的卫星计算资源。

附图说明

下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。

图1示出了卫星覆盖区域小区划分示意图；

图2示出了小区内的矩形单元的示意图；

图3示出了三维矩阵的立体坐标的示意图；

图4示出了第一三维矩阵和第二三维矩阵的示意图，其中第一三维矩阵表征每个矩形单元在不同时刻的实际信道容量，并且第二三维矩阵表征在不同时刻是否对每个矩形单元服务；以及

图5示出了第一矩阵和第二矩阵相乘的示意图。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。

针对低轨卫星(LEO)快速移动场景，卫星数量庞大且波束动态覆盖，通信资源和业务需求情况复杂，本发明提供一种基于跳波束的高效资源调度方案，以解决如何调度宝贵的空间资源，以更好地满足卫星通信业务需求。

图1示出了卫星覆盖区域小区划分示意图。

如图1所示，低轨卫星覆盖区域被划分为多个整齐排列的矩形块。所划分的每一个矩形快代表一个小区，用cell_i表示，设卫星覆盖每一个小区的时间长度为T。

每一个小区内用户的分布是随机的，设每个小区内的用户数为number_i，可以用指令rand[x,y]生成当前小区cell_i内用户位置的一组随机数，用坐标(x_i，y_i)表示，其中x_i∈[0,a],y_i∈[0,b]；

当前小区cell_i内的每一个用户可以用user_ij表示，并对第cell_i内用户编号，user_ij,j＝1,2,…,number_i。设每一个用户的所需带宽用b_ij表示，每个用户的生存时间(TOL，time of live)用τ_ij表示。

注意，当且仅当τ_ij＜T时，该用户服务状态有效，若τ_ij≥T时，即用户的生存时间超过了当前卫星覆盖小区的最大时长，则该用户不能被当前卫星有效服务。

图2示出了小区内的矩形单元的示意图。

如图2所示，每个矩形小区被进一步划分为多个、如M*N个等大小的矩形块，所述矩形块被称为矩形单元，其中每个矩形单元记为unit_mn，例如划分成M*N＝3*3的9个矩形块，即9个矩形单元，每个矩形单元都代表卫星所能照射出的一个点波束。为了简化，这里将波束形状设为矩形状，在每个点波束覆盖范围内，用户仍为随机分布，这如图2所示为每个小区内单元格示意图。

设在卫星覆盖区，所能提供的跳波束数目为s，该数目例如为固定的。现在仅考虑波束间的资源分配问题，将波束内不同用户间的信道差异性进行统计平均，作为该波束的信道容量参量，即C_s。为方便建模，以理想的香农容量近似逼近卫星为每个矩形单元提供的信道容量，即：

其中，B为跳波束系统的频域带宽，α_s为波束的信道衰减因子，N₀为平均噪声功率谱密度，P为固定的等效下行传输功率。

定义每个矩形单元的实际容量矩阵A＝min{R，C}，其中R为该矩形单元中用户所需的容量矩阵：当一个矩形单元中所有用户需求之和大于波束所能提供的容量时，此矩形单元实际容量矩阵A＝C；当一个矩形单元中所有用户需求之和小于波束所能提供的容量时，此矩形单元实际容量矩阵A＝R。已知各波束的平均数据包到达速率λ_i，在[0/ms,5/ms]内随机生成，到达过程服从参数为λ_i的泊松随机过程。

图3示出了三维矩阵的立体坐标的示意图。

三维矩阵，可对应于一个X-Y-Z三维立体坐标。如图3所示,所需优化的目标函数为：

另外，另一限制条件是卫星覆盖区所能提供的跳波束数目为s。

图4示出了第一三维矩阵和第二三维矩阵的示意图，其中第一三维矩阵表征每个矩形单元在不同时刻的实际信道容量，并且第二三维矩阵表征在不同时刻是否对每个矩形单元服务。

第一矩阵、即A矩阵是一个三维矩阵，记为A(m,n,k)，其形式与图4一样，A矩阵元素每页取值对应于用户实际需求矩阵，再加上一个时间维度k构成三维矩阵。

第二矩阵、即B矩阵是一个三维矩阵，记为B(m,n,k；s)，如图4所示，B矩阵为达到目标函数必须要首先确认的优化矩阵，其每一项元素取值仅为0或1。当取值为1时所对应位置的矩形单元被跳波束点亮，取值为0时所对应的矩形单元未被跳波束点亮。其中1的个数即为卫星所能提供的跳波束的个数，再加上一个时间维度k构成一个三维矩阵，其中k的取值为正整数，范围为[1，K],其中

t_unit为跳波束服务每一个unit的时间,即K为每一个跳波束服务矩形单元的次数。

图5示出了第一矩阵和第二矩阵相乘的示意图。

如图5所示，将第一和第二矩阵相乘、即B(m,n,k；s)*A(m,n,k)，所得结果即为待优化的目标矩阵。通过调整第二矩阵、即B(m,n,k；s)来使目标矩阵的各元素之和最大化。其方式例如有，通过计算机试探法、拉格朗日乘数法等等。

在确定第二矩阵、即跳波束分布矩阵以后，由低轨卫星根据所确定的跳波束分布矩阵来对所覆盖小区进行选择性跳波束覆盖，从而达到优化资源分配的目的。

本发明至少具有下列有益效果：(1)本发明的调度方案考虑到低轨卫星的快速移动场景和各小区的用户动态变化场景，较好地优化了跳波束的资源调度，这是因为对各小区的用户资源需求建模和对跳波束调度方案的建模都考虑到时间维度、即其数据均随时间动态变化，因此最后的调度结果完美地解决了调度的时变性和最优性；(2)本发明的调度优化算法计算简单，因此可节约计算资源、尤其是宝贵的卫星计算资源。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (5)

1.一种基于跳波束调度资源的方法，包括下列步骤：

将卫星覆盖区域划分成多个小区；

将每个小区划分成多个大小相等的矩形单元；

用第一三维矩阵表示每个矩形单元在不同时刻的实际信道容量，其中每个矩形单元在每个时刻的实际信道容量为下面两项中的较小者：卫星为每个矩形单元提供的最大信道容量；以及每个矩形单元中所有用户信道容量需求之和；

用第二三维矩阵表示在不同时刻是否对每个矩形单元服务，其中第二三维矩阵的元素1表示在某个时刻用跳波束服务相应矩形单元，元素0表示在某个时刻不服务相应矩形单元；

用第一三维矩阵与第二三维矩阵的乘积表示目标矩阵；

调整第二三维矩阵，使得目标矩阵的全部元素之和最大；以及

根据调整后的第二三维矩阵服务相应矩形单元。

2.根据权利要求1所述的方法，其中第一三维矩阵为A(m,n,k),其中m和n分别为矩形单元的行列号并且k为时刻。

3.根据权利要求1所述的方法，其中第二三维矩阵为B(m,n,k,s)，其中m和n分别为矩形单元的行列号并且k为时刻，并且s为卫星覆盖区所能提供的跳波束数目。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法被用于低轨卫星通信。

5.根据权利要求1所述的方法，其中卫星覆盖每个小区的时间相等。

Images