CN109412682B - 一种中低轨星座卫星波束频率资源分配方法 - Google Patents

一种中低轨星座卫星波束频率资源分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种中低轨星座卫星波束频率资源分配方法，包括：对各波束进行初始子带分配，并将各个波束分配的子带中的某一固定载波作为广播信道的载波，其中各波束的初始子带至少为一个子带；根据卫星星座的轨道面的奇数或偶数，确定主轨道面和补充轨道面；由主轨道面内的卫星构成的单重覆盖实现包含两极在内的对地部分地区的覆盖，对补充轨道面内的卫星进行波束开启或关闭以完成中低纬度的对地覆盖空白区域；以载波为单位给各个终端进行频率资源分配，若在某一波束下的接入终端数超过了初始子带所能承载的用户数量，则给该卫星波束增加可用子带或载波；实现完全覆盖。本发明较好的实现了星座波束频率资源分配，具备简单、高效，工程实施性强特点。

Description

一种中低轨星座卫星波束频率资源分配方法
技术领域
本发明属于中低轨卫星星座通信领域，涉及一种中低轨星座卫星波束频率资源分配方法。
背景技术
低轨卫星具有轨道高度低、卫星与地面节点之间的传输时延低、用户终端小型化且功耗低、频率能够高效复用等优点。当前，全球正在掀起了卫星互联网低轨星座发展的新高潮，我国也正在发展自己的低轨卫星星座系统，建设低轨卫星星座系统需要攻关和解决系列关键技术问题，其中波束间干扰及频率资源分配就是特别关键的问题之一。低轨卫星星座的特点是点波束随卫星在不断运动，不同轨道面内的卫星点波束的位置关系在时刻变化，由于卫星之间的相对运动及波束间的频率复用，如果不采用合适有效的干扰抑制及频率资源分配方案，其系统带来的星座干扰将比较严重，如果仅从抑制干扰来考虑，卫星中的波束开启和关闭将非常频繁，且波束中的子带可能也会不断变化，从而导致切换管理的复杂性。
传统的地面移动通信系统和高轨宽带卫星通信系统，其对地是固定静止的，而且各个覆盖区域里的用户量可以提前进行评估，可以采用几色复用方案，或者其他最优化的频率分配算法寻找出各个波束的优频率方案，但是对于中、低轨道卫星星座系统，点波束间在相对运动，点波束对地也在不断运动，各个波束下的用户终端数量随着空间和时间不断在变化，所以无法提前计算出波束最优分配方案。
当前全球正在大力建设低轨移动卫星星座，我国也正在论证、部署建设自己的全球低轨移动卫星通信系统，低轨移动卫星系统和地面移动通信系统以及高轨卫星通信系统都是采用频率复用的方案来提高系统容量，然而无论是地面移动还是高轨卫星波束或小区对地都是相对静止的，传统的频率资源分配方案能够较好的解决其应用需求，但是无法适用或较好的满足低轨卫星移动通信系统的场景应用需求，低轨卫星移动通信系统的频率资源分配方案需要结合低轨星座自身的特点提出来。
现有文献查阅到的频率资源分配方案均是针对地面移动通信系统或者是高轨卫星通信系统而提出来的。而且往往主要针对于最优化算法研究，而低轨移动卫星通信系统卫星中的点波束可能是各种形状，而地面频率复用划分往往是需要满足几色复用划分条件的，以往的频率分配算法或方案是建立在小区或者波束对地静态分布的基础上，而且各个波束或者小区的用户数量可以提前进行评估给出，进而可以采用频率最优分配算法进行分配，但是本系统是波束和卫星动态变化的不均衡网络，整个星座的点波束也在不断变化，卫星网络不是最优分配网络，可以查阅到的频率资源分配方案或算法不适合低轨移动卫星星座系统，也不能解决整个卫星星座的波束资源分配工程实现问题。
发明内容
发明所要解决的课题是，解决低轨卫星移动通信系统由于点波束间的高速移动及相对运动所带来的卫星波束频率资源分配的复杂性难题。卫星网络为负载不均衡网络，如果固定分配好各个波束的频率资源可能会造成资源浪费，而且不能最大化资源使用效率，扩大系统容量。同时，由于星座中的异轨道间卫星在运动过程中尤其在高纬度和两极地区会出现较为密集的波束重叠情况，波束干扰间干扰情况较为严重，从而带来了波束频率资源分配的复杂性。
用于解决课题的技术手段是，本发明提出一种中低轨星座卫星波束频率资源分配方法，包括以下步骤：
将卫星的可用卫星频段划分成若干子带，且将每个子带划分成若干载波，对卫星的点波束方向图进行建模，在满足用户干扰门限C/I值以内对各波束进行初始子带分配，并将各个波束分配的子带中的某一固定载波作为广播信道的载波，其中各波束的初始子带至少为一个子带；
根据卫星星座的轨道面的奇数或偶数，确定主轨道面和补充轨道面；由主轨道面内的卫星构成的单重覆盖实现包含两极在内的对地部分地区的覆盖，对补充轨道面内的卫星进行波束开启或关闭以完成中低纬度的对地覆盖空白区域；
根据各个波束划分的初始子带及其包含的若干载波，以载波为单位给各个终端进行频率资源分配，优先考虑同一波束下的终端分配同一子带内的频率资源，若在某一波束下的接入终端数超过了初始子带所能承载的用户数量，则控制运控系统单独给该卫星波束增加可用子带或载波；
在主轨道面和补充轨道面内的卫星完成波束分配和波束开启关闭后，实现完全覆盖。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中对各波束进行初始子带划分的约束条件是相邻波束不能分配相同的子带，且同一卫星内的子带间的同频干扰在设定的干扰门限值以内。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中控制运控系统单独给卫星波束增加可用子带或载波前提是所分配的载波不会对其他用户产生干扰同时不受其他波束内相同载波的干扰。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法还包括不同波束下的终端进行频率资源分配时，后分配频率资源的波束不能对其他邻近先分配的波束产生同频干扰或者干扰在可以允许的范围之内。
发明效果为：
本发明的中低轨星座卫星波束频率资源分配方法，该方法适用于具有全球覆盖能力的中、低轨道，且星座类型为极轨或近极轨道的点波束星座，有效解决由于点波束间的高速移动及相对运动所带来的卫星波束频率资源分配的复杂性难题。本发明提出的方法，首先对星座中的卫星采用静态加动态的波束频率资源分配，然后不同轨道面间的卫星再采用合适的卫星波束关闭开启策略。通过该波束频率资源分配方案既能降低卫星星座波束间干扰，较大程度上提高频率资源使用效率，又能降低波束频率分配的复杂性以及终端切换和信关站切换管理的复杂性，工程实施性强，是一种较为理想的中低轨卫星星座波束频率资源分配方案。
因此，本发明在考虑到波束干扰抑制的同时，较好的实现了星座波束频率资源分配，既支持局部波束频率资源动态分配，又最大程度上降低了卫星星座中整体波束的开启关闭变化以及波束中子带的频繁分配变化。简单、高效，工程实施性强。
附图说明
图1为本发明内层点波束的方向图干扰影响因子。
图2为本发明中层点波束的方向图干扰影响因子。
图3为本发明外层点波束的方向图干扰影响因子。
图4为本发明采用动态频率资源分配后的各波束的子带分配情况
图5为本发明主轨道面卫星2D覆盖情况示意图。
图6为本发明主轨道面卫星3D覆盖情况示意图。
具体实施方式
以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。
本发明设计了一种中低轨星座卫星波束频率资源分配方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤1、首先，将卫星的可用卫星频段划分成若干子带，且将每个子带划分成若干载波，对卫星的点波束方向图进行建模，在满足用户干扰门限C/I值以内对各波束进行初始子带分配，并将各个波束分配的子带中的某一固定载波作为广播信道的载波，其中各波束的初始子带至少为一个子带。
其中，所述方法中对各波束进行初始子带划分的约束条件是相邻波束不能分配相同的子带，且同一卫星内的子带间的同频干扰在设定的干扰门限值以内。
步骤2、根据卫星星座的轨道面的奇数或偶数，确定主轨道面和补充轨道面；由主轨道面内的卫星构成的单重覆盖实现包含两极在内的对地部分地区的覆盖，对补充轨道面内的卫星进行波束开启或关闭以完成中低纬度的对地覆盖空白区域。
本实施例中，可以将卫星星座的轨道面为奇数的作为主轨道面，偶数轨道面作为补充轨道面，或者将偶数轨道面作为主轨道面，奇数轨道面作为补充轨道面，其中主轨道面内的卫星在中低纬度地区由于间距比较大不存在卫星轨道面间干扰，只是在靠近两极的地区才会产生干扰，仅在两极地区进行重叠波束关闭，主轨道面内的卫星构成的单重覆盖已经可以实现包含两极在内的对地绝大部分地区的覆盖，剩下的中低纬度的对地覆盖空白区域可以通过补充轨道面内的卫星进行波束开启关闭来实现。
步骤3、根据各个波束划分的1至2个初始子带及其包含的多个载波，每个子带内包含一定数目的载波，以载波为单位给各个终端进行频率资源分配，优先考虑同一波束下的终端分配同一子带内的频率资源，若在某一波束下的接入终端数超过了初始子带所能承载的用户数量，则控制运控系统单独给该卫星波束增加可用子带或载波，分配子带或载波的前提是所分配的载波不会对其他用户产生干扰同时也不会受到其他波束内相同载波的干扰。
及不同波束下的终端进行频率资源分配时，后分配频率资源的波束不能对其他邻近先分配的波束产生同频干扰或者干扰在可以允许的范围之内。
步骤4、在主轨道面和补充轨道面内的卫星完成波束分配和波束开启关闭后，实现完全覆盖。
上述过程，使得星座中的单颗卫星采用初始子带分配加动态分配的频率分配模式，在上述分配过程中，卫星内部点波束间的干扰已降低到可接受的干扰门限以内，同时可以根据终端接入波束数据量进行波束资源动态分配，全星座波束频率资源分配过程中，通过合理的波束开启关闭策略既能降低不同轨道面间卫星波束间的干扰又能最大程度上降低了全星座系统的波束开启关闭的动态变化数量和频率，又可以实现全球波束频率资源分配的稳定性，有利于广播信息播放及切换管理。
为了验证本发明方法能够有效的实现波束频率资源分配，下面给出本发明方法的一个具体验证例。
验证例1、
本验证例的方法，采用卫星星座模拟我国低轨全球移动卫星系统-鸿雁星座，6个轨道面，每个轨道面9颗卫星，倾角86度，轨道高度1100公里，L波段7M用户带宽，每颗卫星有54颗点波束。用户带宽划分成12个子带，每个子带又划分成15个载波，其具体的波束频率资源分配过程如下：
(1)模拟卫星各个点波束的干扰方向图影响因子，波束从中心到边缘共计3圈，其对周边波束所造成的干扰分别如图1、图2、图3所示；
(2)随机模拟单颗卫星下780个接入终端，用户终端随机分布在各个点波束内；
(3)先进行各卫星波束内的初始子带分配，子带分配算法的约束条件是相邻波束不能分配相同的子带，且同一卫星内的子带间的同频干扰在可接受干扰门限值以内，最终模拟分配结果如图4所示；
(4)以载波为单位给各个终端进行资源分配，在进行波束下终端频率资源分配时，优先考虑同一波束下的终端分配同一子带内的频率资源，若该波束下的终端接入数量大于子带中频率资源可用数量，即载波*时隙数，则从其他子带里进行频率调度。不同波束下的终端进行频率分配时限制条件是，后分配频率资源的波束不能对其他邻近先分配的波束产生同频干扰或者干扰在可以允许的范围之内；
(5)54颗卫星的每颗卫星的初始子带在分配好以后就不用变化；
(6)第一轨道面内的所有卫星在实现波束单重覆盖判决以后，整个运动过程中可以恒定保持下去，第三轨道面内的卫星在与第一轨道面内的卫星在靠近两极的地区会发生交叠时，则关闭掉第三轨道面内完全落入第一轨道面内的卫星波束，同理，第五轨道面内的卫星如果发生重叠则关闭第五轨道面内完全重叠的波束，第1、3、5轨道面的波束覆盖范围(10°仰角限制)的2D、3D场景分别如图5、图6所示；
(7)第一、三和五轨道面内的卫星在完成波束分配和波束开启关闭后，已经可以实现南北纬度60度以上区域的完全覆盖，对于南北纬度60间的部分空白区域，可以通过计算在运动过程中有选择的关闭二、四、六轨道面内的部分波束，当二、四、六轨道面内的卫星完全运动到南北纬度60度以上时，则可以完全关闭相应的整个卫星所有波束。对于该星座卫星及波束所有的运动或变化状态都有周期性约107分钟。
(8)为了维护整个星座中卫星的正常运行，避免某一轨道面内的卫星长期开启工作，损耗过大，可以将步骤(7)和(8)的操作在各个轨道面内以一定的周期进行轮循设置。
综上，本发明提出的方法，首先对星座中的卫星采用静态加动态的波束频率资源分配，然后不同轨道面间的卫星再采用合适的卫星波束关闭开启策略。通过该波束频率资源分配方案既能降低卫星星座波束间干扰，较大程度上提高频率资源使用效率，又能降低波束频率分配的复杂性以及终端切换和信关站切换管理的复杂性，工程实施性强，是一种较为理想的中低轨卫星星座波束频率资源分配方法。在考虑到波束干扰抑制的同时，较好的实现了星座波束频率资源分配，具备简单、高效，工程实施性强的特点。
需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种中低轨星座卫星波束频率资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
将卫星的可用卫星频段划分成若干子带，且将每个子带划分成若干载波，对卫星的点波束方向图进行建模，在满足用户干扰门限C/I值以内对各波束进行初始子带分配，并将各个波束分配的子带中的某一固定载波作为广播信道的载波；其中，
所述初始子带为第一次分配给各个波束的所述子带；
各波束的所述初始子带至少为一个所述子带；
确定卫星星座的奇数轨道面为主轨道面，偶数轨道面为补充轨道面；或者，
确定卫星星座的偶数轨道面为主轨道面，奇数轨道面为补充轨道面；
由主轨道面内的卫星构成的单重覆盖实现包含两极在内的对地部分地区的覆盖，对补充轨道面内的卫星进行波束开启或关闭以完成中低纬度的对地覆盖空白区域；
根据各个波束划分的初始子带及其包含的若干载波，以载波为单位给各个终端进行频率资源分配，优先考虑同一波束下的终端分配同一子带内的频率资源，若在某一波束下的接入终端数超过了所述初始子带所能承载的用户数量，则控制运控系统单独给该卫星波束增加可用子带或载波；
在主轨道面和补充轨道面内的卫星完成波束分配后，采用合适的卫星波束开启关闭策略，实现完全覆盖。
2.根据权利要求1所述中低轨星座卫星波束频率资源分配方法，其特征在于，所述方法中对各波束进行初始子带分配的约束条件是相邻波束不能分配相同的子带，且同一卫星内的子带间的同频干扰在设定的干扰门限值以内。
3.根据权利要求1所述中低轨星座卫星波束频率资源分配方法，其特征在于，所述方法中控制运控系统单独给卫星波束增加可用子带或载波前提是所分配的载波不会对其他用户产生干扰同时不受其他波束内相同载波的干扰。
4.根据权利要求1所述中低轨星座卫星波束频率资源分配方法，其特征在于，所述方法还包括不同波束下的终端进行频率资源分配时，后分配频率资源的波束不能对其他邻近先分配的波束产生同频干扰或者干扰在规定的范围之内。
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LEO MSSs中信道分配和包调度策略研究;黄琳;《中国优秀硕士论文全文数据库》;20090515(第5期);全文 *
空间网络低轨星座信道分配策略研究;廖明霞;《中国博士学位论文全文数据库》;20180215(第2期);全文 *
非静止轨道卫星移动通信系统组网关键技术研究;刘刚;《中国博士学位论文全文数据库》;20050315(第1期);全文 *

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