CN109450498B - 一种高通量卫星通信系统跳波束方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高通量卫星通信系统跳波束方法，该方法根据业务需求对总波束进行均匀分簇，针对需求建立目标函数，监测相邻簇的边缘波束距离是否等于2R，且处于工作状态，若否则性能满足直接计算频谱效率，若是则采取干扰避免措施，然后计算频谱效率，使用KKT条件求解闭式解的时隙分配数，最后根据闭式解的值向下取整，对其优化，求得容量最优分配。本发明的优点是不仅能够满足容量的动态需求，提高频谱效率，还能避免同频率的干扰造成的性能下降。

Description

一种高通量卫星通信系统跳波束方法

技术领域

本发明涉及一种高通量卫星通信系统跳波束方法，具体的说涉及一种基于时间分片的干扰避免的随需覆盖的资源分配方式，属于卫星通信技术领域。

背景技术

在传统的多波束卫星通信系统中，分配给每个波束的功率和频率资源仅是整颗卫星资源的一部分，该系统往往只能在每个波束范围内调度可用的资源以满足用户多样化的需求，造成卫星资源的“碎片化”调度；随着多波束卫星通信系统容量的进一步增加，点波束数往往也会增加，不仅导致卫星资源“碎片化”现象的加重，也会造成卫星载荷的相应增加，最终导致资源全局调度效率的下降和卫星实现复杂度的上升。在空间信息网络中，由于业务类型的多样性、业务分布的空间不均匀性和时变性，这种“碎片化”的资源配置方式将会导致各波束频繁出现“忙闲不均”的现象，引起通信资源的巨大浪费，也很难实现面向多样化任务的高效传输和随需覆盖。

针对上述背景，有研究人员提出了一种跳波束(Beam-hopping)技术，该技术能够提高链路的传输能力，满足时空动态分布、需求相差迥异的空间信息网络业务需求。上述技术的基本思想是利用时间分片技术，在同一个时刻，并不是卫星上所有的波束都工作，而是只有其中的一部分波束工作，这种新的思想相比于传统的多波束卫星系统能够满足业务需求不均衡的应用场景，是未来高通量卫星的一个很好的技术选择，但是同频率干扰也是不可避免的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，通过研究现有的模型，克服现有技术的不足而提供一种高通量卫星通信系统跳波束方法，为同时满足多个用户需求，在同一时隙中多个波束处于工作状态，在有同频干扰的情况下，引入干扰避免机制，使得改进后的算法不仅能够满足容量的动态需求，还能避免同频率的干扰造成的性能下降，提高频谱效率。

本发明提供一种高通量卫星通信系统跳波束方法，包括以下步骤：

第一步、根据业务需求对总波束进行均匀分簇；转至第二步；

第二步、针对需求，建立目标函数；转至第三步；

第三步、监测相邻簇的边缘波束距离是否相距2R，R为每个点波束的半径，若否则性能满足直接进入步骤四，若是则继续监测相邻簇的边缘波束是否处于工作状态，若否则性能满足直接进入步骤四，若是则采取干扰避免措施，然后进入步骤四；

第四步、计算频谱效率；转至第五步；

第五步、使用KKT条件求解闭式解的时隙分配数；转至第六步；

第六步、根据闭式解的值向下取整，对其优化，求得容量最优分配。

据了解，采用全频率复用能够有效地提高频带利用率，然而，当不同簇中同时工作的波束相邻时，同频率干扰不可忽略。根据欧洲电信标准化协会标准，不同簇中同时工作的波束相邻2R时，使用相同的频率性能会下降。本发明采用网关实时监测波束跳动情况，当存在相邻簇的波束都跳到边缘且相距2R时，采用正交频率复用。

作为本发明的进一步技术方案，第一步中，将所有的波束均匀地分簇后，簇间使用全频率复用，为同时满足多个业务需求，簇内在同一时隙点亮多个波束，根据业务需求进行时隙分配来实现跳波束技术。

第二步中，为使时隙、SNR(信噪比)、临近波束干扰等达到最优或者次优解，最终使得实际波束分配的容量尽可能的达到需求，为此可建立如下目标函数：

(21)2阶差分目标函数，

s.t C_ik≤T_ik (2)

N_ik≥0,N_ik∈整数 (4)

(22)公平目标函数，

s.t C_ik≤T_ik (6)

N_ik≥0,N_ik∈整数 (8)

其中，M为每个簇中用户波束的数量，K为整体系统中用户波束的总数量，

这里T_ik为各个波束的业务需求，C_ik为各个波束的业务提供，N_ik为各个波束分配到的时隙数，

为最多可同时工作在一个时隙的波束数，N_t为总的时隙长度，B_cluster为每一簇带宽，η_i为频谱效率，

为每一簇提供的容量。

第三步中，根据欧洲电信标准化协会标准，信噪比与频谱效率的曲线关系图是分段函数，即不同的信噪比可能对应相同的频谱效率。在全频率复用的情况下，每个簇中同时工作的用户波束可以使用卫星上的整个可用频带，这有效地提高了频带利用率。然而，当不同簇中的工作的波束相邻时，同频干扰不可避免，但是有同频干扰的环境中保证系统的频谱效率不降低是可行的。同频率干扰的增益因子

其中u＝2.07123sin(θ)/sin(θ_3dB),J₁是1阶第一类贝塞尔函数，J₃是3阶第一类贝塞尔函数，θ_3dB是3dB夹角，θ表示信号入射方向与波束中心指向之间的夹角，D为天线口径，λ为辐射信号的波长，半功率波束宽度

取每个点波束的半径为R，同频复用波束圆心之间的距离为R_D,对应的天线夹角

H为卫星轨道高度；取SINR_up＝25dB，根据SINR_down＝[P_i]+[G_T]×α+[G_R]-[L_free]-[T_n]-[k]-[B_n]和

可求得信噪比r的值；从相邻簇相距较远的波束开始增加同频波束，根据欧洲电信标准化协会标准计算得，当在相邻簇距离等于2R处增加同频波束，频谱效率会减小；观察每个簇的边缘波束与其他簇相邻波束距离为2R的波束共有三个，所以采取四色频率复用，使得计算的性能下降处不存在同频干扰；所以需要网关实时监测波束的跳动情况，当相邻簇的边缘波束同时处于工作状态且中心相距2R时，使用正交频率复用，然后在性能满足要求的情况下，计算每个簇的频谱效率。

第四步中，根据下式计算每个簇的频谱效率：SINR_down＝[P_i]+[G_T]×a+[G_R]-[L_free]-[T_n]-[k]-[B_n]

其中，α为同频率的干扰增益因子，P_i为第i个簇分配的功率，G_T为天线传输增益，G_R为天线接收增益，L_free为自由空间损耗，T_n为噪声温度，k为波尔兹曼常数，B_n为噪声带宽。

另外，每个簇的频谱效率通过以下方法得到：由于SINR_up为定值，根据

可求得信噪比r的值；根据欧洲电信标准化协会标准，信噪比与频谱效率是分段函数的关系，如图2信噪比与频谱效率的关系曲线图，求得信噪比之后，查图可得频谱效率。

第五步中，使用KKT条件求解闭式解的时隙分配数，其方法如下：

由于式(1)2阶差分目标函数是一个凸优化问题，考虑到系统业务需求业务较大，各波束分配的容量必然小于业务需求，约束条件(2)易满足，通过引入约束(3)对应的对偶变量λ，此问题的Lagrangian函数如下，

根据对偶性分析与KKT条件对(9)式进行求导，令

得出，

同样对于式(5)公平性目标函数，在进行对数运算之后该问题转化为一个凸优化问题，

引入与约束式(7)对应的对偶变量λ，公平性目标函数的Lagrangian函数如下，

根据对偶性分析与KKT条件对式(12)进行求导，令

得出，

第六步中，对闭式解所求的值向下取整，存在剩余的时隙可再次分配给各个波束，使容量分配更能够接近容量需求，具体方法如下：

首先根据公式(10)或(13)计算出一组时隙分配值N_ik，如果N_ik值大于0则向下取整，小于0则取0，记为N_ik(min)；

然后根据公式

得出一组时隙分配N_ik的上限，记为N_ik(max)，每个波束的时隙分配可取的范围为[N_ik(min),N_ik(max)]，可用前提是保证每一个簇中时隙分配累和小于或等于总可用时隙数，即

最后通过组合

和

求得最优组合，根据公式

求出各个波束相应的容量分配值。

本发明采用以上技术方案与传统的技术相比，具有以下技术效果：采用跳波束技术可以根据业务需求和覆盖区域的大小，将功率和频带资源化，以时隙为单位分配给各个波束，使其有足够的灵活性来优化分配卫星资源，很好的解决了卫星传统、固定的分配方式造成的星上功率受限的不足；然而同时满足多个用户业务需求，并保证其频带利用率、降低同频率干扰是必须要解决的问题，本发明提供一种通量卫星通信系统跳波束技术，其簇间采用全频率复用，簇间为同时满足多个用户的需求，在同一时隙中多个波束处于工作状态，并引入干扰避免机制，避免因同频干扰引起的性能下降。最后仿真结果表明，这种新型的高通量卫星通信系统跳波束技术不仅能够满足容量的动态需求，提高频谱效率，还能避免同频率的干扰造成的性能下降。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明的操作流程图。

图2为本发明中信噪比与频谱效率的关系曲线图。

图3为本发明中跳波束四色频率复用某一时隙的举例图。

图4为本发明中差分算法各种模型容量分配关系曲线图。

图5为本发明中公平算法各种模型容量分配关系曲线图。

图6为本发明中差分算法各种模型真实容量分配关系曲线图。

图7为本发明中公平算法各种模型真实容量分配关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本实施例提出了一种新型的高通量卫星通信系统跳波束技术。如图1所示，该技术基于公平原则的假设，簇通常被均匀地划分，即每个簇中用户波束的数量是相同的。假设系统中用户波束的数量是K并且波束被分成N个簇，则每个簇中的用户波束的数量是M＝K/N，簇间使用全频率复用，为同时满足多个业务需求，簇内在同一时隙点亮多个波束，根据业务需求进行时隙分配来实现跳波束技术。为使时隙、SNR、临近波束干扰等达到最优或者次优解，最终使得实际波束分配的容量尽可能的达到需求。为此可建立如下目标函数：

(1)2阶差分目标函数：

s.t C_ik≤T_ik (2)

N_ik≥0,N_ik∈整数 (4)

(2)公平目标函数：

s.t C_ik≤T_ik (6)

N_ik≥0,N_ik∈整数 (8)

其中

这里T_ik为各个波束的业务需求，C_ik为各个波束的业务提供，N_ik为各个波束分配到的时隙数，

为最多可同时工作在一个时隙的波束数，N_t为总的时隙长度，B_cluster为每一簇带宽，η_i为频谱效率，

为每一簇分配的容量。

由于系统资源有限，避免资源浪费，假设系统中各个波束总的业务需求大于系统可提供的容量值，因此式(2)、式(6)限制了每个波束获得的容量值不可超出其请求容量，当各个波束分配的容量和时隙不超过系统限制情况下，默认各个波束分配的时隙数为大于或等于0的整数，求得式(1)、式(5)最优解。

在全频率复用的情况下，每个簇中同时工作的用户波束可以使用卫星上的整个可用频带，这有效地提高频带利用率。然而，当不同簇中的工作的波束相邻时，同频率干扰就不可忽略。为了减轻同频率干扰，可以引入新的约束机制，以避免不同簇中的相邻波束使用相同的频率在“跳波束”机制下同时工作的情况。其中，同频率干扰的增益因子为

u＝2.07123sin(θ)/sin(θ_3dB),J₁是1阶第一类贝塞尔函数，J₃是3阶第一类贝塞尔函数，θ_3dB是3dB夹角，θ表示信号入射方向与波束中心指向之间的夹角，D为天线口径，λ为辐射信号的波长，可得半功率波束宽度

取每个点波束的半径为R，同频复用波束圆心之间的距离为R_D,对应的天线夹角

取SINR_up＝25dB，根据

和SINR_down＝[P_i]+[G_T]×α+[G_R]-[L_free]-[T_n]-[k]-[B_n]，求得信噪比r的值。根据欧洲电信标准化协会标准，如图2所示信噪比与频谱效率的曲线关系图是分段函数，也就是说不同的信噪比可能对应相同的频谱效率。同频干扰不可避免，但在有同频干扰的环境中保证系统的频谱效率不降低是可以实现的。以中心簇某一边缘波束为例，从相距较远的相邻簇的波束开始增加同频波束，计算信噪比，根据欧洲电信标准化协会标准可得:当在相邻簇距离等于2R处增加同频波束，频谱效率会减小。观察每个簇的边缘波束与其他簇相邻波束距离为2R的波束共有三个，所以采取四色频率复用(见图3)，使得计算的性能下降处不存在同频干扰。网关实时监测波束的跳动情况，当相邻簇的边缘波束同时处于工作状态且中心相距2R时，启用正交频率复用，计算当前的频谱效率。

由于式(1)2阶差分目标函数是一个凸优化问题，考虑到系统业务需求业务较大，各波束分配的容量必然小于业务需求，约束条件(2)易满足。通过引入约束(3)对应的对偶变量λ，此问题的Lagrangian函数如下：

根据对偶性分析与KKT条件对(9)进行求导，令

得出：

λ为拉格朗日算子，由于总可用时隙数确定，即：

联立(14)与(15)方程可得：

将λ带入(14)可以得到优化分配结果：

同样对于式(3)公平性目标函数，在进行对数运算之后该问题转化为一个凸优化问题：

引入与约束(5)对应的对偶变量λ，公平性目标函数的Lagrangian函数如下：

根据对偶性分析与KKT条件对(14)进行求导，令

得出：

联立方程(17)与

可以解出拉格朗日算子：

将λ带入(17)可以得到优化分配结果：

对闭式解所求的值向下取整，存在剩余的时隙可再次分配给各个波束，使容量分配更能够接近容量需求。根据公式(10)或(13)计算出一组时隙分配值N_ik，如果N_ik值大于0则向下取整，小于0则取0，记为N_ik(min)。根据公式

得出一组时隙分配N_ik的上限，记为N_ik(max)。每个波束的时隙分配可取的范围为[N_ik(min),N_ik(max)]，保证每一个簇中时隙分配累和小于等于总可用时隙数，即

在此基础上，通过组合分别寻求

和

求得最优组合即最优解。计算出各个波束分配的时隙数后，根据公式

求出各个波束相应的波束容量分配值。

图4给出了将本发明方法应用在差分算法的情形，其中每个簇包含7个波束。在此基础上分别对不加干扰避免的方式，采用七色复用的方式以及传统的容量均匀分配的方式根据以上方法，求各个情况下对应的容量分配。图5给出了将本发明方法应用在公平算法的情形，其中每个簇包含7个波束。在此基础上分别对不加干扰避免的方式，采用七色复用的方式以及传统的容量均匀分配的方式根据以上方法，求各个情况下对应的容量分配。图6是在图4差分算法容量分配的基础上引入一个参量C_A表示真实的容量分配C_A＝min{T_j,C_j}，即分配的容量不超过需求的容量。图7是在图5公平算法容量分配的基础上引入一个参量C_A表示真实的容量分配C_A＝min{T_j,C_j}，即分配的容量不超过需求的容量。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种高通量卫星通信系统跳波束方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、根据业务需求对总波束进行均匀分簇；转至第二步；

第二步、针对需求，建立目标函数；建立如下目标函数：

(21)2阶差分目标函数，

s.t C_ik≤T_ik(2)

N_ik≥0,N_ik∈整数(4)

(22)公平目标函数，

s.t C_ik≤T_ik(6)

N_ik≥0,N_ik∈整数(8)

其中，M为每个簇中用户波束的数量，K为整体系统中用户波束的总数量，

这里T_ik为各个波束的业务需求，C_ik为各个波束的业务提供，N_ik为各个波束分配到的时隙数，

为最多可同时工作在一个时隙的波束数，N_t为总的时隙长度，B_cluster为每一簇带宽，η_i为频谱效率，

为每一簇提供的容量；转至第三步；

第三步、监测相邻簇的边缘波束距离是否等于2R，R为每个点波束的半径，若否则性能满足直接进入步骤四，若是则继续监测相邻簇的边缘波束是否处于工作状态，若否则性能满足直接进入步骤四，若是则采取干扰避免措施，当相邻簇的边缘波束同时处于工作状态且中心相距2R时，使用正交频率复用，然后进入步骤四；

第四步、计算频谱效率；转至第五步；

第五步、使用KKT条件求解闭式解的时隙分配数，其方法如下：

由于式(1)2阶差分目标函数是一个凸优化问题，考虑到系统业务需求业务较大，各波束分配的容量必然小于业务需求，约束条件(2)易满足，通过引入约束(3)对应的对偶变量λ，此问题的Lagrangian函数如下，

根据对偶性分析与KKT条件对(9)式进行求导，令

得出，

同样对于式(5)公平性目标函数，在进行对数运算之后该问题转化为一个凸优化问题，

引入与约束式(7)对应的对偶变量λ，公平性目标函数的Lagrangian函数如下，

根据对偶性分析与KKT条件对式(12)进行求导，令

得出，

转至第六步；

第六步、根据闭式解的值向下取整，对其优化，求得容量最优分配；对闭式解所求的值向下取整，存在剩余的时隙可再次分配给各个波束，使容量分配更能够接近容量需求，具体方法如下：

首先根据公式(10)或(13)计算出一组时隙分配值N_ik，如果N_ik值大于0则向下取整，小于0则取0，记为N_ik(min)；

然后根据公式

得出一组时隙分配N_ik的上限，记为N_ik(max)，每个波束的时隙分配可取的范围为[N_ik(min),N_ik(max)]，保证每一个簇中时隙分配累和小于或等于总可用时隙数，即

最后通过组合

和

求得最优组合，根据公式

求出各个波束相应的容量分配值。

2.根据权利要求1所述一种高通量卫星通信系统跳波束方法，其特征在于，第一步中，将所有的波束均匀地分簇后，簇间使用全频率复用，为同时满足多个业务需求，同一时隙簇内多个波束处于工作状态，根据业务需求进行时隙分配。

3.根据权利要求1所述一种高通量卫星通信系统跳波束方法，其特征在于，第四步中，每个簇的频谱效率通过以下方法得到：

由于SINR_up为定值，根据

可求得信噪比r的值；

取SINR_up＝25dB，

根据下式计算SINR_down，

SINR_down＝[P_i]+[G_T]×a+[G_R]-[L_free]-[T_n]-[k]-[B_n]

其中，α为同频率的干扰增益因子，P_i为第i个簇分配的功率，G_T为天线传输增益，G_R为天线接收增益，L_free为自由空间损耗，T_n为噪声温度，k为波尔兹曼常数，B_n为噪声带宽；

根据欧洲电信标准化协会标准，信噪比与频谱效率是分段函数的关系，求得信噪比之后，查询可得频谱效率。

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