CN109587802A - 一种基于相控阵捷变波束的上行信道资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相控阵捷变波束的上行信道资源分配方法，本发明方法首先以最小化加权业务拒绝量为准则，为相控阵波束服务的每个波位分配相应的时隙数量，从而提高卫星通信中相控阵上行资源利用率；为了进一步提高利用率，充分利用相控阵波束可重构优势，通过形成双指向波束，同时服务两个波位，来综合利用两个波位的资源，提高服务效率。用相控阵作为卫星通信上行波束时，与在各波位间均匀分配时隙资源相比，本发明能大幅提高资源利用率。对于一个相控阵波束服务两个波位时，在不同的业务分布情况下，通过仿真得知本发明方法业务拒绝量能下降0～35％不等。

Description

一种基于相控阵捷变波束的上行信道资源分配方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，特别涉及一种基于相控阵捷变波束的上行信道资源分配方法。

背景技术

MF-TDAM(多频时分多址)技术是卫星通信中的关键技术之一。目前卫星通信中，基于MF-TDMA多址方式的上行资源分配算法主要是针对固定波束的。RCP-fit(Reservechannel with priority)算法是一种典型的MF-TDMA信道资源分配算法，其通过带优先级的信道预留来减少时隙碎片提高资源利用率，但其不涉及相控阵服务时多波位间的时隙分配。

卫星通信具有覆盖范围广、不受地理条件影响等优势，在未来通信中发挥重要的作用，其与地面移动通信形成优势互补。卫星通信中，当卫星波束数量给定时，采用传统多波束存在覆盖范围与覆盖强度间的矛盾，当增加覆盖区域范围就将减小波束增益，反之亦然。随着相控阵技术的成熟，越来越多的将相控阵技术应用到卫星通信中，通过利用相控阵波束的捷变能力，分时覆盖不同的区域，能有效的解决波束覆盖范围和波束增益间的矛盾。

然而在采用相控阵波束捷变服务多波位区域时，由于每个业务波位的终端数可能各不相同，且各终端的数据传输需求量也不同，因此，若为每个波位分配相同的时隙数，并不能充分利用卫星资源、满足用户需求。为了在不同的用户空间分布、不同的用户业务速率需求、不同的用户优先级情况下，提供通信服务，最大化的利用上行波束时隙、频域资源并提高服务满意度，需要对上行波束的使用模式及波位的时隙进行优化分配。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种基于相控阵捷变波束的上行信道资源分配方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于相控阵捷变波束的上行信道资源分配方法，包括如下步骤：

1)将相控阵波束的服务区域分为若干波位；

2)统计波位内每个终端的终端负载；

3)根据最小化加权业务拒绝量准则在每帧中为各波位分配驻留时隙数；

4)统计资源利用率最高的波位k₁与资源利用率最低的波位k₂，并比较将波位k₁与波位k₂合并与不合并时的加权业务拒绝总量；

5)若合并后的加权业务拒绝总量降低，则合并波位后重复步骤4)；否则，时隙分配完成。

上述技术方案中，本发明方法首先以最小化加权业务拒绝量为准则，为相控阵波束服务的每个波位分配相应的时隙数量，从而提高卫星通信中相控阵上行资源利用率；为了进一步提高利用率，充分利用相控阵波束可重构优势，通过形成双指向波束，同时服务两个波位，来综合利用两个波位的资源，提高服务效率。用相控阵作为卫星通信上行波束时，与在各波位间均匀分配时隙资源相比，本发明能大幅提高资源利用率。对于一个相控阵波束服务两个波位时，在不同的业务分布情况下，通过仿真得知本发明方法业务拒绝量能下降0～35％不等。

优选地，步骤2)所述终端负载是指终端每帧平均需要的时隙数，其计算方法如下：

其中，d_i为终端i每次业务申请的平均持续帧数，l_i为终端i每次业务申请在每帧中的平均持续时长，τ_i为终端i申请的平均到达间隔，N_k为波位k中包含的终端数。

优选地，步骤3)具体如下：

每帧中的时隙数为L，波位个数为K，每个波位分配到的时隙分别为α₁,α₂,...,α_K，定义代价函数f(α₁,α₂,...,α_K)，当α₁+α₂+...+α_K＝L，且使得f(α₁,α₂,...,α_K)最小时，α₁,α₂,...,α_K即为根据最小化加权业务拒绝量准则所得的最优时隙分配。

进一步地，所述代价函数f(α₁,α₂,...,α_K)的计算方法如下：

i＝1,2,...,N_k，k＝1,2,...,K；

其中，N_k为波位k中包含的终端数，α_k为波位k分配到的时隙，为波位k中第i个终端的终端负载，为波位k中第i个终端的重要性权值。

优选地，步骤4)具体如下，令：

则，波位k₁与波位k₂合并时的加权业务拒绝总量为：

f′(α_k1,α_k2)＝-(f′_k1+f′_k2+g′)×mean_λ^k1k2；

波位k₁与波位k₂不合并时的加权业务拒绝总量为：

f(α_k1,α_k2)＝-(f_k1+g_k1)×mean_λ^k1+(f_k2+g_k2)×mean_λ^k2；

其中，N_k1为波位k₁中包含的终端数，N_k2为波位k₂中包含的终端数，α_k1为波位k₁分配到的时隙，α_k2为波位k₂分配到的时隙，为波位k₁中第i个终端的终端负载，为波位k₂中第i个终端的终端负载，为波位k₁中第i个终端的重要性权值，为波位k₂中第i个终端的重要性权值。

进一步地，比较将波位k₁与波位k₂合并与不合并时的加权业务拒绝总量时，若f′(α_k1,α_k2)＜f(α_k1,α_k2)则波位k₁与波位k₂共用时隙α_k1,α_k2，并调整各波位时隙顺序，使得时隙α_k1与α_k2相邻。

进一步地，上述上行信道资源分配方法还包括：在每帧的时隙按α₁,α₂,...,α_K分别分配给各波位后，采用RCP-fit算法为每个波位下的终端分配时隙资源。

采用上述技术方案，本发明的积极效果是：

本发明提供的基于相控阵捷变波束的上行信道资源分配方法，首先以最小化加权业务拒绝量为准则，为相控阵波束服务的每个波位分配相应的时隙数量，从而提高卫星通信中相控阵上行资源利用率；为了进一步提高利用率，充分利用相控阵波束可重构优势，通过形成双指向波束，同时服务两个波位，来综合利用两个波位的资源，提高服务效率。用相控阵作为卫星通信上行波束时，与在各波位间均匀分配时隙资源相比，本发明能大幅提高资源利用率。对于一个相控阵波束服务两个波位时，在不同的业务分布情况下，通过仿真得知本发明方法业务拒绝量能下降0～35％不等。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明基于相控阵捷变波束的上行信道资源分配方法流程图。

图2为本发明实施例中一个相控阵波束为多个波位提供上行服务示意图。

图3为本发明实施例中相控阵波束分时服务多波位示意图。

图4为本发明实施例中两波位合并前后时隙分配示意图。

图5为本发明实施例中仿真1结果示意图。

图6为本发明实施例中仿真2结果示意图。

具体实施方式

针对现有卫星通信中，当卫星波束数量给定时，采用传统多波束会存在覆盖范围与覆盖强度间的矛盾。当增加覆盖区域范围就将减小波束增益，增加波束增益将会减小覆盖范围的缺陷，本发明提供了一种基于相控阵捷变波束的上行信道资源分配方法。该方法首先以最小化加权业务拒绝量为准则，为相控阵波束服务的每个波位分配相应的时隙数量，从而提高卫星通信中相控阵上行资源利用率；为了进一步提高利用率，充分利用相控阵波束可重构优势，通过形成双指向波束，同时服务两个波位，来综合利用两个波位的资源，提高服务效率。

本发明的基础技术方案包括如下步骤：

1)将相控阵波束的服务区域分为若干波位；

2)统计波位内每个终端的终端负载；

3)根据最小化加权业务拒绝量准则在每帧中为各波位分配驻留时隙数；

4)统计资源利用率最高的波位k₁与资源利用率最低的波位k₂，并比较将波位k₁与波位k₂合并与不合并时的加权业务拒绝总量；

5)若合并后的加权业务拒绝总量降低，则合并波位后重复步骤4)；否则，时隙分配完成。

上述技术方案中，本发明方法首先以最小化加权业务拒绝量为准则，为相控阵波束服务的每个波位分配相应的时隙数量，从而提高卫星通信中相控阵上行资源利用率；为了进一步提高利用率，充分利用相控阵波束可重构优势，通过形成双指向波束，同时服务两个波位，来综合利用两个波位的资源，提高服务效率。用相控阵作为卫星通信上行波束时，与在各波位见均匀分配时隙资源相比，本发明能大幅提高资源利用率。对于一个相控阵波束服务两个波位时，在不同的业务分布情况下，通过仿真得知本发明方法业务拒绝量能下降0～35％不等。

步骤2)所述终端负载是指终端每帧平均需要的时隙数，其计算方法如下：

其中，d_i为终端i每次业务申请的平均持续帧数，l_i为终端i每次业务申请在每帧中的平均持续时长，τ_i为终端i申请的平均到达间隔，N_k为波位k中包含的终端数。

步骤3)具体如下：

每帧中的时隙数为L，波位个数为K，每个波位分配到的时隙分别为α₁,α₂,...,α_K，定义代价函数f(α₁,α₂,...,α_K)，当α₁+α₂+...+α_K＝L，且使得f(α₁,α₂,...,α_K)最小时，α₁,α₂,...,α_K即为根据最小化加权业务拒绝量准则所得的最优时隙分配。

所述代价函数f(α₁,α₂,...,α_K)的计算方法如下：

i＝1,2,...,N_k，k＝1,2,...,K；

其中，N_k为波位k中包含的终端数，α_k为波位k分配到的时隙，为波位k中第i个终端的终端负载，为波位k中第i个终端的重要性权值。

步骤4)具体如下，令：

则，波位k₁与波位k₂合并时的加权业务拒绝总量为：

f′(α_k1,α_k2)＝-(f′_k1+f′_k2+g′)×mean_λ^k1k2；

波位k₁与波位k₂不合并时的加权业务拒绝总量为：

f(α_k1,α_k2)＝-(f_k1+g_k1)×mean_λ^k1+(f_k2+g_k2)×mean_λ^k2；

其中，N_k1为波位k₁中包含的终端数，N_k2为波位k₂中包含的终端数，α_k1为波位k₁分配到的时隙，α_k2为波位k₂分配到的时隙，为波位k₁中第i个终端的终端负载，为波位k₂中第i个终端的终端负载，为波位k₁中第i个终端的重要性权值，为波位k₂中第i个终端的重要性权值。

比较将波位k₁与波位k₂合并与不合并时的加权业务拒绝总量时，若f′(α_k1,α_k2)＜f(α_k1,α_k2)则波位k₁与波位k₂共用时隙α_k1,α_k2，并调整各波位时隙顺序，使得时隙α_k1与α_k2相邻。在时隙α_k1,α_k2将波束同时指向波位k₁与k₂，此时相控阵的权值为w＝w_k1+w_k2，其中，w_k1为指向波位k1的权值，w_k2为指向波位k2的权值。

上述上行信道资源分配方法还包括：在每帧的时隙按α₁,α₂,...,α_K分别分配给各波位后，采用RCP-fit算法为每个波位下的终端分配时隙资源。

本方法流程图如图1所示。

本发明的原理如下：

如图2所示的通信卫星系统中，某相控阵波束需要为某区域提供上行通信服务，该区域可分为M个波位，单个波位的区域大小为该相控阵波束全增益时到地面的覆盖面积。同时假设在这M个区域中，有业务需求的用户是稀疏且非均匀分布的，即某些波位有激活终端，某些波位无激活终端，且有激活终端的业务需求量也不相同，同时各波位有无业务或业务需求大小都是动态变化的。

相控阵通过分时服务各波位，由于每个有业务波位的终端数可能各不相同，且各终端的数据传输需求量也不同。因此为每个波位分配相同的时隙数，并不能充分的利用卫星资源、满足用户需求。本发明以基于统计的最小化加权业务拒绝量为准则，为各波位分配波束驻留时隙数。

本系统中，在为终端分配时频资源时需满足如下约束：1.所有终端的带宽固定且相同，时频资源的分配问题就简化为时隙分配问题；2.在每帧中，为一个终端分配的时隙总数不能超过该终端所属波位的时隙数；3.一个终端的时隙资源可位于多个载波中，但这些时隙在时间上不能重叠；4.同一个时隙不能同时分给多个终端。

系统每一段时间统计一次各终端的负载，统计间隔可以为数个超帧。终端负载表示终端每帧平均需要的时隙数。假设某个波位被分配的时隙数为α，该波位有N个终端，每个终端的负载分别为ρ₁,ρ₂,...,ρ_N，则从统计来说该波位业务拒绝量由两部分组成，第一部分为终端的负载大于时隙数α，该终端的可被分配的最大时隙数为α，其余时隙需求将被拒绝；第二部分为当位于该波位的N个终端时隙需求总量大于α×B，大于的部分将会被拒绝，其中B为单波束的频率子带个数。

当某波位用户数少，如用户数小于B，业务总量也较小，通过时隙优化分配后，被分配的时隙数少，资源利用率低；而在某些波位，用户数多，资源利用率高，且对有些用户由于资源受限使得业务被拒绝。此时为了提高资源利用率，通过将波束同时指向两个波位，使两个波位的终端共享时隙资源。这两个波位其中一个资源利用率低，一个资源利用率高。波束同时指向两个波位将使得卫星波束的增益下降3dB，因此用户的链路需要调整，本系统中要求用户信息速率下降50％，调制编码不变，带宽占用为原来一半，当给该用户分配的时隙数为原时隙数的两倍时，该用户的获得的容量将不变。

如图3中上图，在一段时间统计后，根据每个波位的业务量和优先级，以最小化加权业务拒绝量为准则，为6个有业务的波位分配时隙。找出资源利用率最高的波位6与资源利用率最低的波位1，计算将这两个波位合并后的加权业务拒绝量，若加权业务拒绝量下降，将两波位合并，并且调整各波位服务顺序，如图3中下图。

在某些情况下两个波位合并将降低加权业务拒绝量，如图4，波位k₁有用户A～I共9个用户，受资源限制只给A～H分配了时隙资源，I用户的业务被拒绝。而波位k₂中仅有一个用户J，由于J的优先级很高，给波位k₂分配10个时隙，这使得波位k₂的资源利用率极低，而波位k₁的资源利用率极高。若将这两个波位合并，如图4中(c)，I用户的业务将不会被拒绝，从而降低了业务拒绝量。在两个波位合并后，每个用户的时隙数加倍，而占用带宽减半。

实施例

假设一个相控阵波束服务两个波位，通过仿真比较在多种不同情况下两个波位的波束驻留时间按相等分配与按本发明方法分配下的业务加权拒绝量，仿真在如下假设下进行：

1)波束的信道结构为24时隙*16频率子带；

2)业务请求按照泊松分布到达；

3)在每个波位中时隙按照RCP-fit算法分配；

仿真1：假设波位1具有活跃终端数为35个，其中30个终端负载为i，另外5个终端负载为2*i，i＝3,4,5,6,7。波位2具有活跃终端数为5个，终端负载均为2*i。对比为两个波位均匀分配时隙(每个波位各8个时隙)，以及根据负载i不同为终端不等分时隙，以及将两个波位合并，三种情况下的业务拒绝率如图5，可以看到随着i的增加(业务量的增加)，本发明业务拒绝率明显低于等时隙数分配方法。其中本发明中在i＝3，4，5，6，7时，分配给波位1的时隙数分别为：11，10，13，15，16。

仿真2：假设波位1具有活跃终端数为20个，波位2具有活跃终端数为5个，波位1和波位2中所有终端负载均为i，其中i＝6：14。采用本发明方法给波位1与波位2分配时隙数，在i＝6：14时，波位1的时隙数分别为[9 9 10 11 13 14 15 16 16]，而当i＝[6 7 8 9]时，合并两波束将比波束分时工作更优，同时无论波位合并还是不合并，本发明方法都优于均匀时隙分配，如图6。

Claims (7)

1.一种基于相控阵捷变波束的上行信道资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将相控阵波束的服务区域分为若干波位；

2)统计波位内每个终端的终端负载；

3)根据最小化加权业务拒绝量准则在每帧中为各波位分配驻留时隙数；

4)统计资源利用率最高的波位k₁与资源利用率最低的波位k₂，并比较将波位k₁与波位k₂合并与不合并时的加权业务拒绝总量；

5)若合并后的加权业务拒绝总量降低，则合并波位后重复步骤4)；否则，时隙分配完成。

2.如权利要求1所述的上行信道资源分配方法，其特征在于，步骤2)所述终端负载是指终端每帧平均需要的时隙数，其计算方法如下：

其中，d_i为终端i每次业务申请的平均持续帧数，l_i为终端i每次业务申请在每帧中的平均持续时长，τ_i为终端i申请的平均到达间隔，N_k为波位k中包含的终端数。

3.如权利要求1所述的上行信道资源分配方法，其特征在于，步骤3)具体如下：

每帧中的时隙数为L，波位个数为K，每个波位分配到的时隙分别为α₁,α₂,...,α_K，定义代价函数f(α₁,α₂,...,α_K)，当α₁+α₂+...+α_K＝L,且使得f(α₁,α₂,...,α_K)最小时，α₁,α₂,...,α_K即为最小化加权业务拒绝量准则所得的最优时隙分配。

4.如权利要求3所述的上行信道资源分配方法，其特征在于，所述代价函数f(α₁,α₂,...,α_K)的计算方法如下：

i＝1,2,...,N_k，k＝1,2,...,K；

其中，N_k为波位k中包含的终端数，α_k为波位k分配到的时隙，为波位k中第i个终端的终端负载，为波位k中第i个终端的重要性权值。

5.如权利要求1所述的上行信道资源分配方法，其特征在于，步骤4)具体如下，令：

则，波位k₁与波位k₂合并时的加权业务拒绝总量为：

f'(α_k1,α_k2)＝-(f'_k1+f'_k2+g')×mean_λ^k1k2；

波位k₁与波位k₂不合并时的加权业务拒绝总量为：

f(α_k1,α_k2)＝-(f_k1+g_k1)×mean_λ^k1+(f_k2+g_k2)×mean_λ^k2；

其中，N_k1为波位k₁中包含的终端数，N_k2为波位k₂中包含的终端数，α_k1为波位k₁分配到的时隙，α_k2为波位k₂分配到的时隙，为波位k₁中第i个终端的终端负载，为波位k₂中第i个终端的终端负载，为波位k₁中第i个终端的重要性权值，为波位k₂中第i个终端的重要性权值。

6.如权利要求5所述的上行信道资源分配方法，其特征在于，比较将波位k₁与波位k₂合并与不合并时的加权业务拒绝总量时，若f'(α_k1,α_k2)＜f(α_k1,α_k2)则波位k₁与波位k₂共用时隙α_k1,α_k2，并调整各波位时隙顺序，使得时隙α_k1与α_k2相邻。

7.如权利要求1所述的上行信道资源分配方法，其特征在于，还包括：在每帧的时隙按α₁,α₂,...,α_K分别分配给各波位后，采用RCP-fit算法为每个波位下的终端分配时隙资源。