CN109743738B

CN109743738B - 频谱共享方法、装置、电子设备和计算机可读介质

Info

Publication number: CN109743738B
Application number: CN201811654232.3A
Authority: CN
Inventors: 匡麟玲; 姜春晓; 张弛; 钟远智
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2018-12-30
Filing date: 2018-12-30
Publication date: 2020-11-13
Anticipated expiration: 2038-12-30
Also published as: CN109743738A

Abstract

本发明提供了一种频谱共享系统的频谱共享方法、装置和电子设备，涉及卫星通信的技术领域，包括：确定频谱共享系统的网络模型、传输模式以及地面基站的天线类型；网络模型为以GEO地球站为中心划分出保护区和排斥区的模型；传输模式包括正常模式和频率倒置模式；地面基站的天线类型包括全向天线或定向天线；基于网络模型、传输模式和天线类型，构建目标函数；基于网络模型，构建约束条件；在约束条件下，对目标函数进行求解，以基于求解结果，在保证GEO卫星通信系统通信正常情况下，使GEO卫星通信系统和地面移动通信系统能够实现共享频谱。本发明可以保证GEO卫星通信系统正常工作的情况下提高了频谱的利用率。

Description

频谱共享方法、装置、电子设备和计算机可读介质

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其是涉及一种频谱共享系统的频谱共享方法、装置和电子设备。

背景技术

由于卫星通信的快速发展，同步静止轨道卫星(GEO)通信系统和地面通信系统的频谱共存现象非常普遍。比如，在Ka频段，17.7-19.7GHz 和27.5-29.5GHz同时分配给卫星固定业务(FSS)、地面固定业务(FS)和地面移动业务(MS)使用。然而，由于频谱共存的现象，会导致共存系统中的设备彼此之间发生干扰情况。

在相关技术中，为了减轻频谱共存造成的干扰并提高频谱利用率，认知无线电(CR)技术作为有效的解决方案被广泛应用。保护主用户传输不受有害干扰是认知网络的关键。其中，Vu等人的代表性文献针对地面场景，提出建立主用户排斥区(PER)，为保护主用户接收端的中断概率在排斥区内任何认知用户都不准发射信号。然而，在GEO卫星通信系统和地面移动通信系统频谱共存的情况下，如果仅仅要考虑地面通信系统的认知无线，即目前的技术，那么就会忽略卫星通信系统中的认知应用，从而导致频谱利用率不高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供频谱共享系统的频谱共享方法、装置和电子设备，可以保证GEO卫星通信系统正常工作的情况下提高了频谱的利用率。

第一方面，本发明实施例提供了一种频谱共享系统的频谱共享方法，所述频谱共享系统包括：GEO卫星通信系统和地面移动通信系统；所述GEO 卫星通信系统包括GEO卫星和GEO地球站，所述地面移动通信系统包括至少一个地面基站，所述方法包括：

确定频谱共享系统的网络模型、传输模式以及地面基站的天线类型；所述网络模型为以所述GEO地球站为中心划分出保护区和排斥区的模型；所述传输模式包括正常模式和频率倒置模式；所述地面基站的天线类型包括全向天线或定向天线；

基于所述网络模型、所述传输模式和所述天线类型，构建目标函数；

基于所述网络模型，构建约束条件；

在所述约束条件下，对所述目标函数进行求解，以基于求解结果，在保证GEO卫星通信系统通信正常情况下，使所述GEO卫星通信系统和所述地面移动通信系统能够实现共享频谱。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，基于所述传输模式和所述天线类型，构建目标函数，包括：

当所述传输模式为正常模式时，基于网络模型，构建第一分布子函数；

当所述传输模式为频率倒置模式时，基于所述网络模型，构建第二分布子函数；

当所述传输模式为正常模式、所述天线类型为全向天线时，构建第一干扰子函数；

当所述传输模式为正常模式、所述天线类型为定向天线时，构建第二干扰子函数；

当所述传输模式为频率倒置模式、所述天线类型为全向天线时，构建第三干扰子函数；

当所述传输模式为频率倒置模式、所述天线类型为定向天线时，构建第四干扰子函数；

基于第一分布子函数和第一干扰子函数构建第一目标函数；

基于第一分布子函数和第二干扰子函数构建第二目标函数；

基于第二分布子函数和第三干扰子函数构建第三目标函数；

基于第二分布子函数和第四干扰子函数构建第四目标函数。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，基于第一分布子函数和第一干扰子函数构建第一目标函数，包括：

通过以下算式(1)和算式(2)构建的第一目标函数；

其中，f_r(r)是第一分布子函数，r是GEO地球站到地面基站的距离，并且R₀≤r≤R，R₀是任一地面基站与GEO地球站的最小距离，R是任一地面基站与GEO地球站的最大距离，I_bs→es是第一干扰子函数，P_bs是地面基站的发射功率，G_be是地面基站的发射天线在GEO地球站方向的增益，G_es是GEO地球站发射天线在地面基站方向的增益，c是光速，f是频谱的中心频率，d是地面基站与GEO地球站之间的距离，α是取决于不同环境和天线高度的路径损耗指数，Q_σ是瑞利参数。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，基于第一分布子函数和第二干扰子函数构建第二目标函数，包括：

通过以下算式(1)和算式(3)构建的第二目标函数；

I_bs→es＝P_bs·|H_rayw|²·G_es (3)

其中，f_r(r)是第一分布子函数，r是GEO地球站到地面基站的距离，并且R₀≤r≤R，R₀是任一地面基站与GEO地球站的最小距离，R是任一地面基站与GEO地球站的最大距离，I_bs→es是第二干扰子函数，P_bs是地面基站的发射功率，H_ray是地面基站和GEO地球站之间的信道矩阵，w是波束成形矩阵，G_es是GEO地球站发射天线在地面基站方向的增益。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，基于第二分布子函数和第三干扰子函数构建第三目标函数，包括：

通过以下算式(4)和算式(5)构建的第三目标函数；

I_bs→sa＝P_bsG_bsG_sa(θ)L_sφ_k ² (5)

其中，f_θ(θ)是第二分布子函数，θ是所述GEO卫星在所述地面基站方向的离轴角，h为所述GEO卫星到所述GEO地球站的高度，R₀是任一地面基站与GEO地球站的最小距离，R是任一地面基站与GEO地球站的最大距离，I_bs→sa是第三干扰子函数，P_bs是地面基站的发射功率，G_bs是地面基站在GEO卫星方向的天线增益，G_sa(θ)是GEO卫星在θ方向的天线增益，K是莱斯分布，L_s是自由空间损耗，其大小为

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，基于第二分布子函数和第四干扰子函数构建第四目标函数，包括：

通过以下算式(4)和算式(6)构建的第四目标函数；

I_bs→sa＝P_bs·|H_ricw|²·G_sa(θ) (6)

其中，f_θ(θ)是第二分布子函数，θ是所述GEO卫星在所述地面基站方向的离轴角，h为所述GEO卫星到所述GEO地球站的高度，R₀是任一地面基站与GEO地球站的最小距离，R是任一地面基站与GEO地球站的最大距离，I_bs→es是第四干扰子函数，H_ric是地面基站和GEO地球站之间的信道矩阵，w是波束成形矩阵，P_bs是地面基站的发射功率， G_sa(θ)是GEO卫星在θ方向的天线增益。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，基于所述网络模型，构建约束条件，包括：

基于所述网络模型中的保护区的中断概率，构建约束条件；所述约束条件为

β(β<1)是中断概率，I是所述GEO卫星通信系统接收端所受的集总干扰，P_gr是所述GEO卫星通信系统的接收功率，C₀是保证GEO系统正常通信的最小传输速率，N是所述GEO 卫星通信系统噪声值，N＝KTW，K为波尔兹曼常数，T为GEO系统的噪声温度，W为带宽。

第二方面，本发明实施例还提供一种频谱共享系统的频谱共享装置，所述频谱共享系统包括：GEO卫星通信系统和地面移动通信系统；所述GEO 卫星通信系统包括GEO卫星和GEO地球站，所述地面移动通信系统包括至少一个地面基站，所述装置包括：

确定模块，用于确定频谱共享系统的网络模型、传输模式以及地面基站的天线类型；所述网络模型为以所述GEO地球站为中心划分出保护区和排斥区的模型；所述传输模式包括正常模式和频率倒置模式；所述地面基站的天线类型包括全向天线或定向天线；

第一构建模块，用于基于所述网络模型、所述传输模式和所述天线类型，构建目标函数；

第二构建模块，用于基于所述网络模型，构建约束条件；

求解模块，用于在所述约束条件下，对所述目标函数进行求解，以基于求解结果，在保证GEO卫星通信系统通信正常情况下，使所述GEO卫星通信系统和所述地面移动通信系统能够实现共享频谱。

第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例任一项所述的方法的步骤。

第四方面，本发明实施例还提供一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，所述程序代码使所述处理器执行上述实施例任一所述方法。

本发明实施例带来了以下有益效果：通过确定频谱共享系统的网络模型、传输模式以及地面基站的天线类型，网络模型为以GEO地球站为中心划分出保护区和排斥区的模型，传输模式包括正常模式和频率倒置模式，地面基站的天线类型包括全向天线或定向天线，再基于网络模型、传输模式和天线类型，构建目标函数，基于网络模型，构建约束条件，在约束条件下，对目标函数进行求解，以基于求解结果，本发明从两种天线类型下，两种传输模式即正常模式和频率倒置模式中干扰的主要来源和信号模型出发，求解目标函数，能够在保障GEO卫星通信系统正常工作的情况下，实现GEO卫星通信系统和地面移动通信系统之间的频谱共享，提高频谱利用率。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以基于这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的频谱共享系统的频谱共享方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的网络模式的频谱共享系统的一种示意图；

图3a为正常模式下下行链路的频谱共享系统频谱情况的示意图；

图3b为正常模式下上行链路的频谱共享系统频谱情况的示意图；

图4a为频率倒置模式下GEO下行链路和地面上行链路的频谱共享系统频谱情况的示意图；

图4b为频率倒置模式下GEO上行链路和地面下行链路的频谱共享系统频谱情况的示意图；

图5为本发明实施例提供的网络模式的频谱共享系统的另一种示意图；

图6为本发明实施例提供的频谱共享系统的频谱共享装置的结构图；

图7为本发明实施例提供的全向天线且正常模式下干扰期望与保护半径、BS功率之间的关系示意图；

图8为本发明实施例提供的全向天线且频率倒置模式下干扰期望与保护半径之间的关系示意图；

图9为本发明实施例提供的定向天线且正常模式下干扰期望与保护半径之间的关系示意图；

图10为本发明实施例提供的定向天线且频率倒置模式下干扰期望与保护半径之间的关系示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动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。

基于此，本发明实施例提供的一种频谱共享系统的频谱共享方法、装置和电子设备，可以通过确定频谱共享系统的网络模型、传输模式以及地面基站的天线类型，网络模型为以GEO地球站为中心划分出保护区和排斥区的模型，传输模式包括正常模式和频率倒置模式，地面基站的天线类型包括全向天线或定向天线，再基于网络模型、传输模式和天线类型，构建目标函数，基于网络模型，构建约束条件，在约束条件下，对目标函数进行求解，以基于求解结果，本发明从两种天线类型下，两种传输模式即正常模式和频率倒置模式中干扰的主要来源和信号模型出发，求解目标函数，能够在保障GEO卫星通信系统正常工作的情况下，实现GEO 卫星通信系统和地面移动通信系统之间的频谱共享，提高频谱利用率。

本发明实施例提供了一种频谱共享系统的频谱共享方法，其中，所述频谱共享系统包括：GEO卫星通信系统和地面移动通信系统；所述GEO卫星通信系统包括GEO卫星和GEO地球站，所述地面移动通信系统包括至少一个地面基站，结合图1所示，所述方法包括：

S110：确定频谱共享系统的网络模型、传输模式以及地面基站的天线类型；网络模型为以GEO地球站为中心划分出保护区和排斥区的模型；传输模式包括正常模式和频率倒置模式；地面基站的天线类型包括全向天线或定向天线；

步骤S110主要是确定本发明的研究方向，即网络模型、传输模式以及地面基站的天线类型，具体来说，

对于网络模型，结合图2所示，示出了网络模型的结构图，以GEO地球站(黑色圆形标记)为中心划分出保护区和排斥区，其中，至少一个地面基站(黑色方形标记)可以分布在保护区C1或者排斥区C2中。可以理解为，将GEO卫星通信系统视为主用户，地面移动通信系统为认知用户，该网络模型是以GEO卫星通信系统在保护区C1内能够保持通信的情况下，即在保护区内NGEO卫星通信系统不能与GEO卫星通信系统同频，在排斥区C2内GEO卫星通信系统和地面移动通信系统能够实现频谱共享。

对于传输模式，如图3a、图3b、图4a、图4b所示，正常模式是指GEO卫星通信系统的下行链路和地面移动通信系统的下行链路频段相同，反之亦然；频率倒置模式是指GEO卫星通信系统的下行链路和地面移动通信系统的上行链路频率相同，反之亦然。在这两种传输模式下，考虑卫星系统接收到的干扰。具体来说，在正常模式下，如图 3a所示，在下行链路中，即，GEO卫星对GEO地球站发送频谱，与地面基站对地面终端发送频谱时，地面基站对GEO地球站的干扰是普遍存在的。如图3b所示，在上行链路中，即，GEO地球站对GEO 卫星发送频谱，与地面终端对地面基站发送频谱时，由于地面终端的发射功率受限并且地面终端到GEO卫星距离比较远，因此地面终端对GEO卫星的干扰可以忽略。

在频率倒置模式下，如图4a所示，GEO卫星通信系统的干扰源于两个方面：GEO下行链路和地面上行链路频率相同时，即，GEO 卫星向GEO地球站发送频谱，与地面终端向地面基站发送频谱相同时，地面终端可能会对GEO地球站造成干扰。如图4b所示，GEO 上行链路和地面下行链路频率相同时，即，GEO地球站向GEO卫星发送频谱，与地面基站向地面终端发送频谱相同时，来自多个地面基站的集总干扰可能会对GEO卫星造成有害干扰。

比较这两种传输模式，可以发现，虽然在频率倒置模式下GEO 卫星会受到地面基站的干扰，但GEO地球站在频率倒置模式下受到地面终端的干扰比在正常模式下受到的地面基站的干扰小，实际应用中更为有利。由于频率倒置模式的GEO上行和地面下行链路中的分析方法与正常模式的下行链路相似，因此本发明研究两种场景，即正常模式的下行链路(图3a)来代表正常模式下的两种形式和频率倒置模式中的GEO上行链路和地面下行链路(图4b)来代表频率倒置模式下的两种形式。所以，以下提到的正常模式均为正常模式的下行链路；频率倒置模式为频率倒置模式中的GEO上行链路和地面下行链路。

本发明以地面基站的天线类型中普遍使用的全向天线或定向天线为研究对象。

S120：基于网络模型、传输模式和天线类型，构建目标函数。

基于第一分布子函数和第一干扰子函数构建第一目标函数；

基于第一分布子函数和第二干扰子函数构建第二目标函数；

基于第二分布子函数和第三干扰子函数构建第三目标函数；

基于第二分布子函数和第四干扰子函数构建第四目标函数。

由于上述分析，本发明采用的传输模式为正常模式和频率倒置模式，所以，本发明以这两种场景下构建目标函数，具体来说：

在正常模式下，基于第一分布子函数和第一干扰子函数构建第一目标函数，包括：

通过以下算式(1)和算式(2)构建的第一目标函数；

在计算算式(1)时，结合图2所示，考虑到网络模型为以GEO 地球站为中心划分出保护区和排斥区，其分布情况的算式(1)主要考虑在排斥区内的地面发射端(地面基站或者地面终端)，传输模式为正常模式下，即地面基站对GEO地球站的干扰的情况，假设，具有任何地面发射端距离GEO地球站至少为R₀。n个地面发射端随机均匀分布，密度为ρ，位于半径R₀和R之间的圆圈内，其算式可以为

即算式 (1)。

即，本发明通过第一分布子函数和第一干扰子函数，构建第一目标函数。另外，在算式(2)中，由于GEO地球站天线方向对准卫星，可以认为GEO地球站在地面基站方向的天线增益G_bs是一个小的常数。另一方面，地面基站随机地位于GEO地球站周围，并且地面基站的天线方向通常是水平的，因此基站在GEO地球站方向的天线增益G_es相对较高。

在正常模式下，基于第一分布子函数和第二干扰子函数构建第二目标函数，包括：

通过以下算式(1)和算式(3)构建的第二目标函数；

I_bs→es＝P_bs·|H_rayw|²·G_es (3)

在计算算式(3)时，由于考虑到定向天线是由N根天线组成，所以，其得到算式(3)的过程可以为：N根天线可以为M(M≤N)个用户提供服务，并且每个用户配备一根单独的天线。因此，用户集可以用集合 {U₁,U₂,...,U_M}表示。来自一个BS天线阵列的发射信号矢量可写为：

其中，w＝[w₁,w₂,...,w_M]是波束成形矩阵，w_j＝[w_j1,w_j2,...,w_jN]^H，

是基站的平均发射功率，s＝[s₁,s₂,...,s_M]^H是发射信号，s_j是发送给用户U_j的信号。此时，U_k的接收信号可以表示为：

其中，h_k＝[h_k1,h_k2,...,h_kN]是基站到用户U_k的信道向量，因此 H＝[h₁,h₂,...,h_M]^H是基站到所有用户的信道矩阵，n_k是加性高斯白噪声。

在该场景中，可以选择迫零波束成形(ZFBF)来完全消除用户之间的同信道干扰，即上式中的第二项为零。因此，波束成形矩阵w需要满足：

w＝H(HH^H)^-1

所以，可以得到算式(3)：I_bs→es＝P_bs·|H_rayw|²·G_es。

在频谱倒置的情况下，基于第二分布子函数和第三干扰子函数构建第三目标函数，包括：

通过以下算式(4)和算式(5)构建的第三目标函数；

I_bs→sa＝P_bsG_bsG_sa(θ)L_sφ_k ² (5)

其中，f_θ(θ)是第二分布子函数，θ是所述GEO卫星在所述地面基站方向的离轴角，h为所述GEO卫星到所述GEO地球站的高度，R₀是任一地面基站与GEO地球站的最小距离，R是任一地面基站与GEO地球站的最大距离，I_bs→sa是第三干扰子函数，P_bs是地面基站的发射功率， G_bs是地面基站在GEO卫星方向的天线增益，G_sa(θ)是GEO卫星在θ方向的天线增益，K是莱斯分布，L_s是自由空间损耗，其大小为

另外，在具体计算时，由于地面基站的方向通常是水平的，可以认为地面基站的天线在GEO卫星方向的增益值是个比较小的常数。

在计算算式(4)时，与算式(1)类似，由于算式(4)为网络模型为以GEO地球站为中心划分出保护区和排斥区、传输模式为频率倒置模式下建立的，传输模式为频率倒置模式，即主要是地面终端向GEO卫星的干扰，结合图5所示，r代表地面基站和GEO地球站的距离，d代表地面基站和 GEO卫星的距离。假设GEO地球站位于GEO卫星的星下点，并且θ表示 GEO卫星在地面基站方向的离轴角，因此，d可以表示为

d(θ)＝h·secθ,R₀≤r≤R

其中h表示GEO卫星到GEO地球站的高度，一般认为是35786km。由于均根据同一网络模型建立，同样的，r的概率分布可以表示为：

由于

θ的概率分布为：

即得到算式(4)。

在频谱倒置的情况下，基于第二分布子函数和第四干扰子函数构建第四目标函数，包括：

通过以下算式(4)和算式(6)构建的第四目标函数；

I_bs→sa＝P_bs·|H_ricw|²·G_sa(θ) (6)

其中，f_θ(θ)是第二分布子函数，θ是所述GEO卫星在所述地面基站方向的离轴角，h为所述GEO卫星到所述GEO地球站的高度，R₀是任一地面基站与GEO地球站的最小距离，R是任一地面基站与 GEO地球站的最大距离，I_bs→es是第四干扰子函数，H_ric是地面基站和 GEO地球站之间的信道矩阵，w是波束成形矩阵，P_bs是地面基站的发射功率，G_sa(θ)是GEO卫星在θ方向的天线增益。

S130：基于网络模型，构建约束条件。

由于网络模型采用以所述GEO地球站为中心划分出保护区和排斥区的模型，所以，本发明提出的基于所述网络模型中的保护区的中断概率，构建约束条件。

结合图2所示，为了保障GEO卫星通信系统在保护区C1中的正常工作，其中断概率需满足下式：

Pr[T₀≤C₀]≤β

其中T₀是GEO卫星通信系统的传输速率，β(β<1)是中断概率，C₀是保证GEO卫星通信系统正常通信的最小传输速率。这个约束在确保β时间外，GEO卫星通信系统的最小传输速率至少为C₀。根据香农定理，GEO卫星通信系统的传输速率可以表示成：

其中I表示GEO系统接收端所受的集总干扰，P_gr表示GEO系统的接收功率，N表示GEO系统噪声值为N＝KTW，K为波尔兹曼常数，T为GEO 系统的噪声温度，W为带宽。

因此，结合上述两个算式，可以得到约束条件为：

β(β<1)是中断概率，I是所述GEO卫星通信系统接收端所受的集总干扰， P_gr是所述GEO卫星通信系统的接收功率，C₀是保证GEO系统正常通信的最小传输速率，N是所述GEO卫星通信系统噪声值，N＝KTW，K为波尔兹曼常数，T为GEO系统的噪声温度，W为带宽。

S140：在约束条件下，对目标函数进行求解，以基于求解结果，在保证GEO卫星通信系统通信正常情况下，使GEO卫星通信系统和地面移动通信系统能够实现共享频谱。

通过在步骤S130中的所介绍的，通过以下算式(1)和算式(2) 构建的第一目标函数，第一目标函数可以表示为：

因为，φ_σ是瑞利参数，可以得到

σ是瑞利信道的阴影衰落。因此，可以将式(11)化简得到：

假设网络是无限的，也就是说R→∞，可以将算式(12)化简得到：

其中，可以将路径损耗参数α设为4，E[I_bs→es]可以简化为：

将上式结合约束条件，根据马尔可夫不等式，GEO地球站的中断概率可以表示为：

其中P_gre表示GEO地球站接收到GEO卫星的功率，N是GEO地球站的噪声。将中断概率β加在上式(15)的右边，可以得到E[I_bs→es]的边界值：

同样地，当R→∞，将算式(13)代入算式(16)中，得到保护半径的边界值为：

此式子给出了确保GEO地球站中断概率的最小距离。当地面基站距离 GEO地球站的距离不小于

GEO地球站不会受到地面基站的有害干扰。当α＝4，算式(17)可以表示为：

通过以下算式(1)和算式(3)构建的第二目标函数，第二目标函数可以表示为：

同样的，由于第二目标函数和第一目标函数中均处于相同的传输模式，即正常模式下的下行链路，所以，可以将第二目标函数代入第一目标函数所介绍的算式(16)中，得到保护半径的最小值。

通过以下算式(4)和算式(5)构建的第三目标函数，第三目标函数可以表示为：

地面到卫星的信道为莱斯信道，因此E(K²)＝2σ²+ν²,其中ν为莱斯因子，σ为衰落因子，因此第三目标函数可以写成：

由于GEO卫星天线类型G_sa(θ)按照ITU-R S.672-4，并且，由于考虑的是无线网路，也就是R→∞，那么可以得到

的表达式：

其中，G_max是GEO卫星最大天线增益，θ_b是3dB半波束角。将式(23) 代入式(22)可得到E[I_bs→sa]的值。

对于约束条件，根据马尔科夫不等式，GEO卫星的终端概率可以表示为：

其中P_grs是GEO卫星的接收功率，N_s是GEO卫星的噪声。在频率倒置模式下的GEO上行链路和地面下行链路下，E[I_bs→sa]的边界值可以表示为：

将算式(23)、算式(24)代入算式(25)中，即可获得保护半径的最小值。

通过以下算式(4)和算式(6)构建的第四目标函数，第四目标函数可以表示为：

由于第四目标函数中的频谱共存场景与第三目标函数中相同，所以，可以将第四目标函数代入第三目标函数介绍中的算式(25)中，得到保护半径的最小值。

基于上述的计算结果，列举一个本发明的仿真实例，正常模式和频率倒置模式的仿真参数分别见表1和表2。

表1正常模式下的仿真参数

表2频率倒置模式下的仿真参数

参数	值
		频率	27.5GHz
地面基站发射功率	20/25/30dBm
		地面基站天线增益	1dBi
地面基站天线类型	ITU-R F.1336
		地面基站用户数量	5
地面基站定向天线数量	5
		GEO卫星天线最大增益	47dB
GEO地球站EIRP值	63dBW
		GEO卫星天线类型	ITU-R S.672-4
GEO卫星噪声温度	500K

在天线类型为全向天线时，

在正常模式下的下行链路中，显然，地面基站的传输功率越大，GEO 地球站处的干扰也就越大。从图7中可以看出，为了保证GEO地球站的传输性能，当地面基站功率为20dBm，25dBm和30dBm时，保护半径R₀应至少为1.11Km，2.97Km和8Km。这就意味着，当地面基站到GEO地球站的距离大于上述最小保护半径R₀时，地面和GEO系统可以在相同频带中共存。

而在频率倒置模式下的GEO上行链路和地面下行链路中，如图8所示，当地面基站功率为20dBm和25dBm时，可以忽略有害干扰。而当地面基站功率增加到30dBm时，保护半径R₀至少为68.29Km。解决干扰问题的另一种方法是在保证地面链路正常工作的前提下控制地面基站的传输功率。

在天线类型为定向天线时，

在图9和图10中，通过在BS处利用迫零波束形成技术来呈现GEO系统处的干扰。在正常模式的下行链路中，如图9所示，当BS功率分别为 20dBm，25dBm和30dBm时，保护半径至少为1m，201m和2.251Km。在频率倒置模式的GEO上行链路和地面下行链路中，如图10所示，当BS 功率分别为20dBm，25dBm和30dBm时，对GEO卫星没有有害干扰。

基于上述频谱共享系统的频谱共享方法，本发明实施例还提供一种频谱共享系统的频谱共享装置，所述频谱共享系统包括：GEO卫星通信系统和地面移动通信系统；所述GEO卫星通信系统包括GEO卫星和GEO地球站，所述地面移动通信系统包括至少一个地面基站，结合图6所示，所述装置包括：

确定模块610，用于确定频谱共享系统的网络模型、传输模式以及地面基站的天线类型；所述网络模型为以所述GEO地球站为中心划分出保护区和排斥区的模型；所述传输模式包括正常模式和频率倒置模式；所述地面基站的天线类型包括全向天线或定向天线；

第一构建模块620，用于基于所述网络模型、所述传输模式和所述天线类型，构建目标函数；

第二构建模块630，用于基于所述网络模型，构建约束条件；

求解模块640，用于在所述约束条件下，对所述目标函数进行求解，以基于求解结果，在保证GEO卫星通信系统通信正常情况下，使所述GEO 卫星通信系统和所述地面移动通信系统能够实现共享频谱。

可选的，第一构建模块620具体用于：

基于第一分布子函数和第一干扰子函数构建第一目标函数；

基于第一分布子函数和第二干扰子函数构建第二目标函数；

基于第二分布子函数和第三干扰子函数构建第三目标函数；

基于第二分布子函数和第四干扰子函数构建第四目标函数。

可选的，第一构建模块620中的基于第一分布子函数和第一干扰子函数构建第一目标函数，包括：

通过以下算式(1)和算式(2)构建的第一目标函数；

可选的，第一构建模块620中的基于第一分布子函数和第二干扰子函数构建第二目标函数，包括：

通过以下算式(1)和算式(3)构建的第二目标函数；

I_bs→es＝P_bs·|H_rayw|²·G_es (3)

可选的，第一构建模块620中的基于第二分布子函数和第三干扰子函数构建第三目标函数，包括：

通过以下算式(4)和算式(5)构建的第三目标函数；

I_bs→sa＝P_bsG_bsG_sa(θ)L_sφ_k ² (5)

可选的，第一构建模块620中的基于第二分布子函数和第四干扰子函数构建第四目标函数，包括：

通过以下算式(4)和算式(6)构建的第四目标函数；

I_bs→sa＝P_bs·|H_ricw|²·G_sa(θ) (6)

可选的，第二构建模块630具体用于：

基于所述网络模型中的保护区的中断概率，构建约束条件；其中，所述地面移动通信系统分布在所述保护区和排斥区内；所述约束条件为

β(β<1)是中断概率，I是所述GEO卫星通信系统接收端所受的集总干扰，P_gr是所述GEO卫星通信系统的接收功率， C₀是保证GEO系统正常通信的最小传输速率，N是所述GEO卫星通信系统噪声值，N＝KTW，K为波尔兹曼常数，T为GEO系统的噪声温度，W为带宽。

本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例任一项所述的方法的步骤。

其中，存储器可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

其中，存储器用于存储程序，所述处理器在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。

处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

本发明实施例还提供一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，所述程序代码使所述处理器执行上述实施例任一所述方法。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

附图中的流程图和框图显示了基于本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/ 或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以基于实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种频谱共享系统的频谱共享方法，所述频谱共享系统包括：GEO卫星通信系统和地面移动通信系统；所述GEO卫星通信系统包括GEO卫星和GEO地球站，所述地面移动通信系统包括至少一个地面基站，其特征在于，所述方法包括：

基于所述网络模型、传输模式和所述天线类型，构建目标函数；

基于所述网络模型，构建约束条件；

在所述约束条件下，对所述目标函数进行求解，以基于求解结果，在保证GEO卫星通信系统通信正常情况下，使所述GEO卫星通信系统和所述地面移动通信系统能够实现共享频谱；

其中，基于所述传输模式和所述天线类型，构建目标函数，包括：

基于第一分布子函数和第一干扰子函数构建第一目标函数；

基于第一分布子函数和第二干扰子函数构建第二目标函数；

基于第二分布子函数和第三干扰子函数构建第三目标函数；

基于第二分布子函数和第四干扰子函数构建第四目标函数；

其中，基于第一分布子函数和第一干扰子函数构建第一目标函数，包括：

通过以下算式(1)和算式(2)构建的第一目标函数；

其中，f_r(r)是第一分布子函数，r是GEO地球站到地面基站的距离，并且R₀≤r≤R，R₀是任一地面基站与GEO地球站的最小距离，R是任一地面基站与GEO地球站的最大距离，I¹ _bs→es是第一干扰子函数，P_bs是地面基站的发射功率，G_be是地面基站的发射天线在GEO地球站方向的增益，G_es是GEO地球站发射天线在地面基站方向的增益，c是光速，f是频谱的中心频率，d是地面基站与GEO地球站之间的距离，α是取决于不同环境和天线高度的路径损耗指数，Q_σ是瑞利参数；

其中，基于第一分布子函数和第二干扰子函数构建第二目标函数，包括：

通过以下算式(1)和算式(3)构建的第二目标函数；

I² _bs→es＝P_bs·|H_rayw|²·G_es (3)

其中，f_r(r)是第一分布子函数，r是GEO地球站到地面基站的距离，并且R₀≤r≤R，R₀是任一地面基站与GEO地球站的最小距离，R是任一地面基站与GEO地球站的最大距离，I² _bs→es是第二干扰子函数，P_bs是地面基站的发射功率，H_ray是地面基站和GEO地球站之间的信道矩阵，w是波束成形矩阵，G_es是GEO地球站发射天线在地面基站方向的增益；

其中，基于第二分布子函数和第三干扰子函数构建第三目标函数，包括：

通过以下算式(4)和算式(5)构建的第三目标函数；

I³ _bs→sa＝P_bsG_bsG_sa(θ)L_sφ_k ² (5)

其中，f_θ(θ)是第二分布子函数，θ是所述GEO卫星在所述地面基站方向的离轴角，h为所述GEO卫星到所述GEO地球站的高度，R₀是任一地面基站与GEO地球站的最小距离，R是任一地面基站与GEO地球站的最大距离，I³ _bs→sa是第三干扰子函数，P_bs是地面基站的发射功率，G_bs是地面基站在GEO卫星方向的天线增益，G_sa(θ)是GEO卫星在θ方向的天线增益，φ_k是莱斯分布，L_s是自由空间损耗，其大小为

其中，基于第二分布子函数和第四干扰子函数构建第四目标函数，包括：

通过以下算式(4)和算式(6)构建的第四目标函数；

I⁴ _bs→sa＝P_bs·|H_ricw|²·G_sa(θ) (6)

其中，f_θ(θ)是第二分布子函数，θ是所述GEO卫星在所述地面基站方向的离轴角，h为所述GEO卫星到所述GEO地球站的高度，R₀是任一地面基站与GEO地球站的最小距离，R是任一地面基站与GEO地球站的最大距离，I⁴ _bs→es是第四干扰子函数，H_ric是地面基站和GEO地球站之间的信道矩阵，w是波束成形矩阵，P_bs是地面基站的发射功率，G_sa(θ)是GEO卫星在θ方向的天线增益；

其中，基于所述网络模型，构建约束条件，包括：

基于所述网络模型中的保护区的中断概率，构建约束条件。

2.基于权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述约束条件为