CN110996394A - 一种联合跳波束和预编码的卫星通信系统资源调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种联合跳波束和预编码的卫星通信系统资源调度方法，包括：建立基于业务优先级的跳波束时隙分配目标函数；利用凸优化方法得到时隙分配最优解，由最优解得到各波束的时隙分配矩阵；对各波束的时隙分配结果进行分析，根据同频复用距离，找出存在严重同频干扰的波束；设计发射端的预编码，对跳波束资源分配方案中的存在同频干扰的波束进行干扰抑制和消除；本发明提供的资源调度方法，满足卫星资源动态调度和避免同频率干扰造成的性能下降，提高资源利用率和系统容量。

Description

一种联合跳波束和预编码的卫星通信系统资源调度方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，主要涉及一种联合跳波束和预编码的卫星通信系统资源调度方法。

背景技术

在传统的多波束卫星通信系统中，分配给每个波束的频谱、功率、时隙等资源是固定不变的；然而随着卫星通信的发展，用户的业务需求差异较大，用户业务在时间和空间上的分布也严重不均，这种固定式的资源分配极易造成资源利用的碎片化和波束之间的负载不均。针对以上问题，跳波束技术应运而生，作为高通量卫星向甚高通量卫星技术的演化和跃进的关键技术，为卫星资源的灵活分配和高效利用提供了实现基础。该技术能够提高链路的传输能力，满足时空动态分布、需求相差迥异的卫星信息网络业务需求。其核心思想是根据业务需求和分布，利用时间分片技术，在同一个时刻只需要一部分波束工作，充分利用卫星频谱、时隙、功率等资源，相比于传统的多波束卫星系统容量和资源利用率都有大幅度的提高。

然而由于跳波束的核心是业务驱动、随需覆盖，因此在业务需求较大的热点区域，必定存在多个相邻的波束“满功率、全频带”同时工作，也就是说有多个波束在工作时间上重叠，在空间距离上临近，所以相邻波束的用户不可避免的遇到严重的同频干扰，影响系统性能，难以充分利用跳波束的技术优势。这些给基于跳波束的设计带来了更严苛的挑战：不仅要满足用户业务差异化的需求，适应业务时间和空间分布的不均性，而且必须考虑同频干扰抑制方法，进行资源分配的联合设计。

发明内容

发明目的：本发明通过研究现有的资源分配方法，提出一种新型的联合跳波束和预编码技术的卫星通信系统资源调度方法，使得卫星资源的分配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，提高资源利用效率和系统容量。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种联合跳波束和预编码的卫星通信系统资源调度方法，包括以下步骤：

步骤1：建立基于业务优先级的跳波束时隙分配目标函数如下：

满足：R_i≤C_i，

N_i≥0,N_i∈整数，K为波束总数；

其中，C_i为各个波束的业务容量需求，R_i为各个波束的实际能达到的业务容量，ω_i为用户业务优先级的权重值；N_i为各个波束分配到的时隙数，

为最多在一个时隙可同时工作的波束数，N_t为总的时隙长度；

所述跳波束技术采用全频率复用，可得：

其中SINR_i,j为第j个时隙第i个波束的信干噪比；

步骤2：采用凸优化方法获取时隙分配数N_i的最优解；根据N_i得到时隙分配矩阵T＝[T₁,T₂,...T_k]^T；其中

n_ij＝1表示第i个波束分配到了时隙j；矩阵T为K×N_t维矩阵，且该矩阵行向量中的非零元素的个数等于N_i，列向量中的非零个数定义为

并且

步骤3：对各波束的时隙分配结果进行分析，根据同频复用距离，找出存在严重同频干扰的波束；

步骤4：设计发射端的预编码，对步骤3跳波束资源分配方案中的存在同频干扰的波束进行干扰抑制和消除。

进一步地，所述步骤2中利用凸优化方法求解时隙N_i分配最优解的步骤如下：

步骤2.1、将步骤1中的目标函数进行对数等价交换如下所示：

引入对偶变量λ，其他约束条件不变，目标函数的拉格朗日函数如下：

对上式求导，令

可得：

进一步的，所述找出存在严重同频干扰的波束具体步骤如下：

步骤3.1、计算共信道干扰的增益因子如下：

其中

为共信道干扰的增益因子，u(i,j)＝2.01723sin(θ(i,j))/sin(θ_3dB)，J_m是第一类m阶贝塞尔函数，θ_3dB和θ(i,j)分别代表第j个波束中心到第i个波束内用户的3dB角和位置角；则SINR_i,j可以表示为：

其中G_rtl为考虑路损、卫星发射增益和接收增益的信道矩阵；

步骤3.2、定义波束间的距离矩阵

具体如下：

其中，波束之间的距离指的是波束中心的距离；定义波束半径大小为R，最小复用距离为2R；

步骤3.3、挑选存在同频共信道干扰的情况，构造元素为0或1的三维矩阵S，其中s(i,m,j)为K×K×N_t的三维矩阵S的元素；对于每个时隙，若d_imn_ijn_mj≤2R，则s(i,m,j)＝1，否则s(i,m,j)＝0；

其中n_ijn_mj＝{0,1}，

s(i,m,j)＝1代表了第i和第m波束同时分配了第j个跳波束时隙工作，并且由于同频复用距离小于最小复用距离，而产生了同频干扰；为各波束的时隙分配矩阵T＝[T₁,T₂,...T_k]^T的元素；定义矩阵第三维的各向量元素的和

表示第j个跳波束时隙内产生共信道干扰的波束个数；

步骤3.4、利用筛选出的在同一跳波束时隙内工作，且共信道复用距离小于最小复用距离2R的情况，找到所有存在严重同频干扰的波束及对应的时隙序号。

进一步地，所述步骤4中采用预编码方法对存在同频干扰的波束进行干扰抑制和消除的方法如下：

步骤4.1、计算第i个波束在其所分配的第j个跳波束时隙中的预编码矩阵：

其中

为存在同频干扰的波束间的信道矩阵，

为各波束的噪声功率，P_tot为卫星的系统总功率，

步骤4.2、将预编码矩阵对功率进行归一化处理如下：

则相应的接收端SNIR为：

最后计算各波束容量为：

有益效果：本发明采用联合跳波束技术和预编码技术进行卫星系统资源调度，相较于现有方法，满足卫星资源动态调度和避免同频率干扰造成的性能下降，提高资源利用率和系统容量。

附图说明

图1是本发明提供的算法流程图；

图2是本发明提供的卫星系统7波束排布示意图；

图3是不同条件下系统容量对比结果图；

图4是采用预编码方式系统容量提升效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示的一种联合跳波束和预编码的卫星通信系统资源调度方法，包括以下步骤：

步骤1：建立基于业务优先级的跳波束时隙分配目标函数如下：

满足：R_i≤C_i，

N_i≥0,N_i∈整数，K为波束总数；

其中，C_i为各个波束的业务容量需求，R_i为各个波束的实际能达到的业务容量，ω_i为用户业务优先级的权重值；N_i为各个波束分配到的时隙数，

为最多在一个时隙可同时工作的波束数，N_t为总的时隙长度；

所述跳波束技术采用全频率复用，可得：

其中SINR_i,j为第j个时隙第i个波束的信干噪比；

步骤2：采用凸优化方法获取时隙分配数N_i的最优解；具体步骤如下：

步骤2.1、将步骤1中的目标函数进行对数等价交换如下所示：

引入对偶变量λ，其他约束条件不变，目标函数的拉格朗日函数如下：

对上式求导，令

可得：

根据N_i得到时隙分配矩阵T＝[T₁,T₂,...T_k]^T；其中

n_ij＝1表示第i个波束分配到了时隙j；矩阵T为K×N_t维矩阵，且该矩阵行向量中的非零元素的个数等于N_i，列向量中的非零个数定义为

并且

步骤3：对各波束的时隙分配结果进行分析，根据同频复用距离，找出存在严重同频干扰的波束；

找出存在严重同频干扰的波束具体步骤如下：

步骤3.1、计算共信道干扰的增益因子如下：

其中

为共信道干扰的增益因子，u(i,j)＝2.01723sin(θ(i,j))/sin(θ_3dB)，J_m是第一类m阶贝塞尔函数，θ_3dB和θ(i,j)分别代表第j个波束中心到第i个波束内用户的3dB角和位置角；则SINR_i,j可以表示为：

其中G_rtl为考虑路损、卫星发射增益和接收增益的信道矩阵；

步骤3.2、定义波束间的距离矩阵

具体如下：

其中，波束之间的距离指的是波束中心的距离；定义波束半径大小为R，最小复用距离为2R；

步骤3.3、挑选存在同频共信道干扰的情况，构造元素为0或1的三维矩阵S，其中s(i,m,j)为K×K×N_t的三维矩阵S的元素；对于每个时隙，若d_imn_ijn_mj≤2R，则s(i,m,j)＝1，否则s(i,m,j)＝0；

其中n_ijn_mj＝{0,1}，

s(i,m,j)＝1代表了第i和第m波束同时分配了第j个跳波束时隙工作，并且由于同频复用距离小于最小复用距离，而产生了同频干扰；为各波束的时隙分配矩阵T＝[T₁,T₂,...T_k]^T的元素；定义矩阵第三维的各向量元素的和

表示第j个跳波束时隙内产生共信道干扰的波束个数；

步骤3.4、利用筛选出的在同一跳波束时隙内工作，且共信道复用距离小于最小复用距离2R的情况，找到所有存在严重同频干扰的波束及对应的时隙序号。

步骤4：设计发射端的预编码，对步骤3跳波束资源分配方案中的存在同频干扰的波束进行干扰抑制和消除。以RZF预编码方法为例：

步骤4.1、计算第i个波束在其所分配的第j个跳波束时隙中的预编码矩阵：

其中

为存在同频干扰的波束间的信道矩阵，

为各波束的噪声功率，P_tot为卫星的系统总功率，

步骤4.2、将预编码矩阵对功率进行归一化处理如下：

则相应的接收端信干噪比SNIR为：

最后计算各波束容量为：

下面提供进一步仿真用于验证本发明所提出的算法性能。

(1)、本次仿真采用GEO卫星7波束的系统模型，如图2所示。

(2)、为验证本发明方法的性能，对于各个波束，分别对时隙均匀分布时的系统容量、使用预编码方式时的系统容量和不使用预编码方式时的系统容量进行计算，并且与需求系统容量进行对比，得到的比较图如图3所示，其中，各波束采用预编码方式获得的系统容量性能提升如图4所示。

由图3所知，相较于不采用预编码方式计算系统容量，预编码能够更好的解决波束间的干扰，提升系统容量。由图4能够更加清晰的表示出针对每个波束系统性能提升的百分比。通过对比实验的结果可以看出，本发明方法能够满足卫星资源动态调度和避免同频率干扰造成的性能下降，提高资源利用率和系统容量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种联合跳波束和预编码的卫星通信系统资源调度方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立基于业务优先级的跳波束时隙分配目标函数如下：

满足：R_i≤C_i，

N_i≥0,N_i∈整数，K为波束总数；

其中，C_i为各个波束的业务容量需求，R_i为各个波束的实际能达到的业务容量，ω_i为用户业务优先级的权重值；N_i为各个波束分配到的时隙数，

为最多在一个时隙可同时工作的波束数，N_t为总的时隙长度；

所述跳波束技术采用全频率复用，可得：

其中SINR_i,j为第j个时隙第i个波束的信干噪比；

步骤2：采用凸优化方法获取时隙分配数N_i的最优解；根据N_i得到时隙分配矩阵T＝[T₁,T₂,...T_k]^T；其中

n_ij＝1表示第i个波束分配到了时隙j；矩阵T为K×N_t维矩阵，且该矩阵行向量中的非零元素的个数等于N_i，列向量中的非零个数定义为

并且

步骤3：对各波束的时隙分配结果进行分析，根据同频复用距离，找出存在严重同频干扰的波束；

步骤4：设计发射端的预编码，对步骤3跳波束资源分配方案中的存在同频干扰的波束进行干扰抑制和消除。

2.根据权利要求1所述的一种联合跳波束和预编码的卫星通信系统资源调度方法，其特征在于：所述步骤2中利用凸优化方法求解时隙N_i分配最优解的步骤如下：

步骤2.1、将步骤1中的目标函数进行对数等价交换如下所示：

引入对偶变量λ，其他约束条件不变，目标函数的拉格朗日函数如下：

对上式求导，令

可得：

3.根据权利要求1所述的一种联合跳波束和预编码的卫星通信系统资源调度方法，其特征在于：所述找出存在严重同频干扰的波束具体步骤如下：

步骤3.1、计算共信道干扰的增益因子如下：

其中

为共信道干扰的增益因子，u(i,j)＝2.01723sin(θ(i,j))/sin(θ_3dB)，J_m是第一类m阶贝塞尔函数，θ_3dB和θ(i,j)分别代表第j个波束中心到第i个波束内用户的3dB角和位置角；则SINR_i,j可以表示为：

其中G_rtl为考虑路损、卫星发射增益和接收增益的信道矩阵；

步骤3.2、定义波束间的距离矩阵

具体如下：

其中，波束之间的距离指的是波束中心的距离；定义波束半径大小为R，最小复用距离为2R；

步骤3.3、挑选存在同频共信道干扰的情况，构造元素为0或1的三维矩阵S，其中s(i,m,j)为K×K×N_t的三维矩阵S的元素；对于每个时隙，若d_imn_ijn_mj≤2R，则s(i,m,j)＝1，否则s(i,m,j)＝0；

其中n_ijn_mj＝{0,1}，

s(i,m,j)＝1代表了第i和第m波束同时分配了第j个跳波束时隙工作，并且由于同频复用距离小于最小复用距离，而产生了同频干扰；为各波束的时隙分配矩阵T＝[T₁,T₂,...T_k]^T的元素；定义矩阵第三维的各向量元素的和

表示第j个跳波束时隙内产生共信道干扰的波束个数；

步骤3.4、利用筛选出的在同一跳波束时隙内工作，且共信道复用距离小于最小复用距离2R的情况，找到所有存在严重同频干扰的波束及对应的时隙序号。

4.根据权利要求1所述的一种联合跳波束和预编码的卫星通信系统资源调度方法，其特征在于：所述步骤4中采用预编码方法对存在同频干扰的波束进行干扰抑制和消除的方法如下：

步骤4.1、计算第i个波束在其所分配的第j个跳波束时隙中的预编码矩阵：

其中

为存在同频干扰的波束间的信道矩阵，

为各波束的噪声功率，P_tot为卫星的系统总功率，

步骤4.2、将预编码矩阵对功率进行归一化处理如下：

则相应的接收端信干噪比SNIR为：

最后计算各波束容量为：

。

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