CN111031476B - 基于地理信息数据库的星地频谱共享方法 - Google Patents

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Abstract

基于地理信息数据库的星地频谱共享方法，本发明涉及信息与通信技术领域，本发明是为了解决目前星地频谱共享网络中在频谱利用率及抗干扰方面存在的没有在抑制干扰的前提下充分的开发和利用空白频谱的问题，本发明对星地频谱共享网络体建立干扰模型，并对该场景中混合共信道干扰机理分析；实现授权频段和非授权频段联合分配，相较于传统的频谱共享方案更能够推动空白频谱的开发与利用。

Description

基于地理信息数据库的星地频谱共享方法
技术领域
本发明涉及信息与通信技术领域，具体涉及在星地频谱共享网络中对既能抑制组件间干扰，又能提升频谱利用率的基于地理信息数据库的频谱共享策略的研究。
背景技术
目前被广泛研究的星地频谱共享的网络主要包括星地一体化网络和认知星地网络，星地一体化网络的主要特点是卫星网络和地面网络由统一的网络管理中心控制，且网络间使用相同频段，此外，星地网络的融合还体现在用户终端以及提供服务方面，从用户终端角度来看，传统混合星地网络中，卫星网络和地面网络只能在应用层融合，而在一体化星地网络中，卫星网络和地面网络可以在用户终端实现物理层信号级的融合，如在星地协作传输中，地面目的节点可直接对来自地面中继站和卫星的两路信号进行合并，从服务角度来看，通常卫星网络和地面网络两个部分具有不同的QoS能力，如卫星可用带宽范围较大但其传输时延也较高，而地面通信带宽相对较窄但传输时延较低，星地一体化网络可应用于多种场景与系统，具体可以按照卫星部分所提供的服务类型以及网络面向的终端类型分类，从卫星部分来看，可以分为提供接入服务和骨干网服务，从终端类型来看，可以分为移动终端(手持式，游牧式和车载式)和固定终端，当卫星部分提供的是接入服务时，卫星可通过前向链路向终端广播信息，或通过双向链路向终端提供电信服务，当卫星部分提供的是骨干网服务时，卫星可以为远程局域网，即与移动网络的连接受地形或距离限制的区域、音乐会或体育赛事等临时热点区域以及需要紧急通信的灾难地区等提供回传链路，以降低成本，是缓解网络骨干网需求和减少基施投资的一种手段，另一种广泛关注的网络是认知星地网络，认知无线电的关键技术就在于如何有效地接入初级通信的频谱，认知星地网络中，卫星网络或地面网络均可作为次级用户接入另一个网络的频谱，根据次级用户接入初级用户频段的方式，可以将认知技术分为：基于频谱感知的接入、基于underlay模式的接入以及基于overlay模式的接入。
目前，频谱共享被认为是解决频谱供需矛盾、提高频谱使用效率的方案之一，推行频谱共享己经成为国际主流趋势，美国、欧盟等国在频谱共享上做出了大量实质性的研究，2012年7月，美国总统科技顾问委员会提出了“频谱高速公路”计划，该计划确定1000MHz的联邦频谱，通过改善频谱管理手段，实施新的频谱结构和无线电系统架构，使不同无线电业务动态地共享相同频段，为实施这一计划，美国进行了3.5GHz共享试验，并分别发布了3.5GHz低功率无线接入节点部署、3.5GHz牌照模型和技术需求、3.5GHz民用宽带无线服务3个规则提案公告，此外，美国在2014年召开了专题研讨会，专门探讨了3.5GHz共享频段的频谱接入系统设计问题，欧盟提出了一系列频谱共享方案，2007年，欧盟发布了第七框架计划(2007-2013年)，投资大约5000万欧元资助认知无线电、动态频谱共享和频谱整合等新技术的科研项目，力求通过这些项目促成频谱共享技术的不断进步，2011年，欧盟频率管理工作组提出了授权频谱共享方案，该方案的核心在于使用共享频段的用户必须获得授权，同时共享用户不能影响此频段原拥有者的通信服务质量。
无线频谱作为无线通信的最重要资源之一，其在全世界范围内都得到了严格的管制，无线电的标准范例使得一些服务拥有使用部分频谱资源的排他性，尽管这些标准在许多应用领域取得成功，但是也使得大量的频谱被使用，导致几乎没有剩余频谱可用于新发展的无线服务，同时，一些研究表明，这些拥有部分频谱单独使用权限的业务并未将相关频谱进行充分地利用，因此，频谱资源不足和频谱利用效率低的冲突亟待解决，频谱资源紧张的问题也存在于卫星通信网络中，参考国际电信联盟(International TelecommunicationUnion,ITU)划分的频谱，可以清楚地看出，在卫星通信采用较多的频段内，在不包括军事使用、非法使用和恶意干扰的情况下，频谱空间已经非常拥挤，但是，在实际使用中，这些频段的效率达不到50％，有的甚至不到5％，因此，在卫星通信中引入认知无线电技术可以有效地缓解频谱资源紧张的问题，基于地理信息数据库的频谱共享策略兼顾了抗干扰因素，解决了目前研究的遗漏问题。
发明内容
本发明是为了解决目前星地频谱共享网络中在频谱利用率及抗干扰方面存在的没有在抑制干扰的前提下充分的开发和利用空白频谱的问题，从而提出了基于地理信息数据库的星地频谱共享方法。
基于地理信息数据库的星地频谱共享方法，它包括以下步骤：
步骤一、给每个卫星地面站配置一个中心数据库，将每个卫星地面站、每个地面基站以及N个智能感知节点配置认知设备，使个智能感知节点具备认知功能；N为正整数；
步骤二、逐一判断卫星或者地面站是否存在频谱紧张，若负载小于或等于预设阈值，则采用静态频谱共享策略中能效和频谱利用率最高的星地软频率复用方法分配频谱；若卫星或地面站的负载大于预设阈值，则采用基于无线环境地图数据采集的非授权频段联合方法进行频谱分配；
步骤三、若卫星网络为重负荷网络，为确保不干扰主用户，则中心数据库采取三个感知节点协作感知并定位发射基站位置的方法分配频谱；
步骤四、由于频谱感知数据的快速更新，为降低控制信道的压力，定位到的发射基站向频谱稀缺的卫星终端将初级通信网络隐终端位置信息以及干扰门限发射给频谱稀缺的卫星地面站，这样成功得到隐性接收端位置以及门限，进一步进行功率控制；
步骤五、卫星终端underlay复用地面频谱，由于地面一部分采用全双工，在不干扰地面接收端和基站的前提下，卫星接收端通过在功率约束的前提下进行功率优化；
步骤六、若地面网络为重负荷网络，为确保不干扰主用户，中心数据库采取三个感知节点协作感知并定位卫星网络发射端位置的方法分配频谱；
步骤七、定位到的卫星网络发射端向频谱稀缺的地面基站发送隐终端位置信息以及干扰门限，依据干扰分析判定是不是对卫星链路的主要干扰源，选择对隐终端不是主要干扰源的频段进行优先分配。
本发明具有以下特点和显著进步：
1、本发明对星地频谱共享网络体建立干扰模型，并对该场景中混合共信道干扰机理分析；
2、相较于传统的频率复用方案，本发明所提出的改进的频谱共享方案在能够容纳更多用户的同时，能够将干扰控制在可接受的水平；
3、本发明联合考虑干扰抑制与频谱利用率，基于干扰分析的结果提出一种基于地理信息数据库的频谱共享方案，实现授权频段和非授权频段联合分配，相较于传统的频谱共享方案更能够推动空白频谱的开发与利用。
附图说明
图1是星地频谱共享网络系统架构示意图；
图2是基于地理信息数据库的星地频谱共享体系架构示意图；
图3是两种频谱共享方案的下行链路吞吐量性能分析示意图；
图4是两种频谱共享方案的上行链路吞吐量性能分析示意图；
图5是频谱利用率随用户密度和小区半径比变化情况示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、本发明结合的星地一体化网络高集成度带来的优势以及认知星地网络动态认知频谱，频谱利用率高的优势，提出了一种星地频谱共享方法，传统的星地一体化网络由于只能够在授权频段上统筹规划，无法充分的利用异构系统之间空白频段，该场景考虑到异构系统之间的在非授权频段上的频谱共享，卫星与地面未来5G/6G网络融合，进一步提升的体系架构如图所示。
图1中我们可以看到星地频谱共享网络是一个多维的网络，兼容地面的物联网，WIFI，TV，V2X等地面网络，星地频谱共享网络系统Nw6、Sp4、Sv1、St2和Te6的集成程度，但在终端用户方面，不需要过高的集成级别方便用户灵活接入，因此，星地频谱共享网络在频谱，网络，服务和标准方面采取较高的集成级别。
系统接入网包括：(1)在城市部署的地面网络，由演进型基站(Evolved Node B,eNB)LTE组成；(2)一个由卫星演进型节点(Satellite Evolved Node B,S-eNB)组成的卫星部分，每个部分控制一个卫星波束。
用户设备(User Equipment,UE)包括(双模电话可以通过卫星与S-eNB通信，也可以通过地面天线与地面eNB通信)，单模终端(卫星终端及5G/6G多种异构网络终端)，其中，双模类型的电话已经存在，虽然卫星技术是GMR-1(GEO mobile radio 1)3G，当地面频谱相同或接近时，只需要一个天线来接收两个信号，当前卫星的功率甚至允许在卫星终端中内置天线，为了后文的分析，这里明确当双模电话接入卫星网络时称为卫星终端，用UESAT表示；当双模电话接入地面网络时称为地面终端，用UEATC表示。
系统核心网(Core Network,CN)复合CN LTE标准，它通过标准的S1接口与eNB和S-eNB进行通信，连接到所有eNB和S-eNB的中央资源管理器。
该架构的优势体现在网络集成方面，它需要对地面标准进行最少的修改，并提供地面系统和卫星系统之间尽可能最大的交互，另一方面，卫星网络和地面网络实体之间可能需大量昂贵的X2接口，事实上，由S-eNB控制的卫星波束可以容纳多达数千个eNB，S-eNB和eNB之间的链路涉及卫星和地面系统之间的切换程序以及资源分配和干扰的管理。
由于卫星场景链路特性不适合进行全双工通信模式，地面网络全双工技术的提出可以实现在随着用户数的增加，频率被反向复用的概率增加，全双工载波利用率相对半双工提升明显；在干扰容限允许的条件下，空间大粒度区域划分更有利于全双工网络频谱效率的增加，然而全双工模式下干扰情况更加复杂。
卫星FDD地面TD上行模式和下行模式干扰类型分析。
在卫星FDD地面TD上行模式中，地面网络会复用卫星网络上行链路频率，则在该场景下累积了从地面部分对卫星系统造成的干扰，在卫星FDD上行，地面TD中，地面网络采用的是卫星的上行链路干频率，这种模式下的具体干扰如下：
干扰1：UEATC上行链路干扰地面终端到卫星的上行链路；
干扰2：BS下行链路干扰地面终端到卫星的上行链路；
干扰3：卫星终端UESAT上行链路干扰基站下行链路；
干扰4：卫星终端UESAT上行链路干扰地面终端上行链路；
在TDD下行模式下，地面网络复用卫星网络的下行频率，这种模式下的具体干扰如下：
干扰5：卫星干扰UEATC；
干扰6：卫星干扰BS；
干扰7：UEATC干扰UESAT；
干扰8：BS干扰UESAT。
利用宏小区传播模型，在载波频率为2GHz的条件下，CGC基站信号的链路损耗可以由下式计算：
PL＝128.1+37.6log10(R)+log(F) (1)
其中，R(单位：km)表示终端到基站的距离，log(F)表示服从对数正态分布的阴影衰落，这里不予考虑。
卫星信号的链路损耗只考虑自由空间的衰落，不考虑雨衰等天气的影响，可以由式2计算：
PL＝92.45+20log10f+20log10d (2)
卫星FDD地面FD的场景下，地面的发射端和和接收端同时既是干扰源又被干扰，因此，无论是卫星上行链路还是下行链路，地面全双网络都对卫星网络造成为了更为强烈的加性干扰，然而就网络间混合共信道干扰而言，地面网络本身无论是发射端还是接收端在同一时刻依然受到卫星上行或者下行中的一种干扰。
3、对星地频谱共享网络组件间干扰进行混合共信道干扰机理分析。
(1)隔离度
这里将保护区的大小定义为一个门限值：EZ(单位：dB)，设CGC基站位置坐标为(xt,yt)，目标卫星波束中心的位置坐标为(xs,ys)，根据下式可以计算出CGC基站到目标卫星波束中心的方向角：
Figure GDA0003079842110000051
得到方向角θ之后，根据卫星多波束天线方向图可以得到目标卫星波束在此CGC基站方向的接收增益Gr，规定只有满足以下条件，CGC基站才可以使用目标卫星波束所使用的频率：
Gr＜Gmax-3-EZ (4)
其中，Gmax为卫星多波束天线的最大增益，在这里为50dBi，3表示3dB波束宽度，EZ为保护区提供的隔离度大小。
基于上文介绍的系统模型，利用MATLAB对卫星上行链路的干扰进行仿真，这里以波束中心坐标为(0,0)的卫星波束作为目标波束，因为此波束位于处于中心位置，受到的地面同频干扰最为严重，地面网络终端的平均发射功率为7.5dBm，且均匀分布在37个卫星波束下。
(2)地面网络终端的数量
由于地面网络终端对卫星是加性干扰的原有随着地面网络终端数量的增大，卫星上行链路的干扰功率也越来越大，当地面网络终端数量变为原来的两倍时，卫星上行链路的INR增加了3dB左右，说明噪声功率增大了一倍。
(3)地面网络终端的平均发射功率
其中地面网络平均总发射功率为：
P＝10log10UE+Pavg (5)
其中，P为地面网络平均总发射功率(单位：dBm)，UE为地面网络终端数量，Pavg为地面网络终端平均发射功率(单位：dBm)。
随着地面网络终端平均发射功率的增加，卫星上行链路的SINR不断下降，且地面网络终端数量越多卫星上行链路的SINR越低，这是由于随着地面网络终端平均发射功率的升高和地面终端数量的增加，干扰功率增大的缘故，虽然地面网络用户数量不同，但是只要总的平均发射功率保持一致，那么卫星上行链路的SINR也不变，由于加性干扰的性质不同，卫星上行链路的SINR与地面网络总的平均发射功率有关。
(4)主要干扰源分析
卫星上行链路的总干扰功率是由多个地面网络终端的干扰功率累加而成，这些地面网络终端所产生的干扰功率大小分布不均，有的终端产生的干扰功率较大，而有的终端产生的干扰功率较小，为了研究这些干扰源的分布特性，本文定义了主要干扰源的概念。
设地面网络终端数量为N，所产生的对卫星的干扰功率为：{Ik,k＝1,2,...,N}，那么总的干扰功率为：
Figure GDA0003079842110000071
将各个地面网络终端的干扰功率{Ik,k＝1,2,...,N}由大到小排列，记排序后的干扰功率为{Ik′,k＝1,2,...,N}，满足当k1＞k2时，
Figure GDA0003079842110000072
设变量Pportion由下式计算：
Figure GDA0003079842110000073
记满足条件
Figure GDA0003079842110000074
的最小的N0为NMI，称集合{Ik′,k＝1,2,...,NMI}所对应的地面网络终端为主要干扰源，由上面的定义可以看出，主要干扰源所产生的干扰功率占总干扰功率的90％以上，容易得到，主要干扰源占所有干扰源的比重PMI为：
Figure GDA0003079842110000075
主要干扰源占所有干扰源的比例较低，只有很小部分的地面网络终端对卫星的上行链路产生了严重的干扰，主要有一些波束边缘隔离度较低的用户或者发射功率较大的用户，或者兼顾两者因素的用户造成的。
由上面的分析可以知道，卫星上行链路的干扰主要是由一小部分地面网络终端造成，如果采用一定的资源调度策略对这部分地面终端分配与卫星波束隔离度较高的频率资源，那么应该可以降低地面网络终端的干扰水平，卫星接收到的地面网络终端的干扰功率可以用下式来表示：
Figure GDA0003079842110000076
其中，Pt为终端的发射功率；Gt为终端天线的发射增益值为1dBi；Gr为卫星多波束天线在终端方向的接收增益，与终端的位置有关；λ为载波的波长；d为终端到卫星的距离；Lshadow表示由于阴影效应而产生的信号的衰减，由于GEO卫星的高度很高，可以认为终端到卫星的距离是近似相等的，因此，导致干扰功率发生变化的因素有三个：终端的发射功率、卫星天线的接收增益和阴影衰落的大小，下面基于这几个因素更新地理信息数据库进行资源调度方法。
根据混合共信道干扰机理分析以及对干扰影响因素分析，地理信息数据库是从干扰避免角度进行资源调度，通过增大隔离度，约束发射功率等方案可有效降低系统间和系统内部的干扰，干扰机理分析以及对干扰影响因素分析为基于地理信息数据库的频谱共享策略在抗干扰提升频谱效率方面作为理论支撑，也为功率优化中对授权用户的干扰门限约束转化为非授权用户的功率约束提供了理论支撑。
4、基于地理信息数据库的星地频谱共享策略。
由于卫星地面集成度较高，在数据处理中心我们对资源在数据处理中心进行统筹规划，首先构建地理信息数据库，进行静态频谱划分，当用户密度增大时采用underlay模式下的认知频谱共享，由于人类迁徙导致的潮汐效应，地面和卫星不会同时出现满载现象，当卫星网络满载时，卫星终端认知地面5G/6G网络，根据3中干扰分析结果，基于地理信息数据库的星地频谱共享网络实施方案如下：
步骤一、在基于地理信息数据库的星地频谱共享方案中，每个卫星地面站分布一个数据中心库，每个卫星地面站、地面基站以及一些智能感知节点具备认知功能。
步骤二、首先判断卫星或者地面是否存在频谱紧张，若负载较小则采用静态频谱共享策略中能效和频谱利用率最高的星地软频率复用方案，若卫星或地面存在重负荷网络，则进行基于无线环境地图数据采集的非授权频段联合频谱分配。
步骤三、若卫星网络为重负荷网络，为确保不干扰主用户，中心数据库采取三个感知节点协作感知并定位发射基站位置的方法。
步骤四、由于频谱感知数据快速更新，为降低控制信道的压力，定位到的发射基站向频谱稀缺的卫星终端将初级通信网络隐终端位置信息以及干扰门限发射给频谱稀缺的卫星地面站，这样成功得到隐性接收端位置以及门限，进一步进行功率控制。
步骤五、卫星终端underlay复用地面频谱，由于地面一部分采用全双工，在不干扰地面接收端和基站的前提下，卫星接收端通过在功率约束的前提下进行功率优化。
步骤六、若地面网络为重负荷网络，同样为确保不干扰主用户，中心数据库采取三个感知节点协作感知并定位卫星网络发射端位置的方法。
步骤三和步骤六中，所述卫星网络为重负荷网络的判断依据是：卫星或地面网络在某一时段出现密集的热点业务使局域网络资源紧张的情况，即：用户密度趋于满载或者超载的网络定义为重负荷网络，具体为：一旦该小区或者该波束的资源被分配完仍有用户发送请求就判定为重负荷网络，卫星网络与地面频谱共享可以实现补盲补热来缓解地面或卫星一旦重负荷网络的压力。
步骤七、定位到的卫星网络发射端向频谱稀缺的地面基站发送隐终端位置信息以及干扰门限，依据干扰分析判定是不是对卫星链路的主要干扰源，选择对隐终端不是主要干扰源的频段进行优先分配。
为了实现基于地理信息数据库快速高效的频谱管理，认知功能和静态频谱分配策略策略缺一不可，基于地理信息数据库的星地频谱共享策略弥补了静态频谱共享策略频谱利用率低和动态频谱共享策略开销大效率低的问题，更能实现频谱高效利用，采取三个地面站协作感知并定位发射基站位置的方法快速定位发射基站信息，无需每一个卫星地面站与基站之间进行通信，降低控制信道开销以及快速更新频谱状态信息的同时提升频谱利用率，在卫星地面站不知不足的情况下可以少量分布感知节点协助感知找到隐终端。
卫星认知地面网络首先采用基于业务优先级的频谱分配策略，当用户超载时，重负荷网络下，根据数据库信息优先级高的频谱优先分配高质量专用频谱，优先级低的业务根据频谱状态，在剩余频谱中择优选择。
在实时数据获取上，基于无线电环境地图的理念，该架构通过探测器网络单元(Sensors Network unit,SN)实时准确地掌握无线环境数据，并经无线电环境地图数据采集和处理单元(Radio Environment Map data Collection and Processing unit,REMCP)进行分析后，形成无线电环境地图数据传送至中心数据库(Central DataBase,CDB)，在频谱信息储存上，除了储存无线环境数据信息，中心数据库还包括无线电管理的基础数据库、无线传播模型数据库和地理位置信息数据库等，确保频谱信息的准确性、完整性、实时性，在频谱动态分配上，频谱接入管理单元(Spectrum Access Management unit,SAM利用中心数据库和分级用户网络单元(Classified Users Network unit,CUN)提供的信息为用户动态、合理、公平、高效地分配频谱资源，其中，分级用户网络单元由3个等级的用户构成，分别是授权频段业务，优先接入业务和普通业务。
1中心数据库
中心数据库主要包含无线电管理数据库和运用支撑平台数据库，一个地面站建一个，其中，无线电管理数据库由频谱数据库、台站数据库、监测数据库和卫星数据库组成，运用支撑平台数据库由无线环境地图数据库、无线传播模型数据库和地理位置信息数据库组成，无线电管理数据库和运用支撑平台数据库互相配合使得智能网络能够实时掌握频谱的使用情况，了解频谱的利用现状，以及动态评估当前频谱使用的合理性，同时，中心数据库建有与外部现有网络系统连接的接口，比如无线电管理信息网、无线电监测数据网、国家相关政策信息网等，用于从外部网络中获取无线电频谱使用和无线电政策相关的数据。
2无线环境地图数据采集和处理单元
无线环境地图数据采集和处理单元主要由认知终端(感知节点，卫星，基站)、无线环境地图数据采集模块、无线环境地图数据处理模块构成，并及时上传到中心数据库，用于无线环境地图数据库的周期性更新，无线环境地图数据处理模块结合认知终端(感知节点，卫星，基站)周期性采集的无线环境地图数据和中心数据库中原有的无线环境地图数据，通过频谱预测等算法，生成新的无线传播模型、无线干扰分布、地理位置信息数据，并传给中心数据库供频谱决策系统使用。
3频谱接入管理单元
频谱接入管理单元授权频谱非授权频谱联合分配，接收分级用户的接入请求和频谱需求，向中心数据库发送分级用户信息，从中心数据库获取分级用户所处地理位置的无线环境地图数据、无线电台站以及频谱实时使用信息，控制分级用户接入以及对分级用户进行动态频谱分配，在保证高等级用户正常用频的同时，接受其他授权用户的接入和用频，不同级别用户拥有不同权限和性能参数，保证用户间互不干扰，高级别用户享有优先接入和随时用频的权利，分级用户发送接入请求和频谱需求给频谱接入管理单元，从而有效地避免用户之间的相互干扰，高效地实现多用户之间频谱共享。
频谱决策模块负责根据中心数据库中的可用频谱资源、无线传播模型、干扰场强分布、相关政策要求、特定约束条件等做出合理的决策，给待接入用户提供最佳的信道资源，满足其通信需求，同时避免对己有用户的干扰，提高系统频谱资源利用率。
二、基于地理信息数据库的星地频谱共享策略
由于卫星地面集成度较高，在数据处理中心我们对资源在数据处理中心进行统筹规划，首先构建地理信息数据库，进行静态频谱划分，当用户密度增大时采用underlay模式下的认知频谱共享，由于人类迁徙导致的潮汐效应，地面和卫星不会同时出现满载现象，当卫星网络满载时，卫星终端认知地面5G/6G网络。
步骤一、在基于地理信息数据库的星地频谱共享方案中，每个卫星地面站分布一个数据中心库，每个卫星地面站、地面基站以及一些智能感知节点具备认知功能。
步骤二、首先判断卫星或者地面是否存在频谱紧张，若负载较小则采用静态频谱共享策略中能效和频谱利用率最高的星地软频率复用方案，若卫星或地面存在重负荷网络，则进行基于无线环境地图数据采集的非授权频段联合频谱分配。
步骤三、若卫星网络为重负荷网络，为确保不干扰主用户，中心数据库采取三个感知节点协作感知并定位发射基站位置的方法。
步骤四、由于频谱感知数据快速更新，为降低控制信道的压力，定位到的发射基站向频谱稀缺的卫星终端将初级通信网络隐终端位置信息以及干扰门限发射给频谱稀缺的卫星地面站，这样成功得到隐性接收端位置以及门限，进一步进行功率控制。
步骤五、卫星终端underlay复用地面频谱，由于地面一部分采用全双工，在不干扰地面接收端和基站的前提下，卫星接收端通过在功率约束的前提下进行功率优化。
步骤六、若地面网络为重负荷网络，同样为确保不干扰主用户，中心数据库采取三个感知节点协作感知并定位卫星网络发射端位置的方法。
步骤七、定位到的卫星网络发射端向频谱稀缺的地面基站发送隐终端位置信息以及干扰门限，依据干扰分析判定是不是对卫星链路的主要干扰源，选择对隐终端不是主要干扰源的频段进行优先分配。
为了实现基于地理信息数据库快速高效的频谱管理，认知功能和静态频谱分配策略策略缺一不可，基于地理信息数据库的星地频谱共享策略弥补了静态频谱共享策略频谱利用率低和动态频谱共享策略开销大效率低的问题，更能实现频谱高效利用，采取三个地面站协作感知并定位发射基站位置的方法快速定位发射基站信息，无需每一个卫星地面站与基站之间进行通信，降低控制信道开销以及快速更新频谱状态信息的同时提升频谱利用率，在卫星地面站不知不足的情况下可以少量分布感知节点协助感知找到隐终端。
卫星认知地面网络首先采用基于业务优先级的频谱分配策略，当用户超载时，重负荷网络下，根据数据库信息优先级高的频谱优先分配高质量专用频谱，优先级低的业务根据频谱状态，在剩余频谱中择优选择。
三、具体的仿真结果如图3所示
仿真结果表明，当网络用户密度较低时，授权频段可以覆盖整个系统，卫星地面频谱无需统筹规划，当用户密度不断增大至授权用户与非授权用户数量相等时，卫星地面频谱资源统筹规划，将不同的频段分配给给更匹配更适合的用户，就每个用户而言，授权频段和非授权频谱分配吞吐量大约提升4Mbps。
与当前性能最佳的静态频谱共享方案最对比我们可以看出Si和fi与Rcen/R有关，当卫星波束中心半径增大，有六个子频带可用的卫星覆盖范围Si越大，
Figure GDA0003079842110000111
就会增大。
本发明具有以下特点和显著进步：
1、本发明对星地频谱共享网络体建立干扰模型，并对该场景中混合共信道干扰机理分析；
2、相较于传统的频率复用方案，本发明所提出的改进的频谱共享方案在能够容纳更多用户的同时，能够将干扰控制在可接受的水平；
3、本发明联合考虑干扰抑制与频谱利用率，基于干扰分析的结果提出一种基于地理信息数据库的频谱共享方案，实现授权频段和非授权频段联合分配，相较于传统的频谱共享方案更能够推动白频谱的开发与利用。

Claims (5)

1.基于地理信息数据库的星地频谱共享方法，其特征是：它包括以下步骤：
步骤一、给每个卫星地面站配置一个中心数据库，将每个卫星地面站、每个地面基站以及N个智能感知节点配置认知设备，使各智能感知节点具备认知功能；N为正整数；
步骤二、逐一判断卫星或者地面站是否存在频谱紧张，若负载小于或等于预设阈值，则采用静态频谱共享策略中能效和频谱利用率最高的星地软频率复用方法分配频谱；若卫星或地面站的负载大于预设阈值，则采用基于无线环境地图数据采集的非授权频段联合方法进行频谱分配；
步骤三、若卫星网络为重负荷网络，为确保不干扰主用户，则中心数据库采取三个感知节点协作感知并定位发射基站位置，得到隐终端位置信息以及干扰门限，依据干扰分析判定是不是对卫星链路的主要干扰源，选择对隐终端不是主要干扰源的频段进行优先分配。
2.根据权利要求1所述的基于地理信息数据库的星地频谱共享方法，其特征在于它还包括：
步骤四、由于频谱感知数据的快速更新，为降低控制信道的压力，定位到的发射基站向频谱稀缺的卫星终端将初级通信网络隐终端位置信息以及干扰门限发射给频谱稀缺的卫星地面站。
3.根据权利要求1所述的基于地理信息数据库的星地频谱共享方法，其特征在于它还包括：
步骤五、卫星终端underlay复用地面频谱，由于地面一部分采用全双工，在不干扰地面接收端和基站的前提下，卫星接收端通过在功率约束的前提下进行功率优化。
4.根据权利要求1所述的基于地理信息数据库的星地频谱共享方法，其特征在于步骤三中，所述卫星网络为重负荷网络的判断依据是：卫星或地面网络在某一时段出现密集的热点业务使局域网络资源紧张的情况，即：用户密度趋于满载或者超载的网络定义为重负荷网络，具体为：一旦小区或者波束的资源被分配完仍有用户发送请求就判定为重负荷网络，卫星网络与地面频谱共享可以实现补盲补热来缓解地面或卫星一旦重负荷网络的压力。
5.根据权利要求1所述的基于地理信息数据库的星地频谱共享方法，其特征在于它还包括：
步骤六、定位到的卫星网络发射端向频谱稀缺的地面基站发送隐终端位置信息以及干扰门限，依据干扰分析判定是不是对卫星链路的主要干扰源，选择对隐终端不是主要干扰源的频段进行优先分配。
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