CN111416648A - 一种低轨卫星系统的多波束自适应管理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种低轨卫星系统的多波束自适应管理方法及装置，其中方法通过天线波束的中心对准用户，可以增加了天线增益，以及通过天线波束的空间变化，减小了不同天线波束之间的干扰；并且，为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定多个子频带中最优子频带，以使用户链路系统的容量最大化，这样由于频带划分与天线波束的联合，为天线波束确定最优子频带，减少了天线波束的同频干扰，进一步减少了用户链路系统内的总体干扰，增大了低轨卫星系统的容量。

Description

一种低轨卫星系统的多波束自适应管理方法及装置

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，特别是涉及一种低轨卫星系统的多波束自适应管理方法及装置。

背景技术

为了促使第五代移动通信技术(5Generation，简称5G)向第六代移动通信技术(6Generation，简称6G)天地一体化发展，卫星移动通信被认为是建立全球个人通信必不可少的重要手段。

参与卫星移动通信的通信卫星按照卫星轨道高度的不同被分类为低轨通信卫星(Low Earth Orbit Satellite，简称LEO)、中轨通信卫星(Medium Earth Orbit MEO)和高轨地球同步通信卫星(Geostationary Earth Orbit，GEO)。

其中，低轨卫星通信系统的基本通信架构如图1所示，低轨卫星通信系统一般由三部分链路组成，即用户链路、星间链路和馈电链路。其中，用户链路是指卫星覆盖范围内的用户终端13和卫星11之间的链路。一般卫星覆盖范围内的多个波束内允许卫星为不同波束覆盖区域提供不同种类的服务，而星间链路是指卫星11与卫星11之间通信的链路，它由多个卫星星座构成，每个星座又涉及一系列轨道参数和独立的卫星参数，通过星间链路可以实现卫星之间的信息传输和交换；馈电链路是指卫星11与地面信关站12之间通信的链路。

目前为了提高卫星系统中的资源利用率，低轨卫星系统开始使用天线阵列的多波束形成方法，实现目标信号的传输。但是，目前在多波束低轨卫星系统中，由于多个波束使用相同子频带服务不同用户时，各波束之间产生干扰，进而降低了低轨卫星系统的容量。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种低轨卫星系统的多波束自适应管理方法及装置，用以减少用户链路系统内的总体干扰，进而增大低轨卫星系统的容量。具体技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种低轨卫星系统的多波束自适应管理方法，包括：

获取用户链路系统所工作的频带，并将所述频带划分为多个子频带；

在单个卫星覆盖范围内天线波束的中心对准用户的情况下，获取干扰因子，所述干扰因子是指假定所有天线波束中每两个以上天线波束使用相同子频带服务不同用户时，每两个以上天线波束之间产生的干扰，所对应的干扰因子；

利用所述干扰因子，确定用户链路系统的容量；

在最大化所述用户链路系统的容量的基础上，为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述多个子频带中最优子频带。

进一步的，所述获取干扰因子，包括：

获取以卫星为参考点所述单个卫星覆盖范围内任一当前用户位置；

获取以卫星为参考点所述单个卫星覆盖范围内任一当前用户位置与卫星位置构成的夹角，接收天线的天线增益，发送天线的天线增益，噪声功率及目标信号在空间传播所产生的路径损耗；

采用所述夹角、所述接收天线的天线增益，所述发送天线的天线增益，所述噪声功率及所述路径损耗，计算所述当前用户的接收信号信噪比以及干扰信号信噪比，其中，所述接收信号包括目标信号和其他用户对所述当前用户产生的干扰信号；

将所述接收信号信噪比与所述干扰信号信噪比的比值，作为干扰因子。

进一步的，采用如下步骤，确定单个卫星覆盖范围内天线波束的中心对准单个卫星覆盖范围内的用户：

获取以卫星为参考点所述单个卫星覆盖范围内任一当前用户位置；

获取所述当前用户位置与卫星位置构成的方位角和俯仰角；

将所述方位角和所述俯仰角，分别作为天线波束的方位角和天线波束的下倾角；

通过天线波束的方位角和下倾角，确定天线阵列上每根天线的相位；

按照所述天线阵列上每根天线的相位，由所述天线阵列发送目标信号时形成天线波束，所述天线波束具有波束方向，所述波束方向是由天线波束的方位角和天线波束的下倾角形成的；

所述天线波束的中心对准单个卫星覆盖范围内的用户。

进一步的，所述在最大化所述用户链路系统的容量的基础上，为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述多个子频带中最优子频带，包括：

针对所有天线波束中被调用的每个天线波束，为该被调用的天线波束确定服务于一个用户的一个子频带，作为为该被调用的天线波束确定的最优子频带，得到为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述最优子频带。

进一步的，所述在最大化所述用户链路系统的容量的基础上，为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述多个子频带中最优子频带之后，所述方法还包括：

按照所述被调用的各天线波束对应的最优子频带，为被调用的各天线波束分配最优子频带的频域资源；

根据被调用的天线波束与所述为被调用的各天线波束分配最优子频带的频域资源，生成多用户的并行数据；

向卫星发送所述多用户的并行数据，由卫星利用形成的天线波束向地面信关站转发多用户的并行数据。

第二方面，本发明实施例提供了一种低轨卫星系统的多波束自适应管理装置，包括：

第一获取模块，用于获取用户链路系统所工作的频带，并将所述频带划分为多个子频带；

第二获取模块，用于在单个卫星覆盖范围内天线波束的中心对准用户的情况下，获取干扰因子，所述干扰因子是指假定所有天线波束中每两个以上天线波束使用相同子频带服务不同用户时，每两个以上天线波束之间产生的干扰，所对应的干扰因子；

第一处理模块，用于利用所述干扰因子，确定用户链路系统的容量；

第二处理模块，用于在最大化所述用户链路系统的容量的基础上，为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述多个子频带中最优子频带。

进一步的，所述第二获取模块，用于：

获取以卫星为参考点所述单个卫星覆盖范围内任一当前用户位置；

获取以卫星为参考点所述单个卫星覆盖范围内任一当前用户位置与卫星位置构成的夹角，接收天线的天线增益，发送天线的天线增益，噪声功率及目标信号在空间传播所产生的路径损耗；

采用所述夹角、所述接收天线的天线增益，所述发送天线的天线增益，所述噪声功率及所述路径损耗，计算所述当前用户的接收信号信噪比以及干扰信号信噪比，其中，所述接收信号包括目标信号和其他用户对所述当前用户产生的干扰信号；

将所述接收信号信噪比与所述干扰信号信噪比的比值，作为干扰因子。

进一步的，所述装置还包括：

第三获取模块，用于获取以卫星为参考点所述单个卫星覆盖范围内任一当前用户位置；

第四获取模块，用于获取所述当前用户位置与卫星位置构成的方位角和俯仰角；

第三处理模块，用于将所述方位角和所述俯仰角，分别作为天线波束的方位角和天线波束的下倾角；

第四处理模块，用于通过天线波束的方位角和下倾角，确定天线阵列上每根天线的相位；

形成模块，用于按照所述天线阵列上每根天线的相位，由所述天线阵列发送目标信号时形成天线波束，所述天线波束具有波束方向，所述波束方向是由天线波束的方位角和天线波束的下倾角形成的；所述天线波束的中心对准单个卫星覆盖范围内的用户。

进一步的，所述第二处理模块，用于：

针对所有天线波束中被调用的每个天线波束，为该被调用的天线波束确定服务于一个用户的一个子频带，作为为该被调用的天线波束确定的最优子频带，得到为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述最优子频带。

进一步的，所述装置还包括：

第五处理模块，用于所述在最大化所述用户链路系统的容量的基础上，为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述多个子频带中最优子频带之后，按照所述被调用的各天线波束对应的最优子频带，为被调用的各天线波束分配最优子频带的频域资源；

生成模块，用于根据被调用的天线波束与所述为被调用的各天线波束分配最优子频带的频域资源，生成多用户的并行数据；

传输模块，用于向卫星发送所述多用户的并行数据，由卫星利用形成的天线波束向地面信关站转发多用户的并行数据。

第三方面，本发明实施例提供了一种地面信关站，包括第二方面所述的低轨卫星系统的多波束自适应管理装置。

第四方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；

存储器，用于存放计算机程序；

处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现第一方面所述的方法步骤。

第五方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述第一方面任一的方法。

本发明实施例有益效果：

本发明实施例提供的一种低轨卫星系统的多波束自适应管理方法及装置，通过天线波束的中心对准用户，可以增加了天线增益，以及通过天线波束的空间变化，减小了不同天线波束之间的干扰；并且，为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定多个子频带中最优子频带，以使用户链路系统的容量最大化，这样由于频带划分与天线波束的联合，为天线波束确定最优子频带，减少了天线波束的同频干扰，进一步减少了用户链路系统内的总体干扰，增大了低轨卫星系统的容量。

当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为相关技术的低轨卫星通信系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的低轨卫星系统的多波束自适应管理方法的流程示意图；

图3为本发明实施例的不同波束之间干扰的场景假设说明示意图；

图4为本发明实施例的低轨卫星系统的多波束自适应管理方法的具体实现流程图；

图5为本发明实施例的低轨卫星系统的多波束自适应管理方法的应用示意图；

图6为本发明实施例的低轨卫星系统的多波束自适应管理装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

针对现有技术中降低低轨卫星系统的容量的问题，本发明实施例提供一种低轨卫星系统的多波束自适应管理方法及装置，通过天线波束的中心对准用户，可以增加了天线增益，以及通过天线波束的空间变化，减小了不同天线波束之间的干扰；并且，为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定多个子频带中最优子频带，以使用户链路系统的容量最大化，这样由于频带划分与天线波束的联合，为天线波束确定最优子频带，减少了天线波束的同频干扰，进一步减少了用户链路系统内的总体干扰，增大了低轨卫星系统的容量。

下面首先对本发明实施例提供的低轨卫星系统的多波束自适应管理方法进行介绍。

本发明实施例所提供的一种低轨卫星系统的多波束自适应管理方法，可以应用于电子设备，所述电子设备可以为地面信关站、服务器，以下为了方便说明，简称信关站。

如图2所示，本发明实施例所提供的低轨卫星系统的多波束自适应管理方法，该方法可以包括如下步骤：

步骤110，获取用户链路系统所工作的频带，并将所述频带划分为多个子频带。

需要说明的是，用户链路系统是指低轨卫星系统，用户链路系统所工作的频带可以是在1-2GHz的L频段上，下行频率为f_c。总带宽为W，系统内不同波束之间频率复用因子为N_F，因此每个子频带带宽为W/N_F，根据不同的子频带划分，多个子频带索引分别可以为{1,2,...,N_F}。在低轨卫星系统的卫星通信过程中，信关站一般可以借助外部辅助系统，得知低轨卫星系统中所有用户的位置数据和卫星的位置信息。对于卫星覆盖范围下的每个用户，信关站都会形成一个波束向量，将该波束的中心对准用户。为了减少系统内波束之间的干扰，信关站会为每个波束划分一个子频带进行通信。

步骤120，在单个卫星覆盖范围内天线波束的中心对准用户的情况下，获取干扰因子，所述干扰因子是指假定所有天线波束中每两个以上天线波束使用相同子频带服务不同用户时，每两个以上天线波束之间产生的干扰，所对应的干扰因子。

步骤130，利用所述干扰因子，确定用户链路系统的容量。

步骤140，在最大化所述用户链路系统的容量的基础上，为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述多个子频带中最优子频带。这样可以以大化所述用户链路系统的容量为目标，为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述多个子频带中最优子频带，最终实现用户链路系统的容量的最大化。

相较于现有技术中由于低轨卫星系统内用户位置或者业务量的不均匀，同一位置可能聚集很多用户，当每个用户都被使用同一频率的不同波束服务时，低轨卫星系统因为波束间的干扰可能会出现严重的性能下降。因此，在本发明实施例中，通过天线波束的中心对准用户，可以增加了天线增益，以及通过天线波束的空间变化，减小了不同天线波束之间的干扰；并且，为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定多个子频带中最优子频带，以使用户链路系统的容量最大化，这样由于频带划分与天线波束的联合，为天线波束确定最优子频带，减少了天线波束的同频干扰，进一步减少了用户链路系统内的总体干扰，增大了低轨卫星系统的容量。

基于上述内容，信关站在已知用户位置时，需要根据用户的分布特性决定在不同优化目标下调度的波束集合，将频带划分为多个子频带，使用被调用的各天线波束使用一个子频带进行通信，实现了合理的频率复用方式；并且，天线波束的中心对准用户，从空分角度将频带进行划分，这样对于当前时刻而言，从空分和频分的角度，减少了系统内用户的干扰，提升了卫星系统内有限资源的利用率与系统容量。这样基于用户位置的自适应波束选择方案，通过最大化卫星用户链路系统容量决定了卫星波束调度与频率分配。

为了能够更好地为所有天线波束中被调用的各天线波束选择最优子频带，假设每两个以上天线波束之间产生的干扰，然后基于每两个以上天线波束的各干扰情况进行分析，找到哪个天线波束适合被调用，哪些天线波束不适合被调用，这样确定出来的天线波束会大大降低相互之间产生的干扰，因此在本发明实施例中，可以采用如下多种可能的实现方式，获取干扰因子：

在一种可能的实现方式中，获取以卫星为参考点所述单个卫星覆盖范围内任一当前用户位置；获取以卫星为参考点所述单个卫星覆盖范围内任一当前用户位置与卫星位置构成的夹角，接收天线的天线增益，发送天线的天线增益，噪声功率及目标信号在空间传播所产生的路径损耗；采用所述夹角、所述接收天线的天线增益，所述发送天线的天线增益，所述噪声功率及所述路径损耗，计算所述当前用户的接收信号信噪比以及干扰信号信噪比，其中，所述接收信号包括目标信号和其他用户对所述当前用户产生的干扰信号；将所述接收信号信噪比与所述干扰信号信噪比的比值，作为干扰因子。这样可以通过已知的接收信号信噪比与干扰信号信噪比，得到干扰因子。

需要说明的是，上述目标信号是指需要传输给用户的信号。而用户接收到的信号，称为接收信号，接收信号中不仅有目标信号，还有其他用户对当前用户产生的干扰信号。当前用户为以卫星为参考点单个卫星覆盖范围内任一用户。

在已知用户位置的情况下，服务波束增益G_T,b和干扰波束增益G_T,i均可以通过计算得到，被认为是已知量。不难理解，由于服务波束中心对准用户获得了最佳天线增益，服务波束的接收信噪比大等于干扰束的接收信噪比，即0≤I_b,i(φ_u,β_u,φ_i,β_i)≤1，且只决于两个用户的相对位置，可认为是已知量。在又一种可能的实现方式中，采用如下公式：

得到干扰因子；

其中，I_b,i(φ_u,β_u,φ_i,β_i)为干扰因子，SNR_b,u为当前用户的接收信号信噪比，SNR_b,u＝G_T,b(φ_u,β_u)·G_R/(L(β_u)·P_N)，G_T为发送天线的天线增益，G_T,b为第b个发送波束的天线增益，G_R为接收天线的天线增益，L为目标信号在空间传播所产生的路径损耗，P_N为噪声功率，φ_u为方位角偏移，β_u为俯仰角偏移，SNR_i,u为当前用户的干扰信号信噪比，SNR_i,u＝G_T,i(φ_u,β_u)·G_R/(L(β_u)·P_N)，G_T,i为第i个发送波束的天线增益，b和i分别表示发送波束的序号，且b和i不同，b指的是特定波束序号，i泛指波束序号。以卫星为观察点，卫星覆盖范围内任一用户位置与卫星位置构成的夹角分别为方位角偏移φ_u和俯仰角偏移β_u。由于接收端信噪比取决于G_T,b、G_R、L和P_N，并且P_N只和带宽有关是固定值，G_R和接收端的参数配置有关，因此认为所有用户采用相同的接收参数，即也是定值。其中，G_T,b、G_R、P_N、φ_u、β_u及P_N等上述参数符号均采用一个整体表示一个含义，而角标是为了和其他参数进行区分。

假设信关站对用户链路信道状态的估计取决于以往信道信息的平均值，可以证明接收端的信噪比只取决于天线增益和传输损耗，而这两项都与卫星和用户的相对位置有关。信关站通过星历可以获取卫星的位置信息，通过卫星定位系统可以获取用户的位置信息。因此对于信关站而言，每个用户前向链路的信噪比都是已知的，取决于用户和卫星的相对位置。

参见图3所示，在又一种可能的实现方式中，采用如下公式：

得到干扰因子；

其中，G_T,b(φ_u,β_u)为第b个发送波束的天线增益，G_T,b(φ_u,β_u)＝G_max＝M·N，仅取决于天线阵列大小，M为行数，N为列数，G_max为中间变量，而G_T,i(φ_u,β_u,φ_i,β_i)为干扰波束的增益，其取决于两个用户的相对位置，G_T,i(φ_u,β_u,φ_i,β_i)按照如下公式计算：

其中，G_H为天线阵列在水平方向上的天线增益，G_V为天线阵列在竖直方向上的天线增益，φ_u为观察用户的方位角偏移，β_u为观察用户的俯仰角偏移，φ_i为干扰用户的方位角偏移，β_i为干扰用户的俯仰角偏移，M为天线阵列的行数，N为列数，I_m为每行上天线元件上的单元电流幅度，I_n为每列上天线元件的单元电流幅度，d_H，d_V分别为天线元件在水平方向上和竖直方向上的间隔，n为列的序号，m为行的序号，j为虚数单位，天线阵列相关参数k＝2π/λ，其中观察用户是指当前用户，而干扰用户是相对于观察用户而言，对其产生干扰的用户。此干扰用户是除当前用户以外，与所述当前用户处于同一卫星覆盖范围内，且使用同一频率的不同波束的用户。

上述干扰因子是单个卫星覆盖范围内天线波束的中心对准用户的基础上得到的，为了能够实现单个卫星覆盖范围内天线波束的中心对准用户，可以采用如下可能的步骤，确定单个卫星覆盖范围内天线波束的中心对准单个卫星覆盖范围内的用户：

获取以卫星为参考点所述单个卫星覆盖范围内任一当前用户位置；获取所述当前用户位置与卫星位置构成的方位角和俯仰角；将所述方位角和所述俯仰角，分别作为天线波束的方位角和天线波束的下倾角；通过天线波束的方位角和下倾角，确定天线阵列上每根天线的相位；按照所述天线阵列上每根天线的相位，由所述天线阵列发送目标信号时形成天线波束，所述天线波束具有波束方向，所述波束方向是由天线波束的方位角和天线波束的下倾角形成的；所述天线波束的中心对准单个卫星覆盖范围内的用户。

需要说明的是，可以采用如下公式，通过天线波束的方位角和下倾角，确定天线阵列上每根天线的相位：

其中，向量

表示天线阵列上每根天线的相位权重向量，

的大小为N_t＝M·N·P，卫星上配置的天线阵列大小为(M,N,P)，M为天线阵列每列中具有相同极化的天线元件的数量，N为列数，P为天线极化方向的个数，

为根据第三代合作伙伴项目(the3rd Generation Partnership Project，简称3GPP)协议中的全连接模型，确定的

向量中第l个元素，l＝x+M(y-1)+MN(z-1)，x＝1,…,M，y＝1,…,N，z＝1,..,P，天线波束的方位角和天线波束的下倾角分别等于(φ_u,β_u)，天线元件在水平方向上间隔为d_H，在垂直方向上为d_V，RF为角标，代指模拟域，F^RF是一个整体命名。ψ_u区分了不同极化方式的天线在相位上的变化，ψ_u是由天线极化方式决定：

其中，ζ＝0对应单极化极化的天线元件，ζ＝+/-45°对应于交叉极化的天线元件。

在单个卫星覆盖范围内天线波束的中心对准用户的基础上，完成单个卫星覆盖范围内天线波束的中心对准单个卫星覆盖范围内的用户，也进行频带划分，因此，上述步骤140进一步包括但不限于此：

针对所有天线波束中被调用的每个天线波束，为该被调用的天线波束确定服务于一个用户的一个子频带，作为为该被调用的天线波束确定的最优子频带，得到为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述最优子频带。

需要说明的是，为该被调用的天线波束确定服务于一个用户的一个子频带可以为任一子频带，这样可以通过不同天线波束分配各自不同的子频带，将目标信号的传输至单个卫星覆盖范围内的不同用户，各天线波束之间不会相互干扰。由于低轨卫星系统的容量受带宽和干扰的影响，降低干扰，目标信号能够有效传输，因此进一步的提高了低轨卫星系统的容量。并且，为所有天线波束中被调用的各天线波束，选择各自最优子频带，以使用户链路系统的容量最大化，也可以提高低轨卫星系统的容量。

基于上述子频带的分配策略，为了能够确定被调用的天线波束，可以采用如下多种实现方式，确定所有波束中被调用的各波束：

在一种可能的实现方式中，通过如下公式，确定所有波束中被调用的各波束：

s.t.c_b∈{0,1}

k_b∈{1,2,...,N_F}

其中，B为波束的总个数，b为波束序号，c_b为波束调度因子，c_b为二进制变量，c_b＝1用于表示当前时刻发送波束b，c_b＝0用于表示当前时刻未发送波束b，c_i为波束i，I_b,i(.)为所述干扰因子，φ_u为方位角偏移，β_u为俯仰角偏移，i为波束序号，k_i为波束i的频率划分序号，k_b为波束b频率划分序号，k_b∈{1,...N_F}，N_F为子频带总数，N_F为一个整体，N_F的角标是为了和其他N区分，R_u为单个用户链路系统的容量，

U为用户的总个数，u为用户序号，

W为总带宽，SINR_u为用户u的信干噪比，

P_E为目标信号功率，P_N为噪声信号功率，P_I为干扰信号功率，P_E、P_N和P_I中每个标号整体表示一个含义，其角标用于区分。

在又一种可能的实现方式中，采用如下公式，确定所有波束中被调用的各波束：

s.t.c_b∈{0,1}

k_b∈{1,2,...,N_F}

其中，SNR_b,u为所述当前用户的接收信号信噪比，SNR_i,u为所述当前用户的干扰信号信噪比。

由于在又一种可能的实现方式中同时求解两个变量，是NP-Hard的多元非线性优化问题。本发明实施例提出的解决方案可以是将两个变量统一起来，定义一个同时反映调度情况和子频带划分情况的变量

x的取值范围x_b＝{1,2,...,N_F}，其中，b＝1,2,...,B。x_b＝0表示该波束未被调度，x_b＝{1,2,...,N_F}x_b＝{1,2,...,N_F}则表示波束调度之后的子频带序号。因此在再一种可能的实现方式中，采用如下公式，确定所有波束中被调用的各波束：

s.t.x_b∈{0,1,2,...,N_F}

其中，x_b为反映波束调度与频率分配情况的变量，x_b＝c_b·k_b，||.||为求向量的模的计算符，I_b,i(.)为所述干扰因子，φ_u为方位角偏移，β_u为俯仰角偏移。

在上述再一种可能的实现方式中，上述公式只有一个未知量x，且x是有取值范围的整数，是一元非线性整数规划问题，可以通过分枝界定法对其进行求解。首先将非线性整数规划问题化为相应的线性规划，对应的线性规划问题中x没有整数限制条件。获得线性规划的最佳解后，将非整数值的部分分割为成最接近的两个整数，代入原问题中，形成两个子问题(或分枝)分别求解，如此便可求得目标函数值的上限(上界)或下限(下界)。对于非线性整数规划分支定界方法的求解，可以依托于Matlab中的“yalmip”工具箱进行计算。

相较于传统的固定多波束选择方案，波束一般是较为均匀分布，频带、带宽、天线等通信资源往往也是均匀分配给各波束，而用户位置的非均匀分布往往导致各波束内的通信业务量差距较大，因此多波束卫星中资源利用会有不均衡的现象，并且多个波束使用相同子频带服务不同用户时，各波束之间产生干扰，进而降低了低轨卫星系统的容量。

考虑到5G中波束技术可以带来空间增益，划分空间资源，可以考虑将5G波束技术引入卫星，将波束作为多波束卫星系统下的一种空域资源进行分配或者调度：当天线阵列的维度不同时，形成波束的宽度不同，且该波束下卫星与用户终端的信道情况也会不同；当天线阵列设置不同的波束下倾角或者方位角时，波束的覆盖范围可能不同。因此，本发明实施例将5G波束技术引入卫星通信系统中，通过动态分配资源减小系统内干扰，最大化系统容量。

因此本发明实施例与上述传统的固定多波束选择方案对比，在用户平均速率相比有了很大的提高。由于采用了全连接模型，利用大规模天线形成高定向窄波束对准用户，不仅大幅增加了天线增益，而且引入了波束的空间性，减小了不同波束之间的干扰。另外，在频率复用时，由于固定多波束在未知用户信息的时候，已经进行了频率的复用设定，子频带划分的方案不一定是最优的，而在自适应多波束中，由于子频带划分与波束选择联合优化，进一步减少了波束的同频干扰。因此本发明实施例提出的基于用户位置的自适应波束选择方案会比固定多波束方案中用户平均速率更高。

在确定被调用的各天线波束和为天线波束选择各自最优子频带以后，为了能够服务用户，在本发明实施例提供的低轨卫星系统的多波束自适应管理方法还包括：按照所述被调用的各天线波束对应的最优子频带，为被调用的各天线波束分配最优子频带的频域资源；根据被调用的天线波束与所述为被调用的各天线波束分配最优子频带的频域资源，生成多用户的并行数据；向所述卫星发送所述多用户的并行数据，由所述卫星利用形成的天线波束向地面站转发多用户的并行数据。

在本发明实施例中，当信关站得到计算的最终结果x_opt后，对x_opt中的值进行解析并将对应的波束调度或频率分配方案作用于多个服务波束上，x_b＝0表示波束b未被调度，x_b＝{1,2,...,N_F}则表示波束b调度此刻被调度了，信关站会为其分配子带序号为x_b所对应的频域资源。信关站决定了所有波束的发送与否与子带划分情况后，向卫星发送生成的数据信息，卫星利用形成的波束向地面转发多用户的并行数据。发送波束对准用户后，后续的通信过程中，卫星会根据其的移动轨迹调整其波束方向使用户始终位于波束中心，获得最大波束增益。这样可以被调用的各天线波束使用最优子频带服务不同用户。

参见图4所示，本发明依据3GPP波束管理流程规定与低轨卫星系统的特性，设计了一种低轨卫星系统的多波束自适应管理方法及装置，具体的流程如下：

1.下行同步之前，信关站通过辅助系统获取卫星位置信息与低轨卫星系统内所有用户位置信息；

2.信关站按照本发明实施例提出的低轨卫星系统的多波束自适应管理方法，选择波束并划分频带，即基于用户位置进行波束的形成、调度波束与不同子频带的分配，参见图5所示，一个波束使用一个子频带服务一个用户；

3.信关站根据调度波束与不同子频带的分配结果生成下行同步信号(Synchronization Signal Block，简称SSB)发送给卫星，卫星形成多波束转发给用户下行同步信号，上述步骤实现了波束确定；

4.用户接收到下行同步信息之后，获取波束和子带，解调出该波束下的参数配置，包括卫星系统信息、波束信息、随机接入资源等，本步骤实现了波束通知。

5.用户根据解调出的波束信息，在随机接入资源上发起包含随机接入前导码的随机接入请求，发送随机接入前导码，卫星检测随机接入请求并转发给信关站。

6.上行和下行同步完成后，开始数据的传输。在数据传输过程中，卫星的发送波束会随着卫星的移动而转动，但发送波束的中心始终对准用户。

下面继续对本发明实施例提供的低轨卫星系统的多波束自适应管理装置进行介绍。

参见图6，图6为本发明实施例提供的低轨卫星系统的多波束自适应管理装置的结构示意图。本发明实施例所提供的低轨卫星系统的多波束自适应管理装置，可以包括如下模块：

第一获取模块21，用于获取用户链路系统所工作的频带，并将所述频带划分为多个子频带；

第二获取模块22，用于在单个卫星覆盖范围内天线波束的中心对准用户的情况下，获取干扰因子，所述干扰因子是指假定所有天线波束中每两个以上天线波束使用相同子频带服务不同用户时，每两个以上天线波束之间产生的干扰，所对应的干扰因子；

第一处理模块23，用于利用所述干扰因子，确定用户链路系统的容量；

第二处理模块24，用于在最大化所述用户链路系统的容量的基础上，为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述多个子频带中最优子频带。

在本发明实施例中，通过天线波束的中心对准用户，可以增加了天线增益，以及通过天线波束的空间变化，减小了不同天线波束之间的干扰；并且，为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定多个子频带中最优子频带，以使用户链路系统的容量最大化，这样由于频带划分与天线波束的联合，为天线波束确定最优子频带，减少了天线波束的同频干扰，进一步减少了用户链路系统内的总体干扰，增大了低轨卫星系统的容量。

在一种可能的实现方式中，所述第二获取模块，用于：

获取以卫星为参考点所述单个卫星覆盖范围内任一当前用户位置；

获取以卫星为参考点所述单个卫星覆盖范围内任一当前用户位置与卫星位置构成的夹角，接收天线的天线增益，发送天线的天线增益，噪声功率及目标信号在空间传播所产生的路径损耗；

采用所述夹角、所述接收天线的天线增益，所述发送天线的天线增益，所述噪声功率及所述路径损耗，计算所述当前用户的接收信号信噪比以及干扰信号信噪比，其中，所述接收信号包括目标信号和其他用户对所述当前用户产生的干扰信号；

将所述接收信号信噪比与所述干扰信号信噪比的比值，作为干扰因子。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：

第三获取模块，用于获取以卫星为参考点所述单个卫星覆盖范围内任一当前用户位置；

第四获取模块，用于获取所述当前用户位置与卫星位置构成的方位角和俯仰角；

第三处理模块，用于将所述方位角和所述俯仰角，分别作为天线波束的方位角和天线波束的下倾角；

第四处理模块，用于通过天线波束的方位角和下倾角，确定天线阵列上每根天线的相位；

形成模块，用于按照所述天线阵列上每根天线的相位，由所述天线阵列发送目标信号时形成天线波束，所述天线波束具有波束方向，所述波束方向是由天线波束的方位角和天线波束的下倾角形成的；所述天线波束的中心对准单个卫星覆盖范围内的用户。

在一种可能的实现方式中，所述第二处理模块，用于：

针对所有天线波束中被调用的每个天线波束，为该被调用的天线波束确定服务于一个用户的一个子频带，作为为该被调用的天线波束确定的最优子频带，得到为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述最优子频带。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：

第五处理模块，用于所述在最大化所述用户链路系统的容量的基础上，为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述多个子频带中最优子频带之后，按照所述被调用的各天线波束对应的最优子频带，为被调用的各天线波束分配最优子频带的频域资源；

生成模块，用于根据被调用的天线波束与所述为被调用的各天线波束分配最优子频带的频域资源，生成多用户的并行数据；

传输模块，用于向卫星发送所述多用户的并行数据，由卫星利用形成的天线波束向地面信关站转发多用户的并行数据。

下面继续对本发明实施例提供的地面信关站进行介绍。

本发明实施例还提供了一种地面信关站，包括上述低轨卫星系统的多波束自适应管理装置。

下面继续对本发明实施例提供的电子设备进行介绍。

参见图7，图7为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。本发明实施例还提供了一种电子设备，包括处理器31、通信接口32、存储器33和通信总线34，其中，处理器31，通信接口32，存储器33通过通信总线34完成相互间的通信，

存储器33，用于存放计算机程序；

处理器31，用于执行存储器33上所存放的程序时，实现上述低轨卫星系统的多波束自适应管理方法的步骤，在本发明一个可能的实现方式中，可以实现如下步骤：

获取用户链路系统所工作的频带，并将所述频带划分为多个子频带；

在单个卫星覆盖范围内天线波束的中心对准用户的情况下，获取干扰因子，所述干扰因子是指假定所有天线波束中每两个以上天线波束使用相同子频带服务不同用户时，每两个以上天线波束之间产生的干扰，所对应的干扰因子；

利用所述干扰因子，确定用户链路系统的容量；

在最大化所述用户链路系统的容量的基础上，为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述多个子频带中最优子频带。

上述电子设备提到的通信总线可以是PCI(Peripheral ComponentInterconnect，外设部件互连标准)总线或EISA(Extended Industry StandardArchitecture，扩展工业标准结构)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。

存储器可以包括RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)，也可以包括NVM(Non-Volatile Memory，非易失性存储器)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。

上述的处理器可以是通用处理器，包括CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、NP(Network Processor，网络处理器)等；还可以是DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理器)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)、FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)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。

本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的低轨卫星系统的多波束自适应管理方法的步骤。

本发明实施例提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述的低轨卫星系统的多波束自适应管理方法的步骤。

本发明实施例提供了一种计算机程序，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述的低轨卫星系统的多波束自适应管理方法的步骤。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置/地面信关站/电子设备/存储介质/包含指令的计算机程序产品/计算机程序实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低轨卫星系统的多波束自适应管理方法，其特征在于，包括：

获取用户链路系统所工作的频带，并将所述频带划分为多个子频带；

在单个卫星覆盖范围内天线波束的中心对准用户的情况下，获取干扰因子，所述干扰因子是指假定所有天线波束中每两个以上天线波束使用相同子频带服务不同用户时，每两个以上天线波束之间产生的干扰，所对应的干扰因子；

利用所述干扰因子，确定用户链路系统的容量；

在最大化所述用户链路系统的容量的基础上，为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述多个子频带中最优子频带。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取干扰因子，包括：

获取以卫星为参考点所述单个卫星覆盖范围内任一当前用户位置；

获取以卫星为参考点所述单个卫星覆盖范围内任一当前用户位置与卫星位置构成的夹角，接收天线的天线增益，发送天线的天线增益，噪声功率及目标信号在空间传播所产生的路径损耗；

采用所述夹角、所述接收天线的天线增益，所述发送天线的天线增益，所述噪声功率及所述路径损耗，计算所述当前用户的接收信号信噪比以及干扰信号信噪比，其中，所述接收信号包括目标信号和其他用户对所述当前用户产生的干扰信号；

将所述接收信号信噪比与所述干扰信号信噪比的比值，作为干扰因子。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用如下步骤，确定单个卫星覆盖范围内天线波束的中心对准单个卫星覆盖范围内的用户：

获取以卫星为参考点所述单个卫星覆盖范围内任一当前用户位置；

获取所述当前用户位置与卫星位置构成的方位角和俯仰角；

将所述方位角和所述俯仰角，分别作为天线波束的方位角和天线波束的下倾角；

通过天线波束的方位角和下倾角，确定天线阵列上每根天线的相位；

按照所述天线阵列上每根天线的相位，由所述天线阵列发送目标信号时形成天线波束，所述天线波束具有波束方向，所述波束方向是由天线波束的方位角和天线波束的下倾角形成的；

所述天线波束的中心对准单个卫星覆盖范围内的用户。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述多个子频带中最优子频带，包括：

针对所有天线波束中被调用的每个天线波束，为该被调用的天线波束确定服务于一个用户的一个子频带，作为为该被调用的天线波束确定的最优子频带，得到为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述最优子频带。

5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述在最大化所述用户链路系统的容量的基础上，为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述多个子频带中最优子频带之后，所述方法还包括：

按照所述被调用的各天线波束对应的最优子频带，为被调用的各天线波束分配最优子频带的频域资源；

根据被调用的天线波束与所述为被调用的各天线波束分配最优子频带的频域资源，生成多用户的并行数据；

向卫星发送所述多用户的并行数据，由卫星利用形成的天线波束向地面信关站转发多用户的并行数据。

6.一种低轨卫星系统的多波束自适应管理装置，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于获取用户链路系统所工作的频带，并将所述频带划分为多个子频带；

第二获取模块，用于在单个卫星覆盖范围内天线波束的中心对准用户的情况下，获取干扰因子，所述干扰因子是指假定所有天线波束中每两个以上天线波束使用相同子频带服务不同用户时，每两个以上天线波束之间产生的干扰，所对应的干扰因子；

第一处理模块，用于利用所述干扰因子，确定用户链路系统的容量；

第二处理模块，用于在最大化所述用户链路系统的容量的基础上，为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述多个子频带中最优子频带。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二获取模块，用于：

获取以卫星为参考点所述单个卫星覆盖范围内任一当前用户位置；

获取以卫星为参考点所述单个卫星覆盖范围内任一当前用户位置与卫星位置构成的夹角，接收天线的天线增益，发送天线的天线增益，噪声功率及目标信号在空间传播所产生的路径损耗；

采用所述夹角、所述接收天线的天线增益，所述发送天线的天线增益，所述噪声功率及所述路径损耗，计算所述当前用户的接收信号信噪比以及干扰信号信噪比，其中，所述接收信号包括目标信号和其他用户对所述当前用户产生的干扰信号；

将所述接收信号信噪比与所述干扰信号信噪比的比值，作为干扰因子。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

第三获取模块，用于获取以卫星为参考点所述单个卫星覆盖范围内任一当前用户位置；

第四获取模块，用于获取所述当前用户位置与卫星位置构成的方位角和俯仰角；

第三处理模块，用于将所述方位角和所述俯仰角，分别作为天线波束的方位角和天线波束的下倾角；

第四处理模块，用于通过天线波束的方位角和下倾角，确定天线阵列上每根天线的相位；

形成模块，用于按照所述天线阵列上每根天线的相位，由所述天线阵列发送目标信号时形成天线波束，所述天线波束具有波束方向，所述波束方向是由天线波束的方位角和天线波束的下倾角形成的；所述天线波束的中心对准单个卫星覆盖范围内的用户。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二处理模块，用于：

针对所有天线波束中被调用的每个天线波束，为该被调用的天线波束确定服务于一个用户的一个子频带，作为为该被调用的天线波束确定的最优子频带，得到为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述最优子频带。

10.如权利要求6至9任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

第五处理模块，用于所述在最大化所述用户链路系统的容量的基础上，为所有天线波束中被调用的各天线波束，确定所述多个子频带中最优子频带之后，按照所述被调用的各天线波束对应的最优子频带，为被调用的各天线波束分配最优子频带的频域资源；

生成模块，用于根据被调用的天线波束与所述为被调用的各天线波束分配最优子频带的频域资源，生成多用户的并行数据；

传输模块，用于向卫星发送所述多用户的并行数据，由卫星利用形成的天线波束向地面信关站转发多用户的并行数据。

Images