CN111446991B - 大规模mimo卫星通信sc-ofdma下行链路自适应资源调度方法 - Google Patents

大规模mimo卫星通信sc-ofdma下行链路自适应资源调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了大规模MIMO卫星通信SC‑OFDMA下行链路自适应资源调度方法，针对大规模MIMO卫星通信下行链路采用SC‑OFDMA传输方法，功放工作在功放1dB压缩点时，用户终端天线有效口径统一或多样化且终端需求业务速率多样化应用场景下，制定了适应资源调度及使用策略，根据用户天线终端配置及终端需求业务速率，为用户终端分配合适的SC‑OFDMA载波组对象和时间域对象资源，并采取合适的使用策略，可以使多样化天线口径尺寸终端接入系统，多样化终端多样化业务速率满足，且保证在卫星下行功率受限时，系统下行功率效能最高或在卫星下行带宽受限时，系统下行频率效能最高。

Description

大规模MIMO卫星通信SC-OFDMA下行链路自适应资源调度方法
技术领域
本发明属于通信领域，具体涉及大规模MIMO卫星通信SC-OFDMA下行链路自适应资源调度及使用策略。
背景技术
为实现全球深度覆盖及全场景移动信息，大规模MIMO卫星通信必将成为B5G/6G通信的重要组成部分。与地面无线通信系统相比，卫星功率受限或者带宽受限是其最为明显的特征，同时卫星通信的应用场景决定了用户终端等效天线尺寸的多样性和需求业务的多样性。
大规模MIMO卫星通信下行链路使用SC-OFDMA传输方法时，其为一个单载波，可以工作在下行链路功放1dB压缩点，充分利用功率效能。用户终端等效天线尺寸的多样性和需求业务的多样性，使得地面移动通信SC-OFDMA调度和使用策略不适合于卫星通信，其无法保证小终端的的顺利接入，以及多样化终端多样化业务速率需求问题，因此本发明提出大规模MIMO卫星通信SC-OFDMA下行链路自适应资源调度及使用策略。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种大规模MIMO卫星通信SC-OFDMA下行链路自适应资源调度及使用策略，可以使多样化天线口径尺寸终端接入系统，多样化终端多样化业务速率满足，且保证在卫星下行功率受限时，系统下行功率效能最高，或在卫星下行带宽受限时，系统下行频率效能最高。
本发明采用的技术方案为：大规模MIMO卫星通信SC-OFDMA下行链路自适应资源调度方法，所述资源调度方法包括以下步骤：
步骤一，通信卫星侧配置大规模MIMO天线，通过模拟多波束成形或数字多波束成形或模拟与数字混合波束成形的方法生成覆盖符合卫星通信系统总体设计要求的下行波束集合；
步骤二，下行链路全频带采用单个SC-OFDMA IFDMA方式，卫星下行链路功放工作在功率效应最高点；
步骤三，对卫星SC-OFDMA下行链路资源调度操作对象抽象化，将SC-OFDMA IFDMA各组子载波资源抽象为载波组对象，时域时间资源抽象为时域操作对象；
步骤四，采用基准参数计算算法推倒出基准参数；
步骤五，根据用户终端使用情况，采用资源调度及使用策略，保证所有种类的用户终端都能高效可靠接入传输，系统下行容量最大；
步骤六，根据卫星通信星地信道变化，触发下行链路资源的自适应调整策略，重新运行步骤四和步骤五。
进一步的，通信卫星在同一时频资源上与多个终端建立下行通信链路，形成两级资源调度模式：第一级为正交波束域调度，第二级为同一个波束内大量用户终端的正交频域、正交时域资源调度。
进一步，所述步骤一中，基于地面用户终端的位置信息，结合大规模天线波束宽度，对用户终端进行分组，同一组用户使用正交的波束或者波束集进行正交的波束域覆盖；同一个波束覆盖下的多用户终端，使用正交频域或正交时域资源；正交的波束域使用同时同频资源，处于波束重叠区的用户终端根据所属波束分配不同的子载波组以降低波束间的同频干扰，或分配同时同频子载波，利用多波束形成的大规模MIMO信号预处理编码消除或减弱干扰。
进一步的，所述步骤四，基准参数计算算法具体如下：
步骤4.1，针对用户终端天线口径尺寸统一或者多样的应用场景，选择使用数量最多的终端为制定基准参数的输入条件之一，计算输入条件为：使用数量最多的终端的性能指数(GMOST/T)、单个终端需求速率Rreq、卫星下行链路单个波束总功率AERIP、总带宽资源BA，调制方式、信道编码方式使用SC-OFDMA中IFDMA的编码方式，天空晴朗无云条件，每一组SC-OFDMA子载波功率相同；
步骤4.2，通过链路计算出：波束的传输速率为Rreq时，计算出此波束下对应的等效全向辐射功率ERIPreq，用户带宽资源BUM；
步骤4.3，如果是卫星总体是下行功率受限，带宽不受限系统，则计算出Np＝[ERIPA/ERIPreq]，即相除取整计算，其中ERIPA为卫星下行总功率，计算出下行总功率下能支持的最大速率为Rreq的并行终端数量；
步骤4.4，如果卫星总体是下行带宽受限，功率相对带宽不受限的系统，则计算Np＝[BA/BUM]，即相除取整计算，计算出总带宽下能个支持的最大速率为Rreq的并行终端数量；
步骤4.5，结合卫星特性，同时为提高频率资源利用率，在5G标准中规定的子载波带宽选取出合适的最小子载波带宽BZMI，或者自定义一个最小子载波带宽BZMI，使得NZN＝BUM/BZMI为整数；
步骤4.6，最终计算出以下基准参数：使用数量最多的终端速率Rreq、(GMOST/T)、一个载波组对象包含子载波数量为NZN、并发最多此类终端数量为Np。
进一步的，所述步骤五中，所采用资源调度及使用策略具体如下：
步骤5.1，计算参考值，即以晴朗无云天气时的资源调度情况作为参考值，确定所有用户终端采用统一的调制方式、信道编码方式前提条件下，对卫星下行链路进行链路预算，计算出一个载波对象链路余量为0dB时的业务速率RRF值、对应的用户终端的GRF/T值以及下行有效带宽内载波组对象最大值K；
比较用户终端实际G/T值，即(GUE/T)，与业务速率为RRF时的接收门限值(GRF/T)；
步骤5.2，当(GUE/T)<(GRF/T)时，计算用户终端接收能力差距
Figure GDA0003523955820000031
即取整加1：
如果任意一款用户终端需求业务速率RUE≤[(RRF/a1)]，则调度分配给该用户终端1个载波组对象资源，以及对应的a1个时域对象；通信卫星为该用户终端分配到相应资源后，将该用户终端所需要的速率为RUE的业务数据流经缓冲变为速率为[(RRF/a1)]的数据流，数据流占用1个载波组对象资源，利用a1个时域对象资源上重复发送a1遍，用户终端接收到信号后，通过时域分集增益来弥补天线接收能力不足，获得所需速率数据业务；
如果用户终端需求业务速率[(RRF/a1)]＜RUE≤RRF，则调度分配给该用户终端a1个载波组对象资源，通信卫星为该用户分配到相应资源后，将速率为RUE的业务数据经适配，将大数据流分成不同部分，通过分配的a1个载波组对象资源并行传输，用户终端接收到信号后，通过频域分集增益弥补天线接收能力不足，获得所需数据业务；
如果用户终端需求业务速率RUE＞RRF，计算b1＝[RUE/RRF]+1，则调度分配给该用户终端b1×a1个载波组对象资源，且满足(b1×a1)≤NP；通信卫星为该用户分配到相应资源后，将用户终端业务速率为RUE的数据流分成并行的b1路速率为RRF不同的数据流；b1路数据流中每一路数据流都复制成a1路相同数据流，占用a1个载波组对象资源并行传输相同数据，最终通过占用b1×a1载波组对象资源并行传输，用户终端通过频域分集增益，通过多路传输获取所需数据业务；
步骤5.3，(GUE/T)≥(GRF/T)时：
如果用户终端业务速率RUE≤RRF，则调度分配给该用户终端1个载波组对象资源，通信卫星为该用户分配相应资源后，将用户业务数据流经过适配成速率RRF，占用一个载波组对象资源发送，在有大链路增益余量情况下，用户终端高可靠接收；
如果用户终端需业务速率RRF＜RUE，计算d1＝[RUE/RRF]+1，且d1≤NP此时调度分配给该用户终端d1个载波组对象资源，通信卫星为该用户分配相应资源后，将用户数据流多路分流成并行的d1路速率为RUE/d1不同的数据流，通过并行占用d1个载波组对象资源下行传输，用户终端利用d1路不同的载波组对象资源接收多路数据。
有益效果：
本发明提出大规模MIMO卫星通信SC-OFDMA下行链路自适应资源调度及使用策略，可以使多样化天线口径尺寸终端接入系统，多样化终端多样化业务速率满足，且保证在卫星下行功率受限时，系统下行功率效能最高，或在卫星下行带宽受限时，系统下行频率效能最高。
附图说明
图1为对于用户终端(GUE/T)<(GRF/T)时几种场景资源调度及使用策略示意图；
图2为对于用户终端(GUE/T)≥(GRF/T)时几种场景资源调度及使用策略示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整的描述，显然，本发明针对卫星透明转发器/处理转发器，低轨/中规/高轨卫星，单星/星座都适用。所描述的实施例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，都应当属于本发明保护的范围。
本发明大规模MIMO卫星通信SC-OFDMA下行链路自适应资源调度方法是以大规模MIMO卫星通信系统为讨论对象，具体来说，该系统为：
通信卫星侧配置大规模MIMO天线，通过模拟多波束成形或数字多波束成形或模拟与数字混合波束成形的方法生成覆盖符合卫星通信系统总体设计要求的下行波束集合。通信卫星在同一时频资源上与多个终端建立下行通信链路，形成两级资源调度模式：第一级为正交波束域调度，第二级为同一个波束内大量用户终端的正交频域、正交时域资源调度。
进一步，基于地面用户终端的位置信息，结合大规模天线波束宽度，对用户终端进行分组，同一组用户使用正交的波束或者波束集进行正交的波束域覆盖；同一个波束覆盖下的多用户终端，使用正交频域或正交时域资源；正交的波束域使用同时同频资源，处于波束重叠区的用户终端根据所属波束分配不同的子载波组以降低波束间的同频干扰，或分配同时同频子载波，利用多波束形成的大规模MIMO信号预处理编码消除或减弱干扰。
本发明采用的技术方案为：大规模MIMO卫星通信SC-OFDMA下行链路自适应资源调度方法，包括以下步骤：
1)基于大规模MIMO卫星通信下行链路全频带采用单个SC-OFDMA IFDMA方式，卫星下行链路功放工作在功放效率最高1dB压缩点。
2)对卫星SC-OFDMA下行链路资源调度操作对象抽象化。将用户SC-OFDMA IFDMA一组子载波抽象为载波组对象，将连续时间片段资源抽象为时域对象。
3)采用基准参数计算算法推倒出基准参数。
4)针对终端使用情况，采用资源调度及使用策略，保证所有种类终端都能高效可靠接入传输，系统下行容量最大。
5)针对卫星通信星地信道变化，例如多云、下雨等情况，触发自适应调整，即重新运行步骤3)和步骤4)。
(1)发明内容步骤4)中资源调度及使用策略②对于用户终端(GUE/T)<(GRF/T)时几种场景资源调度及使用策略进行实施例说明，并附图1以达到更加清晰解释。
a)对于用户终端(GUE/T)<(GRF/T)时，计算
Figure GDA0003523955820000051
即取整加一。此时终端等效口径天线尺寸小于发明内容5)中选取的“数量最多的终端”的等效天线口径。假设此时两者相差G/T值相差4倍，即a1＝4。
b)如果终端需求业务速率RUE≤[(RRF/a1)]时，即终端接收业务速率小于等于RRF/4时，给该用户终端分配1个载波组对象资源，以及4个时域对象，即时间域上同样内容重复传输4遍。通信卫星为该用户分配到相应资源后，将用户需要的业务速率为RUE的业务数据流经缓冲变为速率为[(RRF/4)]的数据流，数据流占用1个载波组对象资源，利用4个时域对象资源上上重复发送4遍。终端接收到信号后，利用传输同样内容的4个时间分集增益弥补天线接收能力不足，获得所需速率数据业务；
c)如果终端需求业务速率[(RRF/a1)]＜RUE≤RRF时，即终端接收业务速率小于等于RRF/4＜RUE≤RRF时，则调度分配给该用户终端4个载波组对象资源。通信卫星为该用户分配到相应资源后，将速率为RUE的业务数据经适配，通过分配的4个载波组对象资源利并行传输相同的数据流。终端接收到信号后，利用4个载波组对象传输同样的数据带来的频域分集增益弥补天线接收能力不足，获得所需数据业务；
d)如果终端需求业务速率RUE＞RRF时，即小终端要大业务时，计算b1＝[RUE/RRF]+1，假设b1＝3,则调度分配给该用户终端b1×a1个,即12个载波组对象资源，且满足(b1×a1)≤NP，即不能超过载波组对象资源最大数。通信卫星为该用户分配到相应资源后，将用户业务速率为RUE的数据流分成并行的b1路速率为RRF不同的数据流，即将高速数据分成3路低速不同数据。b1路中每一路数据流都复制成a1路相同数据流，占用a1个载波组对象资源并行传输相同数据，即通过4路载波组对象传输相同的内容，获取频域增益。最终通过占用b1×a1载波组对象资源并行传输，用户终端利用频域分集增益，通过多路传输获取所需数据业务。
(2)发明内容步骤4)中资源调度及使用策略③对于用户终端(GUE/T)≥(GRF/T)时几种场景资源调度及使用策略进行实施例说明，并附图2以达到更加清晰解析。
a)对于用户终端(GUE/T)≥(GRF/T)时。
b)如果终端业务速率RUE≤RRF，则调度分配给该用户终端1个载波组对象资源。通信卫星为该用户分配相应资源后，将用户业务数据流经过适配成速率RRF，占用一个载波组对象资源发送，在有大链路增益余量情况下，用户终端在可靠接收；
c)如果终端需业务速率RRF＜RUE时，计算d1＝[RUE/RRF]+1，且d1≤NP。假设d1＝4。此时调度分配给该用户终端d1个，即4个载波组对象资源。通信卫星为该用户分配相应资源后，将用户数据流多路分流成并行的d1路速率为RUE/d1不同的数据流，通过并行占用d1个载波组对象资源下行传输。用户终端利用d1，即4路不同的载波组对象资源接收多路数据。
基于上述调度策略，可以使多样化天线口径尺寸终端接入系统，多样化终端多样化业务速率满足，且保证在卫星下行功率受限时，系统下行功率效能最高，或在卫星下行带宽受限时，系统下行频率效能最高。
以上所述的具体实施方式，只是本发明较优选的实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.大规模MIMO卫星通信SC-OFDMA下行链路自适应资源调度方法，其特征在于，所述资源调度方法包括以下步骤：
步骤一，通信卫星侧配置大规模MIMO天线，通过模拟多波束成形或数字多波束成形或模拟与数字混合波束成形的方法生成覆盖符合卫星通信系统总体设计要求的下行波束集合；
步骤二，下行链路全频带采用单个SC-OFDMA IFDMA方式，卫星下行链路功放工作在功率效应最高点；
步骤三，对卫星SC-OFDMA下行链路资源调度操作对象抽象化，将SC-OFDMA IFDMA各组子载波资源抽象为载波组对象，时域时间资源抽象为时域操作对象；
步骤四，采用基准参数计算算法推倒出基准参数；
步骤4.1，针对用户终端天线口径尺寸统一或者多样的应用场景，选择使用数量最多的终端为制定基准参数的输入条件之一，计算输入条件为：使用数量最多的终端的性能指数(GMOST/T)、单个终端需求速率Rreq、卫星下行链路单个波束总功率AERIP、总带宽资源BA，调制方式、信道编码方式使用SC-OFDMA中IFDMA的编码方式，天空晴朗无云条件，每一组SC-OFDMA子载波功率相同；
步骤4.2，通过链路计算出：波束的传输速率为Rreq时，计算出此波束下对应的等效全向辐射功率ERIPreq，用户带宽资源BUM；
步骤4.3，如果是卫星总体是下行功率受限，带宽不受限系统，则计算出Np＝[ERIPA/ERIPreq]，即相除取整计算，其中ERIPA为卫星下行总功率，计算出下行总功率下能支持的最大速率为Rreq的并行终端数量；
步骤4.4，如果卫星总体是下行带宽受限，功率相对带宽不受限的系统，则计算Np＝[BA/BUM]，即相除取整计算，计算出总带宽下能个支持的最大速率为Rreq的并行终端数量；
步骤4.5，结合卫星特性，同时为提高频率资源利用率，在5G标准中规定的子载波带宽选取出合适的最小子载波带宽BZMI，或者自定义一个最小子载波带宽BZMI，使得NZN＝BUM/BZMI为整数；
步骤4.6，最终计算出以下基准参数：使用数量最多的终端速率Rreq、(GMOST/T)、一个载波组对象包含子载波数量为NZN、并发最多此类终端数量为Np；
步骤五，根据用户终端使用情况，采用资源调度及使用策略，保证所有种类的用户终端都能高效可靠接入传输，系统下行容量最大；
步骤5.1，计算参考值，即以晴朗无云天气时的资源调度情况作为参考值，确定所有用户终端采用统一的调制方式、信道编码方式前提条件下，对卫星下行链路进行链路预算，计算出一个载波对象链路余量为0dB时的业务速率RRF值、对应的用户终端的GRF/T值以及下行有效带宽内载波组对象最大值K；
比较用户终端实际G/T值，即(GUE/T)，与业务速率为RRF时的接收门限值(GRF/T)；
步骤5.2，当(GUE/T)<(GRF/T)时，计算用户终端接收能力差距
Figure FDA0003523955810000021
即取整加1：
如果任意一款用户终端需求业务速率RUE≤[(RRF/a1)]，则调度分配给该用户终端1个载波组对象资源，以及对应的a1个时域对象；通信卫星为该用户终端分配到相应资源后，将该用户终端所需要的速率为RUE的业务数据流经缓冲变为速率为[(RRF/a1)]的数据流，数据流占用1个载波组对象资源，利用a1个时域对象资源上重复发送a1遍，用户终端接收到信号后，通过时域分集增益来弥补天线接收能力不足，获得所需速率数据业务；
如果用户终端需求业务速率[(RRF/a1)]＜RUE≤RRF，则调度分配给该用户终端a1个载波组对象资源，通信卫星为该用户分配到相应资源后，将速率为RUE的业务数据经适配，将大数据流分成不同部分，通过分配的a1个载波组对象资源并行传输，用户终端接收到信号后，通过频域分集增益弥补天线接收能力不足，获得所需数据业务；
如果用户终端需求业务速率RUE＞RRF，计算b1＝[RUE/RRF]+1，则调度分配给该用户终端b1×a1个载波组对象资源，且满足(b1×a1)≤NP；通信卫星为该用户分配到相应资源后，将用户终端业务速率为RUE的数据流分成并行的b1路速率为RRF不同的数据流；b1路数据流中每一路数据流都复制成a1路相同数据流，占用a1个载波组对象资源并行传输相同数据，最终通过占用b1×a1载波组对象资源并行传输，用户终端通过频域分集增益，通过多路传输获取所需数据业务；
步骤5.3，(GUE/T)≥(GRF/T)时：
如果用户终端业务速率RUE≤RRF，则调度分配给该用户终端1个载波组对象资源，通信卫星为该用户分配相应资源后，将用户业务数据流经过适配成速率RRF，占用一个载波组对象资源发送，在有大链路增益余量情况下，用户终端高可靠接收；
如果用户终端需业务速率RRF＜RUE，计算d1＝[RUE/RRF]+1，且d1≤NP此时调度分配给该用户终端d1个载波组对象资源，通信卫星为该用户分配相应资源后，将用户数据流多路分流成并行的d1路速率为RUE/d1不同的数据流，通过并行占用d1个载波组对象资源下行传输，用户终端利用d1路不同的载波组对象资源接收多路数据；
步骤六，根据卫星通信星地信道变化，触发下行链路资源的自适应调整策略，重新运行步骤四和步骤五。
2.根据权利要求1所述的大规模MIMO卫星通信SC-OFDMA下行链路自适应资源调度方法，其特征在于，通信卫星在同一时频资源上与多个终端建立下行通信链路，形成两级资源调度模式：第一级为正交波束域调度，第二级为同一个波束内大量用户终端的正交频域、正交时域资源调度。
3.根据权利要求1所述的大规模MIMO卫星通信SC-OFDMA下行链路自适应资源调度方法，其特征在于，所述步骤一中，基于地面用户终端的位置信息，结合大规模天线波束宽度，对用户终端进行分组，同一组用户使用正交的波束或者波束集进行正交的波束域覆盖；同一个波束覆盖下的多用户终端，使用正交频域或正交时域资源；正交的波束域使用同时同频资源，处于波束重叠区的用户终端根据所属波束分配不同的子载波组以降低波束间的同频干扰，或分配同时同频子载波，利用多波束形成的大规模MIMO信号预处理编码消除或减弱干扰。
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