CN112332897A - 一种用于卫星通信的相控阵接收波束资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星通信技术领域，公开了一种用于卫星通信的相控阵接收波束资源分配方法，本方法通过两个步骤来完成，第一个步骤是，在一个波位下用户的总宽带需求不大于波束的带宽容量的情况下，找出能覆盖所有用户的波位及波位中心指向；第二个步骤是将每个波位都映射到某个波束中，且保证用同频波束覆盖的两个波位间的隔离角满足频率干扰抑制要求。通过本发明可以为广域覆盖的用户提供按需的业务服务。当卫星所有波束无法瞬时覆盖所有用户时，本发明提供了一种分时服务的方法，可在卫星频率复用条件下规避频率干扰。

Description

一种用于卫星通信的相控阵接收波束资源分配方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种用于卫星通信的相控阵天线接收波束资源分配方法。

背景技术

卫星通信是一个资源受限的系统，覆盖强度和覆盖广度是一对天然的矛盾，波束数量一定情况下，当波束宽度宽时其覆盖广度大，但覆盖强度低(天线增益低)，相应的通信速率低；反之波束宽度窄覆盖范围也小，但覆盖强度高(天线增益低)。另一方面，卫星通信的用户分布通常是稀疏且动态的，在中低轨卫星通信系统中，随着卫星的快速移动，这种动态更加明显。为了实现覆盖强度和覆盖广度的折中，最大限度的满足稀疏且动态的用户需求，相控阵天线是一个较好的选择，其利用相控阵的波束捷变能力，按需的为用户提供服务。相控阵捷变波束是通过电扫描实现波束快速切换的，能对离散非均匀分布的，位于多个波束覆盖区域的用户实现分时的、切换无感的连续服务，具有服务效率高、使用灵活等优点。

在波束无法覆盖所有用户时，通常做法是按优先级排序将波束分配给优先级高的用户，而低优先级的用户的服务得不到满足。另外为了最大限度利用有限的频率资源，通常需要进行多波束频率复用，在相控阵应用中，如何保证在相控阵跳变过程中避免频率干扰，也是本发明的需要解决内容。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种用于卫星通信的相控阵天线接收波束资源分配方法，可在波束分配过程中，满足同频波束的空间隔离干扰抑制需求，以及在上行波束瞬时无法覆盖全部用户时，将波束资源分配给用户，满足用户需求。

本发明采用的技术方案如下：一种用于卫星通信的相控阵接收波束资源分配方法，包括：

步骤1：在一个波位下的用户的总带宽需求不大于波束的带宽容量约束的情况下，找出能覆盖所有用户的波位及波位中心指向；

步骤2：将每个波位都映射到某个波束中，且保证用同频波束覆盖的两个波位间的隔离角满足频率干扰抑制要求。

进一步的，步骤11：将当前未被分配波位的所有用户中的每个用户作为波位中心，计算其波束覆盖范围内，还未被分配波位的用户总带宽需求，找出总带宽需求最大的用户，将该用户标记为第一用户，找出以第一用户为中心的第一波位；

步骤12：在所述第一波位覆盖范围内，若未被分配波位的用户的总带宽需求小于波束总带宽，则将这些未被分配波位的用户分配所述第一波位；若未被分配波位的用户的总带宽需求大于波束总带宽，则找出距离第一用户最近的q个用户，所述q个用户的总带宽需求小于波束总带宽

步骤13：返回步骤11，继续分配波位，直到所有用户都被分配到某个波位为止。

进一步的，所述步骤2包括：

步骤21：对于任意一个波位B_P(t)，判断该波位B_P(t)是否与使用某频率的所有波束中的波位存在干扰，若不存在干扰，则找出使用该频率的所有波束中用户总带宽需求最小的第一波束，并将该波位B_P(t)存入该第一波束中；

步骤22：若存在干扰，则在存在干扰的波束中寻找当前用户总带宽需求最小的第二波束；

步骤23：判断与第二波束同频率的其他波束中的是否存在与波位B_P(t)形成干扰的第二波位，若不存在，则将波位B_P(t)映射到第二波束中，

步骤24：若存在，则判断第二波位是否与第二波束中的波位形成干扰，若形成干扰，则不再考虑将波位B_P(t)放入第二波束中，若不形成干扰，则将第二波位映射到第二波束中；

步骤25：返回步骤21，直至所有波位都映射到波束中。

进一步的，所述波束使用的频率范围为1～M，M为大于等于1的正整数，其中，第1，M+1，2*M+1，…，G*M+1个波束使用频率1；第2，2*M+2，…，G*M+1个波束使用频率2；…；第M-1，2*M+M-1，…，N个波束使用频率M，其中，G＝N/M，G表示每个频率的使用波束个数，N表示波束数量，所述N≥M。

进一步的，所述两个波位间的隔离角满足频率干扰抑制要求的判断标准为：两个波位的隔离角大于2*θ，其中，θ表示3dB波束宽度。

进一步的，所述步骤2还包括：按照每个波位服务的所有用户的总宽带需求对所有波位进行降序排列。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：通过本发明可以为广域覆盖的用户提供按需的业务服务。当卫星所有波束无法瞬时覆盖所有用户时，该发明提供了一种分时服务的方法，并在卫星频率复用条件下规避频率干扰。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种用于卫星通信的相控阵接收波束资源分配方法的流程示意图。

图2是本发明实施例提供的一种用于卫星通信的相控阵接收波束资源分配方法的子步骤一的详细步骤示意图。

图3是本发明实施例提供的一种用于卫星通信的相控阵接收波束资源分配方法的子步骤二的详细步骤示意图。

图4是本发明一具体实施实例的用户空间分布示意图。

图5是本发明一具体实施实例中产生的波位示意图。

图6是本发明一具体实施实例中波束1、5、9、13的覆盖示意图。

图7是本发明一具体实施实例中波束2、6、10、14的覆盖示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

假设卫星相控阵接收波束数量为N，卫星采用M个频率复用的方式(N≥M，且G＝N/M，G为正整数)，即每个频率有G个波束使用，每个波束的带宽为B。当前在线用户数量为K。每个用户的业务需求用平均带宽W来表示，W为一个K*1的向量。每个波束的3dB波束带宽为θ，同色波束的波束中心隔离角要求大于等于2θ，以避免同频率的干扰。

本发明实施例提供一种用于卫星通信的相控阵接收波束资源分配方法，本方法将该资源分配过程通过两子步骤来完成，第一子步骤是找出能覆盖所有用户所需要的波位及波位中心指向；第二子步骤是完成波位与波束的映射。

具体的，如图1所示。

步骤1：找出未被分配波位的所有用户，利用未被分配波位用户的总带宽需求，找出能覆盖所有用户的波位及波位中心指向。

步骤2：判断找出的每个用户的波位之间是否存在干扰，在保证每个用户的波位之间不存在干扰的情况下，将所有波位都映射到波束中。

在步骤1中，波位的数量可以大于波束的数量N，当前在线的所有K个用户都在某个波位的3dB波束覆盖范围中，任意用户可被多个波位的3dB波束覆盖，但仅属于其中一个波位。属于某个波位的多个用户的总带宽需求小于B。

具体的，如图2所示，下面对步骤1的详细步骤进行描述：

步骤11：将当前未被分配波位的每个用户作为波位中心，计算其波束覆盖范围内，还未被分配波位的用户总带宽需求，找出总带宽需求最大的用户，记该用户为User(k)，User(k)作为第一波位Beam_p(t)的中心；

步骤12：在第一波位Beam_p(t)覆盖范围内，若未被分配波位的用户的总带宽需求小于波束总带宽B，则将这些未被分配波位的用户分配所述第一波位Beam_p(t)；若未被分配波位的用户的总带宽需求大于波束总带宽B，则在第一用户周围找出距离从近到远的q个用户，且这q个用户总带宽需求刚好小于总带宽B，也就是说再增加1个距离近的用户，将使得总带宽需求大于B。

步骤13：返回步骤11，继续分配波位，直到所有用户都被分配到某个波位为止。

在步骤S2中，将已找出的所有波位映射到某个波束中，也就是对每个波位都用某个波束进行覆盖，或分时覆盖。在波位与波束的映射过程中，需要满足以下两个要求：

(1)当任意波位t1与波位t2使用相同频率的波束覆盖时，其波位中心隔离角不小于2θ；

(2)若以上条件不能满足，即波位t1与波位t2只能使用相同频率的波束，且波位中心隔离角小于2*θ时，则需要波位t1与波位t2采用同一个波束进行分时服务来规避频率干扰。

具体的，如图3所示，步骤S2的具体步骤如下：

步骤21：对于任意一个波位B_P(t)，判断该波位B_P(t)是否与使用某频率的所有波束中的波位存在干扰，若不存在干扰，则找出使用该频率的所有波束中用户总带宽需求最小的第一波束，并将该波位B_P(t)存入该第一波束中；

步骤22：若存在干扰，则在存在干扰的波束中寻找当前用户总带宽需求最小的第二波束；

步骤23：判断与第二波束同频率的其他波束中的是否存在与波位B_P(t)形成干扰的第二波位，若不存在，则将波位B_P(t)映射到第二波束中，

步骤24：若存在，则判断第二波位是否与第二波束中的波位形成干扰，若形成干扰，则不再考虑将波位B_P(t)放入第二波束中，若不形成干扰，则将第二波位映射到第二波束中；

步骤25：返回步骤21，直至所有波位都映射到波束中。

其中，步骤21前，还需要按照每个波位服务的所有用户的总宽带需求对所有波位进行降序排列，优先映射带宽小的波位，保证各波束的带宽需求尽量均衡。

在一个具体的实施例中，所述步骤2具体如下：

1)对所有波位，按每个波位服务的所有用户的总带宽需求进行降序排列，即为B_P(1),B_P(2),…,B_P(T)。依次将每个波位映射到N个波束中的某一个。其中第1，M+1，2*M+1，…，G*M+1个波束使用频率1；第2，2*M+2，…，G*M+1个波束使用频率2；…；第M-1，2*M+M-1，…，N个波束使用频率M。其中G＝N/M。

令t＝1；

2)现将第t个波位B_P(t)映射到某波束。

3)对于M种频率的任意一种频率m(m＝1,2,…,M)，若已映射到频率m的所有波位都与波位B_P(t)不会形成频率干扰(即波位中心间距大于2*θ)，则将波位B_P(t)映射到频率m，并跳到第4)步；若存在多个频率都满足以上要求，则在这些频率中，找出该频率映射的所有波位的所有用户的总带宽需求最小的频率m1(m1＝1,2,…,M)，将波位B_P(t)映射到频率m1，并跳到第4)步。若无任意一种频率满足已映射到该频率的所有波位都不与波位B_P(t)形成频率干扰，则跳到第5)步。

4)在第3)步中，已将B_P(t)映射到了频率m1(或m)，现将B_P(t)映射到使用m1(或m)中的某个波束上；将B_P(t)放在G个波束中用户总带宽需求最小的那个波束，设为波束g*M+m1，其中g＝0,1,…,G-1。跳到第7)步。

5)对于所有与B_P(t)存在干扰波位的波束，找出尚未考虑过的波束内所有波位总带宽需求最小的波束n(n＝1,2,…,N)，跳到步骤6)。若所有与B_P(t)存在干扰波位的波束都已考虑过，则B_P(t)将无法被服务，并继续执行步骤7)。

6)若与该波束n同频的其它(G-1)个波束中都没有与波位B_P(t)形成干扰的波位，则将B_p(t)映射到波束n，并执行步骤7)；若与该波束同频的其它G-1个波束中存在与波位B_P(t)形成干扰的波位且这些波位与波束n中现有的波位不会形成干扰，则将这些波位以及B_P(t)一同放入波束n中并执行步骤7)；若这些波位会与波束n中现有波位形成干扰，则不再考虑将波位B_P(t)放入波束n，并跳到步骤5)。

7)t＝t+1，并重复步骤2)～6)直到t＝T(T为总的波位数)。

下面，提供一个具体的实施实例：

对于某宽带通信卫星，采用相控阵天线作为其接收天线，接收波束数量为16，卫星采用4个频率复用的方式，每个频率有4个波束使用，每个波束的带宽为100MHz。当前在线用户数量为160个。每个用户的业务需求用平均带宽w来表示，w的取值可以为1MHz、2MHz、6MHz或16MHz等4种，通过随机的方式产生每个用户的平均带宽需求，所有用户的平均带宽需求形成向量W，W为一个160*1的向量。每个波束的3dB波束宽度为6度(3dB宽度)，同色波束的波束中心隔离角要求大于等于12度，以避免同频率波束的频率干扰，卫星的对地覆盖张角为±55°。

根据卫星通信通常的服务模型，卫星覆盖了一个航道，80％的用户分布在该航道上，其它20％的用户随机分布在空间中。如下图4所示，为用户在空间的分布图，采用卫星的坐标系表示，其中θ为俯仰角，φ为方位角。

采用本发明方法产生波位来覆盖所有用户，如图5所示，每个用户都包含在某个波位中，所属每个波位的用户的带宽总和不超过波束带宽100MHz。再将每个波位分配16个波束中的某一个，且同频率的不同波束间隔大于12度。如图6—7所示为其中2种频率的波束覆盖用户情况，其中图6中波束1、5、9、13采用相同的频率，不同波束的空间隔离角都大于12度，波束9服务了5个波位，这5个波位间的空间隔离角可能小于12度，但这5个波位是通过波束9分时服务的，因此不会存在频率干扰。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种用于卫星通信的相控阵接收波束资源分配方法，其特征在于，包括：

步骤1：在一个波位下的用户的总带宽需求不大于波束的带宽容量的情况下，找出能覆盖所有用户的波位及波位中心指向；

步骤2：将每个波位都映射到某个波束中，且保证用同频波束覆盖的两个波位间的隔离角满足频率干扰抑制要求。

2.根据权利要求1所述的一种用于卫星通信的相控阵接收波束资源分配方法，其特征在于，所述步骤1包括：

步骤11：将当前未被分配波位的所有用户中的每个用户作为波位中心，计算其波束覆盖范围内，还未被分配波位的用户总带宽需求，找出总带宽需求最大的用户，将该用户标记为第一用户，找出以第一用户为中心的第一波位；

步骤12：在所述第一波位覆盖范围内，若未被分配波位的用户的总带宽需求小于波束总带宽，则将这些未被分配波位的用户分配所述第一波位；若未被分配波位的用户的总带宽需求大于波束总带宽，则在第一用户周围找出从近到远的多个用户，所述多个用户的总带宽需求小于波束总带宽；

步骤13：返回步骤11，继续分配波位，直到所有用户都被分配到某个波位为止。

3.根据权利要求1所述的一种用于卫星通信的相控阵接收波束资源分配方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤21：对于任意一个波位B_P(t)，判断该波位B_P(t)是否与使用某频率的所有波束中的波位存在干扰，若不存在干扰，则找出使用该频率的所有波束中用户总带宽需求最小的第一波束，并将该波位B_P(t)存入该第一波束中；

步骤22：若存在干扰，则在存在干扰的波束中寻找当前用户总带宽需求最小的第二波束；

步骤23：判断与第二波束同频率的其他波束中的是否存在与波位B_P(t)形成干扰的第二波位，若不存在，则将波位B_P(t)映射到第二波束中，

步骤24：若存在，则判断第二波位是否与第二波束中的波位形成干扰，若形成干扰，则不再考虑将波位B_P(t)放入第二波束中，若不形成干扰，则将第二波位映射到第二波束中；

步骤25：返回步骤21，直至所有波位都映射到波束中。

4.根据权利要求1所述的一种用于卫星通信的相控阵接收波束资源分配方法，其特征在于，所述波束使用的频率范围为1～M，M为大于等于1的正整数，其中，第1，M+1，2*M+1，…，G*M+1个波束使用频率1；第2，2*M+2，…，G*M+1个波束使用频率2；…；第M-1，2*M+M-1，…，N个波束使用频率M，其中，G＝N/M，G表示每个频率的使用波束个数，N表示波束数量，所述N≥M。

5.根据权利要求1所述的一种用于卫星通信的相控阵接收波束资源分配方法，其特征在于，所述两个波位间的隔离角满足频率干扰抑制要求的判断标准为：两个波位间的隔离角大于2*θ，其中，θ表示3dB波束宽度。

6.根据权利要求3所述的一种用于卫星通信的相控阵接收波束资源分配方法，其特征在于，所述步骤2还包括：按照每个波位服务的所有用户的总宽带需求对所有波位进行降序排列。

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