CN113452432A - 多波束低轨卫星通信下行资源动态分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种多波束低轨卫星通信下行资源动态分配方法，具有较高资源利用率、较高分配可靠性，本发明通过下述技术方案实现：在多波束低轨卫星通信系统中，下行资源分配单元将每个波束的总带宽分成若干个相互正交的信道，实时获取每个用户终端所处的星下小区号及口径类别信息；卫星的队列缓存单元接收并缓存来自上行链路或者星际链路的待发送报文，为不同目的用户终端的报文分别建立缓存队列，将各缓存队列的数据量及优先级发送给下行资源分配单元对各目的用户终端进行分类，结合前一个分配周期的波束分配结果信息，建立耦合信息矩阵；在每个分配周期的分配时刻，按需动态分配卫星波束与信道资源，并将资源分配结果信息发送给星上传输单元。

Description

多波束低轨卫星通信下行资源动态分配方法

技术领域

本发明涉及一种适用于多波束低轨(LEO，Low Earth Orbit)卫星通信系统的下行资源动态分配方法。

背景技术

低轨星座卫星通信系统由于其能够实现全球无缝覆盖，相对中高轨卫星通信系统，具有传输损耗小、延时短、抗毁性和抗干扰性强、终端小型便携等突出优点。在民用领域，低轨星座卫星通信系统有效地弥补了地面网络因受地理条件和经济因素的限制，对于低密度业务环境(如偏远地区、沿海岛屿、荒漠戈壁)覆盖不足的缺陷，可以真正实现全球范围的无缝覆盖；在发生重大自然灾害的地区，地面网络多数会遭到毁灭性破坏，而低轨星座卫星通信系统则因其转发载体位于太空而受影响较小，因而在抢险救灾、搜索救援、处理突发事件等应急通信中显示出独具的优势。但随着卫星通信技术的日益成熟，频带受限的问题越来越突出，如何在有限的频带资源下合理高效的分配系统资源成为现如今亟需解决的关键问题之一。由于多波束天线技术可以使波束空间隔离达到多重频率复用，同时还能加大可用带宽和信道容量，有效提高系统资源和性能，因此，具有波束空间隔离、频率复用两大特点优势的多波束卫星天线技术成为解决这些矛盾的有效途径。多波束卫星天线技术应用于卫星移动通信系统星载发射机中，更适用将来的发展前景，因此低轨卫星星座网络越来越多地采用多波束天线技术。但与多个天线阵元相连的多个接收机通道须有高一致性,否则通道间幅值和相位的不一致会引起通道失配,使接收的信号幅值产生误差,并影响成形后波束的增益和覆盖范围,影响数字波束系统的性能,严重时甚至不能产生多波束。通道幅值响应失配均方差越大,波束变形就越严重。当通道幅值响应失配均方差大于接收机系统时,成形的波束已出现严重变形。通道的相位失配对波束的中心指向和覆盖范围的影响明显,相位失配的均方差越大,波束的指向偏差也越大,波束覆盖范围越大,变形就越严重。当通道的相位失配方差为0.03时,中心波束和合成波束的指向都已明显偏离了要求的指向角(0°,0°),超过了±1°的要求,且波束覆盖范围也出现明显变化,此时的成形波束已不能满足要求。

如图6所示典型的多波束低轨卫星通信系统主要由地面关口站、低轨卫星星座、用户终端等几部分组成。地面关口站作为低轨卫星通信系统的控制与管理中心，管理并控制整个卫星网络；低轨卫星星座由若干颗低轨卫星通过星际链路(ISL)相连构成，用户终端利用卫星资源进行相互通信。星上配置多波束天线，星下覆盖区域随卫星的移动而移动，星下覆盖区域由若干个星下小区构成。单个波束对应的覆盖区域称为星下小区，卫星可以根据需要灵活调度多波束资源，使其每个波束覆盖指定的星下小区，每个波束相对独立，具备一定的带宽资源，多波束可以覆盖不同的星下小区，也可覆盖相同的星下小区。星际链路(ISL)是建立在卫星之间的用于通信的链路，由用户终端发送至卫星的链路称为上行链路，由卫星发送至用户终端的链路称为下行链路。在低轨卫星通信系统中，低轨卫星按照预设的轨道相对于地面高速移动。相比传统的地面蜂窝网络，卫星网络由于节点体积和重量的限制，以及星上带宽和能量等资源的约束，导致卫星通信的资源更加稀缺。由于卫星移动通信信道在空间传输中存在损耗特性，其中包括自由空间损耗、大气吸收损耗、电离层损耗、云雾损耗、降雨损耗及信道的阴影衰落、多径衰落。相比其他损耗而言，雨衰是Ka频段信号衰减的主导因素，包括波束与信道带宽在内的资源是十分宝贵，也是非常有限的，因此高效合理的利用信道资源成为了下行资源分配需要解决的关键问题。现有的技术方案主要有：

如图7所示固定图案的跳波束分配方式，下行信号要进行时间的划分，才能保证星上交换之后，发送到当前波束的信息在正确的时间内到达。这种相控阵捷变波束技术称为跳波束技术。跳波束技术使波束的服务区在整个覆盖区内不断发生变化，通过分时的方式覆盖所有服务区。波束覆盖到的每个服务区(称为一个波位)，在不同时隙覆盖不同服务区的方式形成跳波束图案，星载网控根据生成帧计划和跳波束图案，按照一定的波束扫描图案，调用多波束资源，通过参数控制跳波束的跳变，将所有的下行信道带宽资源平均分配给各波束，在每个波位固定驻留一段服务时间(称为服务时隙)后，切换到下一个波位，最终实现星下覆盖区域内的所有星下小区的服务。这种跳波束内的传输体制在上下行都采用时分体制，用户终端只有当在自己的通信时隙中跳波束正好覆盖所在区域时，才能正常实现数据收发。在对每个星下小区服务时，仅将下行带宽资源分配到波束，不分配到每个用户终端，而是利用同一个相对较宽的信道向星下小区内所有大口径用户终端进行广播分发。该分配方式操作简单，适合于用户终端数较多且地理位置分布比较均匀的卫星通信系统。但使用跳波束时，跳波束覆盖的每个服务区都对应一个输出端口，当服务区数目众多时，将使星载交换机的输出端口数量大增，这对于资源本来就稀缺的星载设备而言非常不利，甚至无法实现。在跳波束工作方式下，星载网控中的资源分配单元将根据星上队列管理和调度模块发来的各波束用户的业务申请的队列状态，进行资源划分，该划分结果将直接影响跳波束的跳变过程。该方式主要存在以下三个方面的问题。首先，大多数情况下用户终端在地理空间上分布不均匀，星下小区间的通信业务量差异较大，信道资源需求量不同，特别是某些小区没有用户终端使用资源，其它波束的用户终端也不能使用该资源，容易造成资源的大量浪费，以及某些小区的拥塞现象。其次，该方式在星下小区数目较多时，容易带来较大的下行服务时延，若星下小区数目为M个，波束数量为K个，则最多需要等待M/K个服务时隙，无法保证高优先用户终端快速享用卫星资源。最后，由于每个波束采用单一信道进行广播分发，往往需要较高的载波速率，这对用户终端的接收能力提出了很高的要求，速率越高，对应的用户终端天线口径要求越大，因此该方式不支持小口径用户终端的使用要求。

跟踪用户终端的波束分配方式。卫星根据服务的用户终端对象，调用多波束资源，为每个用户终端固定分配一个波束，将波束持续指向该用户终端所处的星下小区，并根据该用户终端的传输容量需求与接收能力分配一定的带宽资源。当用户终端由于相对移动切换到新的星下小区时，卫星调用原波束跟踪该用户终端至新的星下小区。该方式在用户终端数较少(用户终端数目不超过波束数量K的卫星通信系统，具有较好的服务保障能力，但在用户终端数上具有很大的局限性，不能满足多用户终端的传输服务需求。

现有的技术方案均存在各自的局限性，固定图案的跳波束分配方式具有资源利用率低、用户终端接收能力要求高等问题，跟踪用户终端的波束分配方式具有容纳用户终端数少的问题。因此现有技术方案无法满足多用户终端下的高效率、兼顾用户终端接收能力的分配需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种具有较高资源利用率较高、分配可靠性，支持多用户终端、适用于多波束低轨卫星通信系统的下行资源动态分配方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种多波束低轨卫星通信下行资源动态分配方法，其特征在于：在多波束低轨卫星通信系统中，下行资源分配单元在频域上将每个波束的总带宽分成若干个相互正交的信道，分配给小口径用户终端一个信道，分配大口径用户终端多个连续的信道；卫星的队列缓存单元接收并缓存来自上行链路或者星际链路的待发送报文，为不同目的用户终端的报文分别建立缓存队列，将各缓存队列的数据量及优先级发送给下行资源分配单元；下行资源分配单元从移动性管理单元实时获得的用户终端星下小区信息，以及队列缓存单元提供的优先级与数据量，根据各缓存队列的优先级及数据量对目的用户终端进行排序，利用移动性管理单元移动性管理协议，实时获得的每个用户终端所处的星下小区号及口径类别信息，对各目的用户终端进行分类，对多个具备传输需求的用户终端的星下小区进行服务；下行资源分配单元利用各服务用户终端集合信息，结合前一个分配周期的波束分配结果信息，建立耦合信息矩阵；在每个分配周期的分配时刻，结合用户终端的星下小区信息，将下行波束带宽资源分成多个正交信道，按需动态分配卫星波束与信道资源，并将各用户终端的波束与信道分配结果信息发送给星上传输单元。

从上述技术方案可以看出，本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明多波束低轨卫星通信系统将下行资源分配单元，在频域上将每个波束的总带宽分成若干个相互正交的信道，分配小口径用户终端一个信道，分配大口径用户终端多个连续的信道；根据卫星下行缓存队列的情况，结合用户终端的星下小区信息动态分配波束与信道资源。具有较高的资源利用率，按需动态调度卫星波束资源。一方面，根据从移动性管理功能单元实时获得的用户终端星下小区信息，以及队列缓存单元提供的优先级与数据量，仅调用波束资源对存在一个或多个传输需求的用户终端的星下小区进行服务，若某个星下小区不存在用户终端或者用户终端的传输需求为零，则不调用波束资源进行服务，从而避免了波束资源的浪费；另一方面，将下行波束带宽资源分成多个正交信道，在对高优先级业务的用户终端调度时，可以捎带调度同星下小区内的低优先级业务用户终端，进一步提高了波束资源的利用率，减少了下行业务的服务时延。因此与现有技术相比，具有较好的动态资源分配能力，可较大地提高资源利用率，在相同网络配置条件下资源利用率至少可以提高30％，下行业务的平均服务时延相应降低30％以上。

本发明采用卫星的队列缓存单元接收并缓存来自上行链路或者星际链路的待发送报文，为不同目的用户终端的报文分别建立缓存队列，将各缓存队列的数据量及优先级给下行资源分配单元；在波束资源调度时，不将波束与用户终端一一绑定，而是根据需要动态调度波束资源，并在波束内部利用正交多信道的方式支持多个用户下行数据的并行发送。在对波束资源调度时，按照缓存队列的优先级从高到低的顺序进行调度，在资源不足情况下优先保障具有高优先级业务的用户终端，相比现有技术的固定分配方式，提供了优先级保障能力，具有较好的优先级保障能力。因此与现有技术相比，具有更好的多用户通信能力，在保证资源利用率的同时，支持较多的用户终端数，更多的用户终端共享卫星资源。

本发明采用下行资源分配单元从移动性管理单元实时获得的用户终端星下小区信息，以及队列缓存单元提供的优先级与数据量，根据各缓存队列的优先级及数据量对目的用户终端进行排序，利用移动性管理单元移动性管理协议实时获得每个用户终端所处的星下小区号及用户终端口径类别信息，对各目的用户终端进行分类，对多个具有传输需求的用户终端的星下小区进行服务；周期对波束及信道资源进行分配，尽量保证每次分配结果一致性最高。具有较好的可靠性。一方面，在波束分配过程中充分利用前一个分配周期的分配结果，建立耦合信息矩阵，并按照波束分配一致性取优原则进行分配，尽量保持相邻两个分配周期的波束分配结果一致。另一方面，在信道分配过程中，优先为用户分配与前一个分配周期已分配的信道。本发明尽量保证了资源周期分配的一致性，避免因信道与波束频繁切换带来的数据丢包不稳定，因此相比现有技术，提高了资源动态分配过程中的可靠性。

本发明采用下行资源分配单元利用各服务用户终端集合信息，结合前一个分配周期的波束分配结果信息，建立耦合信息矩阵；在每个分配周期的分配时刻，结合用户终端的星下小区信息按需动态分配卫星波束与信道资源，并将各用户终端的波束与信道分配结果信息发送给星上传输单元。在实时获取用户终端在星下覆盖区域的分布与下行队列缓存信息的基础上，兼顾大小口径用户终端的不同接收能力，兼顾不同接收能力的用户终端。由于本发明在下行资源分配过程中，充分考虑用户终端的大小天线口径所对应的不同接收能力。一方面，对每个波束内部的带宽资源细分成多个正交信道，单个信道的带宽对应小口径用户终端的接收能力，多个连续的信道对应大口径用户终端的接收能力。另一方面，在信道资源分配时，对于小口径用户终端，按照信道号从大到小的顺序进行分配；对于大口径用户终端，按照信道号从小到大的顺序进行分配，尽量避免信道碎片化现象，提高整体信道资源的利用率。因此相比现有技术，具备适配大小口径用户终端的能力，通过信道选择减少了带宽浪费，提高了用户的数据传输速率。

附图说明

图1是本发明多波束低轨卫星通信下行资源动态分配的原理框图；

图2是多波束低轨卫星通信系统的下行通信原理示意图；

图3是图1下行资源分配单元用户排序与分类的处理流程图；

图4是图1下行资源分配单元波束分配的处理流程图；

图5是图1为下行资源分配单元信道分配的处理流程图；

图6为典型的多波束低轨卫星通信系统示意图；

图7为现有技术的固定图案的跳波束分配原理示意图。

具体实施方式

参见图1。根据本发明，多波束低轨卫星通信系统的下行资源分配单元，在频域上将每个波束的总带宽分成若干个相互正交的信道，分配小口径用户终端一个信道，分配大口径用户终端多个连续的信道；卫星的队列缓存单元接收并缓存来自上行链路或者星际链路的待发送报文，为不同目的用户终端的报文分别建立缓存队列，将各缓存队列的数据量及优先级发送给下行资源分配单元；下行资源分配单元从移动性管理单元实时获得的用户终端星下小区信息，以及队列缓存单元提供的优先级与数据量，根据各缓存队列的优先级及数据量对目的用户终端进行排序，利用移动性管理单元移动性管理协议实时获得的每个用户终端所处的星下小区号及口径类别信息，对各目的用户终端进行分类，对多个具备传输需求的用户终端的星下小区进行服务；下行资源分配单元利用各服务用户终端集合信息，结合前一个分配周期的波束分配结果信息，建立耦合信息矩阵；在每个分配周期的分配时刻，结合用户终端的星下小区信息按需动态分配卫星波束与信道资源，并将各用户终端的波束与信道分配结果信息发送给星上传输单元。

队列缓存单元包含目的用户＝D1的队列1、目的用户＝D2的队列2、…目的用户＝DW的队列W，每个目的用户都缓存有报文1、报文2、…。移动性管理单元利用通用的移动性管理协议实时维护目的用户D1、D2、…Dw中每个用户终端所处的星下小区号Bx，根据对应目的用户终端大口径/小口径的口径类别，将用户的星下小区及口径类别发送给下行资源分配单元。

下行资源分配单元首先根据各缓存队列的优先级及数据量对目的用户终端进行排序，并根据每个目的用户终端的口径类别确定该用户终端的信道数目需求，然后，利用目的用户终端排序结果与用户终端所处的星下小区号信息，对各目的用户终端进行分类，将属于同一个星下小区而且可以共享一个波束资源的目的用户终端归为一类，确定该分配周期需要的波束数目与各服务用户终端集合信息，再利用各服务用户终端集合信息，结合前一个分配周期的波束分配结果信息，建立耦合信息矩阵。下行资源分配单元按照波束分配一致性取优原则，对每个服务用户终端集合进行波束分配，下行资源分配单元将每个服务用户终端集合中的用户终端按照口径类别分成大口径用户终端组与小口径用户终端组两组，按照先大口径用户终端后小口径用户终端的先后顺序进行信道分配，优先保持与前一个分配周期分配的信道不变，否则对于大口径用户终端按照信道号从小到大的顺序进行分配，小口径用户终端按照信道号从大到小的顺序进行分配。下行资源分配单元完成波束与信道资源分配后，将资源分配结果发送给星上传输单元。

参阅图2。星上协议处理单元包含队列缓存单元、移动性管理单元和下行资源分配单元。队列缓存单元接收并缓存来自上行链路或者星际链路的待发送报文，为不同目的用户终端的报文分别建立缓存队列1、队列2、…队列W，将各缓存队列的数据量及优先级给下行资源分配单元；

移动性管理单元利用移动性管理协议实时维护每个目的用户D1、D2、…Dw中每个用户所处的星下小区号Bx及大口径/小口径的口径类别信息，将用户终端的星下小区及口径类别信息发送给下行资源分配单元。星上传输单元包含与星上协议处理单元连接的波束1发送单元、波束2发送单元、…波束K发送单元。

卫星的星上协议处理单元中的下行资源分配单元根据多波束低轨卫星通信系统给出的下行资源分配时序和分配周期对下行波束及信道资源进行分配，在每个分配周期的起始时刻，利用最新的队列缓存信息以及用户终端所处的星下小区号信息，执行下行资源分配，根据下行传输需求动态分配波束与信道资源，并将各用户终端的波束与信道分配结果信息发送给星上传输单元。

下行资源分配单元在频域上将多波束低轨卫星通信系统给出的单个波束的下行信道资源，把每个波束的总带宽B，等间隔分成n个相互正交的信道C1、C2、…Cn，分配给小口径用户终端一个信道，以支持较低的传输速率；分配给大口径用户终端d个连续信道，以支持较高的传输速率，d由星上传输单元的物理层参数确定，1<d<n。

参见图3。在下行资源分配单元用户终端排序和分类中，

步骤400，下行资源分配单元根据各缓存队列的优先级及数据量，对目的用户终端进行排序，按照优先级从高到低进行排序，相同优先级情况下将数据量较大的目的用户终端排序靠前，若优先级与数据量均相同，则目的用户终端地址小的用户终端排序靠前，并将排序结果记录在排序表TB中，然后转入步骤401确定排序表TB中每个目的用户终端u的信道数目需求；步骤401，下行资源分配单元根据用户终端的口径类别确定排序表TB中每个目的用户终端u的信道数目需求Qu，若目的用户终端u的口径类型为小口径，则Qu＝1；若目的用户终端u的口径类型为大口径，则Qu＝d，然后转入步骤402初始化波束计数器。

步骤402，下行资源分配单元初始化波束计数器k＝1，然后转入步骤403判断k是否≤最大波束数目；

步骤403，是则转入步骤404判断排序表TB是否为空，否则转入步骤411输出用户终端分类结果；

步骤404，下行资源分配单元判断排序表TB是否为空，若是则转入步骤411输出用户终端分类结果，否则转入步骤405提取排序表TB中最靠前的用户终端；

步骤405，下行资源分配单元提取排序表TB中最靠前的用户终端，记录其用户终端地址Dj、所处的星下小区号Bj与口径类别，并将该用户终端从排序表TB中剔除，然后转入步骤406创建服务用户终端集合F_k；

步骤406，下行资源分配单元创建服务用户终端集合Fk＝{Dj},根据波束带宽内的总信道数目NB，用户Dj的信道数目需求Qj，更新波束的剩余信道数Ny＝NB-Qj然后转入步骤407判断排序表TB中是否存在与其它用户终端Ds的星下小区号＝Bj；

步骤407，下行资源分配单元从排序表TB表首开始，依次判断是否存在与用户Dj处于同一个星下小区Bj的其它用户终端Ds，若是则转入步骤408判断剩余信道数Ny是否满足其它用户终端Ds需求，否则转入步骤410更新波束计数器k为k+1；

步骤408，下行资源分配单元判断剩余信道数Ny是否满足其它用户终端Ds需求，若Ny≥Qs则认为满足需求，否则认为不满足需求，Qs为其它用户终端Ds的信道数目需求，若满足需求则转入步骤409将其它用户终端Ds加入服务用户集合，否则转入步骤410更新波束计数器k为k+1；

步骤409，下行资源分配单元将其它用户终端Ds加入服务用户终端集合FK，将该用户终端从排序表TB中剔除，并更新波束的剩余信道数Ny＝Ny-Qs，然后转回步骤407判断排序表TB中是否存在与用户终端Dj处于同一个星下小区的其它用户；

步骤410，下行资源分配单元更新波束计数器k＝k+1，转回步骤403判断k是否≤最大波束数目；

步骤411，下行资源分配单元输出用户终端分类结果，分类结果包含当前分配周期所需的波束K＝k、各服务用户终端集合F₁，…,F_K信息。

参阅图4。在下行资源分配单元波束分配中，

步骤500，下行资源分配单元利用当前分配周期用户终端分类过程输出的各服务用户终端集合，F₁，…,F_K与前一个分配周期的波束分配结果G₁，…，G_M，计算耦合信息矩阵E，

其中，G_i表示第i个波束分配的用户终端集合,

表示G_i与F_j的交集的元素个数，该数值越大，表示该用户终端集合在当前分配周期与前一个分配周期均需要占用波束i的用户终端越多，即连续两个分配周期的波束分配一致性越高；然后转入步骤501选取耦合信息矩阵E中一致性最高的用户终端集合进行波束分配；

步骤501，步骤501，下行资源分配单元选取耦合信息矩阵E中一致性最高的用户终端集合进行波束分配，然后转入步骤502更新耦合信息矩阵E；首先，选取耦合信息矩阵E中元素值最大对应的行列值，即{i,j}＝argmaxE，表示耦合信息矩阵E的第i行第j列的元素值最大。若存在多个元素值最大，则首选行号i最小的，其次再选列号j最小的；然后，将集合G_i对应的波束i分配给用户终端集合F_j；

步骤502，下行资源分配单元更新耦合信息矩阵E，删除E的第i行元素和第j列元素，然后转入步骤503判断耦合信息矩阵E是否为空；

步骤503，下行资源分配单元判断矩阵E是否为空，若是则转入步骤504输出波束分配结果，否则转回步骤501选取耦合信息矩阵E中一致性最高的用户终端集合进行波束分配；

步骤504，下行资源分配单元输出波束分配结果，波束分配结果包含F₁，…,F_K中每个服务用户终端集合F_i对应的波束号信息。

参阅图5。在下行资源分配单元信道分配中，

步骤600，下行资源分配单元初始化波束计数器k＝1，然后转入步骤601判断k是否≤K，K为当前分配周期输出的服务用户终端集合的数目；

步骤601，下行资源分配单元判断波束计数器k是否≤K，若是则转入步骤602对服务用户终端集合中的用户终端分组，否则转入步骤606输出信道分配结果；

步骤602，下行资源分配单元按照口径类别对波束分配结果中的服务用户终端集合F_K分成两组，F_K1与F_K2，其中F_K1为大口径用户终端，F_K2为小口径用户终端，然后转入步骤603对F_K1组的用户终端进行信道分配；

步骤603，下行资源分配单元对F_K1组的用户终端进行信道分配，然后转入步骤604对F_K2组的用户终端进行信道分配；

针对F_K1组中的每个目的用户终端，若前一个分配周期分配的波束号与当前分配周期分配的波束号一致，则保持前一个分配周期分配的信道不变，否则为该用户终端重新分配信道，从波束带宽范围内按照信道号从小到大的顺序，依次选择d个连续的空闲信道分配给该用户。

步骤604，下行资源分配单元对F_K2组的用户终端进行信道分配，然后转入步骤605更新波束计数器；

针对F_K2组中的每个目的用户终端，若前一个分配周期分配的波束号与当前分配周期分配的波束号一致且前一个分配周期分配的信道空闲，则保持前一个分配周期分配的信道不变，否则为该用户终端重新分配信道，从波束带宽范围内按照信道号从大到小的顺序，选择第一个空闲信道分配该用户终端。

步骤605，下行资源分配单元更新波束计数器k＝k+1，然后步骤601判断k是否≤K；步骤606，下行资源分配单元输出信道分配结果，信道分配结果包含所有服务用户终端集合中的每个目的用户终端所分配的波束号与信道号信息。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种多波束低轨卫星通信下行资源动态分配方法，其特征在于：在多波束低轨卫星通信系统中，下行资源分配单元在频域上将每个波束的总带宽分成若干个相互正交的信道，分配给小口径用户终端一个信道，分配给大口径用户终端多个连续的信道；卫星的队列缓存单元接收并缓存来自上行链路或者星际链路的待发送报文，为不同目的用户终端的报文分别建立缓存队列，将各缓存队列的数据量及优先级发送给下行资源分配单元；下行资源分配单元从移动性管理单元实时获得的用户终端星下小区信息，以及队列缓存单元提供的优先级与数据量，根据各缓存队列的优先级及数据量对目的用户终端进行排序，利用移动性管理单元的移动性管理协议，实时获得的每个用户终端所处的星下小区号及口径类别信息，对各目的用户终端进行分类，对多个具备传输需求的用户终端的星下小区进行服务；下行资源分配单元利用各服务用户终端集合信息，结合前一个分配周期的波束分配结果信息，建立耦合信息矩阵；在每个分配周期的分配时刻，结合用户终端的星下小区信息，将下行波束带宽资源分成多个正交信道，按需动态分配卫星波束与信道资源，并将各用户终端的波束与信道分配结果信息发送给星上传输单元。

2.如权利要求1所述的多波束低轨卫星通信下行资源动态分配方法，其特征在于：队列缓存单元包含目的用户＝D1的队列1、目的用户＝D2的队列2、…目的用户＝DW的队列W，每个目的用户都缓存有报文1、报文2、…；移动性管理单元利用通用的移动性管理协议实时维护目的用户D1、D2、…Dw中每个用户终端所处的星下小区号Bx，根据对应目的用户终端大口径/小口径的口径类别，将用户终端的星下小区及口径类别发送给下行资源分配单元。

3.如权利要求2所述的多波束低轨卫星通信下行资源动态分配方法，其特征在于：下行资源分配单元首先根据各缓存队列的优先级及数据量对目的用户终端进行排序，并根据每个目的用户终端的口径类别确定该用户终端的信道数目需求，然后，利用目的用户终端排序结果与用户终端所处的星下小区号信息，对各目的用户终端进行分类，将属于同一个星下小区而且可以共享一个波束资源的目的用户终端归为一类，确定该分配周期需要的波束数目与各服务用户终端集合信息，再利用各服务用户终端集合信息，结合前一个分配周期的波束分配结果信息，建立耦合信息矩阵。

4.如权利要求3所述的多波束低轨卫星通信下行资源动态分配方法，其特征在于：下行资源分配单元按照波束分配一致性取优原则，对每个服务用户终端集合进行波束分配，将每个服务用户终端集合中的用户终端，按照口径类别分成大口径用户终端组与小口径用户终端组两组，按照先大口径用户终端后小口径用户终端的先后顺序进行信道分配，并优先保持与前一个分配周期分配的信道不变，其次对于大口径用户终端按照信道号从小到大的顺序进行分配，小口径用户终端按照信道号从大到小的顺序进行分配；下行资源分配单元完成波束与信道资源分配后，将资源分配结果发送给星上传输单元。

5.如权利要求1所述的多波束低轨卫星通信下行资源动态分配方法，其特征在于：星上传输单元包含与星上协议处理单元进行通信的波束1发送单元、波束2发送单元、…波束K发送单元，队列缓存单元接收并缓存来自上行链路或者星际链路的待发送报文，为不同目的用户终端的报文分别建立缓存队列1、队列2、…队列W，将各缓存队列的数据量及优先级给下行资源分配单元，下行资源分配单元根据链接的移动性管理单元利用移动性管理协议实时获得每个目的用户D1、D2、…Dw中每个用户终端所处的星下小区号Bx及口径类别信息。

6.如权利要求1所述的多波束低轨卫星通信下行资源动态分配方法，其特征在于：卫星的星上协议处理单元中的下行资源分配单元根据多波束低轨卫星通信系统给出的下行资源分配时序和分配周期对下行波束及信道资源进行分配，在每个分配周期的起始时刻，利用最新的队列缓存信息以及用户终端所处的星下小区号信息，执行下行资源分配，根据下行传输需求动态分配波束与信道资源，并将各用户终端的波束与信道分配结果信息发送给星上传输单元。

7.如权利要求1所述的多波束低轨卫星通信下行资源动态分配方法，其特征在于：下行资源分配单元在频域上将多波束低轨卫星通信系统给出的单个波束的下行信道资源，把每个波束的总带宽B，等间隔分成n个相互正交的信道C1、C2、…Cn，分配给小口径用户终端一个信道，以支持较低的传输速率；分配给大口径用户终端d个连续信道，以支持较高的传输速率，d由星上传输单元的物理层参数确定，1<d<n。

8.如权利要求1所述的多波束低轨卫星通信下行资源动态分配方法，其特征在于：下行资源分配单元用户终端排序和分类中，下行资源分配单元根据各缓存队列的优先级及数据量，对目的用户终端进行排序，按照优先级从高到低进行排序，相同优先级情况下将数据量较大的目的用户终端排序靠前，若优先级与数据量均相同，则目的用户终端地址小的用户终端排序靠前，并将排序结果记录在排序表TB中，然后转入确定排序表TB中每个目的用户终端u的信道数目需求，根据用户终端的口径类别确定排序表TB中每个目的用户终端u的信道数目需求Qu，若目的用户终端u的口径类型为小口径，则Qu＝1；若目的用户终端u的口径类型为大口径，则Qu＝d，然后初始化波束计数器，初始化波束计数器k＝1，然后判断k是否≤最大波束数目，是则转入判断排序表TB是否为空，否则输出用户终端分类结果，判断排序表TB是否为空，若是则输出用户终端分类结果，否则提取排序表TB中最靠前的用户终端。

9.如权利要求8所述的多波束低轨卫星通信下行资源动态分配方法，其特征在于：下行资源分配单元提取排序表TB中最靠前的用户终端，记录其用户终端地址Dj、所处的星下小区号Bj与口径类别，并将该用户终端从排序表TB中剔除，然后转入创建服务用户终端集合F_k：Fk＝{Dj},根据波束带宽内的总信道数目NB，用户Dj的信道数目需求Qj，更新波束的剩余信道数Ny＝NB-Qj，然后转入判断排序表TB中是否存在与其它用户终端Ds的星下小区号＝Bj；从排序表TB表首开始，依次判断是否存在与用户Dj处于同一个星下小区Bj的其它用户终端Ds，若是则转入判断剩余信道数Ny是否满足其它用户终端Ds需求，否则转入更新波束计数器k为k+1；若Ny≥Qs则认为满足需求，否则认为不满足需求，Qs为其它用户终端Ds的信道数目需求，若满足需求则将其它用户终端Ds加入服务用户集合，否则更新波束计数器k为k+1；将其它用户终端Ds加入服务用户终端集合FK，将该用户终端从排序表TB中剔除，并更新波束的剩余信道数Ny＝Ny-Qs，然后转回判断排序表TB中是否存在与用户终端Dj处于同一个星下小区的其它用户；更新波束计数器k＝k+1，转回判断k是否≤最大波束数目；输出用户终端分类结果，分类结果包含当前分配周期所需的波束K＝k、各服务用户终端集合F₁，…,F_K信息。

10.如权利要求1所述的多波束低轨卫星通信下行资源动态分配方法，其特征在于：在下行资源分配单元波束分配中，下行资源分配单元利用当前分配周期用户终端分类过程输出的各服务用户终端集合，F₁，…,F_K与前一个分配周期的波束分配结果G₁，…，G_M，计算耦合信息矩阵E，

其中，G_i表示第i个波束分配的用户终端集合,

表示G_i与F_j的交集的元素个数，该数值越大，表示该用户终端集合在当前分配周期与前一个分配周期均需要占用波束i的用户终端越多，即连续两个分配周期的波束分配一致性越高；然后选取耦合信息矩阵E中一致性最高的用户终端集合进行波束分配；选取耦合信息矩阵E中一致性最高的用户终端集合进行波束分配，然后转入更新耦合信息矩阵E；首先，选取耦合信息矩阵E中元素值最大对应的行列值，即{i,j}＝argmaxE，表示耦合信息矩阵E的第i行第j列的元素值最大，若存在多个元素值最大，则首选行号i最小的，其次再选列号j最小的；然后，将集合G_i对应的波束i分配给用户终端集合F_j；更新耦合信息矩阵E后，删除E的第i行元素和第j列元素，然后转入判断耦合信息矩阵E是否为空；若是则输出波束分配结果，否则转回选取耦合信息矩阵E中一致性最高的用户终端集合进行波束分配；输出波束分配结果包含F₁，…,F_K中每个服务用户终端集合F_i对应的波束号信息。

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