CN113709880A - 业务自适应的卫星跳波束系统资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了业务自适应的卫星跳波束系统资源分配方法，包括：系统根据覆盖区内小区业务量的统计情况，将小区固定分成多个小区分簇，为每个小区分簇分配一个波束，并获取各个小区的业务需求量；在波束跳变周期内，首先，波束在各自指定分簇内的小区间进行跳变；当任意一个小区分簇内的波束资源出现空闲时，则根据各个小区的剩余业务需求量，资源空闲的波束在覆盖区内所有小区之间全局跳变。本发明根据实际业务需求情况决定分簇跳变的时间，可充分利用波束分簇跳变的效率优势和波束全局跳变的灵活性优势，从而提升系统资源利用率和降低计算复杂度。所以，该方法可适应实际业务需求在空间上不均匀分布的变化特性。

Description

业务自适应的卫星跳波束系统资源分配方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及业务自适应的卫星跳波束系统资源分配方法。

背景技术

在多波束静止轨道（Geostationary Earth Orbit, GEO）卫星通信中，由于卫星覆盖区内的业务需求在空间维度上的不均匀分布，系统在用户密集分布的波束区域内通信资源受限，而在用户稀疏分布的波束区域内存在空闲资源，导致系统资源利用率较低。跳波束（Beam Hopping, BH）技术增加了在空间维度上资源分配的灵活性，可利用较少的跳变波束覆盖更多的波束区域，如图1所示，并可通过调整波束在小区的驻留时间，提供与业务需求相匹配的通信资源。

在业务空间分布不均匀的多波束GEO卫星通信场景中，跳波束技术是提高系统资源利用率的重要手段。传统波束分配技术将波束间的共信道干扰作为影响波束有效容量的可变因素，而在实际应用中，通过计算处理很难实现对波束间共信道干扰的限制，所以其波束间频率复用不充分，系统资源利用率仍有改善的空间。在文献a中，作者提出了通过控制波束间的空间间隔距离抑制共信道干扰的方法，从而可实现波束间全频率复用。基于此，作者进而提出了一种基于分簇的波束分配方法。该方法根据跳波束数的个数，将小区固定划分为多个小区分簇，并为每个小区分簇分配一个波束，每个波束通过分时跳变为各自分簇内的小区提供服务。仿真结果表明，在系统业务请求量大且空间分布不均匀的情况下，该方法明显改善了多波束系统的吞吐量。（文献a：王亚昕，边东明，胡婧，唐璟宇，王闯，基于分簇的全带宽跳波束图案优化方法[J]，计算机工程，2020。）

在卫星覆盖区内业务空间分布不均匀的场景中，当业务分布特性变化不明显时，通过合理的小区分簇，可以实现小区分簇间业务的均匀划分，基于固定小区分簇的波束分配方法可以充分利用有效资源为各个小区提供服务。但是，当簇间业务量不均衡时，由于波束无法在簇间灵活跳变，该方法对通信资源的利用仍不够充分。然而，在实际应用中，业务分布特性会受到市场需求、时间变化等因素的影响而发生变化，簇间的业务需求量通常也呈现不均匀特性。例如，在一天时间内，各簇的业务需求的高峰时间因地理经度的差异而不同，簇间业务需求分布通常是不均衡的。所以，基于固定小区分簇的波束分配方法难以完全适应空间分布变化的实际业务需求。

发明内容

本发明旨在针对目前基于固定小区分簇的波束分配方法难以完全适应空间分布变化的实际业务需求的技术问题，提供一种业务自适应的卫星跳波束系统资源分配方法。本发明为实现上述技术目的，采用以下的技术方案。

本发明提供业务自适应的卫星跳波束系统资源分配方法，包括：

系统根据覆盖区内小区业务量的统计情况，将小区固定分成多个小区分簇，为每个小区分簇分配一个波束，获取各个小区的业务需求量；在波束跳变周期内，首先，波束在各自指定分簇内的小区间进行跳变；当任意一个小区分簇内的波束资源出现空闲时，则根据各个小区的剩余业务需求量，资源空闲的波束在覆盖区内所有小区之间全局跳变。

进一步地，波束在各自指定分簇内的小区间进行跳变的步骤包括：确定分簇内的待服务小区，波束通过跳变为其指定分簇内的待服务小区提供服务。

再进一步地，波束在各自指定分簇内的小区间进行跳变具体步骤包括：在每个跳变时隙内，选中覆盖区内所有小区中剩余需求量最大的小区作为待服务小区，将该待服务小区加入待服务小区集合；

在除了待服务小区集合内小区所在的簇以外的剩余簇内，筛选出与待服务小区集合内的小区空间距离大于门限值的小区，并从中选出剩余需求量最大的小区作为待服务小区，将确定的待服务小区加入待服务小区集合；依次迭代，逐步确定每个簇内的待服务小区；分配待服务小区集合内各待服务小区所在簇内的波束为该待服务小区提供服务。

进一步地，当选中的待服务小区中存在剩余请求量小于波束容量的小区时，波束停止在各自指定分簇内的小区间进行跳变。

进一步地，资源空闲的波束在覆盖区内所有小区之间全局跳变的方法包括：在每个跳变时隙内，选中覆盖区内所有小区中剩余需求量最大的小区作为待服务小区，将该待服务小区加入待服务小区集合；

在除了待服务小区集合内小区以外的剩余小区内，筛选出与待服务小区集合内的小区空间距离大于门限值的小区，并从中选出剩余需求量最大的小区作为待服务小区，将确定的待服务小区加入待服务小区集合；依次迭代，逐步确定所有待服务小区；

依次分配波束为待服务小区集合中的所有待服务小区提供服务。

再进一步地，逐时隙执行波束在覆盖区内所有小区之间全局跳变，直至该波束跳变周期时间结束或所有小区剩余需求量为0。

再进一步地，依次分配波束为待服务小区集合中的所有待服务小区提供服务的方法包括以下步骤：

标记所在簇内没有待服务小区的波束，记入待分配波束集合；

当待服务小区所在的簇内波束空闲时，将该波束直接分配给该待服务小区；

当待服务小区所在的簇内波束已被占用时，即该簇内有多个待服务小区，从待分配波束集合中选择一个波束，为该待服务小区提供服务，并在待分配波束集合删去该波束。

本发明所取得的有益技术效果：系统仿真表明，与固定分簇、无分簇的波束分配方法和固定多波束方法相比，系统资源利用率最大可提高11%、23%、40%，并且当系统业务需求量低于100%时，波束分配的平均满足度与公平性均有显著改善。因此，该方法可匹配服务不同分布的业务需求，并在有效改善波束分配公平性的同时，显著提升了系统资源的利用率。;

本发明针对多波束GEO卫星通信中业务空间不均匀分布的变化特性，该方法采用分簇与全局相结合的跳波束分配方式。在同一个波束跳变周期内，采用先分簇跳变、后全局跳变的方式，根据实际业务需求情况决定分簇跳变的时间，可充分利用波束分簇跳变的效率优势和波束全局跳变的灵活性优势，从而提升系统资源利用率和降低计算复杂度。同时，该方法可适应实时际业务需求在空间上不均匀分布的变化特性。

附图说明

图1是本发明实施例中跳波束GEO卫星通信系统覆盖模型；

图2是本发明实施例中的分簇跳变与全局跳变示意图；

图3是本发明实施例中波束分配方法的流程图；

图4是本发明实施例中跳波束GEO卫星通信系统的资源利用率仿真对比图（与基于分簇的分配方法对比）；

图5是本发明实施例中跳波束GEO卫星通信系统小区平均满足度的仿真对比图（与基于分簇的分配方法对比）；

图6是本发明实施例中跳波束GEO卫星通信系统波束分配的公平性仿真对比图（与基于分簇的分配方法对比）。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明将多波束GEO卫星通信系统中波束资源分配问题转换为静态决策问题，即在波束跳变周期内的波束资源分配优化问题。进而，本发明提出一种业务自适应的全频率复用跳波束资源分配方法。在同一个波束跳变周期内，采用先分簇跳变、后全局跳变的方式，如图2所示，并根据实际业务需求情况决定分簇跳变的时间，充分利用波束分簇跳变的效率优势和波束全局跳变的灵活性优势，从而提升系统资源利用率和降低计算复杂度。

首先，波束在簇内跳变，主要实现资源在各簇之间的均衡分配，并规避全局跳变分配过程的高计算复杂度；然后，在整个卫星覆盖区全局跳变，针对簇内跳变分配之后剩余的簇间不均匀分布业务，利用全局跳变的灵活性优势进行波束资源的补充分配，充分适应不同分布的业务需求，进一步提高系统的资源利用率。下面主要描述跳波束资源分配方法在一个波束跳变周期内实现的过程，将其分为两个阶段：波束分簇分配阶段和全局波束分配阶段。其步骤如图3所示：

a) 初始化

系统根据覆盖区内小区业务量的统计情况，将小区固定分成多个簇，簇的个数与跳波束的个数相等，同时获取个小区的业务需求量，如图2。

b) 分簇波束分配阶段

在波束跳变周期内，首先进行分簇波束分配，即跳波束在各自指定簇内的小区间进行跳变。当任意一个簇内的波束资源出现空闲时，本阶段结束，进入全局波束分配阶段。

所以，本阶段波束分配的时间是随着实际业务需求变化而变化的，并且是由簇间均匀分布的业务部分决定。本阶段波束分配的主要目的是，充分利用基于分簇的波束分配方法的高效性优势，快速为簇间提供相对均衡的业务服务，并缩短业务接入波束的等待时间。

首先，为每个分簇分配一个波束资源，每个波束在各自分簇内的小区间跳变。然后，采用剩余请求最大优先算法，系统逐个时隙进行波束分配，控制各个波束在各自分簇内驻留的位置及其驻留时间，以实现对小区分簇间业务的均衡覆盖。最后，当波束内存在未利用的空闲带宽资源，本阶段结束。

分簇波束分配阶段采用的剩余请求最大优先算法描述如下：

该算法主要解决分簇波束分配阶段中的波束分配问题。具体思路是：在逐个时隙内，系统根据各小区剩余业务请求量迭代进行波束分配。包括：

步骤一、选中剩余需求量最大的小区作为待服务小区，将该待服务小区加入待服务小区集合中；

步骤二、在除了待服务小区集合内小区所在的簇以外的剩余簇内，筛选出与待服务小区集合中所有小区之间空间距离大于门限值的小区，从中选出剩余需求量最大的小区作为待服务小区，并将其加入待服务小区集合中；依次迭代，逐步确定每个簇内的待服务小区；

分配待服务小区集合内各待服务小区所在簇内的波束为该待服务小区提供服务。

最后，当选中的待服务小区中存在剩余请求量小于波束容量的小区时，本阶段结束。

c）全局波束分配配阶段

在同一个波束跳变周期内，基于上一阶段的波束分配结果，本阶段主要解决小区分簇间业务分布不均匀情况下波束分配的问题，以解决分簇波束分配方法难以适应不同分布的业务需求的问题。相比分簇波束分配阶段，本阶段取消了分簇对波束跳变的限制，根据小区的剩余需求量，跳波束可在覆盖区内全局跳变。并且，采用剩余请求最大优先算法（全局），逐个时隙进行全局波束分配。

全局波束分配阶段采用的剩余请求最大优先算法描述如下：

该算法主要解决全局波束分配阶段中的波束分配问题。具体思路是：在同一周期剩余时隙内，系统根据各小区剩余业务请求量逐个时隙迭代进行波束分配。

首先，选中覆盖区内所有小区中剩余需求量最大的小区作为待服务小区，将其加入待服务小区集合中，并分配波束为其提供服务；

然后，在除了待服务小区集合内小区以外的小区内，筛选出与待服务小区集合内的小区空间距离大于门限值的小区，并从中选出剩余需求量最大的小区作为待服务小区，将确定的待服务小区加入待服务小区集合；依次迭代，逐步确定所有待服务小区，即待服务小区的个数等于波束的个数；

最后，依次分配波束为待服务小区集合内的小区提供服务，可选地，波束分配步骤包括：1、标记所在簇内没有待服务小区的波束，记入待分配波束集合；2、当待服务小区所在的簇内波束空闲时，将该波束直接分配给该待服务小区；3、当待服务小区所在的簇内波束已被占用时，即该簇内有多个待服务小区，从待分配波束集合中选择一个波束，为该待服务小区提高服务，并在待分配波束集合删去该波束。

直至该波束跳变周期时间结束或所有小区剩余需求量为0，本阶段波束分配结束。

本发明提供的业务自适应的卫星跳波束系统资源分配方法，针对多波束GEO卫星通信中业务空间不均匀分布的变化特性，该方法采用分簇与全局相结合的跳波束分配方式。在同一个波束跳变周期内，采用先分簇跳变、后全局跳变的方式，根据实际业务需求情况决定分簇跳变的时间，可充分利用波束分簇跳变的效率优势和波束全局跳变的灵活性优势，从而提升系统资源利用率和降低计算复杂度。同时，该方法可适应时实际业务需求在空间上不均匀分布的变化特性。

本发明提出一种业务自适应的全频率复用跳波束资源分配方法，在业务空间不均匀分布变化的情况下，可有效提高多波束GEO卫星通信系统的资源利用率，并且当业务需求量低于100%时，小区业务的平均满足度和小区波束分配的公平性同时得到显著改善，如图4、图5、图6。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.业务自适应的卫星跳波束系统资源分配方法，其特征在于，包括：

系统根据覆盖区内小区业务量的统计情况，将小区固定分成多个小区分簇，为每个小区分簇分配一个波束，并获取各个小区的业务需求量；在波束跳变周期内，首先，波束在各自指定分簇内的小区间进行跳变；当任意一个小区分簇内的波束资源出现空闲时，则根据各个小区的剩余业务需求量，资源空闲的波束在覆盖区内所有小区之间全局跳变。

2.根据权利要求1所述的业务自适应的卫星跳波束系统资源分配方法，其特征在于，波束在各自指定分簇内的小区间进行跳变的步骤包括：确定分簇内的待服务小区，波束通过跳变为其指定分簇内的待服务小区提供服务。

3.根据权利要求2所述的业务自适应的卫星跳波束系统资源分配方法，其特征在于，波束在各自指定分簇内的小区间进行跳变具体步骤包括：在每个跳变时隙内，选中覆盖区内所有小区中剩余需求量最大的小区作为待服务小区，将该待服务小区加入待服务小区集合；

在除了待服务小区集合内小区所在的簇以外的剩余簇内，筛选出与待服务小区集合内的小区空间距离大于门限值的小区，并从中选出剩余需求量最大的小区作为待服务小区，将确定的待服务小区作加入待服务小区集合；依次迭代，逐步确定每个簇内的待服务小区；分配待服务小区集合内各待服务小区所在簇内的波束为该待服务小区提供服务。

4.根据权利要求1所述的业务自适应的卫星跳波束系统资源分配方法，其特征在于，当选中的待服务小区中存在剩余请求量小于波束容量的小区时，波束停止在各自指定分簇内的小区间进行跳变。

5.根据权利要求1所述的业务自适应的卫星跳波束系统资源分配方法，其特征在于，资源空闲的波束在覆盖区内所有小区之间全局跳变的方法包括：在每个跳变时隙内，选中覆盖区内所有小区中剩余需求量最大的小区作为待服务小区，将该待服务小区加入待服务小区集合；

在除了待服务小区集合内小区以外的剩余小区内，筛选出与待服务小区集合内的小区空间距离大于门限值的小区，并从中选出剩余需求量最大的小区作为待服务小区，将确定的待服务小区加入待服务小区集合；依次迭代，逐步确定所有待服务小区；依次分配波束为待服务小区集合中的所有待服务小区提供服务。

6.根据权利要求5所述的业务自适应的卫星跳波束系统资源分配方法，其特征在于，逐时隙执行波束在覆盖区内所有小区之间全局跳变，直至该波束跳变周期时间结束或所有小区剩余需求量为0。

7.根据权利要求6所述的业务自适应的卫星跳波束系统资源分配方法，其特征在于，依次分配波束为待服务小区集合中的所有待服务小区提供服务的方法包括以下步骤：标记所在簇内没有待服务小区的波束，记入待分配波束集合；

当待服务小区所在的簇内波束空闲时，将该波束直接分配给该待服务小区；

当待服务小区所在的簇内波束已被占用时，即该簇内有多个待服务小区，从待分配波束集合中选择一个波束，为该待服务小区提供服务，并在待分配波束集合删去该波束。

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