CN113783601A - 动态波束形成及空分复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的动态波束形成及空分复用方法，能够成倍提升信息传输速率，极大提高频谱利用率。通过下述技术方案实现：网络侧将测量控制消息发送给用户终端；用户终端利用信令宽波束上报自身的位置信息给网络侧；网络侧结合卫星星历信息，根据用户终端集合的位置分布特征及业务场景选择合适的波束形成策略；网络侧按照指定策略实时调整业务/广播的波束个数、指向及波束宽度，动态形成针对不同业务场景的具有最佳覆盖效果及最优频谱效率的波束，并采取合适的多用户复用策略以提升频谱效率；在多用户的用户级数据业务场景，卫星上的相控阵天线按照K_p个波位中心的指向角度，生成K_p个波束进行独立的数据传输，在不同波束下的用户之间实现空分复用。

Description

动态波束形成及空分复用方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及到一种卫星通信波束形成及空分复用的方法。

技术背景

随着卫星通信商业化进程的快速推进，目前卫星系统中网络侧的地面信关站和卫星载荷均可配备高性能的相控阵天线，得益于相控阵天线带来的波束灵活快速调整的能力，使得卫星通信的波束覆盖方案及空域复用方案可以更加灵活。在移动通信中，能实现空间分割的基本技术就是采用自适应阵列天线，在不同的用户方向上形成不同的波束。也叫做SDM。如果把空间的分割来区别不同的用户，就叫做SDMA，每个波束可提供一个无其他用户干扰的唯一信道。空分复用(SDM，Space Division Multiplexing)技术是指利用空间的分割实现复用的一种方式，空分复用是通过自适应天线阵列将空间分割，将要传送的数据分成几个数据流，然后在不同的天线上进行传输，在不同的方向上形成不同的波束，每个波束可提供一个无其他用户干扰的唯一信道，进而让同一频段在不同的空间内得以重复利用。通信技术发展到现在，其在频谱效率的增长方面已经到了瓶颈，而空分复用技术则是实现5G通信的关键，这在业界早已形成共识。空分复用是5G最重要的技术，在高频段和低频段，5G都需要依赖于空分复用技术。

随着无线通信技术的发展，通过4G/5G/Wifi等技术实现了地面热点区域的覆盖，但是对于远洋、沙漠等复杂地形、偏远地区，地面建站难度大，导致地面移动通信覆盖不足。对于这些复杂地形、偏远地区，一般通过卫星通信实现全球互联的目标。

在一种典型的卫星通信方案中，单颗卫星拥有多个(以16个为例)业务波束，该16个条状宽波束以连续覆盖的方式为地面终端用户提供服务，如图8所示。为了保证相邻波束内用户的无线链路性能，传统方法中波束间采用多色复用方案，以四色复用为例，即4个相邻波束采用不同频段(分别为f1,f2,f3,f4)，以避免相邻波束之间的信号干扰。传统方法的优点：

(1)波束方向是提前规划好的，工程实现简单。

(2)由于采用了四色复用的方案，不同波束间的用户干扰比较小。

传统方法的缺点：

(1)由于服务于用户的波束方向是提前规划好的，无法灵活调整指向，不能确保波束主瓣中心对准终端，导致波束增益损失。

(2)由于采用四色复用的方案，不同波束下的用户无法进行空分复用，导致频谱效率比较低。

在现有技术中，主要存在两方面问题：

(1)由于服务于用户的波束方向是提前规划好的，无法灵活调整指向，不能针对用户终端的实时位置分布特征动态形成具有最佳覆盖效果及频谱效率的波束。

(2)由于采用四色复用的方案，不同波束下的用户无法进行空分复用，导致频谱效率比较低。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种能够成倍地提升信息传输速率，极大地提高频谱利用率的动态波束形成及空分复用方法。

本发明的方法主要过程如下：一种动态波束形成及空分复用方法，特征在于包括如下步骤：

基于终端位置和星历信息，网络侧(卫星或信关站)利用信令宽波束将包含终端上报位置信息的周期或触发指示的测量控制消息发送给用户终端，用户终端利用GPS或北斗系统获取自身的位置坐标信息，并根据上报位置信息的周期或触发指示，利用信令宽波束进行周期性或事件触发性地上报自身的位置信息给网络侧；网络侧结合卫星星历信息，根据用户终端集合的实时位置分布特征及业务场景动态形成具有最佳覆盖效果及最优频谱效率的波束；

在单用户的用户级数据业务场景，卫星与单个用户终端进行业务数据通信，网络侧针对用户终端的实时位置计算出卫星到用户终端的指向角度(俯仰角、方位角)，卫星上的相控阵天线生成用户波束的主瓣中心实时跟踪用户终端，并调整波束宽度；

在多用户的用户级数据业务场景，卫星与多个用户终端分别进行独立的业务数据通信，网络侧按照指定策略实时调整用户波束个数、指向及波束宽度，并选取合适的多用户复用方式，网络侧根据用户位置分布区域及波束宽度，对用户分布区域进行波位的划分，得到K个波位覆盖所有待服务的用户，根据卫星自身的实时位置坐标以及K个波位中心的实时位置坐标分别计算各个波位中心的指向角度(俯仰角、方位角)，依据K个波位中心的指向角度及波束宽度，计算各个波位所对应波束之间的隔离度；根据各个波位所对应波束之间的隔离度，将K个波位划分为P个波位子集，按照时间轮询的方式对P个波位子集进行周期调度，对于第p个波位子集，包含K_p个波位，卫星上的相控阵天线按照K_p个波位中心的指向角度及波束宽度，同时生成K_p个波束进行独立的数据传输，在不同波束下的用户之间实现空分复用；

在广播或多播业务场景，卫星向多个用户终端发送相同的通信数据，网络侧根据待服务的用户集合的位置分布信息计算出波束投影的几何中心，卫星上的相控阵天线生成广播/多播波束的主瓣中心对准该几何中心，并调整波束宽度。

本发明相对于现技术具有如下有益效果：

本发明基于终端位置和星历信息，网络侧利用信令宽波束将包含终端上报位置信息的周期或触发指示的测量控制消息发送给用户终端，用户终端利用GPS或北斗系统获取自身的位置坐标信息，并根据上报位置信息的周期或触发指示，利用信令宽波束进行周期性或事件触发性地上报自身的位置信息给网络侧；网络侧实时计算出用户终端波束的指向信息，针对用户终端形成具有最佳覆盖效果的波束，并且网络侧根据用户终端位置信息的更新，实时调整波束指向，使得用户波束的主瓣中心实时跟踪终端，同时调整波束宽度，以获得最优的波束增益，从而提高频谱效率。相比传统卫星通信的静态波束形成方案，本发明可以支持动态波束形成，实时形成波束，保证波束的主瓣中心实时跟踪用户终端。

本发明网络侧结合卫星星历信息，根据用户终端集合的实时位置分布特征及用户业务场景，动态形成具有最佳覆盖效果及最优频谱效率的波束。

本发明在单用户的用户级数据业务场景，卫星与单个用户终端进行业务数据通信，网络侧针对用户终端的实时位置计算出卫星到用户终端的指向角度(俯仰角、方位角)，卫星上的相控阵天线生成用户波束的主瓣中心实时跟踪用户终端，并调整波束宽度，使得用户波束的增益尽可能高，以提高用户无线链路SNR(Signal Noise Ratio，信噪比)，从而提高频谱效率。

本发明在多用户的用户级数据业务场景，网络侧根据用户终端集合的位置分布特征，实时调整多个用户波束的指向，并针对高隔离度波束下的用户采用空分复用方式进行独立的数据传输，从而动态形成针对多用户的用户级数据业务场景的具有最佳覆盖效果及最优频谱效率的波束：网络侧根据用户位置分布区域及波束宽度，在波束的地面投影区域对用户分布区域进行波位划分，根据卫星自身的实时位置坐标以及K个波位中心的实时位置坐标分别计算各个波位中心的指向角度，根据K个波位中心的指向角度及波束宽度计算各个波位所对应波束之间的隔离度，并针对高隔离度波束下的用户采用空分复用方式进行独立的数据传输，从而动态形成针对多用户的用户级数据业务场景的具有最佳覆盖效果及最优频谱效率的波束，相比于现有的多色复用技术，在频谱利用率上有显著提升。

本发明在广播或多播业务场景，网络侧根据待服务的用户集合的位置分布信息实时计算广播/多播波束的主瓣中心及主瓣宽度，卫星上的相控阵天线按该主瓣中心及主瓣宽度参数生成广播/多播波束，使得广播/多播波束覆盖的用户无线链路SNR(信噪比)满足需求，提升了波束能量利用率；卫星上的相控阵天线生成用户波束的主瓣中心实时跟踪用户终端，并调整波束宽度，使得用户波束的增益尽可能高，以提高用户无线链路SNR(SignalNoise Ratio，信噪比)，从而提高频谱效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明动态波束形成及空分复用方法的流程图；

图2是ECEF坐标系示意图；

图3是卫星坐标系示意图；

图4是本发明用户波束指向在卫星坐标系中的定义；

图5本发明单用户的用户级数据业务场景的波束示意图；

图6是本发明多用户的用户级数据业务场景的波束示意图；

图7是本发明广播/多播业务场景的波束示意图；

图8是现有卫星通信的波束覆盖示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，基于终端位置和星历信息，网络侧(卫星或信关站)利用信令宽波束将包含终端上报位置信息的周期或触发指示的测量控制消息发送给用户终端，用户终端利用GPS或北斗系统获取自身的位置坐标信息，并根据上报位置信息的周期或触发指示，利用信令宽波束进行周期性或事件触发性地上报自身的位置信息给网络侧；网络侧结合卫星星历信息，根据用户终端集合的实时位置分布特征及业务场景动态形成具有最佳覆盖效果及最优频谱效率的波束；

在单用户的用户级数据业务场景，卫星与单个用户终端进行业务数据通信，网络侧针对用户终端的实时位置计算出卫星到用户终端的指向角度(俯仰角、方位角)，卫星上的相控阵天线生成用户波束的主瓣中心实时跟踪用户终端，并调整波束宽度；

在多用户的用户级数据业务场景，卫星与多个用户终端分别进行独立的业务数据通信，网络侧按照指定策略实时调整用户波束个数、指向及波束宽度，并选取合适的多用户复用方式，网络侧根据用户位置分布区域及波束宽度，对用户分布区域进行波位的划分，得到K个波位覆盖所有待服务的用户，根据卫星自身的实时位置坐标以及K个波位中心的实时位置坐标分别计算各个波位中心的指向角度(俯仰角、方位角)，依据K个波位中心的指向角度及波束宽度，计算各个波位所对应波束之间的隔离度；根据各个波位所对应波束之间的隔离度，将K个波位划分为P个波位子集，按照时间轮询的方式对P个波位子集进行周期调度，对于第p个波位子集，包含K_p个波位，卫星上的相控阵天线按照K_p个波位中心的指向角度及波束宽度，同时生成K_p个波束进行独立的数据传输，在不同波束下的用户之间实现空分复用；

在广播或多播业务场景，卫星向多个用户终端发送相同的通信数据，网络侧根据待服务的用户集合的位置分布信息计算出波束投影的几何中心，卫星上的相控阵天线生成广播/多播波束的主瓣中心对准该几何中心，并调整波束宽度。

其中，波位是指波束在地面的投影区域，第p个波位子集包含的波位个数为K_p。

以上是针对天空中的卫星对地面终端进行覆盖通信场景的波束形成方案，类似地，地面通信中心节点对天空中的用户终端进行覆盖通信的场景也可以采用相同的波束形成方案，例如地面的信关站对卫星进行覆盖通信的场景，原理是一样的，这里不再赘述。

本发明方法的主要过程如下：

步骤1：网络侧利用信令宽波束将测量控制消息发送给用户终端，其中，测量控制消息包含终端上报位置信息的周期或触发指示；。

步骤2：用户终端利用GPS或北斗系统获取自身的位置信息(坐标)，并根据上报位置信息的周期或触发指示，并利用信令宽波束进行周期性或事件触发性地上报自身的位置信息给网络侧；

步骤3：网络侧根据用户终端的位置信息和卫星星历信息，针对用户终端的实时位置分布特征及业务场景动态形成具有最佳覆盖效果及最优频谱效率的波束。

针对不同的用户业务场景，指定策略设计如下3种业务/广播波束形成的策略：

策略1：针对单用户的用户级数据业务场景

单用户的用户级数据业务场景：卫星与单个用户终端进行业务数据通信；

网络侧针对用户终端的实时位置计算出卫星到用户终端的指向角度(俯仰角、方位角)，卫星上的相控阵天线生成用户波束的主瓣中心实时跟踪用户终端，并调整波束宽度，使得用户波束的增益尽可能高，以提高用户无线链路SNR(Signal Noise Ratio，信噪比)，从而提高频谱效率。

策略2：针对多用户的用户级数据业务场景

多用户的用户级数据业务场景：卫星与多个用户终端进行业务数据通信，并且用户之间的通信数据内容相互独立；

假设相控阵天线可以同时生成的波束总个数为N，对于一个待服务的多用户集合，网络侧按照如下方法生成用户波束，并选取合适的多用户复用方式：

1)网络侧根据用户位置分布区域及波束宽度，对用户分布区域进行波位(波束在地面的投影区域)的划分，使得K个波位覆盖所有待服务的用户；

2)网络侧根据卫星自身的实时位置坐标以及K个波位中心的实时位置坐标分别计算各个波位中心的指向角度(俯仰角、方位角)；

3)网络侧根据K个波位中心的指向角度及波束宽度，计算各个波位所对应波束之间的隔离度；

4)网络侧根据各个波位所对应波束之间的隔离度，将K个波位划分为P个波位子集，使得：每个波位子集内部的各个波位所对应波束之间的隔离度均高于预设门限值threshold，并且每个波位子集包含的波位个数小于或等于N，其中，N为相控阵天线可以同时生成的波束总个数；

5)对P个波位子集按照时间轮询的方式进行周期调度；

在第p个波位子集的调度中，包含K_p个波位，卫星上的相控阵天线按照K_p个波位中心的指向角度及波束宽度，同时生成K_p个波束进行独立的数据传输，在不同波束下的用户之间实现空分复用。

策略3：针对广播或多播业务场景

广播业务场景：卫星与小区内所有用户终端进行数据通信，且通信数据内容相同；

多播业务场景：卫星与小区内特定的多个用户终端的集合进行数据通信，且通信数据内容相同；网络侧根据待服务的用户集合的位置分布信息计算出波束投影的几何中心，卫星上的相控阵天线生成广播/多播波束的主瓣中心对准该几何中心，并调整波束宽度，使得广播/多播波束覆盖的用户无线链路信噪比(SNR)满足需求。

步骤4：

周期重复以上步骤1至步骤3，则网络侧可以根据用户终端集合的位置分布特征以及业务场景，实时调整波束指向及波束宽度，从而动态形成针对不同业务场景的具有最佳覆盖效果及最优频谱效率的波束，并选取合适的多用户复用方式。

下面结合附图2-图7的实施例对发明进一步说明；

首先，定义如图2所示的两种坐标系，定义地心地固坐标系，即ECEF(Earth-Centered,Earth-Fixed)坐标系：以地心为坐标原点，经度0度方向为x轴，经度90度方向为y轴，北极方向为z轴。

如图3所示，定义卫星坐标系：以卫星为原点，沿着卫星运动方向为y轴，卫星到地球球心的方向为x轴建立右手坐标系，后文简称为卫星坐标系。

如图4所示，用户波束在卫星坐标系中的指向角度为：方位角θ、俯仰角

在时刻t，假设用户终端在ECEF坐标系下的坐标位置为u_tar＝[x_tar,y_tar,z_tar]^T，卫星在ECEF坐标系下的坐标位置为u_sat＝[x_sat,y_sat,z_sat]^T，其中，上标T表示向量或矩阵的转置。

实施例1

本发明实施例1针对单用户的用户级数据业务场景，具体处理步骤如下：

网络侧利用信令宽波束将包含终端上报位置信息的周期或触发指示的测量控制消息发送给用户终端，本实施例设定终端上报位置信息的周期为T＝1分钟。上报周期越短，位置信息更新越快，波束指向计算越精确，但信令开销也越大。

用户终端利用GPS或北斗系统获取自身的位置信息，得到用户终端在ECEF坐标系下的坐标u_tar＝[x_tar,y_tar,z_tar]^T；用户终端根据上报位置信息的周期或触发指示，利用信令宽波束进行周期性或事件触发性地上报自身的位置信息给网络侧；卫星获取自身的星历信息，并得到卫星在ECEF坐标系下的坐标：u_sat＝[x_sat,y_sat,z_sat]^T；将用户终端在ECEF坐标系下的坐标位置u_tar＝[x_tar,y_tar,z_tar]^T转换为在卫星坐标系下的坐标：u_sc＝[x_sc,y_sc,z_sc]^T，从而得到用户终端在卫星坐标系下的方位角θ_st和俯仰角

坐标系转换方法为：首先根据卫星坐标，将坐标轴原点平移到卫星位置，再先后将坐标轴绕z轴旋转和绕y轴旋转，实现x轴与卫星和地球球心的连线方向重合(确定x轴)，最后再根据变换后卫星的运动方向，将坐标轴绕x轴进行旋转，实现y轴与卫星运动方向的重合。

对于ECEF坐标系中的给定终端坐标u_tar，转换为在卫星坐标系下的坐标u_sc的具体实现过程如下：

建立坐标平移矩阵Γ₀，

实现坐标平移；

建立旋转矩阵Γ_z(θ_sat-180)：

Γ_z(θ)表示将坐标系绕z轴逆时针旋转角度θ，θ_sat表示卫星在ECEF坐标系中的方位角，并有：θ_sat＝atan2(y_sat,x_sat)，其中，atan2(y,x)表示复数的相角，其中，x为复数的实部，y为复数的虚部；建立旋转矩阵

Γ_y(θ)表示将坐标系绕y轴逆时针旋转角度θ，

表示卫星在ECEF坐标系中的俯仰角，并有：

计算坐标系绕z轴和y轴旋转之后的卫星速度向量v_s1：

建立旋转矩阵

Γ_x(θ)表示将坐标系绕x轴逆时针旋转角度θ，

表示卫星在绕z轴和y轴旋转后的速度矢量在旋转后坐标系中的俯仰角，并有：

计算卫星坐标系中的坐标u_sc：

得到终端在卫星坐标系下的坐标u_sc后，直接计算终端在卫星坐标系下的方位角θ_st和俯仰角

θ_st＝atan 2(y_sc,x_sc)，

卫星根据用户终端在卫星坐标系下的方位角θ_st和俯仰角

利用相控阵天线生成指向用户终端的波束，该波束的指向为

其主瓣中心正好对准用户终端。同时调整波束宽度，使得用户波束的增益尽可能高，以提高用户无线链路SNR，从而提高频谱效率。

周期重复上述过程，则网络侧可以根据用户终端的位置信息，实时调整波束指向，使得用户波束的主瓣中心实时跟踪终端，保证用户波束的实时覆盖效果。

单用户的用户级数据业务场景的波束示意图如图5所示。

实施例2

本实施例2针对多用户的用户级数据业务场景，具体处理步骤如下：

网络侧利用信令宽波束将包含终端上报位置信息的周期或触发指示的测量控制消息发送给用户终端，本实施例设定终端上报位置信息的周期为T＝1分钟。上报周期越短，位置信息更新越快，波束指向计算越精确，但信令开销也越大。

M个用户终端利用GPS或北斗系统获取自身的位置信息，得到用户终端在ECEF坐标系下的坐标分别为u_tar(1),…,u_tar(M)，其中，u_tar(m)＝[x_tar(m),y_tar(m),z_tar(m)]^T,m＝1,…,M，u_tar(m)表示第m个用户终端在ECEF坐标系下的位置坐标，上标T表示向量或矩阵的转置，M代表用户总数。

用户终端根据上报位置信息的周期或触发指示，利用信令宽波束进行周期性或事件触发性地上报自身的位置信息给网络侧；网络侧根据用户位置分布区域及波束宽度，对用户分布区域进行波位(波束在地面的投影区域)的划分，使得K个波位覆盖所有待服务的用户，并得到K个波位中心在ECEF坐标系下的坐标u_{beamcenter(1)},…,u_{beamcenter(K)}。

卫星获取自身的星历信息，并得到卫星在ECEF坐标系下的坐标为：u_sat＝[x_sat,y_sat,z_sat]^T；

利用实施例1的坐标系转换方法，将K个波位中心在ECEF坐标系下的坐标u_{beamcenter(1)},…,u_{beamcenter(K)}分别转换为在卫星坐标系下的坐标u_sc(1),…,u_sc(K)，从而得到K个波位中心的指向角度

网络侧根据K个波位中心的指向角度

及波束宽度

计算各个波位所对应波束之间的隔离度，遍历K个波位中心所对应的用户波束，计算任意两个用户波束i和用户波束j之间的隔离度ξ(i,j)：

其中，

为用户波束i的方位角和俯仰角，

为用户波束j的方位角和俯仰角，

为用户波束的方位角宽度和俯仰角宽度，i表示用户波束i的编号，j表示用户波束j的编号，f表示隔离度ξ(i,j)关于参数

的一个映射函数。对于i＝j的场景，ξ(i,j)＝1(即0dB)。

网络侧根据各个波位所对应波束之间的隔离度，将K个波位划分为P个波位子集，使得：每个波位子集内部的各个波位所对应波束之间的隔离度均高于预设门限值threshold，并且每个波位子集包含的波位个数小于或等于N，其中，N为相控阵天线可以同时生成的波束总个数；具体方法：

首先初始化波位子集个数P＝0；

遍历K个波位(i＝1,…,K)，进行波位子集划分；

对于波位1：新建一个波位子集1，将波位1放入波位子集1，并初始化波位子集个数为P＝1；

对于波位i(1<i≤K)：遍历现有的波位子集(p＝1,…,P)：将波位i与波位子集p中的所有波位进行逐一配对比较，若波位i与波位子集p中的任意波位j所对应波束之间的隔离度ξ(i,j)>threshold，波位j属于波位子集p，并且波位子集p中的波位个数小于N，则将波位i加入波位子集p中，否则将波位i与下一个波位子集中的所有波位进行逐一配对比较。遍历现有的波位子集(p＝1,…,P)完成后，若波位i仍然没有加入任何现有的波位子集，则新建波位子集P+1，将波位i放入该波位子集，并更新波位子集个数：P＝P+1；经过波位子集划分后，K个波位被划分为P个波位子集，满足：

K_p≤N,p＝1,…,P，其中，第p个波位子集包含的波位个数为K_p，p＝1,…,P，其中，N为相控阵天线同时生成的波束总个数。

对P个波位子集按照时间轮询的方式进行周期调度。下面描述第p个波位子集的调度方法：

第p个波位子集包含的波位个数为K_p。卫星上的相控阵天线按照K_p个波位中心的指向角度

波位j属于波位子集p，以及波束宽度

同时生成K_p个波束进行数据传输，在不同波束覆盖下的用户之间实现空分复用。

周期重复上述过程，则网络侧根据用户终端集合的位置分布特征，实时调整多个用户波束的指向，并针对高隔离度波束下的用户采用空分复用方式，从而动态形成针对多用户的用户级数据业务场景的具有最佳覆盖效果及最优频谱效率的波束。

多用户的用户级数据业务场景的波束示意图如图6所示。待服务的用户个数为8，波束总个数N＝4。用户位置分布区域被划分为4个波位，波位1包含用户1，波位2包含用户2、3、4，波位3包含用户5、6，波位4包含用户7、8。网络侧根据4个波位所对应波束之间的隔离度，将4个波位划分为2个波位子集：波位子集1和波位子集2。波位子集1包含波位1和波位3，其对应的用户波束隔离度高于预设门限值threshold；波位子集2包含波位2和波位4，其对应的用户波束隔离度高于预设门限值threshold。多用户的复用传输方式举例：对2个波位子集按照时间轮询的方式进行周期调度，第一个调度周期内，对波位子集1的用户传输数据。卫星上的相控阵天线同时生成两个用户波束(用户波束1和用户波束2)进行独立的数据传输，则波位1的用户与波位3的用户之间实现了空分复用；第二个调度周期内，对波位子集2的用户传输数据。卫星上的相控阵天线同时生成两个用户波束(用户波束1和用户波束2)进行独立的数据传输，则波位2的用户与波位4的用户之间实现了空分复用。

下实施例3

本发明实施例3针对广播或多播业务场景，具体处理步骤如下：

网络侧利用信令宽波束将包含终端上报位置信息的周期或触发指示的测量控制消息发送给用户终端，本实施例设定终端上报位置信息的周期为T＝1分钟。上报周期越短，位置信息更新越快，波束指向计算越精确，但信令开销也越大。

待服务的M个用户终端利用GPS或北斗系统获取自身的位置信息，得到用户终端在ECEF坐标系下的坐标分别为u_tar(1),…,u_tar(M)，其中u_tar(m)＝[x_tar(m),y_tar(m),z_tar(m)]^T,m＝1,…,M；用户终端根据上报位置信息的周期或触发指示，利用信令宽波束进行周期性或事件触发性地上报自身的位置信息给网络侧；卫星获取自身的星历信息，并得到卫星在ECEF坐标系下的坐标为：u_sat＝[x_sat,y_sat,z_sat]^T。

利用实施例1的坐标系转换方法，将M个用户终端在ECEF坐标系下的坐标u_tar(1),…,u_tar(M)分别转换为在卫星坐标系下的坐标u_sc(1),…,u_sc(M)，从而得到M个用户终端在卫星坐标系下的方位角和俯仰角

遍历M个用户终端，搜索方位角的最大值和最小值：

遍历M个用户终端，搜索俯仰角的最大值和最小值：

计算广播/多播业务波束的波束主瓣中心的方位角θ_center：

计算广播/多播业务波束的波束主瓣中心的俯仰角

计算广播/多播业务波束的波束主瓣中心的方位角宽度Δθ_center：Δθ_center＝(θ_max-θ_min)，计算广播/多播业务波束的波束主瓣中心的俯仰角宽度

卫星上的相控阵天线生成广播/多播波束，其主瓣中心的方位角和俯仰角为

波束主瓣宽度为

周期重复上述过程，则网络侧根据待服务的用户集合的位置分布信息实时计算广播/多播波束的主瓣中心及主瓣宽度，卫星上的相控阵天线按该主瓣中心及主瓣宽度参数生成广播/多播波束，使得广播/多播波束覆盖的用户无线链路SNR(信噪比)满足需求。

广播或多播业务场景的波束示意图如图7所示。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种动态波束形成及空分复用方法，其特征在于包括如下步骤：

基于终端位置和星历信息，网络侧卫星或信关站利用信令宽波束将包含终端上报位置信息的周期或触发指示的测量控制消息发送给用户终端，用户终端利用GPS或北斗系统获取自身的位置坐标信息，并根据上报位置信息的周期或触发指示，利用信令宽波束进行周期性或事件触发性地上报自身的位置信息给网络侧；网络侧结合卫星星历信息，根据用户终端集合的实时位置分布特征及业务场景动态形成具有最佳覆盖效果及最优频谱效率的波束；

在单用户的用户级数据业务场景，卫星与单个用户终端进行业务数据通信，网络侧针对用户终端的实时位置计算出卫星到用户终端的指向角度，卫星上的相控阵天线生成用户波束的主瓣中心实时跟踪用户终端，并调整波束宽度，其中，指向角度由俯仰角和方位角组成；

在多用户的用户级数据业务场景，卫星与多个用户终端分别进行独立的业务数据通信，网络侧按照指定策略实时调整用户波束个数、指向及波束宽度，并选取合适的多用户复用方式，网络侧根据用户位置分布区域及波束宽度，对用户分布区域进行波位的划分，得到K个波位覆盖所有待服务的用户，根据卫星自身的实时位置坐标以及K个波位中心的实时位置坐标分别计算各个波位中心的指向角度，依据K个波位中心的指向角度及波束宽度，计算各个波位所对应波束之间的隔离度；根据各个波位所对应波束之间的隔离度，将K个波位划分为P个波位子集，按照时间轮询的方式对P个波位子集进行周期调度，对于第p个波位子集，包含K_p个波位，卫星上的相控阵天线按照K_p个波位中心的指向角度及波束宽度，同时生成K_p个波束进行独立的数据传输，在不同波束下的用户之间实现空分复用；

在广播或多播业务场景，卫星向多个用户终端发送相同的通信数据，网络侧根据待服务的用户集合的位置分布信息计算出波束投影的几何中心，卫星上的相控阵天线生成广播/多播波束的主瓣中心对准该几何中心，并调整波束宽度。

2.如权利要求1所述的动态波束形成及空分复用方法，其特征在于：针对不同的用户业务场景，制定如下3种业务/广播波束形成的策略：针对单用户的用户级数据业务场景策略、针对多用户的用户级数据业务场景策略和针对广播或多播业务场景策略；其中，针对单用户的用户级数据业务场景策略是在卫星与单个用户终端进行业务数据通信中，网络侧针对用户终端的实时位置计算出卫星到用户终端的指向角度，卫星上的相控阵天线生成用户波束的主瓣中心实时跟踪用户终端，并调整波束宽度，使得用户波束的增益尽可能高，以提高用户无线链路信噪比SNR；针对多用户的用户级数据业务场景策略是在多用户的用户级数据业务场景中，卫星与多个用户终端进行业务数据通信，并且用户之间的通信数据内容相互独立，在不同波束下的用户之间实现空分复用；针对广播或多播业务场景策略是：在广播业务场景中，卫星与小区内所有用户终端进行数据通信，且通信数据内容相同，在多播业务场景中，卫星与小区内特定的多个用户终端的集合进行数据通信，且通信数据内容相同，网络侧根据待服务的用户集合的位置分布信息计算出波束投影的几何中心，卫星上的相控阵天线生成广播/多播波束的主瓣中心对准该几何中心，并调整波束宽度，使得广播/多播波束覆盖的用户无线链路信噪比SNR满足需求。

3.如权利要求2所述的动态波束形成及空分复用方法，其特征在于：在针对多用户的用户级数据业务场景策略中，相控阵天线同时生成波束总个数为N，对于一个待服务的多用户集合，网络侧根据用户位置分布区域及波束宽度，对用户分布区域进行波位的划分，使波束在地面的投影区域的K个波位覆盖所有待服务的用户；网络侧根据卫星自身的实时位置坐标以及K个波位中心的实时位置坐标分别计算各个波位中心的指向角度；根据K个波位中心的指向角度及波束宽度，计算各个波位所对应波束之间的隔离度；根据各个波位所对应波束之间的隔离度，将K个波位划分为P个波位子集，使每个波位子集内部的各个波位所对应波束之间的隔离度均高于预设门限值threshold，并且每个波位子集包含的波位个数小于或等于相控阵天线可以同时生成的波束总个数N，然后对P个波位子集按照时间轮询的方式进行周期调度；对于第p个波位子集，包含K_p个波位，卫星上的相控阵天线按照K_p个波位中心的指向角度及波束宽度，同时生成K_p个波束进行独立的数据传输，在不同波束下的用户之间实现空分复用。

4.如权利要求1所述的动态波束形成及空分复用方法，其特征在于：用户终端利用GPS或北斗系统获取自身的位置信息，得到用户终端在地心地固ECEF坐标系下的坐标位置：u_tar＝[x_tar,y_tar,z_tar]^T，根据上报位置信息的周期或触发指示，利用信令宽波束进行周期性或事件触发性地上报自身的位置信息给网络侧；卫星获取自身的星历信息，并得到卫星在ECEF坐标系下的坐标位置：u_sat＝[x_sat,y_sat,z_sat]^T；将用户终端在ECEF坐标系下的坐标位置：u_tar＝[x_tar,y_tar,z_tar]^T转换为在卫星坐标系下的坐标：u_sc＝[x_sc,y_sc,z_sc]^T，从而得到用户终端在卫星坐标系下的方位角θ_st和俯仰角

其中，上标T表示向量或矩阵的转置。

5.如权利要求4所述的动态波束形成及空分复用方法，其特征在于：在坐标系转换中，首先根据卫星坐标，将坐标轴原点平移到卫星位置，再先后将坐标轴绕z轴旋转和绕y轴旋转，实现x轴与卫星和地球球心的连线方向重合，确定x轴，最后再根据变换后卫星的运动方向，将坐标轴绕x轴进行旋转，实现y轴与卫星运动方向的重合。

6.如权利要求5所述的动态波束形成及空分复用方法，其特征在于：对于ECEF坐标系中的给定终端坐标u_tar，在转换为在卫星坐标系下的坐标u_sc的过程中，首先建立坐标平移矩阵

实现坐标平移；

再建立旋转矩阵Γ_z(θ_sat-180)：

并有：θ_sat＝atan2(y_sat,x_sat)，其中，Γ_z(θ)表示将坐标系绕z轴逆时针旋转角度θ，θ_sat表示卫星在ECEF坐标系中的方位角，atan2(y,x)表示复数的相角，其中，x为复数的实部，y为复数的虚部。

7.如权利要求6所述的动态波束形成及空分复用方法，其特征在于：将坐标系绕z轴逆时针旋转角度θ后，再将坐标系绕y轴逆时针旋转角度θ，建立旋转矩阵

并有：卫星在ECEF坐标系中的俯仰角

然后计算坐标系绕z轴和y轴旋转之后的卫星速度向量v_s1：

将坐标系绕x轴逆时针旋转角度θ，建立旋转矩阵

并有：卫星在绕z轴和y轴旋转后的速度矢量在旋转后坐标系中的俯仰角

计算用户终端在卫星坐标系中的坐标u_sc：

得到终端在卫星坐标系下的坐标u_sc后，直接计算终端在卫星坐标系下的方位角θ_st和俯仰角

θ_st＝atan 2(y_sc,x_sc)，

8.如权利要求1所述的动态波束形成及空分复用方法，其特征在于：卫星根据用户终端在卫星坐标系下的方位角θ_st和俯仰角

利用相控阵天线生成指向用户终端的波束，该波束的指向为

其主瓣中心正好对准用户终端，同时调整波束宽度，使得用户波束的增益尽可能高，以提高用户无线链路SNR，从而提高频谱效率。

9.如权利要求1所述的动态波束形成及空分复用方法，其特征在于：网络侧根据K个波位中心的指向角度

及波束宽度

计算各个波位所对应波束之间的隔离度，遍历K个波位中心所对应的用户波束，计算任意两个用户波束i和用户波束j之间的隔离度ξ(i,j)：

其中，

为用户波束i的方位角和俯仰角，

为用户波束j的方位角和俯仰角，

为用户波束的方位角宽度和俯仰角宽度，i表示用户波束i的编号，j表示用户波束j的编号，f表示隔离度ξ(i,j)关于参数

的一个映射函数；对于i＝j的场景，ξ(i,j)＝1。

10.如权利要求1所述的动态波束形成及空分复用方法，其特征在于：网络侧根据各个波位所对应波束之间的隔离度，将K个波位划分为P个波位子集，使得：每个波位子集内部的各个波位所对应波束之间的隔离度均高于预设门限值threshold，并且每个波位子集包含的波位个数小于或等于N，其中，N为相控阵天线可以同时生成的波束总个数；具体方法：首先初始化波位子集个数P＝0；遍历K个波位(i＝1,…,K)，进行波位子集划分；对于波位1：新建一个波位子集1，将波位1放入波位子集1，并初始化波位子集个数为P＝1；对于波位i(1<i≤K)：遍历现有的波位子集(p＝1,…,P)：将波位i与波位子集p中的所有波位进行逐一配对比较，若波位i与波位子集p中的任意波位j所对应波束之间的隔离度ξ(i,j)>threshold，波位j属于波位子集p，并且波位子集p中的波位个数小于N，则将波位i加入波位子集p中，否则将波位i与下一个波位子集中的所有波位进行逐一配对比较。遍历现有的波位子集(p＝1,…,P)完成后，若波位i仍然没有加入任何现有的波位子集，则新建波位子集P+1，将波位i放入该波位子集，并更新波位子集个数：P＝P+1；

经过波位子集划分后，K个波位被划分为P个波位子集，满足：

第p个波位子集包含的波位个数为K_p，p＝1,…,P，对P个波位子集按照时间轮询的方式进行周期调度，其中，N为相控阵天线同时生成的波束总个数。

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