CN114726431B - 一种面向低轨卫星星座的跳波束多址接入方法 - Google Patents

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CN114726431B CN202210200464.1A CN202210200464A CN114726431B CN 114726431 B CN114726431 B CN 114726431B CN 202210200464 A CN202210200464 A CN 202210200464A CN 114726431 B CN114726431 B CN 114726431B
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Abstract

本发明涉及一种面向低轨卫星星座的跳波束多址接入方法，通过构建用户的自相似信源模型与低轨卫星星座的跳波束时隙模型；根据用户需求进行时隙的分配并激活用户组相对应的波束；在分配的时隙中，通过激活的跳波束，采用功率域多址接入方法，将波束覆盖范围内多个用户的业务流数据进行功率域叠加并向低轨卫星发送。作为接收端的低轨卫星采用干扰消除方法，提取接收到的多个用户信号。从时间与功率两个维度提高了星上资源的利用率；即不需要所有的波束同时工作，按需选择其中的一部分波束进行多用户信号的发送与接收；同时，提高了多用户终端接入的服务质量；在动态地进行资源分配的同时满足各类用户的需求。

Description

一种面向低轨卫星星座的跳波束多址接入方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种面向低轨卫星星座的跳波束多址接入方法。
背景技术
卫星移动通信技术是指利用卫星作为中继来实现用户与用户之间通信的一种通信方式。此处的用户范围包括移动用户终端与固定用户终端。卫星移动通信技术是由传统的卫星固定通信技术发展而来，结合了地面移动通信技术。所利用的卫星系统包括LEO(LowEarth Orbit，近地轨道)卫星、MEO(Middle Earth Orbit，中地球轨道)卫星、HEO(HighlyElliptical Orbit，高椭圆)、GSO(Geosynchronous Orbit，地球同步轨道)卫星等。在军事领域，卫星移动通信技术是不可替代的通信手段，不易被摧毁且保密性较强。在经济领域，卫星移动通信技术的高服务质量为人们的生活提供了无限的可能，激发了新的经济发展活力。
目前，全球进入了低轨卫星星座建设的热潮。以“一网(One Web)”、“星链(Starlink)”为代表的巨型的低轨卫星星座在通信、遥感、导航等领域都发挥出了较大的价值。低轨卫星具有传输延时低、高速率、电波传输损耗小、系统容量大可扩展性强、海量接入等特点，被认为是目前发展5G、6G先进技术的重要环节，同时批量化的建设手段可以实现成本可控。卫星相对地面高速运动，需要多个卫星构成卫星星座来为用户所在区域提供连续性的服务。
在接入低轨通信卫星的场景架构下，接入的用户终端类型各异，数量较多，且可用接入时空窗口有限。在同一个低轨通信卫星视距范围内，可能存在多个用户终端等待接入的情况。此外，用户某些特定需求会产生较大的业务数据量，容易造成网络拥塞。因此，低轨通信卫星在接收到终端用户的接入请求后，需要利用多址接入技术，通过主动控制天线波束转向，为待接入的用户终端分配波束覆盖的时长，以保证通信的连续性、实时性和可靠性。
但是大规模的卫星星座如果还使用传统的多波束卫星技术，传统的固定多址分配方式中，各用户终端一直占用低轨卫星分配的信道资源直到没有业务数据需要发送，但实际上各用户的业务量是不同的。对于业务数据较多的用户终端，信道会因为业务量过载而产生阻塞；较空闲的用户，信道会因为闲置现象而浪费资源。缺乏能够满足现有需求的灵活性，且固定的资源分配方式也会造成一定程度的资源浪费，不能充分地利用稀缺的星上资源。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种面向低轨卫星星座的跳波束多址接入方法，
根据本发明的第一方面，提供了一种面向低轨卫星星座的跳波束多址接入方法，包括：步骤1，构建表示用户终端位于低轨通信卫星的阴面或阳面的自相似信源模型，得到用户终端的负载信源模拟模型；
步骤2，建立低轨卫星星座的跳波束时隙模型，所述跳波束时隙模型包括预约时隙表和自由时隙分配表；
步骤3，将处于阳面状态的所有用户组写入所述自由时隙分配表，将有时隙申请需求的用户组写入所述预约时隙表；基于所述自由时隙分配表和所述预约时隙表进行时隙的分配，激活用户组相对应的波束；
步骤4，在分配的时隙中，通过激活的跳波束，基于所述负载信源模拟模型，采用功率域多址接入方法，将波束覆盖范围内的多个用户的业务流数据进行功率域叠加并向低轨卫星发送；
步骤5，作为接收端的低轨卫星采用干扰消除方法，提取接收到的多个用户信号。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。
可选的，所述步骤1中，将用户终端位于低轨通信卫星的阳面定义为ON状态，位于低轨通信卫星的阴面定义为OFF状态，所述自相似信源模型选取Pareto ON-OFF模型；
所述Pareto ON-OFF模型中，0N状态和OFF状态的持续时间均符合Pareto分布；Pareto分布的概率分布函数为：
f(x)＝akαx-(α+1)，0＜k≤x，α＞0
其中，x为ON状态或OFF状态的持续时间；a为形状参数，其决定Pareto分布特性；k为位置参数，其决定了状态持续时间的最小值。
可选的，所述形状参数a和位置参数k在0N状态时为(aon’kon)，在OFF状态时为(aoff’koff)；
计算得到
其中，L为用户终端的负载率；
根据形状参数a和位置参数k的计算公式调节不同用户终端负载状况下的仿真场景。
可选的，所述步骤1中，卫星覆盖区域中有K个波束，同一时隙下一个波束中有M个用户终端；将这M个用户终端合并为一个用户组，每个时隙中有N个波束被激活，即有N个用户组，N≤K；
表示用户终端的负载；i＝1，2，...，N表示用户组的序号，j＝1，2，...，M表示一个波束中的用户终端序号；
基于所述负载信源模拟模型计算用户终端的负载的公式为：
计算同一个波束内用户组的负载总和的公式为：
可选的，所述步骤2中建立的低轨卫星星座的跳波束时隙模型的过程中，采用跳波束技术将总带宽Btotal以时隙为单位分配给各波束；
在低轨通信卫星每一帧的上行控制阶段，低轨卫星接收各波束在同一时隙下M个用户终端通过基站统一发送的时隙申请，并依据申请时隙数初始化所述预约时隙表与自由时隙分配表；所述预约时隙表的时间周期为T，时隙长度为Tslot，时间窗长度为W，其中
可选的，所述预约时隙表与自由时隙分配表分别为矩阵：Y1，Y2，Y3，...，YN和Z1，Z2，Z3，...，ZN；
所述步骤3中写入所述自由时隙分配表和所述预约时隙表的过程包括：
遍历用户组终端状态表，将处于阳面状态的所有用户组的ID写入所述自由时隙分配表Z1，Z2，Z3，...，ZN，将有时隙申请需求的用户组ID、申请时隙数以及相应信源状态写入所述预约时隙表Y1，Y2，Y3，...，YN。
可选的，所述步骤3基于所述自由时隙分配表和所述预约时隙表进行时隙的分配并激活用户组相对应的波束的过程还包括：
步骤301，对所述自由时隙分配表和所述预约时隙表内的用户组进行优先级排序；
步骤302，统计该低轨通信卫星帧中所述预约时隙表中申请时隙总数slot_sumrea：
如果一帧业务时隙总数slot_sumframe＞slot_sumreq，则表示该低轨通信卫星帧中仍有时隙剩余，则依次进行按需分配，剩余时隙按自由时隙分配表进行轮询分配；对所述自由时隙分配表同样进行重排序操作；
如果一帧业务时隙总数slot_sumframe≤slot_sumreq，则表明一帧总时隙数不足以实现按需分配，则需要进行加权分配处理，并跳过自由分配阶段；加权分配处理的公式为：
其中，slotallocated为时隙分配数，slot_req为申请时隙数。
步骤303，低轨卫星星上调度器根据优先级从小到大依次将时隙分配结果填入下行帧控制部分的时隙进行下发，则带宽需求越高的用户组越快能获得业务时隙分配；根据时隙分配的顺序激活波束簇中对应的波束。
可选的，对所述预约时隙表内的用户组进行优先级排序的过程包括：
信源状态为阳面的用户组置于表顶端，信源状态为阴面的用户组置于表底部；
相同信源状态用户，时隙申请数越多，则优先级序号越小，优先级越高；
将所述预约时隙表中条目按优先级序号从小到大排列；
对所述自由时隙分配表内的用户组进行优先级排序的过程包括：
统计申请时隙总数，将该申请时隙总数按从高到低的顺序排列。
可选的，所述步骤4包括：
步骤401，对不同用户信号s1，s2，...，sM进行编码调制，调制后的信号为
步骤402，采用用户的业务负载构造具有较强稳定特性的功率因子，根据不同用户的所述负载信源模拟模型得到的负载率，分配不同的功率因子δl，其中l＝1，2，...，M，并且满足
步骤403，对经过编码调制的信号分别乘以相对应的功率因子，最后叠加在一起，叠加公式为：/>
可选的，所述步骤5中提取的过程为：先将信号功率大的用户信号解调出来，此时将其他所有用户信号均看作噪声，然后再从接收到的信号中减去该已解调出的信号，继续解调其他信号；依次解调出一个信号，直到提取出所有的用户信号。
本发明提供的一种面向低轨卫星星座的跳波束多址接入方法，将跳波束与多址接入方案相结合并应用于低轨卫星星座，满足了用户的动态业务需求，提高了卫星资源的利用率。即不需要所有的波束同时工作，按需选择其中的一部分波束工作。资源充分利用的同时满足用户的各类随需接入要求。同时，低轨卫星绕地球飞行，与地面的相对速度较大，地面终端目标对同一低轨卫星的可视时间比较短。低轨卫星的用户链路切换频率较高，对于终端接入的速度、平稳性、持续时间等的要求较高。本发明较好的满足了卫星对于多个终端用户接入的服务质量需求，降低了卫星多址接入的时隙切换时间。
附图说明
图1为本发明提供的一种面向低轨卫星星座的跳波束多址接入方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种跳波束多址接入的场景示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
由于网络拓扑的高动态变化通常导致断续连接，空间多址接入应具有较强自适应性和灵活性，保证网络可动态接入和快速重构。根据时空网络拓扑变化过程、业务需求，并考虑待接入用户终端内容优先级，动态调整天线波束分配，以在优化资源利用的同时，满足用户传输业务的服务质量需求。
传统的固定多址分配方式中，各用户终端一直占用低轨卫星分配的信道资源直到没有业务数据需要发送，但实际上各用户的业务量是不同的。对于业务数据较多的用户终端，信道会因为业务量过载而产生阻塞；较空闲的用户，信道会因为闲置现象而浪费资源。要想使低轨通信卫星信道利用率较高，必须保证当前用户终端不论繁忙还是空闲，低轨卫星都能够恰到好处地分配给它们相应的信道资源。
跳波束(Beam Hopping，BH)技术可在空间、时间、频率和功率四个维度上进行资源的分配。大规模的低轨卫星星座利用跳波束技术实现多维联合分配接入资源，能够较好的适应用户终端的不均匀分布和通信业务的动态变化。在实际的应用过程中，同一个波束簇内可有多个波束在同一时间内跳变。
国际上对跳波束技术开展了一定程度的研究。欧洲航天局设计的“卫星波束系统仿真器”对整个跳波束系统进行了完整的地面仿真。结果证明与传统的多波束卫星系统相比，降低了50％的直流功耗、增加15％的通信容量、节约20％的星上资源，为大量需要灵活分配资源的用户提供了通信资源。
本发明首先是构建用户终端的自相似信源模型确定用户的业务流需求。考虑到用户业务流对服务需求的动态特性，并且为了充分利用星上资源，本发明建立低轨卫星星座的跳波束时隙模型，并根据用户的业务需求进行时隙的分配与波束的激活。在分配的时隙中，通过激活的跳波束，采用多址接入方法进行多个用户信号的发送与接收。图1为本发明提供的一种面向低轨卫星星座的跳波束多址接入方法流程图，如图2所示为本发明实施例提供的一种跳波束多址接入的场景示意图，如图1和图2所示，该跳波束多址接入方法包括：
步骤1，构建表示用户终端位于低轨通信卫星的阴面或阳面的自相似信源模型，得到用户终端的负载信源模拟模型。
由于用户终端仅在低轨通信卫星的阳面状态时产生数据分组，因此可以根据该用户终端的自相似信源模型得到负载信源模拟模型。
步骤2，建立低轨卫星星座的跳波束时隙模型，跳波束时隙模型包括预约时隙表和自由时隙分配表。
跳波束时隙指的是分配给波束簇中一个波束的最小持续时间，也被称为波束驻留时间(dwell time)。根据用户的需求，可以给各用户分配相对应的时隙个数。低轨卫星接收各用户终端发送的时隙申请，并依据申请时隙数初始化预约时隙表与自由时隙分配表。
步骤3，将处于阳面状态的所有用户组写入自由时隙分配表，将有时隙申请需求的用户组写入预约时隙表；基于自由时隙分配表和预约时隙表进行时隙的分配，激活用户组相对应的波束。
步骤4，在分配的时隙中，通过激活的跳波束，基于负载信源模拟模型，采用功率域多址接入方法，将波束覆盖范围内的多个用户的业务流数据进行功率域叠加并向低轨卫星发送。
步骤5，作为接收端的低轨卫星采用干扰消除方法，提取接收到的多个用户信号。
本发明提供的一种面向低轨卫星星座的跳波束多址接入方法，为了更好的满足低轨卫星接入地面终端传输业务对时延、吞吐量、可靠性与持续服务时间的QoS需求，提出了一种面向低轨卫星星座的跳波束多址接入方法，通过构建用户的自相似信源模型与低轨卫星星座的跳波束时隙模型，根据用户需求进行时隙的分配并激活用户组相对应的波束；在分配的时隙中，通过激活的跳波束，采用功率域多址接入方法，将波束覆盖范围内多个用户的业务流数据进行功率域叠加并向低轨卫星发送；作为接收端的低轨卫星采用干扰消除方法，提取接收到的多个用户信号；采用跳波束技术，通过构建用户负载信源模拟与时隙模型，按需进行时隙的分配与波束的激活；从时间与功率两个维度提高了星上资源的利用率；即不需要所有的波束同时工作，按需选择其中的一部分波束进行多用户信号的发送与接收；同时，提高了多用户终端接入的服务质量；在动态地进行资源分配的同时满足各类用户的需求；同时在激活的波束中采用功率域多址接入方案，满足了用户的动态业务需求，提高了卫星资源的利用率。
实施例1
本发明提供的实施例1为本发明提供的一种面向低轨卫星星座的跳波束多址接入方法的实施例，结合图1和图2可知，跳波束多址接入方法的实施例包括：
步骤1，构建表示用户终端位于低轨通信卫星的阴面或阳面的自相似信源模型，得到用户终端的负载信源模拟模型。
在一种可能的实施例方式中，步骤1中，将用户终端位于低轨通信卫星的阳面定义为ON状态，位于低轨通信卫星的阴面定义为OFF状态，自相似信源模型选取典型自相似信源Pareto ON-OFF模型。
Pareto ON-OFF模型中，ON状态和OFF状态的持续时间均符合Pareto分布；Pareto分布的概率分布函数为：
f(x)＝akαx-(α+1)，0＜k≤x，α＞0
其中，x为ON状态或OFF状态的持续时间；α为形状参数，其决定Pareto分布特性；k为位置参数，其决定了产生随机数的下界，即状态持续时间的最小值。
由于低轨通信卫星和用户终端的相对运动，用户终端可能不停的在低轨通信卫星的阴面和阳面之间转换，可把位于阳面时定义为0N状态，位于阴面时定义为OFF状态，选取典型自相似信源Pareto ON-OFF模型，可很好模拟用户终端接入低轨通信卫星的信源特征。大量研究表明，计算机和通信系统会出现重尾特性，Pareto是最具有代表的重尾分布。其中ON状态信源产生数据分组，产生数据分组的大小服从某种概率分布，分组产生的间隔时间同样服从某种概率分布，转移到OFF状态的概率为β1。OFF状态信源不产生数据分组，转移到ON状态的概率为β2。
在一种可能的实施例方式中，形状参数a和位置参数k在ON状态时为(aon’kon)，在OFF状态时为(aoff’koff)。
基于此，在Pareto ON-OFF信源模型中，存在两组参数(aon’kon)，(aoff’koff)。由于用户终端仅在ON状态产生数据分组，所以用户终端的负载率可以由下式给出：
由此可以推出：
计算得到
其中，L为用户终端的负载率。
即当aon＝aoff时，用户终端的负载率仅与kon和koff有关。
根据形状参数a和位置参数k的计算公式调节不同用户终端负载状况下的仿真场景。
在一种可能的实施例方式中，步骤1中，卫星覆盖区域中有K个波束，同一时隙下一个波束中有M个用户终端；将这M个用户终端合并为一个用户组，每个时隙中有N个波束被激活，即有N个用户组，N≤K。
表示用户终端的负载；i＝1，2，...，N表示用户组的序号，j＝1，2，...，M表示一个波束中的用户终端序号。满足下式：
计算同一个波束内用户组的负载总和的公式为：
步骤2，建立低轨卫星星座的跳波束时隙模型，跳波束时隙模型包括预约时隙表和自由时隙分配表。
在一种可能的实施例方式中，步骤2中建立的低轨卫星星座的跳波束时隙模型的过程中，波束赋形天线在覆盖的服务区域产生K个波束，卫星总功率为Ptotal总带宽为Btotal。采用跳波束技术将总带宽Btotal以时隙为单位分配给各波束。
在低轨通信卫星每一帧的上行控制阶段，低轨卫星接收各波束在同一时隙下M个用户终端通过基站统一发送的时隙申请，并依据申请时隙数初始化预约时隙表与自由时隙分配表。预约时隙表的时间周期为T，时隙长度为Tslot，时间窗长度为W，其中
低轨卫星星座的时隙表为矩阵：S1，S2，S3，...，SN。预约时隙表与自由时隙分配表分别为矩阵：Y1，Y2，Y3，...，YN和Z1，Z2，Z3，...，ZN；其中N为申请时隙的用户组数，同时也是将要激活的波束的数目。
步骤3，将处于阳面状态的所有用户组写入自由时隙分配表，将有时隙申请需求的用户组写入预约时隙表；基于自由时隙分配表和预约时隙表进行时隙的分配，激活用户组相对应的波束。
在一种可能的实施例方式中，步骤3中写入自由时隙分配表和预约时隙表的过程包括：
遍历用户组终端状态表，将处于阳面状态的所有用户组的ID写入自由时隙分配表Z1，Z2，Z3，...，ZN，将有时隙申请需求的用户组ID、申请时隙数以及相应信源状态写入预约时隙表Y1，Y2，Y3，...，YN。
在一种可能的实施例方式中，基于自由时隙分配表和预约时隙表进行时隙的分配并激活用户组相对应的波束的过程还包括：
步骤301，对自由时隙分配表和预约时隙表内的用户组进行优先级排序。
步骤302，统计该低轨通信卫星帧中预约时隙表中申请时隙总数slot_sumreq：
如果一帧业务时隙总数slot_sumframe＞slot_sumrea，则表示该低轨通信卫星帧中仍有时隙剩余，则依次进行按需分配，剩余时隙按自由时隙分配表进行轮询分配；自由时隙分配表同样需要进行重排序操作，自由时隙分配表的优先级排序过程为统计申请时隙总数，将该申请时隙总数按从高到低的顺序排列，目的还是保证高优先级的用户组拥有更高的优先权。
如果一帧业务时隙总数slot_sumframe≤slot_sumreq，则表明一帧总时隙数不足以实现按需分配。为了保证用户的接入公平性，避免低时隙需求用户在优先级分配机制下持续分配不到业务时隙，需要进行加权分配处理，并跳过自由分配阶段；加权分配处理的公式为：
其中，slotallocated为时隙分配数，slot_req为申请时隙数。
步骤303，低轨卫星星上调度器根据优先级从小到大依次将时隙分配结果填入下行帧控制部分的时隙进行下发，则带宽需求越高的用户组越快能获得业务时隙分配；根据时隙分配的顺序激活波束簇中对应的波束。
在一种可能的实施例方式中，对预约时隙表内的用户组进行优先级排序的过程包括：
信源状态为阳面的用户组置于表顶端，信源状态为阴面的用户组置于表底部，目的是为了保证切换用户的高优先级。
相同信源状态用户，时隙申请数越多，则优先级序号越小，优先级越高。
将预约时隙表中条目按优先级序号从小到大排列。
步骤4，在分配的时隙中，通过激活的跳波束，基于负载信源模拟模型，采用功率域多址接入方法，将波束覆盖范围内的多个用户的业务流数据进行功率域叠加并向低轨卫星发送。
在一种可能的实施例方式中，步骤4包括：
步骤401，对不同用户信号s1，s2，...，sM进行编码调制，调制后的信号为
步骤402，考虑到LEO卫星系统的波束覆盖区域动态运动情况，解决分配的功率因子难以长时间维持的问题，本发明实施例中，采用用户的业务负载构造具有较强稳定特性的功率因子，根据不同用户的负载信源模拟模型得到的负载率，分配不同的功率因子δl，其中l＝1，2，...，M，并且满足
步骤403，对经过编码调制的信号分别乘以相对应的功率因子，最后叠加在一起，叠加公式为：/>
步骤5，作为接收端的低轨卫星采用干扰消除方法，提取接收到的多个用户信号。
在一种可能的实施例方式中，步骤5中提取的过程为：低轨卫星接收的信号包含多个用户的叠加信号，但是由于每个用户的功率是不同的，所以可以根据信号在功率上的大小差别，先将信号功率大的用户信号解调出来，此时将其他所有用户信号均看作噪声，然后再从接收到的信号中减去该已解调出的信号，继续解调其他信号；依次解调出一个信号，直到提取出所有的用户信号。
本发明实施例提出了一种面向低轨卫星星座的跳波束多址接入方法，将跳波束与多址接入方案相结合并应用于低轨卫星星座，满足了用户的动态业务需求，提高了卫星资源的利用率。即不需要所有的波束同时工作，按需选择其中的一部分波束工作。资源充分利用的同时满足用户的各类随需接入要求。同时，低轨卫星绕地球飞行，与地面的相对速度较大，地面终端目标对同一低轨卫星的可视时间比较短。低轨卫星的用户链路切换频率较高，对于终端接入的速度、平稳性、持续时间等的要求较高。本发明较好的满足了卫星对于多个终端用户接入的服务质量需求，降低了卫星多址接入的时隙切换时间。
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种面向低轨卫星星座的跳波束多址接入方法，其特征在于，所述跳波束多址接入方法包括：
步骤1，构建表示用户终端位于低轨通信卫星的阴面或阳面的自相似信源模型，得到用户终端的负载信源模拟模型；
步骤2，建立低轨卫星星座的跳波束时隙模型，所述跳波束时隙模型包括预约时隙表和自由时隙分配表；
步骤3，将处于阳面状态的所有用户组写入所述自由时隙分配表，将有时隙申请需求的用户组写入所述预约时隙表；基于所述自由时隙分配表和所述预约时隙表进行时隙的分配，激活用户组相对应的波束；
步骤4，在分配的时隙中，通过激活的跳波束，基于所述负载信源模拟模型，采用功率域多址接入方法，将波束覆盖范围内的多个用户的业务流数据进行功率域叠加并向低轨卫星发送；
步骤5，作为接收端的低轨卫星采用干扰消除方法，提取接收到的多个用户信号；
所述步骤1中，将用户终端位于低轨通信卫星的阳面定义为ON状态，位于低轨通信卫星的阴面定义为OFF状态，所述自相似信源模型选取Pareto ON-OFF模型；
所述Pareto ON-OFF模型中，ON状态和OFF状态的持续时间均符合Pareto分布；Pareto分布的概率分布函数为：
f(x)＝αkαx-(α+1),0<k≤x,α>0
其中，x为ON状态或OFF状态的持续时间；α为形状参数，其决定Pareto分布特性；k为位置参数，其决定了状态持续时间的最小值；
所述形状参数α和位置参数k在ON状态时为(αon,kon)，在OFF状态时为(αoff,koff)；
计算得到
其中，L为用户终端的负载率；
根据形状参数α和位置参数k的计算公式调节不同用户终端负载状况下的仿真场景。
2.根据权利要求1所述的跳波束多址接入方法，其特征在于，所述步骤1中，卫星覆盖区域中有K个波束，同一时隙下一个波束中有M个用户终端；将这M个用户终端合并为一个用户组，每个时隙中有N个波束被激活，即有N个用户组，N≤K；
表示用户终端的负载；i＝1,2,…,N表示用户组的序号，j＝1,2,…,M表示一个波束中的用户终端序号；
基于所述负载信源模拟模型计算用户终端的负载的公式为：
计算同一个波束内用户组的负载总和的公式为：
3.根据权利要求1所述的跳波束多址接入方法，其特征在于，所述步骤2中建立的低轨卫星星座的跳波束时隙模型的过程中，采用跳波束技术将总带宽Btotal以时隙为单位分配给各波束；
在低轨通信卫星每一帧的上行控制阶段，低轨卫星接收各波束在同一时隙下M个用户终端通过基站统一发送的时隙申请，并依据申请时隙数初始化所述预约时隙表与自由时隙分配表；所述预约时隙表的时间周期为T,时隙长度为Tslot，时间窗长度为W，其中
4.根据权利要求2所述的跳波束多址接入方法，其特征在于，所述预约时隙表与自由时隙分配表分别为矩阵：Y1,Y2,Y3,...,YN和Z1,Z2,Z3,...,ZN；
所述步骤3中写入所述自由时隙分配表和所述预约时隙表的过程包括：
遍历用户组终端状态表，将处于阳面状态的所有用户组的ID写入所述自由时隙分配表Z1,Z2,Z3,...,ZN，将有时隙申请需求的用户组ID、申请时隙数以及相应信源状态写入所述预约时隙表Y1,Y2,Y3,...,YN。
5.根据权利要求4所述的跳波束多址接入方法，其特征在于，所述步骤3基于所述自由时隙分配表和所述预约时隙表进行时隙的分配并激活用户组相对应的波束的过程还包括：
步骤301，对所述自由时隙分配表和所述预约时隙表内的用户组进行优先级排序；
步骤302，统计低轨通信卫星帧中所述预约时隙表中申请时隙总数slot_sumreq:
如果一帧业务时隙总数slot_sumframe>slot_sumreq，则表示该低轨通信卫星帧中仍有时隙剩余，则依次进行按需分配，剩余时隙按自由时隙分配表进行轮询分配；对所述自由时隙分配表同样进行重排序操作；
如果一帧业务时隙总数slot_sumframe≤slot_sumreq，则表明一帧总时隙数不足以实现按需分配，则需要进行加权分配处理，并跳过自由分配阶段；加权分配处理的公式为：
其中，slotallocated为时隙分配数，slot_req为申请时隙数；
步骤303，低轨卫星星上调度器根据优先级从小到大依次将时隙分配结果填入下行帧控制部分的时隙进行下发，则带宽需求越高的用户组越快能获得业务时隙分配；根据时隙分配的顺序激活波束簇中对应的波束。
6.根据权利要求5所述的跳波束多址接入方法，其特征在于，对所述预约时隙表内的用户组进行优先级排序的过程包括：
信源状态为阳面的用户组置于表顶端，信源状态为阴面的用户组置于表底部；
相同信源状态用户，时隙申请数越多，则优先级序号越小，优先级越高；
将所述预约时隙表中条目按优先级序号从小到大排列；
对所述自由时隙分配表内的用户组进行优先级排序的过程包括：
统计申请时隙总数，将该申请时隙总数按从高到低的顺序排列。
7.根据权利要求2所述的跳波束多址接入方法，其特征在于，所述步骤4包括：
步骤401，对不同用户信号s1,s2,...,sM进行编码调制，调制后的信号为
步骤402，采用用户的业务负载构造功率因子，根据不同用户的所述负载信源模拟模型得到的负载率，分配不同的功率因子δl，其中l＝1,2,...,M，并且满足
步骤403，对经过编码调制的信号分别乘以相对应的功率因子，最后叠加在一起，叠加公式为：/>
8.根据权利要求5所述的跳波束多址接入方法，其特征在于，所述步骤5中提取的过程为：先将信号功率大的用户信号解调出来，此时将其他所有用户信号均看作噪声，然后再从接收到的信号中减去该解调出的信号，继续解调其他信号；依次解调出一个信号，直到提取出所有的用户信号。
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