CN114944863B - 一种波束切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种波束切换算法，将影响小站业务实际业务速率的卫星天线发射EIRP和卫星天线接收G/T纳入到小站在当前及切换目的波束的地理位置的判决参数，生成双梯度圈地理位置判决模型ΔFOM＝CF(G/T)*[FOMdestination(G/T)‑FOMcurrent(G/T)]+CF(EIRP)*[FOMdestination(EIRP)‑FOMcurrent(EIRP)]；将波束内不同的地理方位转化成了波束切换的判定值，实现了权重因子可变的双梯度圈地理位置判决模型。

Description

一种波束切换方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，具体的，本发明涉及一种波束切换方法。
背景技术
目前针对高通量卫星条件下波束切换最为成熟的波束切换模型参数由三部分组成，分别为当前及切换目的波束的拥塞值（下文中用ΔCM表示）、小站在当前及切换目的波束的地理位置（在下文中用ΔFOM表示）以及波束切换迟滞值（在下文中用hys表示）。其中波束切换迟滞值会随着当前波束和目的波束之间的条件的不同而有差别。当前小站所处波束和目的波束属于同极化、同本振时，小站可以先锁定目的波束然后中断现有波束，实现通信链路不中断的软切换，此时波束切换迟滞值相对较低。当前小站所处波束和目的波束属于不同极化或者不同本振时，小站需要先中断现有波束，调整极化或者本振之后锁定目的波束，通信链路会中断15秒左右，此时是硬切换，波束切换迟滞值较大。在目的波束和小站当前所处波束属于不同卫星或者不同卫星关口站时，小站切换所需时间更长，波束切换迟滞值更高。不同的波束迟滞值反应了不同条件下小站波束切换的意愿，即尽量降低波束切换对小站业务的影响时间。
在波束交叠区，系统会自动计算波束切换系数（下文中用ΔDM表示），当小站处于波束交叠区时，所有的目的波束和小站所处的当前波束都会计算一个ΔDM值，如果ΔDM>0,代表当前波束优于目的波束，小站不会进行切换；当ΔDM<0,代表目的波束优于当前波束，小站会进行切换；如果小站处于多个波束的交叠区内，则ΔDM值最小的波束将成为小站使用的下一个波束。本发明提出了一种波束切换方法，针对ΔFOM值的内容进行优化。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种波束切换方法，以解决上述的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方法是：一种波束切换方法，其改进之处在于：包括以下的步骤：
S10、建立地理位置判决参数：
其中，为小站在当前及切换目的波束的地理位置，/>为小站地理位置在目的载波等高线中转化出的增益值，/>为小站地理位置在当前波束梯度圈中转化出的增益值；
S20、将从波束中央到边缘连续的EIRP和G/T衰减值进行量化，EIRP即天线的有效全向辐射功率，G/T即为接收天线增益和接收系统噪声温度之比；
S30、将卫星天线发射EIRP和卫星天线接收G/T纳入到小站在当前及切换目的波束的地理位置的判决参数，生成双梯度圈地理位置判决模型：
= CF（G/T）* [/>-/>] + CF(EIRP) * [-/>]；
其中，为小站在当前及切换目的波束的地理位置，/>为小站在当前波束中的地理位置按照星上天线接收G/T进行等高线切分的衰减值，为小站在当前波束中的地理位置按照星上天线发射EIRP进行等高线切分的衰减值，/>为小站在目标波束中的地理位置按照星上天线接收G/T进行等高线切分的衰减值，/>为小站在目标波束中的地理位置按照星上天线发射EIRP进行等高线切分的衰减值，CF（G/T）为G/T校正因子，CF(EIRP)为EIRP校正因子。
在上述算法中，所述步骤S30中，通过设置EIRP校正因子大于G/T校正因子，使得EIRP因素在双梯度圈地理位置判决模型中所占权重更高，利于在小站的接收信噪比SNR出现下降时切换波束。
在上述算法中，所述步骤S30中，通过设置G/T校正因子大于EIRP校正因子，使得G/T因素在双梯度圈地理位置判决模型中所占权重更高，利于小站的发射载噪比C/No出现下降时切换波束。
在上述算法中，针对不同口径的天线设置不同的CF（G/T）值，使得小站实际发生波束切换的地理位置与小站发射速率的衰减量强相关。
在上述算法中，通过提高EIRP的值，提高小站的接收效率，保持小站在波束切换中的接收性能。
在上述算法中，通过提高G/T的值，提高小站的发射效率，保持小站在波束切换中的发射性能。
本发明的有益效果是：将影响小站业务实际业务速率的卫星天线发射EIRP和卫星天线接收G/T纳入到小站在当前及切换目的波束的地理位置的判决参数中，将波束内不同的地理方位转化成了波束切换的判定值，实现了权重因子可变的双梯度圈地理位置判决模型，使得点波束条件下客户小站进行波束切换的位置可以个性化定制，更好地满足不同口径、不同业务需求的客户要求。
附图说明
附图1为梯度圈模型图。
附图2为梯度圈值切换示意图。
附图3为双梯度圈基于EIRP加G/T双圈地理位置进行切换判决示意图。
附图4为不同口径小站最大发射能力和G/T衰减的关系。
附图5为0.6m小站和1m小站的接收效率（bps/sps)损失和EIRP衰减值的关系。
附图6为0.6m小站和1m小站发射效率（bps/Hz)损失和G/T衰减值的关系。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
用代表目的波束的当前的拥塞值，用/>代表当前波束的拥塞值，用/>代表小站地理位置在目的载波等高线中转化出的增益值，用/>代表小站地理位置在当前波束梯度圈中转化出的增益值，用/>代表软切换条件下的迟滞值，用/>代表硬切换条件下增加的迟滞值，用/>代表在不同卫星或不同关口站之前切换所新增的迟滞值，则有以下公式成立：
拥塞参数：
（1）
地理位置判决参数：
（2）
如果当前波束和目的波束同本振同极化，则：
Δ（3）
如果当前波束和目的波束不同本振或不同极化，则
Δ（4）
如果当前波束和目的波束属于不同卫星，或不同关口站管辖，则
（5）
本发明的一种波束切换方法，针对现有的波束切换思想进行改进，针对ΔFOM值的内容进行优化，将影响小站业务实际业务速率的卫星天线发射EIRP和卫星天线接收G/T纳入到小站在当前及切换目的波束的地理位置的判决参数中，具体，包括以下的步骤：
S10、建立地理位置判决参数：
其中，为小站在当前及切换目的波束的地理位置，/>为小站地理位置在目的载波等高线中转化出的增益值，/>为小站地理位置在当前波束梯度圈中转化出的增益值；
S20、将从波束中央到边缘连续的EIRP和G/T衰减值进行量化，EIRP即天线的有效全向辐射功率，G/T即为接收天线增益和接收系统噪声温度之比；
S30、将卫星天线发射EIRP和卫星天线接收G/T纳入到小站在当前及切换目的波束的地理位置的判决参数，生成双梯度圈地理位置判决模型：
= CF（G/T）* [/>-/>] + CF(EIRP) * [-/>]；
其中，为小站在当前及切换目的波束的地理位置，/>为小站在当前波束中的地理位置按照星上天线接收G/T进行等高线切分的衰减值，为小站在当前波束中的地理位置按照星上天线发射EIRP进行等高线切分的衰减值，/>为小站在目标波束中的地理位置按照星上天线接收G/T进行等高线切分的衰减值，/>为小站在目标波束中的地理位置按照星上天线发射EIRP进行等高线切分的衰减值，CF（G/T）为G/T校正因子，CF(EIRP)为EIRP校正因子。从而将波束内不同的地理方位转化成了波束切换的判定值，并且将影响小站收发性能的两个重要参数，即卫星天线发射EIRP和卫星天线接收G/T，都纳入卫星波束切换的地理判决因素进行考量。
EIRP（Equivalent Isotropic Radiated Power），即天线的有效全向辐射功率。如果卫星天线针对某个地理位置的发射机输出功率为PT，天线发射增益为GT，馈线损耗为LTX，则卫星天线的有效全向辐射功率为：
(dBw)(6)
卫星天线的下行发射EIRP主要影响小站的接收性能。当其它条件不变时，小站所处地理位置卫星天线发射EIRP越高，小站的最大接收速率越高。
卫星天线的G/T即为接收天线增益和接收系统噪声温度之比，又称为卫星接收天线的品质因素，如果卫星天线针对某个地理位置发送上来的信号增益为GR，接收系统的噪声温度为T，G/T计算方法为：
(dB/K)(7)
卫星天线的上行接收G/T主要影响小站的回传性能。当其它条件不变时，小站所处地理位置的卫星天线接收G/T越高，小站最大的回传速率越高。
在高通量卫星点波束环境下，卫星天线的发射EIRP和接收G/T均随着点波束的中心到边缘依次下降，而且卫星天线的发射增益和接收增益在不同地理位置会有所差异，导致在不同点波束内，卫星天线的发射EIRP和接收G/T下降的幅度和梯度是有差异的。因此在本发明提出的算法中，卫星天线的发射EIRP和接收G/T被分别纳入波束切换的地理因素考量。
对于高通量卫星点波束，其卫星天线发射EIRP和发射G/T是连续递降的，为了使得这种递降在基带系统中可以被纳入考量，需要将EIRP和G/T的变化离散化。在实际使用中我们可以将波束中心和波束边缘中小站发射和接收能力的递减看成等高线，在相同等高线之间所有的地理位置相对于波束中心的衰减值相同。则点波束内小站发射性能的变化可以被离散化，从而能够进入系统进行处理。这种离散化的方法命名为梯度圈，梯度圈模型如图1所示，图1是单个波束的FOM值示意图，FOM值即地理位置等高线增益值，其中最内圈是波束核心圈，代表由于EIRP或者G/T值的衰减，小站最大速率相对于波束中心降低1000ksps的等高线；中间圈是波束中圈，代表由于EIRP或G/T值衰减，小站最大速率相对于波束中心降低2000ksps的等高线；最外圈是波束外圈，代表由于EIEP或G/T值衰减，小站最大速率降低3000ksps的等高线。箭头线为小站的行进轨迹，A、B、C、D四点为小站进行轨迹上的四个地理方位。由于A点和D点均在波束中圈和波束外圈之间，B点和C点均在波束中圈和波束内圈之间，因此小站在A点和D点时FOM值均为3000（ksps），B点和C点时FOM值均为2000（ksps）。通过梯度圈图，点波束从中心到边缘的FOM因素（EIRP或G/T）的衰减量被离散化表示了。图2是小站在波束间切换的示意图，两个波束的内圈，中圈和外圈的FOM值分别为1000、2000和3000。其中箭头为小站的轨迹，小站在A点时，；小站运行到B点时，/>；小站运行到C点时，/>；小站运行到D点时，/>-1000。如果两个波束的拥塞情况相同，波束切换的迟滞值绝对值小于|/>|（|/>|即为D点处/>的绝对值)，则小站在C-D两点之间，出左侧波束中圈时，就将完成波束切换。基于等高线法则的小站地理位置定位，将从波束中央到边缘连续的EIRP或G/T衰减值进行了量化，从而将波束内不同的地理方位转化成了波束切换的判定值。
进一步的，对于更重视接收业务的小站，可设置CF(EIRP)>CF(G/T)，即EIRP校正因子大于G/T校正因子，使得EIRP因素在双梯度圈地理位置判决模型中所占权重更高，更利于在小站的接收信噪比SNR出现下降时切换波束。对于更重视发射业务的小站，可以设置CF（G/T）>CF（EIRP），即G/T校正因子大于EIRP校正因子，使得G/T因素在双梯度圈地理位置判决模型中所占权重更高，更利于小站的发射载噪比C/No出现下降时切换波束。图3示出了双梯度圈基于EIRP加G/T双圈地理位置进行切换判决，图中左右两圈分别是高通量卫星的两个点波束，左右两圈中由内向外，左圈中的第一圈（即最内圈）、第三圈和右圈中的第三圈、第五圈（即最外圈）代表基于卫星接收G/T的判决圈，左圈中的第二圈、第四圈（即最外圈）和右圈中的第一圈（即最内圈）、第二圈、第四圈代表基于卫星发射EIRP的判决圈，箭头代表小站的运动轨迹。A、B、C、D分别是小站运动的四个点，我们可以调整参数，确定小站发生波束切换的时间。在图3中，左圈点波束的EIRP随波束半径衰减速度较右圈点波束慢，而左圈点波束的G/T随半径的衰减速度较右圈点波束快。因此，对于以接收/下载业务为主的小站，希望尽量晚启动波束切换，使得小站能够在旧波束上多呆；而对于以发射/回传业务为主的小站，则希望尽快进行点波束的切换，使得小站能够尽快切到右圈G/T条件更好的波束上去。具体的，参照图3所示，假设【(1)CF（G/T）=CF（EIRP）=1，(2)波束拥塞值ΔCM和波束切换迟滞值hys之和为0，即ΔCM+hys=0】，
则小站到达A点时，=2000，/>=2000，=5000，/>=3000，此时/>=CF（G/T）*[-/>]+CF(EIRP) * [/>-/>]=2000，由于波束切换系数ΔDM=2000>0,不发生切换；小站到达B点时，/>=900，/>=2000，/>=5000，/>=3000，此时/>=CF（G/T）*[/>-/>]+CF(EIRP) * [/>-]=900. 由于ΔDM=900>0,不发生切换；小站到达C点时，/>=900，/>=2000，/>=3600，/>=3000，此时/>=CF（G/T）*[/>-/>]+CF(EIRP) * [/>-]=-500. 此时ΔDM=-500<0, 因此从C点开始触发波束切换，小站切向新的波束。当此时小站是个以接收业务为主的小站，希望EIRP参数在切换过程中发挥更大的作用，因此设定【(1)CF（G/T）=1，CF（EIRP）=2，(2)波束拥塞值ΔCM和波束切换迟滞值hys之和为0，即ΔCM+hys=0】，则小站到达A点时，/>=2000，/>=2000，=5000，/>=3000，此时/>=CF（G/T）*[-/>]+CF(EIRP) * [/>-/>]=4000. 由于波束切换系数ΔDM=4000>0,不发生切换；小站到达B点时，/>=900，/>=2000，/>=5000，/>=3000，此时/>=CF（G/T）*[/>-/>]+CF(EIRP) * [/>-]=2900. 由于波束切换系数ΔDM=2900>0,不发生切换；小站到达C点时，=900，/>=2000，/>=3600，/>=3000，此时/>=CF（G/T）*[/>-/>]+CF(EIRP) * [-/>]=100，此时波束切换系数ΔDM=100>0，不发生切换；小站到达D点时，/>=900，/>=2500，/>=1000，/>=3000，此时/>=CF（G/T）*[/>-/>]+CF(EIRP) * [/>-/>]=-5600. 此时波束切换系数ΔDM=-5600<0,因此小站在D点触发波束切换机制，切换到新的波束上去。当小站是个以回传业务为主的小站，希望G/T参数在切换过程中发挥更大的作用，因此设定【(1)CF（G/T）=2，CF（EIRP）=1，(2)波束拥塞值ΔCM和波束切换迟滞值hys之和为0，即ΔCM+hys=0】，则小站到达A点时，=2000，/>=2000，/>=5000，=3000，此时/>=CF（G/T）*[/>-/>]+CF(EIRP) * [/>-/>]=2000，由于波束切换系数ΔDM=2000>0，不发生切换；小站到达B点时，/>=900，/>=2000，=5000，/>=3000，此时/>=CF（G/T）*[-/>]+CF(EIRP) * [/>-/>]=-200，此时波束切换系数ΔDM=-200<0,因此小站在B点触发波束切换机制，切换到新的波束上去。以上，通过不同的CF(G/T)和CF（EIRP）参数设置，阐述了小站切换波束地理位置的区别。
波束切换的等高线值是根据在相同功放条件下小站相对于波束中心点的最大发射速率递减量决定的，但是对于不同口径的天线，相同的波束G/T衰减量所造成的小站发射衰减速率有差别。如图4所示，引入CF（G/T）判决因子之后，另一大好处是可以针对不同口径的天线设置不同的CF（G/T）值，使得小站实际发生波束切换的地理位置与小站发射速率的衰减量强相关，以便适应相同波束下不同口径天线针对相同G/T衰减量，发射速度衰减不同的问题。
进一步的，本算法可通过提高EIRP的值，以提高小站的接收效率，保持小站在波束切换过程中的接收性能；也可以通过提高G/T的值，以提高小站的发射效率，保持小站在波束切换中的发射性能。具体的，参照图5和图6所示，图5是0.6m和1m小站的接收效率(单位：bps/sps，其中bps是信息速率，sps是符号率)随波束切换点EIRP的衰减值的变化情况，可以从图5看出，对于0.6m天线，通过调整波束EIRP切换因子的方式，将波束切换点的EIRP值每提高1dB，小站的接收效率就可以提高约0.1bps/sps~0.2bps/sps左右。按照常见的接收的DVB-S2X载波是10Msps计算，可以额外转化出1~2Mbps的小站接收速率；对于1m的天线，通过调整EIRP波束切换因子的方式，将波束切换点的EIRP每提高1dB，小站的接收效率就可以提高约0.2bps/sps~0.3bps/sps左右，按照常见的接收的DVB-S2X载波是10Msps计算，可以额外转化出2~3Mbps的小站接收速率，这将有助于小站波束切换过程中接收性能的保持。图6是0.6m和1m小站发射效率(单位：bps/Hz,其中bps是信息速率，Hz是带宽）随波束切换点G/T衰减值的变化情况，可以从图6看出，对于0.6m的天线，通过调整波束G/T切换因子的方式，将波束切换点的G/T值每提高2dB，小站的发射效率就可以提高0.2bps/Hz左右，按照常见的2MHz返向载波计算，可以额外转化出约200kbps的小站发送速率；对于1m的天线，通过调整G/T切换因子的方式，将波束切换点的G/T每提高2dB，小站的接收效率可以提高0.1bps/Hz左右，按照常见的2MHz返向载波计算，可以额外转化出400kbps的小站发送速率，这将有助于小站波束切换过程中发射性能的保持。
本发明将影响小站业务实际业务速率的卫星天线发射EIRP和卫星天线接收G/T纳入到小站在当前及切换目的波束的地理位置的判决参数中，将波束内不同的地理方位转化成了波束切换的判定值，实现了权重因子可变的双梯度圈地理位置判决模型，使得点波束条件下客户小站进行波束切换的位置可以个性化定制，更好地满足不同口径、不同业务需求的客户要求。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.一种波束切换方法，其特征在于：包括以下的步骤：
S10、建立地理位置判决参数：
其中，为小站在当前及切换目的波束的地理位置，/>为小站地理位置在目的载波等高线中转化出的增益值，/>为小站地理位置在当前波束梯度圈中转化出的增益值；
S20、将从波束中央到边缘连续的EIRP和G/T衰减值进行量化，EIRP即天线的有效全向辐射功率，G/T即为接收天线增益和接收系统噪声温度之比；
S30、将卫星天线发射EIRP和卫星天线接收G/T纳入到小站在当前及切换目的波束的地理位置的判决参数，生成双梯度圈地理位置判决模型：
= CF（G/T）* [/>-/>] + CF(EIRP) * [-/>]；
其中，为小站在当前及切换目的波束的地理位置，/>为小站在当前波束中的地理位置按照星上天线接收G/T进行等高线切分的衰减值，/>为小站在当前波束中的地理位置按照星上天线发射EIRP进行等高线切分的衰减值，为小站在目标波束中的地理位置按照星上天线接收G/T进行等高线切分的衰减值，/>为小站在目标波束中的地理位置按照星上天线发射EIRP进行等高线切分的衰减值，CF（G/T）为G/T校正因子，CF(EIRP)为EIRP校正因子；
所述步骤S30中，通过设置EIRP校正因子大于G/T校正因子，使得EIRP因素在双梯度圈地理位置判决模型中所占权重更高，利于在小站的接收信噪比SNR出现下降时切换波束；
所述步骤S30中，通过设置G/T校正因子大于EIRP校正因子，使得G/T因素在双梯度圈地理位置判决模型中所占权重更高，利于小站的发射载噪比C/No出现下降时切换波束；
针对不同口径的天线设置不同的CF（G/T）值，使得小站实际发生波束切换的地理位置与小站发射速率的衰减量强相关。
2.如权利要求1所述的一种波束切换方法，其特征在于：通过提高EIRP的值，提高小站的接收效率，保持小站在波束切换中的接收性能。
3.如权利要求1所述的一种波束切换方法，其特征在于：通过提高G/T的值，提高小站的发射效率，保持小站在波束切换中的发射性能。
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