CN114978282B - 一种卫星功率分配方法及卫星功率多入多出分配系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种卫星功率分配方法及卫星功率多入多出分配系统，涉及卫星通信技术领域，该方法包括：S1、获取各波束内用户终端平均增益效果因子g；S2、建立卫星波束传输容量模型；S3、建立优化模型，N为卫星的波束数量；S4、通过最优解搜索算法得到输出的各波束最优功率Pi，实现了不同波束的功率动态调配，实现卫星功率资源的高效利用。

Description

一种卫星功率分配方法及卫星功率多入多出分配系统
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，具体的，本发明涉及一种卫星功率分配方法及卫星功率多入多出分配系统。
背景技术
高通量卫星是新一代通信卫星，通过改变传统宽波束卫星单波束或少量通信波束的覆盖形态，使用多达几十个甚至上百个波束覆盖的方式增加卫星的通信容量。现有的高通量卫星技术中，卫星经过功率放大器后的总输出功率平均分配到每一个波束，用以这些波束下用户的通信服务。但是，这种功率分配方式难以克服地域上用户通信需求分布不均的问题，使得用户需求大的地方功率资源不够，而用户需求小的地方功率资源闲置，大大降低了卫星资源的使用效率；并且现有的卫星多波束分配机理，大多数还沿用功率带宽平衡约束条件，在当前卫星天线终端越来越多样化的今天，从单一的抛物面天线到平板天线、相控阵天线，这种方法没有充分考虑到网内不同用户天线终端的差异性，站在卫星操作和运营者角度，没有充分利用用户天线的高性能来节省卫星的功率资源。
因此，需要一种方案实现不同波束的功率动态调配，同时，在突破功率带宽平衡的约束下，实现卫星功率资源的高效利用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种卫星功率分配方法及卫星功率多入多出分配系统，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：一种卫星功率分配方法，其改进之处在于：包括以下的步骤：
S1、获取各波束内用户终端平均增益效果因子g；
S2、建立卫星波束传输容量模型
Ci是第i个卫星波束的总传输容量，B是卫星转发器总带宽，Ptotal是卫星总输出功率，gi是第i个波束内用户终端平均增益效果因子，γi是第i个波束内设定的编码调制系数，Pi是第i个波束所对应的分配的发射功率；
S3、建立优化模型
Pi≥0
N为卫星的波束数量；
S4、通过最优解搜索算法得到输出的各波束最优功率Pi。
在上述方法中，所述步骤S1中，所述用户终端平均增益效果因子g，通过当前和之前测量的发射功率，以及用户终端反馈的速率，计算得到。
在上述方法中，所述步骤S4，包括以下的步骤：
S41、令f(xk)代表优化模型目标函数初始化0＜δ＜1，0＜ε＜1，/>，初始搜索尺度H0为单位阵I0，初始化搜索索引k＝0；
S42、计算当||Gk||≤ε，搜索停止，输出搜索结果xk为各波束最优功率分配；
S43、计算搜索方向：Dk＝-HkGk；
S44、求满足f(xk+δmDk)≤f(xk)+δmGk TDk的最小m，记为mk；
S45、令sk＝xk+1-xk，/>
S46、令k＝k+1，循环跳转至步骤S42；
S47、迭代终止后得到输出的各波束最优功率Pi。
本发明还提供了一种卫星功率多入多出分配系统，包括终端测量单元和多入多出分配系统，多入多出分配系统包括有上下两个输入端口的输入单元和有上下两个输出端口的输出单元；
终端测量单元用于通过当前和之前测量的发射功率，以及用户终端反馈的速率，计算得到用户终端平均增益效果因子；
输入单元与输出单元通信，接收卫星功率后按照所述的卫星功率分配方法分配给输出单元输出。
在上述系统中，所述多入多出分配系统还包括功率放大单元，输入单元与功率放大单元通信，接收卫星功率后给功率放大单元进行放大，放大后的功率按照所述的卫星功率分配方法分配给输出单元输出。
在上述系统中，所述多入多出分配系统是2×2矩阵，将该2×2矩阵以两行两列的方式排列，并将第一行第一列2×2矩阵的输出侧靠下的半边的端口与第二行第二列2×2矩阵的输入侧的靠上的半边的端口相连，第二行第一列2×2矩阵的输出侧的靠上的半边的端口与第一行第二列2×2矩阵的输入侧的靠下的半边的端口相连，形成22×22矩阵；
依次递归，将2x-1×2x-1矩阵以两行两列的方式排列，并将第一行第一列2x-1×2x-1矩阵的输出侧靠下的半边的端口与第二行第二列2x-1×2x-1矩阵的输入侧的靠上的半边的端口相连，第二行第一列2x-1×2x-1矩阵的输出侧的靠上的半边的端口与第一行第二列2x-1×2x-1矩阵的输入侧的靠下的半边的端口相连，形成2x×2x的矩阵，x为大于1的任意自然数。
本发明的有益效果是：考虑了网内不同用户终端卫星天线性能的差异性，让各波束功率分配按照用户需求来动态变化、匹配，在用户需求大的地方多分功率资源，用户需求小的地方少分功率资源，解决了地域上用户通信需求分布不均的问题，实现了不同波束的功率动态调配，实现卫星功率资源的高效利用；并且可以根据高通量波束数量的需要，扩展入出的规模，将功率由任意输入端口分配到任意输出端口输出。
附图说明
附图1为本发明的一种卫星功率分配方法的流程图示意图。
附图2为本发明的多入多出分配系统的结构示意图。
附图3为本发明的22×22矩阵的结构示意图。
附图4为本发明的8×8矩阵的结构示意图。
附图5为本发明的16×16矩阵的结构示意图。
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。
为了克服地域上用户通信需求分布不均的问题，让各波束功率分配按照用户需求来动态变化、匹配，在用户需求大的地方多分功率资源，用户需求小的地方少分功率资源，考虑网内不同用户终端卫星天线性能的差异性，打破传统功率带宽平衡限制，参照图1所示，本发明提供了一种卫星功率分配方法，包括以下的步骤：
S1、获取各波束内用户终端平均增益效果因子g；
具体的，所述用户终端平均增益效果因子g，通过当前和之前测量的发射功率，以及用户终端反馈的速率，计算得到。
S2、建立卫星波束传输容量模型
Ci是第i个卫星波束的总传输容量，B是卫星转发器总带宽，Ptotal是卫星总输出功率，gi是第i个波束内用户终端平均增益效果因子，用以表征卫星波束内用户终端的性能，γi是第i个波束内设定的编码调制系数，反映了调制阶数、信道编码速率等因素，这些因素由卫星运营商主站基带系统根据天气等通信条件在系统里设定，Pi是第i个波束所对应的输出端口分配的发射功率。
第i个波束内用户终端平均增益效果因子gi与链路实际速率的关系，可由下述方式进行推导，
卫星波束内用户瞬时传输容量为
Bu为用户使用带宽，Prx为用户接收有用信号功率，Iu为用户收到的环境干扰功率；
进一步，用户接收有用信号功率可表示为
Prx＝Ptx·gi·d-α#(2)
Ptx为卫星在该波束下的发射功率，d为无线电信号传播距离，α为无线电大尺度衰落因子；
采用简化模型描述变量关系的方法，将用户使用带宽看为一个给定常系数数值，则公式(1)可以简化为
为了进一步简化模型，用户在某个特定的稳定环境下所受到的干扰在长期范围内可以视为一个稳定数值，并代入公式(2)，其中，卫星在该波束下的发射功率也可以看作常系数，公式(1)可以进一步简化为
Ru＝log2(gi·d-α)
＝log2(gi)+log2(d-α)
＝log2(gi)-αlog2(d)#(3)
公式(3)可以反映出用户实际速率与用户终端性能所反映的增益效果因子gi之间的关系。从中可以看出，用户终端性能的提升，可以使实际传输能力提升，因此，可以给这些终端性能好的用户聚集波束分配更低的单位带宽功率，给终端性能不好的用户聚集波束分配更高的单位带宽功率，以实现所有用户体验感提升，同时提高卫星功率资源在改善用户体验方面的效率。
S3、建立优化模型，因为当增加的卫星发射功率超过某一水平之后，新增的每一个功率单位投入换来的波束容量的提升会下降，因此，对于最大化功率利用效率而言，是在功率-容量关系中，上升快速的时候多分配功率，对于那些功率资源比较“饱和”的用户，不再增加或者减少功率资源分配，利用这种特性，建立如下优化模型
Pi≥0
N为卫星的波束数量，Ci是步骤S2中的第i个卫星波束的总传输容量；
优化模型描述的场景是一个N个波束的高通量卫星，星上转发器总带宽B，卫星总发射功率是Ptotal，星载的终端测量单元测量并计算得到的各波束用户终端平均增益效果因子为gi，通过本发明的卫星功率多入多出分配系统给每个波束分配的输出功率为Pi，每个波束对应获得传输容量为Ci。
S4、为了使边际效应影响最小，通过搜索算法来分配各波束分配的输出功率Pi，
具体的，令f(xk)代表优化模型目标函数进行如下方法搜索最优解，通过最优解搜索算法得到输出的各波束最优功率Pi，包括以下的步骤：
S41、初始化0＜δ＜1，0＜ε＜1，初始搜索尺度H0为单位阵I0，初始化搜索索引k＝0；
S42、计算当||Gk||≤ε，搜索停止，输出搜索结果xk为各波束最优功率分配；
S43、计算搜索方向：Dk＝-HkGk；
S44、求满足f(xk+δmDk)≤f(xk)+δmGk TDk的最小m，记为mk；
S45、令sk＝xk+1-xk，/>
S46、令k＝k+1，循环跳转至步骤S42；
S47、迭代终止后得到输出的各波束最优功率Pi。
本发明还提供了一种卫星功率多入多出分配系统，参照图2所示的实施例之一，包括终端测量单元和多入多出分配系统，该多入多出分配系统包括有上下两个输入端口(即图2中左侧的1和2)的输入单元和有上下两个输出端口(即图2中右侧的1和2)的输出单元；终端测量单元可以通过当前和之前测量的发射功率，以及用户终端反馈的速率，计算得到用户终端平均增益效果因子g，用户终端平均增益效果因子g反映了用户终端的性能；输入单元与输出单元通信，接收卫星功率后按照所述的卫星功率分配方法分配给输出单元输出，输入端口1和2可以任意分配其功率至输出端口1和2。进一步的，所述多入多出分配系统还包括功率放大单元(因功率放大单元在本技术领域中属于常规技术，本技术领域内的技术人员都了解功率放大单元的结构和应用，因此此处省略了对功率放大单元的详细说明，附图中也未示出)，输入单元与功率放大单元通信，由输入单元中的输入端口1和输入端口2接收卫星功率后给功率放大单元进行放大，功率放大单元与输出单元通信，放大后的功率按照所述的卫星功率分配方法分配给输出单元，由输出单元中的输出端口1和输出端口2输出，实现任意输入端口功率分配到任意输出端口，并且可以根据高通量波束数量的需要，扩展到2x入2x出的规模，其中，2x即为可以支持的波束数量，具体结构为：所述多入多出分配系统是2×2矩阵，将该2×2矩阵以两行两列的方式排列，并将第一行第一列2×2矩阵的输出侧靠下的半边的端口与第二行第二列2×2矩阵的输入侧的靠上的半边的端口相连，第二行第一列2×2矩阵的输出侧的靠上的半边的端口与第一行第二列2×2矩阵的输入侧的靠下的半边的端口相连，形成22×22矩阵；依次递归，将2x-1×2x-1矩阵以两行两列的方式排列，并将第一行第一列2x-1×2x-1矩阵的输出侧靠下的半边的端口与第二行第二列2x-1×2x-1矩阵的输入侧的靠上的半边的端口相连，第二行第一列2x-1×2x-1矩阵的输出侧的靠上的半边的端口与第一行第二列2x-1×2x-1矩阵的输入侧的靠下的半边的端口相连，形成2x×2x的矩阵，x为大于1的任意自然数；结合终端测量单元，按本发明的卫星功率分配方法，可以将卫星功率有效地分配到各输出口，提高各卫星波束的功率资源利用效率。
参照图3所示，为本发明的卫星功率多入多出分配系统的实施例之一，包括终端测量单元和22×22矩阵，22×22矩阵是将所述2×2矩阵以两行两列的方式排列，并将第一行第一列2×2矩阵的输出侧靠下的半边的端口与第二行第二列2×2矩阵的输入侧的靠上的半边的端口相连，第二行第一列2×2矩阵的输出侧的靠上的半边的端口与第一行第二列2×2矩阵的输入侧的靠下的半边的端口相连，形成22×22矩阵。其中，左侧为输入端口，右侧为输出端口，输入端口1、2、3、4可以任意分配其功率至输出端口1、2、3、4。终端测量单元可以通过当前和之前测量的发射功率，以及用户终端反馈的速率，计算得到用户终端平均增益效果因子g，2×2的矩阵即多入多出分配系统。
结合图4所示，为本发明的卫星功率多入多出分配系统的实施例之一，包括终端测量单元和8×8矩阵，8×8矩阵是将所述22×22矩阵以两行两列的方式排列，并将第一行第一列22×22矩阵的输出侧靠下的半边的端口与第二行第二列22×22矩阵的输入侧的靠上的半边的端口相连，第二行第一列22×22矩阵的输出侧的靠上的半边的端口与第一行第二列22×22矩阵的输入侧的靠下的半边的端口相连，形成8×8矩阵，其中，左侧为输入端口，右侧为输出端口，输入端口1-8可以任意分配其功率至输出端口1-8。终端测量单元可以通过当前和之前测量的发射功率，以及用户终端反馈的速率，计算得到用户终端平均增益效果因子g。
结合图5所示，为本发明的卫星功率多入多出分配系统的实施例之一，包括终端测量单元和16×16矩阵，16×16矩阵是将所述8×8矩阵以两行两列的方式排列，并将第一行第一列8×8矩阵的输出侧靠下的半边的端口与第二行第二列8×8矩阵的输入侧的靠上的半边的端口相连，第二行第一列8×8矩阵的输出侧的靠上的半边的端口与第一行第二列8×8矩阵的输入侧的靠下的半边的端口相连，形成16×16矩阵，其中，左侧为输入端口，右侧为输出端口，输入端口1-16可以任意分配其功率至输出端口1-16。终端测量单元可以通过当前和之前测量的发射功率，以及用户终端反馈的速率，计算得到用户终端平均增益效果因子g。
依此递归，本发明将2x-1×2x-1矩阵以两行两列的方式排列，并将第一行第一列2x-1×2x-1矩阵的输出侧靠下的半边的端口与第二行第二列2x-1×2x-1矩阵的输入侧的靠上的半边的端口相连，第二行第一列2x-1×2x-1矩阵的输出侧的靠上的半边的端口与第一行第二列2x-1×2x-1矩阵的输入侧的靠下的半边的端口相连，形成2x×2x的矩阵，x为大于1的任意自然数，结合终端测量单元，本发明的系统可以保障任意输入端口的卫星功率，按本发明的卫星功率分配方法，有效地分配到任意输出端口，提高各卫星波束的功率资源利用效率。
下面将以90波束的高通量点波束卫星，按照本发明的系统和方法进行功率分配的说明。选用大于90的最小2x的数值(27＝128)，即128端口卫星功率多入多出分配系统作为卫星星载功率放大器，实现各输入端口功率资源向各输出端口的任意灵活分配，进而在此128端口卫星功率多入多出分配系统的各输出端口确定分配的输出功率。获取该卫星转发器总带宽B、卫星总输出功率Ptotal，根据卫星星载的终端测量单元获得各波束内用户终端平均增益效果因子gi，(gi是第i个波束内用户终端平均增益效果因子)，由该卫星运营商主站基带系统获得编码调制系数γi，(γi是第i个波束内设定的编码调制系数)，
建立优化模型
Pi≥0
其中，
对Pi的最优分配方案按如下的步骤1-步骤7进行搜索，
步骤1：初始化0＜δ＜1，0＜ε＜1，初始搜索尺度H0为单位阵I0，初始化搜索索引k＝0；进一步的，初始化0＜δ＜＜1，0＜ε＜＜1，例如，初始化δ＝0.00001，ε＝0.00001，δ、ε为搜索步进相关量，可根据设计者需要设定，在这里使用0.00001作为实施例之一；
步骤2：计算当||Gk||≤ε，搜索停止，输出搜索结果xk为各波束最优功率分配；
步骤3：计算搜索方向：Dk＝-HkGk；
步骤4：求满足f(xk+δmDk)≤f(xk)+δmGk TDk的最小m，记为mk；
步骤5：令sk＝xk+1-xk，/>
步骤6：令k＝k+1，循环到步骤2；
步骤7：迭代终止后得到输出的各波束最优功率Pi。
依据此分配方案将卫星总功率通过本发明的卫星功率多入多出分配系统分配到128个输出端口，最终由卫星星载天线辐射到地球。实施效果如下：
可以看出，应用本发明的系统和方法，相较于容量最大的功率分配原则，可以大大降低速率5Mbps以下波束占比，而5Mbps以下波束速率是用户极差体验的系统速率，因此本发明可以大大降低用户极差体验的概率；同时，相较于比例公平的功率分配原则，本发明的总吞吐量更高，提高约9.3％，说明本发明可以更大利用卫星功率资源。
本发明考虑了网内不同用户终端卫星天线性能的差异性，让各波束功率分配按照用户需求来动态变化、匹配，在用户需求大的地方多分功率资源，用户需求小的地方少分功率资源，解决了地域上用户通信需求分布不均的问题，实现了不同波束的功率动态调配，实现卫星功率资源的高效利用；并且可以根据高通量波束数量的需要，扩展入出的规模，将功率由任意输入端口分配到任意输出端口输出。
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 (4)

1.一种卫星功率分配方法，其特征在于：包括以下的步骤：
S1、获取各波束内用户终端平均增益效果因子g；所述用户终端平均增益效果因子g，通过当前和之前测量的发射功率，以及用户终端反馈的速率，计算得到；
S2、建立卫星波束传输容量模型
Ci是第i个卫星波束的总传输容量，B是卫星转发器总带宽，Ptotal是卫星总输出功率，gi是第i个波束内用户终端平均增益效果因子，γi是第i个波束内设定的编码调制系数，Pi是第i个波束所对应的分配的发射功率；
S3、建立优化模型
Pi≥0
N为卫星的波束数量；
S4、通过最优解搜索算法得到输出的各波束最优功率Pi；
所述步骤S4，包括以下的步骤：
S41、令f(xk)代表优化模型目标函数初始化0<δ<1，0<ε<1，/>初始搜索尺度H0为单位阵I0，初始化搜索索引k＝0；
S42、计算当||Gk||≤ε，搜索停止，输出搜索结果xk为各波束最优功率分配；
S43、计算搜索方向：Dk＝-HkGk；
S44、求满足f(xk+δmDk)≤f(xk)+δmGk TDk的最小m，记为mk；
S45、令sk＝xk+1-xk，/>
S46、令k＝k+1，循环跳转至步骤S42；
S47、迭代终止后得到输出的各波束最优功率Pi。
2.一种卫星功率多入多出分配系统，其特征在于：包括终端测量单元和多入多出分配系统，多入多出分配系统包括有上下两个输入端口的输入单元和有上下两个输出端口的输出单元；
终端测量单元用于通过当前和之前测量的发射功率，以及用户终端反馈的速率，计算得到用户终端平均增益效果因子g；
输入单元与输出单元通信，接收卫星功率后按照如权利要求1所述的卫星功率分配方法分配给输出单元输出。
3.如权利要求2所述的卫星功率多入多出分配系统，其特征在于：所述多入多出分配系统还包括功率放大单元，输入单元与功率放大单元通信，接收卫星功率后给功率放大单元进行放大，放大后的功率按照如权利要求1所述的卫星功率分配方法分配给输出单元输出。
4.如权利要求2所述的卫星功率多入多出分配系统，其特征在于：所述多入多出分配系统是2×2矩阵，将该2×2矩阵以两行两列的方式排列，并将第一行第一列2×2矩阵的输出侧靠下的半边的端口与第二行第二列2×2矩阵的输入侧的靠上的半边的端口相连，第二行第一列2×2矩阵的输出侧的靠上的半边的端口与第一行第二列2×2矩阵的输入侧的靠下的半边的端口相连，形成22×22矩阵；
依次递归，将2x-1×2x-1矩阵以两行两列的方式排列，并将第一行第一列2x-1×2x-1矩阵的输出侧靠下的半边的端口与第二行第二列2x-1×2x-1矩阵的输入侧的靠上的半边的端口相连，第二行第一列2x-1×2x-1矩阵的输出侧的靠上的半边的端口与第一行第二列2x-1×2x-1矩阵的输入侧的靠下的半边的端口相连，形成2x×2x的矩阵，x为大于1的任意自然数。
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