CN115085797B - 一种基于业务分布的跳波束资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于业务分布的跳波束资源分配方法，充分发挥星上多波束相控阵载荷波束数量可控制、波束指向可变、波束能赋形的优势。根据不同波束内动态实时变化的业务量，研究星上赋形波束的捷变和裂变，其中波束捷变通过控制波束的指向和赋形，将覆盖范围内的业务尽量均匀地分散到不同的波束中去，充分发挥星上多波束相控阵载荷波束数量可控制、波束指向可变、波束能赋形的优势，实现不同波束内时频资源的高效利用。

Description

一种基于业务分布的跳波束资源分配方法

技术领域

本发明涉及跳波束资源分配技术领域，尤其是一种基于业务分布的跳波束资源分配方法。

背景技术

由于卫星平台的限制，转发器的功率及频率资源都是有限的，这与日益增长的卫星通信业务需求之间存在矛盾。多波束技术主要采用若干高增益的窄波束共同覆盖较大区域，以克服全球/区域波束覆盖存在的缺点，诸如功率密度低、信噪比差等。多波束技术不仅能够提升功率利用效率，而且将用户以波束空间隔离的方式，达到频率复用的效果，从而提升频率利用效率。

然而，随着卫星业务种类的不断增多，以及用户位置及服务需求的不同，每个波束通常有不同的业务需求和信道条件，业务需求在空间和时间的不均匀性非常明显，传统多波束卫星系统已不能适应。为此，研究人员提出跳波束(Beam-hopping)技术，其基本思想是利用时间分片技术，在同一时刻，并不是卫星上的所有点波束均工作，而是仅有一部分波束工作。

相比于传统多波束卫星系统，这种跳波束技术更能满足业务需求不均衡的应用场景，其主要优势有：1、一个载波支持多种业务，显著提高转发器吞吐量，并且在每一时间分片里仅需调制/解调一个完整的载波，单载波的工作模式使得放大器不必再给出额外的功率回退；2、时间分片周期可以动态调整，以适应变化的业务请求以及不均匀的业务分布，并且可以支持多种类型的业务终端；3、需要的功率放大器及发送信道更少；4、通过空间隔离的方式，使得波束间的干扰明显减少；5、降低卫星载荷的功率使用；5、信关站成本大大降低。

除了跳波束技术的理论研究越来越多，很多卫星行业研究人员已经开始关注跳波束技术的实用化。全球第一个使用跳波束技术，由休斯网络系统公司研制并运营的宽带多媒体卫星Spaceway3已于2007年8月发射升空；Satixfy公司开发出基于跳波束技术的SX-3000芯片；2014年，ETSI提出的DVB-S2X标准，将跳波束技术包含在内，以时间分片的思想对具体通信格式进行了定义。与此同时，众多专利也对该技术的应用问题进行了探讨。可以说，国外的院校、研究机构甚至很多卫星行业的公司都已对跳波束技术进行了很多切实有效的研究，对跳波束技术的未来发展前景也十分看好，但是国内在这方面的研究成果还不是很多，与国外的研究进度有着不小的差距。

跳波束技术为提高卫星资源利用率提供了一种手段。然而，天基信息网络中多业务融合传输、业务需求空间和时间不均匀性显著、业务变化动态性明显的特点，对跳波束技术的有效使用提出了更高的要求。现有跳波束技术中，波位一般以波束照射地面的形状为基础，相同波位中的用户则被划分到同一用户簇，这样用户密集和稀疏的波位享受相同的跳波束时隙间隔长度。虽然可以通过给予用户密集波位更多的点亮次数来使其享受更长时间的服务，但其灵活性仍然受到波位形状固定以及波位照射必要性、公平性的影响，也就是说，即便某波位没有用户或业务，仍然需要周期性照射该波位，从而导致资源的浪费。

发明内容

针对现有跳波束技术存在的灵活性问题，本发明提供了一种基于业务分布的跳波束资源分配方法，实现系统资源的全局调度，按需、灵活、高效地利用，从而提高系统的实际容量。

天基信息网络中的卫星载荷配置以多波束反射面天线载荷为主，相控阵天线载荷为辅。反射面天线的波束可在单一方向上进行扫描；相控阵天线波束则较为灵活，可在服务区域内任意进行跳跃和调度。因此，本发明紧密结合天基信息网络卫星载荷的能力，基于业务需求分布，对波束的赋形和动态分簇策略进行研究，充分发挥反射面天线载荷的波束指向可调整，相控阵天线载荷波束形状可赋形的优势，实现系统资源的全局调度，按需、灵活、高效地利用，从而提高系统的实际容量。

首先，充分发挥星上多波束相控阵载荷波束数量可控制、波束指向可变、波束能赋形的优势。根据不同波束内动态实时变化的业务量，研究星上赋形波束的捷变和裂变，其中波束捷变通过控制波束的指向和赋形，将覆盖范围内的业务尽量均匀地分散到不同的波束中去，波束裂变则是将一个业务量繁忙的波束通过裂变的方式产生多个波束覆盖相同的区域。

其次，针对业务的空间分布及其变化规律，区别于传统跳波束系统一般采用的分簇形状相同、分簇内波束数目相等的均匀波束分簇的方法，通过数学建模的方法构建新型分簇策略，研究新的波束分簇尺寸和分簇构型。

最后，针对业务需求的时间不均匀性，开展动态分簇策略研究，设计簇内波束的搜索策略，使得分簇尺寸与分簇构型均可灵活调整，从而更好地满足天基信息网络的动态业务需求。

一种基于业务分布的跳波束资源分配方法，星上多波束相控阵通过控制波束覆盖范围和指向，将覆盖范围内业务均匀地分布到不同的波束中，具体包括以下步骤：

步骤A1，构建波束捷变的优化模型，其中，表示星上多波束相控阵产生的波束，B_i表示第i波束范围内用户总的业务量，m表示第m次波束捷变，S表示所有波束覆盖的地理面积之和，s_i表示第i个波束覆盖的面积，S_I表示波束间的总交叠面积上限约束，/>表示第i个波束调制波束大小需要的相控阵口径，D表示星上相控阵总口径上限约束，/>表示第i个波束的第m次调整波束指向，K(2^k)表示包含k比特数字式相位控制器的波束指向最小精度，/>表示第i个波束的波束旁瓣对第j个波束的干扰信号，mll为其上限约束；约束g₁表示多波束覆盖地面总面积的约束，约束g₂表示多波束交叠区大小上限的约束，约束g₃表示覆盖大小参数的调节不能超过星上相控阵的分辨率，约束g₄表示星上相控阵主瓣指向调整的最小精度约束，约束g₅表示调整波束参数后的波束旁瓣对于其他波束的干扰信号上限约束；

步骤A2，根据业务量确定需要调整波束参数的波束其中表示/>的邻居波束中时频资源得不到充分利用的波束，N表示该类波束数量；

步骤A3，迭代次数m、波束相控阵口径的设置/更新；

步骤A4，繁忙波束的参数调整，邻近波束的参数调整；

步骤A5，判断地面覆盖要求是否满足约束g₁、g₂，若不满足，则跳转步骤A4，若满足，则顺序执行；

步骤A6，判断星上相控阵能力是否满足g₃、g₄、g₅，若不满足，则跳转步骤A4，若满足，则顺序执行；

步骤A7，保存当前波束参数，然后结束迭代。

进一步的，结合业务需求和系统资源总量的规划分簇尺寸，构建分簇优化模型其中，/>表示第i个分簇内所有波束的业务需求量，N_tot＝N_cM_b为系统总的波束数目，N_c为系统总的分簇数目，M_b为每一簇分组中的波束数目，C_T为每个簇内所分配得到的总容量，采用单向搜索的求解算法，得到/>对应的N_c即为最佳分簇尺寸。

进一步的，最佳分簇尺寸N_c确定后，从均衡簇间业务需求以及尽可能错开波束间的忙闲时间角度出发进行分簇，或者根据簇间业务需求变化，动态调整波束分簇，使得每一簇波束内的业务需求总量基本一致。

从均衡簇间业务需求以及尽可能错开波束间的忙闲时间角度出发进行分簇具体包括以下步骤：

步骤B1，按照波束内的容量需求从高到低进行排序；

步骤B2，将波束按照波束容量从大到小分为N_c组，命名为分簇候选组，每一组中的波束数目为M_b；

步骤B3，分簇搜索，搜索策略为邻近波束搜索，约束条件是尽可能使得同一分簇中的波束来自于不同的候选组。

根据簇间业务需求变化动态调整波束分簇具体包括以下步骤：

步骤C1，按照波束业务需求量从高到低对波束进行排序，并依次编号；

步骤C2，根据实际系统中卫星载荷的约束条件确定簇容量截止门限Th_c；

步骤C3，按照波束编号从小到大的顺序，对波束进行分簇，定义簇内业务需求总和为R_cluster，每次开始新的一簇波束选择时，初始化R_cluster为初始波束请求量；

步骤C4，利用最近邻选择策略搜索波束，寻找临近波束中业务请求量最高的波束加入簇中，更新簇内业务需求总和R_cluster，并将搜索中心转移至新的波束；

步骤C5，比较R_cluster和Th_c，若R_cluster＜Th_c，则跳转步骤4，继续进行波束搜索；若R_cluster≥Th_c，则此簇内波束选择完毕，跳转步骤2，进行下一簇的选择，直至所有波束分簇完毕。

本发明的有益效果：1、波束捷变通过控制波束的指向和赋形，将覆盖范围内的业务尽量均匀地分散到不同的波束中去，充分发挥星上多波束相控阵载荷波束数量可控制、波束指向可变、波束能赋形的优势，实现不同波束内时频资源的高效利用；2、通过构建分簇优化模型确定最佳分簇尺寸；3、同一分簇中的波束之间存在容量差异，可以配合跳波束图案的设计，使得波束间的业务需求尽可能得到满足；4、随着业务需求的变化，动态调整波束分簇，使得每一簇波束内的业务需求总量能够基本一致。

附图说明

图1为天基宽带接入网多波束覆盖场景图；

图2为面向不同波束业务量的波束捷变空间资源高效挖掘场景图；

图3为面向多波束业务量的波束捷变算法流程图；

图4(a)为波束口径调整前后覆盖情况对比图；

图4(b)为业务量较少的波束指向调整前后覆盖情况对比图；

图4(c)为业务量繁忙的波束指向调整前后覆盖情况对比图；

图5(a)为簇内波束数目为3的示意图；

图5(b)为簇内波束数目为5的示意图；

图5(c)为簇内波束数目为7的示意图；

图6为实施例3的分簇方式与现有分簇方式的效果对比图；

图7为实施例4根据簇间业务需求变化动态调整波束分簇流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

实施例1

天基宽带接入网场景如图1所示，星载相控阵载荷产生多个波束覆盖一定的区域。由于不同区域内的用户数量不同，不同用户的QoS需求也不尽相同，导致不同波束内的时频资源利用率存在差异性。业务繁忙的覆盖区域，波束内的时频资源紧张；而业务量低的覆盖区域，波束内的时频资源又得不到充分的利用。因此，需要根据多波束覆盖区域内宽带接入业务模型，以及不同波束内动态实时变化的业务量，研究星上多赋形波束的捷变和裂变。波束捷变通过控制波束的指向和赋形，将覆盖范围内的业务尽量均匀地分散到不同的波束中去；波束裂变通过裂变的方式令一个业务量繁忙的波束产生多个波束覆盖相同的区域，充分发挥星上多波束相控阵载荷波束数量可控制、波束指向可变、波束能赋形的优势，实现不同波束内时频资源的高效利用。

以图1所示多波束相控阵为例，星上多波束相控阵产生7个波束覆盖一定地理面积/>波束间的总交叠面积用S_I表示，每个波束范围内用户总的业务量用B_i表示，i＝1,2,…,7。

某个时刻，由于活跃用户的数量及其QoS需求的增长，波束区域内时频资源紧张，而邻近的波束中，有N个波束由于用户数量少或其QoS需求低，波束覆盖范围内时频资源得不到充分的利用，对应波束用/>表示。

假设星上相控阵可以通过增加/减小相控阵口径的方式来控制波束覆盖范围，通过控制加权向量的相位来控制波束指向。星上多波束相控阵通过波束覆盖范围和指向的控制，将覆盖范围内业务均匀地分布到不同的波束中去，场景图如图2所示。

构建波束捷变的优化模型

其中，m表示第m次波束捷变，表示第i个波束调制波束大小需要的相控阵口径，D表示星上相控阵总口径上限约束，/>表示第i个波束的第m次调整波束指向，K(2^k)表示包含k比特数字式相位控制器的波束指向最小精度；约束g1表示多波束覆盖地面总面积的约束，约束g2表示多波束交叠区大小上限的约束，约束g3表示覆盖大小参数的调节不能超过星上相控阵的分辨率(口径约束)，约束g4表示星上相控阵主瓣指向调整的最小精度约束，约束g5表示调整波束参数后的波束旁瓣对于其他波束的干扰信号上限约束。

波束捷变算法流程如图3所示，首先根据业务量确定需要调整波束参数的波束进行迭代次数m等参数的设置/更新；然后依次进行繁忙波束的参数调整，邻近波束的参数调整；判断地面覆盖要求是否满足约束g1、g2，若不满足，则再次进行繁忙波束和邻近波束的参数调整，若满足，则再判断星上相控阵能力是否满足g3、g4、g5，若不满足，则再次进行繁忙波束和邻近波束的参数调整，若满足，则保存第m-1次的波束参数，然后结束迭代。

下面对本实施例的空间资源挖掘效果进行验证。以两个波束的参数调整做初步的仿真验证，仿真的条件是星上相控阵为8×8的平面阵，阵元之间的间距为λ/2，初始时刻产生两个指向不同，覆盖大小相同的波束，其中一个波束由于业务量的增加，波束内时频资源紧张，而临近的另一个波束由于波束业务量少，波束内的时频资源得不到充分的利用。此时，信关站向星上多波束相控阵上传波束参数调整的指令，均衡两个波束业务量。图4(a)-4(c)给出了两个不同业务量的波束参数调整前后覆盖情况对比图，可以看出通过业务量的分布情况改变产生相控阵的口径以及波束指向，可以有效地改变两个波束覆盖情况。

实施例2

传统跳波束系统基本均采用规则的均匀分簇方案，也就是说，所有的分簇形状相同，簇内波束的数目相等。这种分簇方式复杂度低，操作简便，是目前跳波束技术主要采用的分簇方法。现有研究中，很少有簇内波束数目规划的具体算法。

在实施例1的基础上，每一簇分组中可以选择不同的波束数目M_b，如图5(a)-5(c)所示，选择不同数目的簇内波束，整个系统的性能也将会随之变化。本实施例在现有跳波束技术的基础上提出一种结合业务需求和系统资源总量的簇内波束规划策略。

假设采用全频带复用的方式，每个簇内可用带宽是星上整个带宽资源，用B_t表示。若星上总功率为P_t，由于采用均匀分簇方式，所以簇间功率通常是平均分配给各个簇，也就是说，若系统总的分簇数目为N_c，则每个簇的可用功率资源为P_t/N_c。因此，每个簇内所分配得到的总容量其中，N₀为噪声功率谱密度。

若第i个分簇内所有波束的业务需求量用R_ci来表示，则其中，R_j为第j个波束的业务需求量。

在这里选取未满足系统容量(Unmet System Capacity，USC)作为优化目标函数，构建分簇优化模型其中，N_tot＝N_cM_b为系统总的波束数目。

此分簇优化模型可以看作是一个非线性整数的优化问题，由于随着N_c的变化，目标函数并不呈现纯粹的单调变化趋势，考虑到只有一个自变量影响因素，采用单向搜索的求解算法，具体步骤为：1、N_c从1开始自加到N_tot，N_c每自加1时计算将计算得到的最小F_object对应的N_c即为最佳分簇尺寸。

实施例3

每一分簇内的波束数目规划确定之后，接下来面临的问题是如何设计分簇的构型，而现有关于跳波束的文献中很少有关于系统的波束分簇构型设计方法的研究，但是由于空间信息网中业务种类多样性、业务需求不均匀性明显，所以尽管每个簇中有着同样的波束数目，但是采用不同的分簇构型对最终系统的性能也带来显著影响。为此，本实施例提供一种基于业务需求分级组合的波束分簇构型设计方法。

理论上来说，在进行波束分簇的构型设计时，同一簇内的波束在空间上可以是邻近的，也可以是分离的。本实施例出于降低系统复杂度的考虑，采取的分簇构型都是同一簇内的波束相互邻近的，不采用空间分离的波束构型方法。除此之外，本发明的构型设计算法允许不同簇采用不同的波束构型。

由于跳波束系统的基本思想是时间分片，也就是说，在同一波束驻留时间内，每个波束中至多有一个波束在工作，其他波束内的用户均无法工作。

本实施例从均衡簇间业务需求，以及尽可能错开波束间的忙闲时间角度出发，具体分簇步骤如下：

1、按照波束内的容量需求从高到低进行排序；

2、根据实施例1确定的最佳分簇尺寸N_c，根据波束容量按照从大到小将波束分为N_c组，命名为分簇候选组，每一组中的波束数目为M_b；

3、分簇搜索，搜索策略为邻近波束搜索，约束条件是尽可能使得同一分簇中的波束来自于不同的候选组。

以上分簇方法的可以概括为：1、簇间容量大致上是均衡的，在基于均匀功率分配的基础上，可以避免不必要的资源浪费，提高资源利用效率；2、簇内波束的容量有着明显的差异性，可以配合跳波束图案的设计，使得波束间的业务需求尽可能得到满足。本实施例的分簇方式与现有分簇方式的效果对比，如图6所示。从图6中看出，传统分蔟方法无法适应各簇容量的变化，分配的资源与簇的资源需求相差较大，本发明提供的分配方法仅在簇3的容量需求匹配上，弱于基于公平目标函数的分配方法，其它情况下均优于基于公平目标函数的分配方法。

实施例4

传统跳波束系统中，波束分簇通常采取均匀分簇的方式，而且一经确定将不会再进行更改，天基信息网络中业务变化的动态性显著，采用固定波束分簇方案，将会造成明显的资源浪费。

本实施例根据业务分布变化情况，提出一种促进簇间业务需求均衡的动态分簇方法，随着业务需求的变化，动态调整波束分簇，以充分利用系统的资源，基本思想是分簇完成后，使得每一簇波束内的业务需求总量能够基本一致。

根据簇间业务需求变化动态调整波束分簇如图7所示，具体包括以下步骤：

步骤C1，按照波束业务需求量从高到低对波束进行排序，并依次编号；

步骤C2，根据实际系统中卫星载荷的约束条件确定簇容量截止门限Th_c；

步骤C3，按照波束编号从小到大的顺序，对波束进行分簇，定义簇内业务需求总和为R_cluster，每次开始新的一簇波束选择时，初始化R_cluster为初始波束请求量；

步骤C4，利用最近邻选择策略搜索波束，寻找临近波束中业务请求量最高的波束加入簇中，更新簇内业务需求总和R_cluster，并将搜索中心转移至新的波束；

步骤C5，比较R_cluster和Th_c，若R_cluster＜Th_c，则跳转步骤4，继续进行波束搜索；若R_cluster≥Th_c，则此簇内波束选择完毕，跳转步骤2，进行下一簇的选择，直至所有波束分簇完毕。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于业务分布的跳波束资源分配方法，其特征在于，星上多波束相控阵通过控制波束覆盖范围和指向，将覆盖范围内业务均匀地分布到不同的波束中，具体包括以下步骤：

步骤A1，构建波束捷变的优化模型其中，表示星上多波束相控阵产生的波束，B_i表示第i波束范围内用户总的业务量，m表示第m次波束捷变，S表示所有波束覆盖的地理面积之和，s_i表示第i个波束覆盖的面积，S_I表示波束间的总交叠面积上限约束，/>表示第i个波束调制波束大小需要的相控阵口径，D表示星上相控阵总口径上限约束，/>表示第i个波束的第m次调整波束指向，K(2^k)表示包含k比特数字式相位控制器的波束指向最小精度，/>表示第i个波束的波束旁瓣对第j个波束的干扰信号，mll为其上限约束；约束g₁表示多波束覆盖地面总面积的约束，约束g₂表示多波束交叠区大小上限的约束，约束g₃表示覆盖大小参数的调节不能超过星上相控阵的分辨率，约束g₄表示星上相控阵主瓣指向调整的最小精度约束，约束g₅表示调整波束参数后的波束旁瓣对于其他波束的干扰信号上限约束；

步骤A2，根据业务量确定需要调整波束参数的波束其中/>表示/>的邻居波束中时频资源得不到充分利用的波束，N表示该类波束数量；

步骤A3，迭代次数m、波束相控阵口径的设置/更新；

步骤A4，繁忙波束的参数调整，邻近波束的参数调整，包括相控阵天线指向及口径调整；

步骤A5，判断地面覆盖要求是否满足约束g₁、g₂，若不满足，则跳转步骤A4，若满足，则顺序执行；

步骤A6，判断星上相控阵能力是否满足g₃、g₄、g₅，若不满足，则跳转步骤A4，若满足，则顺序执行；

步骤A7，保存当前波束参数，然后结束迭代。

2.根据权利要求1所述的基于业务分布的跳波束资源分配方法，其特征在于，结合业务需求和系统资源总量的规划分簇尺寸，构建分簇优化模型其中，表示第i个分簇内所有波束的业务需求量，N_tot＝N_cM_b为系统总的波束数目，N_c为系统总的分簇数目，M_b为每一簇分组中的波束数目，C_T为每个簇内所分配得到的总容量，采用单向搜索的求解算法，得到/>对应的N_c即为最佳分簇尺寸。

3.根据权利要求2所述的基于业务分布的跳波束资源分配方法，其特征在于，最佳分簇尺寸N_c确定后，从均衡簇间业务需求以及错开波束间的忙闲时间角度出发进行分簇，具体包括以下步骤：

步骤B1，按照波束内的容量需求从高到低进行排序；

步骤B2，将波束按照波束容量从大到小分为N_c组，命名为分簇候选组，每一组中的波束数目为M_b；

步骤B3，分簇搜索，搜索策略为邻近波束搜索，约束条件是使得同一分簇中的波束来自于不同的候选组。

4.根据权利要求2所述的基于业务分布的跳波束资源分配方法，其特征在于，最佳分簇尺寸N_c确定后，根据簇间业务需求变化，动态调整波束分簇，使得每一簇波束内的业务需求总量一致，具体包括以下步骤：

步骤C1，按照波束业务需求量从高到低对波束进行排序，并依次编号；

步骤C2，根据实际系统中卫星载荷的约束条件确定簇容量截止门限Th_c；

步骤C3，按照波束编号从小到大的顺序，对波束进行分簇，定义簇内业务需求总和为R_cluster，每次开始新的一簇波束选择时，初始化R_cluster为初始波束请求量；

步骤C4，利用最近邻选择策略搜索波束，寻找临近波束中业务请求量最高的波束加入簇中，更新簇内业务需求总和R_cluster，并将搜索中心转移至新的波束；

步骤C5，比较R_cluster和Th_c，若R_cluster＜Th_c，则跳转步骤4，继续进行波束搜索；若R_cluster≥Th_c，则此簇内波束选择完毕，跳转步骤2，进行下一簇的选择，直至所有波束分簇完毕。