CN115102609A - 一种多波束卫星的低复杂度用户分组及公平调度方法 - Google Patents

一种多波束卫星的低复杂度用户分组及公平调度方法 Download PDF

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CN115102609A CN202210714155.6A CN202210714155A CN115102609A CN 115102609 A CN115102609 A CN 115102609A CN 202210714155 A CN202210714155 A CN 202210714155A CN 115102609 A CN115102609 A CN 115102609A
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Abstract

本发明公开了一种多波束卫星的低复杂度用户分组及公平调度方法，包括：针对于正方形网格和三角形网格两种均匀平面阵列来建立信道模型，提取出基于角度信息的用户正交性条件，并结合用户间的干扰分析提出了准正交区域的概念，基于此利用角度信息进行快速地用户分组；同时将基于用户角度信息的比例公平调度算法引入该正交分组算法中，兼顾用户间的公平性与和速率性能。本发明提出的方法具有较低的运算复杂度，在星上资源受限的条件下能够实现低功耗高性能的指标，拥有实际应用价值。

Description

一种多波束卫星的低复杂度用户分组及公平调度方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种多波束卫星的低复杂度用户分组及公平调度方法。
背景技术
作为地面通信网络系统的一个补充与延申，卫星通信系统凭借其广覆盖、大容量、快部署等优势，被认为是未来无线网络体系结构的潜在解决方案，目前对于该系统的多波束传输技术在学术界与工业界均已达成共识。多波束传输技术利用大规模天线阵列同时产生不同指向的多个波束，提供广域覆盖，不同波束分别为不同区域的用户提供通信服务，有效提升频谱效率、能量效率、海量用户接入质量，是空地通信的一项关键技术。
然而，一方面来说，当同时被服务的多个用户信道间的空间相关性相对较强时，即当处在不同波束的多个用户终端具有相似的地理位置时，用于减小波束间干扰的预编码算法的通信性能将大幅受影响；另一方面，同时被服务的用户终端数量(即卫星每次发射的多波束数量)受到卫星通信系统中发射天线数量的限制，近年来随着用户终端数量的增加，低复杂度的用户分组与调度技术十分必要。具体而言，可以根据某些准则，比如和速率最大、或者兼顾用户公平性等准则进行用户分组调度算法，将信道空间性不强的用户分为一组，不同的用户被分成若干组。其中同一组中的用户通过空分多址(SDMA)同时由通信卫星服务，不同的用户组根据设定的准则进行调度，通过时分多址(TDMA)在不同的时隙中被服务。
随着对低轨宽带卫星需求的增加，卫星相控阵天线的规模和用户终端的数量都在不断扩大，传统分组算法的复杂性相对较高。值得注意的是，卫星通信信道的建模不同于地面信道。由于卫星的高度相对较高，且散射体位地面用户终端附近，可以假设与同一用户关联的所有散射传播路径的角度都是相同的，即可用用户的方位角度信息唯一确定信道状态信息，因此可利用简单的用户角度信息判断正交性，从而快速分组，与地面通信系统相比，分组的计算复杂度可大幅降低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多波束卫星的低复杂度用户分组及公平调度方法，该方法具有较低的运算复杂度，在星上资源受限的条件下能够实现低功耗高性能的指标，拥有实际应用价值。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多波束卫星的低复杂度用户分组及公平调度方法，所述方法针对多波束低轨宽带卫星移动通信系统，其包括如下步骤：
步骤S1、分别针对卫星侧配备的两种均匀平面阵列，对卫星通信下行链路的信道进行分析，考虑多普勒频移与传播延时，表征出相控阵天线发送到每个用户的信道响应矢量；
步骤S2、根据用户的角度信息，确定针对于两种均匀平面阵列的正交性条件，提取出卫星覆盖范围内的一系列基于角度信息的正交点；
步骤S3、为进行用户选择，基于正交点引入准正交区域的概念；并根据两用户在不同距离的干扰分析，确定了准正交区域的三种分布模式，其中，所述的准正交区域的概念为在设定阈值的正交点周围范围内，能够允许选择用户的一系列区域；所述的三种分布模式包括：密集、常规、稀疏三种分布模式；
步骤S4、实施完整的用户分组与调度算法，其包括：
步骤S401、进行参数的输入与初始化；
步骤S402、选择一个新的用户组，对于第一个用户的选择，结合比例公平准则引入优先级权重，利用用户的角度信息选择用户集合中加权信道增益最大的用户；
步骤S403、根据所设定的准正交区域的分布模式，得到步骤S2中所述的该用户的正交点集合；
步骤S404、将比例公平中的加权速率使用用户的加权俯仰角代替以简化计算，选择正交点集合对应的准正交区域内所有用户的平均加权俯仰角最小的一个正交点；
步骤S405、选择该正交点对应的准正交区域内具有最小加权俯仰角的一个用户，并将该用户加入该组，同时从用户集合中删除，并将该正交点从正交点集合中删除；
步骤S406、若该组用户数达到上限，则进入下一步骤，若没有达到上限，则回到步骤S404进行新用户的选择；
步骤S407、若用户组数达到上限，则将分配好的用户分组及调度方案输出，若没有达到上限，则重新将用户集合初始化，针对于当前分组情况更新优先级权重，并回到步骤S402进行新的用户组分组。
进一步的，在所述的多波束低轨宽带卫星移动通信系统中，在卫星侧配备一个均匀平面阵列的相控阵天线，天线规模为NT＝Mx×My，其中Mx和My分别是天线阵元在x轴与y轴的数量；该均匀平面阵列包括：基于正方形格子和基于等边三角形格子的两种类型；
在该系统中，假设其最多能提供NF个波束，NF＜Nt，设置在该卫星覆盖范围内地面用户终端的总数量为Ktot，并且假设该数量远大于波束数量，即Ktot＞＞NF，每个用户为单天线接收；
系统采用时分复用与空分复用结合的方式。
进一步的，所述步骤S1包括：
将卫星的相控阵天线发送到用户k的信道建模为：
Figure BDA0003708264400000031
在公式(1)中，
Figure BDA0003708264400000032
是由于卫星移动导致的多普勒频移，
Figure BDA0003708264400000033
为传播延时，假设信道增益系数gk服从莱斯因子为κk的莱斯衰落分布且功率
Figure BDA0003708264400000034
信道增益系数gk的实部和虚部分别服从均值为
Figure BDA0003708264400000035
方差为
Figure BDA0003708264400000036
的实高斯分布；vk为相控阵天线的下行链路响应矢量，考虑了两种均匀平面阵列，对应了不同的vk；
其中，对于正方形格子的均匀平面阵列而言，下行链路响应矢量表示为
Figure BDA0003708264400000037
Figure BDA0003708264400000038
表示克罗内克积，其中x方向上的阵列角度响应矢量为：
Figure BDA0003708264400000039
y方向的阵列角度响应矢量为：
Figure BDA00037082644000000310
在公式(2)和(3)中，
Figure BDA00037082644000000311
Figure BDA00037082644000000312
分别代表用户终端对均匀平面阵列的x轴和y轴的方向余弦；θk和
Figure BDA00037082644000000313
分别代表卫星对用户终端k的俯仰角与方位角，将用户k的这一对方向余弦
Figure BDA00037082644000000314
称为角度信息；
对于三角形格子的均匀平面阵列而言，由于阵元在不同行之间左右交错排列，因此不能用克罗内克积表示，而是需要分别表示每一行的阵列响应矢量；
对于第k个用户终端的阵列响应矢量为：
Figure BDA0003708264400000041
在公式(1)中，
Figure BDA0003708264400000042
表示第k个用户终端的第m行天线阵元的阵列响应矢量，满足：
Figure BDA0003708264400000043
其中，
Figure BDA0003708264400000044
为沿x轴的第m行阵列响应矢量，
Figure BDA0003708264400000045
为沿着倾斜轴的阵列响应矢量，
Figure BDA0003708264400000046
表示
Figure BDA0003708264400000047
中的第m个阵元的响应矢量，有：
Figure BDA0003708264400000048
Figure BDA0003708264400000049
进一步的，所述步骤S2包括：
步骤S201、提取一系列基于角度信息的原始正交点
Figure BDA00037082644000000410
其中，
对于正方形网格，原始的正交性条件为：
Figure BDA00037082644000000411
对于三角形格子，原始的正交性条件为：
Figure BDA00037082644000000412
步骤S202、为了使
Figure BDA00037082644000000413
有意义，其范围应在[-1,1]之间，因此x与y的取值应满足：
Figure BDA0003708264400000051
且x与y不一定能同时取到上述值，其取值应满足使得不等式成立：
Figure BDA0003708264400000052
在公式(5)中，θmax是卫星的最大俯仰角；
步骤S203、为了使得用户的位置恰好在这些正交点上，需要旋转这些原始的正交方向，也即是将原始的正交点循环平移一定距离，其包括：首先找到需平移的距离，令θk和φk分别为用户k的俯仰角与方位角，在x轴方向和y轴方向的平移距离分别为：
Figure BDA0003708264400000053
在公式(6)中，x*和y*可表示为：
Figure BDA0003708264400000054
从而得到用户终端k的N个正交点
Figure BDA0003708264400000055
n＝1,2,…N，表示为：
Figure BDA0003708264400000056
同理x与y的取值应满足使得不等式
Figure BDA0003708264400000057
成立；
步骤S204、对于用户终端k而言，针对不同的均匀平面阵列，利用该用户的角度信息
Figure BDA0003708264400000058
均可得到对应的N个正交点的集合，用
Figure BDA0003708264400000059
表示为：
Figure BDA00037082644000000510
进一步的，所述步骤S3包括：
针对正方形格子的情况进行分析，其包括：
首先，令
Figure BDA00037082644000000511
为两用户终端距离正交点的偏移因子，在用户均匀分布的假设下，其概率接近高斯分布，其中，
Figure BDA0003708264400000061
是两用户终端之间的正交点数，有正负区分；
然后，在固定nx和ny的情况下，分别在任意两个正交点附近的用户终端k和用户终端l的归一化信道相关性的期望可表示为：
Figure BDA0003708264400000062
在该公式(7)中，
Figure BDA0003708264400000063
Figure BDA0003708264400000064
其中
Figure BDA0003708264400000065
和
Figure BDA0003708264400000066
均是为了简化公式(7)而使用的表达式；
针对几种(nx,ny)对公式(7)进行关于阈值半径r进行数值积分；
最后，设计准正交区域的密集、常规、稀疏三种分布模式，用于使得用户间干扰尽可能小，其中，
常规模式，避免了任意两用户终端处于同一行或同一列的相邻位置，即避免了(nx,ny)＝(0,1),(1,0)；
稀疏模式，避免了任意两用户终端处于同一行或同一列的相邻两个点的位置，即避免了(nx,ny)＝(0,1),(1,0),(0,2),(2,0)，这抑制了主要的干扰成分；
密集模式则能够选择任意正交点；
其中，三角形格子通过上述方法类比推出。
进一步的，所述步骤S401具体包括：
输入参数为一颗卫星覆盖范围内的所有用户角度信息
Figure BDA0003708264400000067
准正交区域分布模式x,(x＝1,2,3)，准正交区域阈值半径r，总用户组数NG以及波束最大数量NF；
并初始化用户集合
Figure BDA0003708264400000071
与用户组集合
Figure BDA0003708264400000072
进一步的，步骤S402包括：
创建新用户组，首先考虑选择用户集合中信道增益最大的用户，并结合比例公平准则引入优先级权重，由于利用用户的角度信息代替信道增益可降低计算复杂度，选择该组第一个用户的准则表示为具有最小加权俯仰角的用户：
Figure BDA0003708264400000073
在公式(8)中，wu表示为：
Figure BDA0003708264400000074
当
Figure BDA0003708264400000075
时有b＝1；当
Figure BDA0003708264400000076
时有b＝0，t为当前用户组标号，δ＝1-(1/Tc)是与滑动窗口有关的遗忘因子，滑动窗口的宽度为设定的Tc；
将该用户加入当前组中
Figure BDA0003708264400000077
并从用户集合中删除
Figure BDA0003708264400000078
进一步的，所述步骤S403包括：
根据所设定的模式x,(x＝1,2,3)得到步骤S2中所述的该用户的N个正交点集合：
Figure BDA0003708264400000079
进一步的，在所述步骤S404中，所述选择正交点集合对应的准正交区域内所有用户的平均加权俯仰角最小的一个正交点，其具体表达式为：
Figure BDA00037082644000000710
在该公式(9)中，
Figure BDA00037082644000000711
为该准正交区域内的用户集合，对于正方形格子的均匀平面阵列，有：
Figure BDA0003708264400000081
对于等边三角形格子的均匀平面阵列，有：
Figure BDA0003708264400000082
在公式(10)和公式(11)中，Q1和Q2是另一种形式的阈值表达方式，分别满足
Figure BDA0003708264400000083
Figure BDA0003708264400000084
进一步的，所述步骤S405包括：
将比例公平中的加权速率用加权俯仰角代替，选择该正交点对应的准正交区域内具有最小加权俯仰角的一个用户：
Figure BDA0003708264400000085
将该用户加入该组
Figure BDA0003708264400000086
从用户集合中删除
Figure BDA0003708264400000087
并将该正交点从正交点集合中删除
Figure BDA0003708264400000088
本发明的有益效果是：
本发明通过建立信道模型，针对于正方形网格和三角形网格的均匀平面阵列，提取出基于角度信息的正交性条件，利用该角度信息进行快速地用户分组，具有较低的运算复杂度，在星上资源受限的条件下能够实现低功耗，具有极大优势。同时将基于用户角度信息的比例公平调度算法引入正交分组中，兼顾用户间的公平性与和速率性能，具有实际应用价值。
附图说明
图1为实施例1中提供的多波束低轨宽带卫星移动通信系统的示意图；
图2为实施例1中提供的多波束低轨宽带卫星移动通信系统的两种均匀平面阵列类型，其中，图2(a)为基于正方形格子的均匀平面阵列，图2(b)为基于等边三角形格子的均匀平面阵列；
图3为实施例1中提供的两个用户归一化平均信道相关性数值积分结果；
图4为实施例1中提供的三种准正交区域分布模式；其中，图4(a)为模式1的分布模式示意图，图4(b)为模式2的分布模式示意图，图4(c)为模式3的分布模式示意图；
图5为实施例1中提供的一种多波束卫星的低复杂度用户分组及公平调度方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1-图5，本实施例提供一种多波束卫星的低复杂度用户分组及公平调度方法，该方法针对多波束低轨宽带卫星移动通信系统的下行链路，执行用户分组及公平调度。
上述的多波束低轨宽带卫星移动通信系统，其系统的具配置示意图如图1所示，在该系统中，在卫星侧配备一个均匀平面阵列(UPA)的相控阵天线，天线规模为NT＝Mx×My，其中Mx和My分别是天线阵元在x轴与y轴的数量。如图2所示，对于均匀平面阵列而言，本实施例考虑了基于正方形格子(图2(a))和基于等边三角形格子(图2(b))的两种类型，并在此基础上进行天线域信道建模以及方法的建立。需要说明的是，在本实施例中，为了避免相控阵天线在扫描过程中的光栅波瓣，设定正方形格子的阵元间距为最佳间距λ/2，等边三角形格子的阵元间距为最佳间距
Figure BDA0003708264400000091
其中λ表示电磁波的波长。
在该系统中，假设其最多能提供NF个波束(NF＜Nt)，设置在该卫星覆盖范围内地面用户终端的总数量为Ktot，并且假设该数量远大于波束数量，即Ktot＞＞NF，每个用户为单天线接收。
为了执行低轨宽带卫星的用户分组与调度过程，本实施例采用时分复用与空分复用结合的方式。
具体的说，令一颗卫星覆盖范围内的所有用户集合为
Figure BDA0003708264400000092
基于时分多址(TDMA)技术，卫星通过本实施例所述的公平性调度方法分配不同组的用户，并在不同的时隙分别进行不同组用户的通信服务。在第t个时隙，通过执行本实施例所述的用户分组算法，从总的用户集合
Figure BDA0003708264400000101
中选择出用户子集
Figure BDA0003708264400000102
利用卫星的空分多址(SDMA)技术进行同时的通信服务。并且每组用户数不超过卫星提供的最大服务数量，即
Figure BDA0003708264400000103
其中
Figure BDA0003708264400000104
表示集合
Figure BDA0003708264400000105
的基数。
本实施例提供的该一种多波束卫星的低复杂度用户分组及公平调度方法，包括：首先针对于正方形网格和等边三角形网格两种均匀平面阵列对信道进行建模；再利用用户的角度信息分别提取两者对应的信道正交性条件，基于此提出了准正交区域的概念，并根据用户之间的信道相关性分析设计了三种不同模式的准正交区域分布；进一步提出了基于比例公平调度并结合正交用户角度分组(PF-OUAG)算法的总体流程。
在本实施例中，该方法具体包括：
步骤S1、分别针对卫星侧配备的两种均匀平面阵列，对卫星通信下行链路的信道进行分析，考虑多普勒频移与传播延时，表征出相控阵天线发送到每个用户的信道响应矢量；
具体的说，在本实施例中，该步骤S1包括：
将卫星的相控阵天线发送到用户k的信道建模为：
Figure BDA0003708264400000106
在公式(1)中，
Figure BDA0003708264400000107
是由于卫星移动导致的多普勒频移，
Figure BDA0003708264400000108
为传播延时，这里假设信道增益系数gk服从莱斯因子为κk的莱斯衰落分布且功率
Figure BDA0003708264400000109
等价地，信道增益系数gk的实部和虚部分别服从均值为
Figure BDA00037082644000001010
方差为
Figure BDA00037082644000001011
的实高斯分布。vk为相控阵天线的下行链路响应矢量，在本实施例中考虑了两种均匀平面阵列，对应了不同的vk。
其中，对于正方形格子的均匀平面阵列而言，下行链路响应矢量可表示为
Figure BDA00037082644000001012
Figure BDA00037082644000001013
表示克罗内克积，其中x方向上的阵列角度响应矢量为：
Figure BDA00037082644000001014
y方向的阵列角度响应矢量为：
Figure BDA0003708264400000111
在公式(2)和(3)中，
Figure BDA0003708264400000112
Figure BDA0003708264400000113
分别代表用户终端对均匀平面阵列的x轴和y轴的方向余弦；θk和
Figure BDA0003708264400000114
分别代表卫星对用户终端k的俯仰角与方位角，该角度信息在图1中所标示；为了表示方便，将用户k的这一对方向余弦
Figure BDA0003708264400000115
称为角度信息。
对于三角形格子的均匀平面阵列而言，由于阵元在不同行之间左右交错排列，因此不能简单的用克罗内克积表示，而是需要分别表示每一行的阵列响应矢量。对于第k个用户终端的阵列响应矢量为：
Figure BDA0003708264400000116
在公式(1)中，
Figure BDA0003708264400000117
表示第k个用户终端的第m行天线阵元的阵列响应矢量，满足：
Figure BDA0003708264400000118
其中，
Figure BDA0003708264400000119
为沿x轴的第m行阵列响应矢量，
Figure BDA00037082644000001110
为沿着倾斜轴的阵列响应矢量，
Figure BDA00037082644000001111
表示
Figure BDA00037082644000001112
中的第m个阵元的响应矢量，有：
Figure BDA00037082644000001113
Figure BDA00037082644000001114
步骤S2、根据用户的角度信息，确定针对于两种均匀平面阵列的正交性条件，提取出卫星覆盖范围内的一系列基于角度信息的正交点。
具体的说，在卫星的特殊信道环境下，认为hk和vk是平行的，这意味着信道正交性可以直接通过与vk关联的用户的角度信息
Figure BDA0003708264400000121
确认。
在本实施例中，该步骤S2包括：
步骤S201、提取一系列基于角度信息的原始正交点
Figure BDA0003708264400000122
其中，
对于正方形网格，原始的正交性条件为：
Figure BDA0003708264400000123
对于三角形格子，原始的正交性条件为：
Figure BDA0003708264400000124
步骤S202、为了使
Figure BDA0003708264400000125
有意义，其范围应在[-1,1]之间，因此x与y的取值应满足：
Figure BDA0003708264400000126
且x与y不一定能同时取到上述值，其取值应满足使得不等式成立：
Figure BDA0003708264400000127
在公式(5)中，θmax是卫星的最大俯仰角。
步骤S203、用户的位置不是恰好在这些正交点上，需要旋转这些原始的正交方向，其本质为将原始的正交点循环平移一定距离。首先需要找到需平移的距离，令θk和φk分别为用户k的俯仰角与方位角，在x轴方向和y轴方向的平移距离分别为：
Figure BDA0003708264400000128
在公式(6)中，x*和y*可表示为：
Figure BDA0003708264400000129
从而得到用户终端k的N个正交点
Figure BDA00037082644000001210
n＝1,2,…N，表示为：
Figure BDA00037082644000001211
同理x与y的取值应满足使得不等式
Figure BDA0003708264400000131
成立。
步骤S204、综上所述，对于用户终端k而言，针对不同的均匀平面阵列，利用该用户的角度信息
Figure BDA0003708264400000132
均可得到对应的N个正交点的集合，用
Figure BDA0003708264400000133
表示为：
Figure BDA0003708264400000134
步骤S3、为进行用户选择，基于正交点引入准正交区域的概念；并根据两用户在不同距离的干扰分析，确定了准正交区域的三种分布模式；
具体的说，在本实施例中，为了能够执行用户分组与调度算法，需要根据步骤S2求得的正交点集合选择用户终端，并且在一个正交点周围的范围内最多可以选择一个用户终端，以保证用户间的正交性。上述的准正交区域的概念，其表示为在具有所设定阈值的正交点周围范围内，可允许选择用户的一系列区域。通常情况下相控阵天线的个数在横纵坐标上是相等的，设M＝Mx＝My，因此正交点之间是也等距的，则准正交区域被视为预定阈值半径r范围内的多个圆形区域，r即为每个准正交区域以正交点为圆心的最大半径。本发明的目标是在准正交区域中选择用户终端，以确保吞吐量性能。
更具体的说，由于用户终端在不同正交点附近具有不同的干扰效应，为了确定准正交区域的分布，本实施例计算任意两个正交点附近(阈值r内)两用户终端的归一化信道相关性，以分析干扰。
为了简便，本实施例只分析了正方形格子的情况，三角形格子可以类比推出，其包括：
首先，令
Figure BDA0003708264400000135
为两用户终端距离正交点的偏移因子，在用户均匀分布的假设下，其概率接近高斯分布，其中，
Figure BDA0003708264400000136
是两用户终端之间的正交点数，有正负区分；
然后，在固定nx和ny的情况下，分别在任意两个正交点附近的用户终端k和用户终端l的归一化信道相关性的期望可表示为：
Figure BDA0003708264400000137
在该公式(7)中，
Figure BDA0003708264400000141
Figure BDA0003708264400000142
其中
Figure BDA0003708264400000143
和
Figure BDA0003708264400000144
均是为了简化公式(7)而使用的表达式。
最后，针对几种(nx,ny)对公式(7)进行关于阈值半径r进行数值积分，根据图3结果显示，当两用户终端位置所对应了正交点处于同一行或同一列，用户间的干扰远大于处于不同行和不同列的用户间干扰。为了使得用户间干扰尽可能小，在进行准正交区域分布设计时，可以避免用户在相同行或相同列中处于很近的距离。基于此，本发明设计了准正交区域的密集、常规、稀疏三种分布模式。
常规模式(模式2)避免了任意两用户终端处于同一行或同一列的相邻位置，即避免了(nx,ny)＝(0,1),(1,0)；
稀疏模式(模式3)避免了任意两用户终端处于同一行或同一列的相邻两个点的位置，即避免了(nx,ny)＝(0,1),(1,0),(0,2),(2,0)，这抑制了主要的干扰成分，而密集模式(模式1)则可以选择任意正交点。
根据不同的场景需求，可选择不同的模式进行用户选择。当地面上的用户终端数较少时，若选择模式3，可供选择的准正交区域数量比较少，则每组用户可能不能达到最大上限，使得和速率性能下降，因此此时需要更多准正交区域数量，模式1更为合适。当地面用户数量比较大时，采用模式3也可以使得每组用户数达到饱和。
步骤S4、实施完整的用户分组与调度算法，其包括：
步骤S401、进行参数的输入与初始化；
具体的说，在本实施例中，该输入参数为一颗卫星覆盖范围内的所有用户角度信息
Figure BDA0003708264400000145
准正交区域分布模式x,(x＝1,2,3)，准正交区域阈值半径r，总用户组数NG以及波束最大数量NF。并初始化用户集合
Figure BDA0003708264400000146
与用户组集合
Figure BDA0003708264400000151
步骤S402、选择一个新的用户组，对于第一个用户的选择，结合比例公平准则引入优先级权重，利用用户的角度信息选择用户集合中加权信道增益最大的用户；
具体的说，在本实施例中，该步骤S402包括：
创建新用户组，首先考虑选择用户集合中信道增益最大的用户，并结合比例公平准则引入优先级权重，由于利用用户的角度信息代替信道增益可降低计算复杂度，选择该组第一个用户的准则可表示为具有最小加权俯仰角的用户：
Figure BDA0003708264400000152
在公式(8)中，wu表示为：
Figure BDA0003708264400000153
当
Figure BDA0003708264400000154
时有b＝1；当
Figure BDA0003708264400000155
时有b＝0，t为当前用户组标号，δ＝1-(1/Tc)是与滑动窗口有关的遗忘因子，滑动窗口的宽度为设定的Tc。将该用户加入当前组中
Figure BDA0003708264400000156
并从用户集合中删除
Figure BDA0003708264400000157
步骤S403、根据所设定的准正交区域的分布模式，得到步骤步骤S2中所述的该用户的正交点集合；
具体的说，在本实施例中，该步骤S403包括：
根据所设定的模式x,(x＝1,2,3)得到步骤S2中所述的该用户的N个正交点集合：
Figure BDA0003708264400000158
步骤S404、将比例公平中的加权速率使用用户的加权俯仰角代替以简化计算，选择正交点集合对应的准正交区域内所有用户的平均加权俯仰角最小的一个正交点，表达式为：
Figure BDA0003708264400000159
在该公式(9)中，
Figure BDA0003708264400000161
为该准正交区域内的用户集合，对于正方形格子的均匀平面阵列，有
Figure BDA0003708264400000162
对于等边三角形格子的均匀平面阵列，有：
Figure BDA0003708264400000163
在公式(10)和公式(11)中，Q1和Q2是另一种形式的阈值表达方式，分别满足
Figure BDA0003708264400000164
Figure BDA0003708264400000165
步骤S405、选择该正交点对应的准正交区域内具有最小加权俯仰角的一个用户，并将该用户加入该组，同时从用户集合中删除，并将该正交点从正交点集合中删除；
具体的说，将比例公平中的加权速率用加权俯仰角代替，选择该正交点对应的准正交区域内具有最小加权俯仰角的一个用户：
Figure BDA0003708264400000166
将该用户加入该组
Figure BDA0003708264400000167
从用户集合中删除
Figure BDA0003708264400000168
并将该正交点从正交点集合中删除
Figure BDA0003708264400000169
步骤S406、若该组用户数达到上限NF，则进入下一步骤，若没有达到上限，则回到步骤S404进行新用户的选择；
步骤S407、若用户组数达到上限，即t＝NG，则将分配好的用户分组及调度方案输出，若没有达到上限，则重新将用户集合初始化
Figure BDA00037082644000001610
针对于当前分组情况更新优先级权重wu，并回到步骤S402进行新的用户组分组。
综上所述，本发明提出了一种适用于多波束卫星移动通信系统的低复杂度用户分组及公平调度方法。针对于正方形网格和三角形网格两种均匀平面阵列来建立信道模型，提取出基于角度信息的用户正交性条件，并结合用户间的干扰分析提出了准正交区域的概念，基于此利用角度信息进行快速地用户分组；同时将基于用户角度信息的比例公平调度算法引入该正交分组算法中，兼顾用户间的公平性与和速率性能。本发明提出的方法具有较低的运算复杂度，在星上资源受限的条件下能够实现低功耗高性能的指标，拥有实际应用价值。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多波束卫星的低复杂度用户分组及公平调度方法，其特征在于，所述方法针对多波束低轨宽带卫星移动通信系统，其包括如下步骤：
步骤S1、分别针对卫星侧配备的两种均匀平面阵列，对卫星通信下行链路的信道进行分析，考虑多普勒频移与传播延时，表征出相控阵天线发送到每个用户的信道响应矢量；
步骤S2、根据用户的角度信息，确定针对于两种均匀平面阵列的正交性条件，提取出卫星覆盖范围内的一系列基于角度信息的正交点；
步骤S3、为进行用户选择，基于正交点引入准正交区域的概念；并根据两用户在不同距离的干扰分析，确定了准正交区域的三种分布模式，其中，所述的准正交区域的概念为在设定阈值的正交点周围范围内，能够允许选择用户的一系列区域；所述的三种分布模式包括：密集、常规、稀疏三种分布模式；
步骤S4、实施完整的用户分组与调度算法，其包括：
步骤S401、进行参数的输入与初始化；
步骤S402、选择一个新的用户组，对于第一个用户的选择，结合比例公平准则引入优先级权重，利用用户的角度信息选择用户集合中加权信道增益最大的用户；
步骤S403、根据所设定的准正交区域的分布模式，得到步骤S2中所述的该用户的正交点集合；
步骤S404、将比例公平中的加权速率使用用户的加权俯仰角代替以简化计算，选择正交点集合对应的准正交区域内所有用户的平均加权俯仰角最小的一个正交点；
步骤S405、选择该正交点对应的准正交区域内具有最小加权俯仰角的一个用户，并将该用户加入该组，同时从用户集合中删除，并将该正交点从正交点集合中删除；
步骤S406、若该组用户数达到上限，则进入下一步骤，若没有达到上限，则回到步骤S404进行新用户的选择；
步骤S407、若用户组数达到上限，则将分配好的用户分组及调度方案输出，若没有达到上限，则重新将用户集合初始化，针对于当前分组情况更新优先级权重，并回到步骤S402进行新的用户组分组。
2.根据权利要求1所述的一种多波束卫星的低复杂度用户分组及公平调度方法，其特征在于，在所述的多波束低轨宽带卫星移动通信系统中，在卫星侧配备一个均匀平面阵列的相控阵天线，天线规模为NT＝Mx×My，其中Mx和My分别是天线阵元在x轴与y轴的数量；该均匀平面阵列包括：基于正方形格子和基于等边三角形格子的两种类型；
在该系统中，假设其最多能提供NF个波束，NF＜Nt，设置在该卫星覆盖范围内地面用户终端的总数量为Ktot，并且假设该数量远大于波束数量，即Ktot＞＞NF，每个用户为单天线接收；
系统采用时分复用与空分复用结合的方式。
3.根据权利要求2所述的一种多波束卫星的低复杂度用户分组及公平调度方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
将卫星的相控阵天线发送到用户k的信道建模为：
Figure FDA0003708264390000021
在公式(1)中，
Figure FDA0003708264390000022
是由于卫星移动导致的多普勒频移，
Figure FDA0003708264390000023
为传播延时，假设信道增益系数gk服从莱斯因子为κk的莱斯衰落分布且功率E{|gk|2}＝γk；信道增益系数gk的实部和虚部分别服从均值为
Figure FDA0003708264390000024
方差为
Figure FDA0003708264390000025
的实高斯分布；vk为相控阵天线的下行链路响应矢量，考虑了两种均匀平面阵列，对应了不同的vk；
其中，对于正方形格子的均匀平面阵列而言，下行链路响应矢量表示为
Figure FDA0003708264390000026
Figure FDA0003708264390000027
表示克罗内克积，其中x方向上的阵列角度响应矢量为：
Figure FDA0003708264390000028
y方向的阵列角度响应矢量为：
Figure FDA0003708264390000029
在公式(2)和(3)中，
Figure FDA00037082643900000210
分别代表用户终端对均匀平面阵列的x轴和y轴的方向余弦；θk和
Figure FDA00037082643900000211
分别代表卫星对用户终端k的俯仰角与方位角，将用户k的这一对方向余弦
Figure FDA0003708264390000031
称为角度信息；
对于三角形格子的均匀平面阵列而言，由于阵元在不同行之间左右交错排列，因此不能用克罗内克积表示，而是需要分别表示每一行的阵列响应矢量；
对于第k个用户终端的阵列响应矢量为：
Figure FDA0003708264390000032
在公式(1)中，
Figure FDA0003708264390000033
表示第k个用户终端的第m行天线阵元的阵列响应矢量，满足：
Figure FDA0003708264390000034
其中，
Figure FDA0003708264390000035
为沿x轴的第m行阵列响应矢量，
Figure FDA0003708264390000036
为沿着倾斜轴的阵列响应矢量，
Figure FDA0003708264390000037
表示
Figure FDA0003708264390000038
中的第m个阵元的响应矢量，有：
Figure FDA0003708264390000039
Figure FDA00037082643900000310
4.根据权利要求3所述的一种多波束卫星的低复杂度用户分组及公平调度方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S201、提取一系列基于角度信息的原始正交点
Figure FDA00037082643900000311
其中，
对于正方形网格，原始的正交性条件为：
Figure FDA00037082643900000312
对于三角形格子，原始的正交性条件为：
Figure FDA0003708264390000041
步骤S202、为了使
Figure FDA0003708264390000042
有意义，其范围应在[-1,1]之间，因此x与y的取值应满足：
Figure FDA0003708264390000043
且x与y不一定能同时取到上述值，其取值应满足使得不等式成立：
Figure FDA0003708264390000044
在公式(5)中，θmax是卫星的最大俯仰角；
步骤S203、为了使得用户的位置恰好在这些正交点上，需要旋转这些原始的正交方向，也即是将原始的正交点循环平移一定距离，其包括：首先找到需平移的距离，令θk和φk分别为用户k的俯仰角与方位角，在x轴方向和y轴方向的平移距离分别为：
Figure FDA0003708264390000045
在公式(6)中，x*和y*可表示为：
Figure FDA0003708264390000046
从而得到用户终端k的N个正交点
Figure FDA0003708264390000047
表示为：
Figure FDA0003708264390000048
同理x与y的取值应满足使得不等式
Figure FDA0003708264390000049
成立；
步骤S204、对于用户终端k而言，针对不同的均匀平面阵列，利用该用户的角度信息
Figure FDA00037082643900000410
均可得到对应的N个正交点的集合，用
Figure FDA00037082643900000411
表示为：
Figure FDA00037082643900000412
5.根据权利要求4所述的一种多波束卫星的低复杂度用户分组及公平调度方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
针对正方形格子的情况进行分析，其包括：
首先，令
Figure FDA0003708264390000051
为两用户终端距离正交点的偏移因子，在用户均匀分布的假设下，其概率接近高斯分布，其中，
Figure FDA0003708264390000052
是两用户终端之间的正交点数，有正负区分；
然后，在固定nx和ny的情况下，分别在任意两个正交点附近的用户终端k和用户终端l的归一化信道相关性的期望可表示为：
Figure FDA0003708264390000053
在该公式(7)中，
Figure FDA0003708264390000054
Figure FDA0003708264390000055
其中
Figure FDA0003708264390000056
和
Figure FDA0003708264390000057
均是为了简化公式(7)而使用的表达式；
针对几种(nx,ny)对公式(7)进行关于阈值半径r进行数值积分；
最后，设计准正交区域的密集、常规、稀疏三种分布模式，用于使得用户间干扰尽可能小，其中，
常规模式，避免了任意两用户终端处于同一行或同一列的相邻位置，即避免了(nx,ny)＝(0,1),(1,0)；
稀疏模式，避免了任意两用户终端处于同一行或同一列的相邻两个点的位置，即避免了(nx,ny)＝(0,1),(1,0),(0,2),(2,0)，这抑制了主要的干扰成分；
密集模式则能够选择任意正交点；
其中，三角形格子通过上述方法类比推出。
6.根据权利要求5所述的一种多波束卫星的低复杂度用户分组及公平调度方法，其特征在于，所述步骤S401具体包括：
输入参数为一颗卫星覆盖范围内的所有用户角度信息
Figure FDA0003708264390000061
准正交区域分布模式x,(x＝1,2,3)，准正交区域阈值半径r，总用户组数NG以及波束最大数量NF；
并初始化用户集合
Figure FDA0003708264390000062
与用户组集合
Figure FDA0003708264390000063
7.根据权利要求6所述的一种多波束卫星的低复杂度用户分组及公平调度方法，其特征在于，步骤S402包括：
创建新用户组，首先考虑选择用户集合中信道增益最大的用户，并结合比例公平准则引入优先级权重，由于利用用户的角度信息代替信道增益可降低计算复杂度，选择该组第一个用户的准则表示为具有最小加权俯仰角的用户：
Figure FDA0003708264390000064
在公式(8)中，wu表示为：
Figure FDA0003708264390000065
当
Figure FDA0003708264390000066
时有b＝1；当
Figure FDA0003708264390000067
时有b＝0，t为当前用户组标号，δ＝1-(1/Tc)是与滑动窗口有关的遗忘因子，滑动窗口的宽度为设定的Tc；
将该用户加入当前组中
Figure FDA0003708264390000068
并从用户集合中删除
Figure FDA0003708264390000069
8.根据权利要求7所述的一种多波束卫星的低复杂度用户分组及公平调度方法，其特征在于，所述步骤S403包括：
根据所设定的模式x,(x＝1,2,3)得到步骤S2中所述的该用户的N个正交点集合：
Figure FDA00037082643900000610
9.根据权利要求8所述的一种多波束卫星的低复杂度用户分组及公平调度方法，其特征在于，在所述步骤S404中，所述选择正交点集合对应的准正交区域内所有用户的平均加权俯仰角最小的一个正交点，其具体表达式为：
Figure FDA0003708264390000071
在该公式(9)中，
Figure FDA0003708264390000072
为该准正交区域内的用户集合，对于正方形格子的均匀平面阵列，有：
Figure FDA0003708264390000073
对于等边三角形格子的均匀平面阵列，有：
Figure FDA0003708264390000074
在公式(10)和公式(11)中，Q1和Q2是另一种形式的阈值表达方式，分别满足
Figure FDA0003708264390000075
Figure FDA0003708264390000076
10.根据权利要求9所述的一种多波束卫星的低复杂度用户分组及公平调度方法，其特征在于，所述步骤S405包括：
将比例公平中的加权速率用加权俯仰角代替，选择该正交点对应的准正交区域内具有最小加权俯仰角的一个用户：
Figure FDA0003708264390000077
将该用户加入该组
Figure FDA0003708264390000078
从用户集合中删除
Figure FDA0003708264390000079
并将该正交点从正交点集合中删除
Figure FDA00037082643900000710
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