CN115865177A - 一种互联网星座资源共用架构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种互联网星座资源共用架构及其设计方法，属于卫星通信领域。所述共用架构包含至少1个主星座卫星系统和1个次级星座卫星系统；所述次级星座卫星系统包括大规模星座卫星和若干分布式布署地面站，卫星采用跳波束工作方式。主星座卫星系统资源使用情况获取、主星座卫星系统资源利用统计数据库构建、次级星座卫星系统卫星服务规划、次级星座卫星系统用户终端切换与驻留选星、次级星座卫星系统用户资源实时调度。本发明的资源共用架构设计，次级星座卫星系统可通过认知主星座的资源使用的多维稀疏性，结合波束调度策略，实现与主星座卫星通信系统频率资源共用，提高次级星座卫星通信系统的通信容量和降低通信中断概率。

Description

一种互联网星座资源共用架构及其设计方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，涉及一种面向星座稀疏使用规律认知的巨型互联网星座资源共用架构设计。

背景技术

互联网星座系统设计采用大规模低轨卫星面向全球用户提供大容量、高速率的互联网接入服务，是地面5G、5G-Beyond时代实现全球网络覆盖的重要解决方案之一。通信卫星的频率资源是全球共有的稀缺资源，卫星互联网的建设首先要解决频率资源问题。目前全球卫星频率资源由国际电联统一管理，采用“GSO(Geostationary Earth Orbit)卫星优先”、“先登记优先服务”的原则进行资源的协调分配。针对大规模的卫星互联网建设需求，考虑新申请频率资源的系统不能对已有系统产生有害干扰的规定，需要获取独立的频率资源难度极大，因此，结合认知技术和资源调度策略，通过次级星座卫星系统与主星座卫星系统资源共用的方式建设我国自己的卫星互联网是不二的选择。

多个星座的资源共用研究，目前相关的研究主要集中在卫星星座使用频率资源的可行性研究、多颗同步轨道卫星之间的干扰建模分析、同步轨道卫星与低轨卫星双星之间干扰评估与规避，以及基于不同场景干扰建模的双星之间的频率共用策略研究。上述研究不能支持卫星数量多、轨道类型多样和资源灵活多变的多个巨型星座卫星系统间的资源共享场景；同时，由于基于空间隔离的旁视分集卫星选择、隔离角规避共视干扰等兼容技术的应用，使得主星座卫星资源在空时频能等维度呈现不规则性和不连续性，次级星座卫星系统可通过认知主星座的资源使用的多维稀疏性，结合波束调度策略，实现资源的共用，由此需要设计一种面向星座稀疏使用规律认知的巨型互联网星座资源共用架构。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种互联网星座资源共用架构及其设计方法，面向主星座卫星系统资源在空时频能等维度呈现不规则性和不连续性的稀疏特性，结合认知技术和次级星座卫星系统的资源调度策略，兼顾主星座系统性能的同时，次级星座卫星系统能够高效共享主星座系统资源，为巨型互联网星座建设中频率紧缺问题提供思路。

一种互联网星座资源共用架构，包括至少1个主星座卫星系统和1个次级星座卫星系统；

所述次级星座卫星系统包括大规模卫星星座和若干分布式布署地面站；用户终端采用多波束相控阵天线，接收多路信号；卫星采用基于相控阵的捷变波束工作方式，支持空间波束指向捷变；

所述次级星座卫星系统可统一调度所属卫星和用户终端，实现对主星座系统资源使用情况的数据采集，其中，用户终端的数据采集利用空闲终端或者终端的空闲波束；

所述次级星座卫星系统设有1个或多个地面管理中心，该中心通过前向广播信道向所有用户终端发布相同消息，反之，用户终端通过返向信道与系统交互；

所述次级星座卫星系统共用主卫星星座卫星系统的频率资源，为全球或区域用户提供服务。

一种互联网星座资源共用架构的设计方法，包括如下步骤：

10)获取主星座卫星系统资源使用情况：利用次级星座卫星系统的多颗卫星和分布式地面用户终端，分别获取主卫星星座卫星系统的上行链路和下行链路的多维资源使用数据；

20)构建主星座卫星系统资源利用统计数据库：基于感知采集数据，认知主星座系统资源的上下行链路资源使用规律，并基于地理信息构建主星座系统在区域的空、时、频、能等多维资源利用统计数据库；

30)规划次级星座卫星系统服务：基于主星座卫星资源利用统计数据库，面向次级星座卫星系统的用户区域分布、业务分布及业务动态变化，周期规划次级星座卫星系统中每颗卫星的可共用资源和服务区域；

40)次级星座卫星系统用户终端切换与驻留选星：综合次级星座卫星可共用资源和服务用户业务分布情况，设计用户终端的卫星选择、切换和驻留策略，指导用户终端按照流程实现服务卫星调度切换；

50)实时调度次级星座卫星系统资源：综合考虑卫星的可共用资源、用户终端切换需求和新业务需求预测，结合主星座卫星系统资源实时认知结果，实现次级星座卫星系统中提供服务的卫星服务资源的实时调度。

本发明与现有设计相比，其显著优点：

1、频率资源利用率提高：已分配给主星座卫星系统的频率资源，通过采用资源共用架构设计，在确保主星座卫星系统正常运行的同时，实现次级用户资源共用，提高频率资源的利用率；

2、通用性好：本发明设计采用次级星座卫星和地面用户终端对主星座卫星系统上下行链路进行数据采集，兼顾了主星座卫星系统的不同轨道设计，可通用于各种轨道类型的星座系统间实现资源共用；

3、实用性强：本发明面向多颗卫星组成的星座系统间的资源共享，考虑了星座系统的利用多颗卫星实现的全球覆盖特性、单颗卫星的动态性以及用户分布的差异性，符合实际星座卫星系统设计与运用情况。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1是互联网星座相同频率资源共用示意图。

图2是面向星座稀疏使用规律认知的巨型互联网星座资源共用架构设计流程图。

图3是区域A(m,n)内，次级星座卫星对主卫星上下行链路数据感知采集示意图。

图4是主星座系统资源利用统计数据库构建示意图。

图5是次级星座系统面向资源共用的服务规划流程示意图。

图6是次级星座系统用户终端选星切换流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。

如图1所示，一种互联网星座资源共用架构，包括至少1个主星座卫星系统和1个次级星座卫星系统；

所述次级星座卫星系统包括大规模卫星星座和若干分布式布署地面站(用户终端、信关站和地面管理中心)；用户终端采用多波束相控阵天线，可接收多路信号；卫星采用基于相控阵的捷变波束工作方式，支持空间波束指向捷变；

所述次级星座卫星系统设有1个或者多个系统控制中心，该中心通过前向广播信道(即从地面管理中心经过卫星转发之后到达用户的链路)向所有用户终端发布消息，反之，用户终端可以通过返向信道(即从用户终端经过卫星转发到达地面管理中心的链路)或星间链路与系统交互；

所述次级星座卫星系统可统一调度所属卫星和用户终端，实现对主星座系统资源使用情况的数据采集，其中，用户终端的数据采集主要利用空闲终端或者终端的空闲波束。

如图2所示，一种互联网星座资源共用架构的设计方法，包括如下步骤：

10)获取主星座卫星资源使用情况：利用次级星座卫星系统的卫星和分布式地面用户终端，分别获取主卫星星座卫星系统在不同区域的上行链路和下行链路的多维资源使用情况；

所述主星座卫星资源使用情况获取步骤10)包括：

(11)基于次级星座卫星覆盖能力与规律，将地面区域划分成若干子区域，依次记为A(m,n)，其中m代表经度标号，n代表纬度标号，如图3所示。

(12)针对某区域A(m,n)，利用次级星座卫星系统的多星接收通道，获取主星座系统上行链路在该区域时、空、频、能等维度的资源使用情况，单卫星单通道采集数据记为

这里i代表次级星座卫星编号，i∈N_sat，N_sat代表次卫星系统的卫星数量，j代表该卫星波束编号，t代表采集时刻，f代表采集频率，如图3所示。

(13)针对某区域A(m,n)，利用次级星座卫星系统广域分布的地面用户终端，对主星座卫星系统下行链路在该区域时、空、频、能等维度的资源使用情况进行采集，单个次级星座卫星系统用户终端对主星座卫星系统下行链路在该区域采集数据记为

这里k代表终端的编号，j代表该终端波束指向编号，t代表采集时刻，f代表采集频率，如图3所示。

20)构建主星座卫星资源利用统计数据库：基于采集数据，认知主星座系统资源的上下行链路资源使用规律，并基于地理信息构建主星座系统空时频能等多维资源利用统计数据库；

所述主星座卫星资源利用统计数据库构建(20)步骤如图4所示，包括：

(21)认知主星座卫星系统上行链路规律。针对A(m,n)区域，基于次级星座卫星对该区域的覆盖规律，将依次过境的次级卫星采集数据经过馈电链路返回信关站，最终在地面管理中心完成该区域采集上行链路感知数据的汇集，可记为

其中N∈N_sat代表能够覆盖该地区的次级星座卫星；地面管理中心基于汇聚的感知数据，认知该区域主卫星星座系统用户分布情况与业务分布情况，归纳其波束调度周期和空时频能等维度的波束点亮规律。

(22)认知主星座卫星系统下行链路规律。针对A(m,n)区域，利用次级星座卫星用户终端的空闲天线，采集到主星座卫星系统下行链路数据记为

其中N_{T_free}代表次级星座卫星系统地面空闲用户终端数量，最终在地面管理中心完成该区域采集下行链路感知数据的汇集；结合其各个终端的波束指向，地面管理中心认知该区域主卫星星座系统的下行链路业务分布，归纳主卫星星座系统波束调度周期和关联卫星ID的空时频能等维度的波束点亮规律。

(23)在步骤(21)、(22)提供的主卫星星座系统上下行链路的区域使用规律认知的基础上，构建主星座卫星通信系统资源使用数据库。数据库的关键字包括：主星座卫星ID、服务地面区域编号、服务资源规律描述(频率使用、波束指向规律、时间跳变规律、信号能量区间、链路类型)。

30)规划次级星座卫星系统服务：基于主星座卫星资源使用数据库，面向次级星座卫星系统的用户区域分布、业务分布及业务动态变化，周期规划次级星座卫星系统中单卫星的可用资源；

所述次级星座卫星系统服务规划的步骤30)如图5所示，包括：

(31)依据步骤20)建立的主星座卫星资源使用情况数据库和次级星座卫星系统运行规律分析，挖掘次级星座系统不同卫星在不同地面区域基于资源共用策略可以提供的服务能力，包括系统容量和连续服务能力；

(32)依据次级星座卫星通信系统各地面区域历史业务需求数据，进行区域关联的用户业务需求预测，获得用户业务需求变化的预测数据。

(33)基于步骤(31)次级星座卫星系统卫星服务能力和步骤(32)预测数据，结合卫星当前服务用户和预测的可能服务用户情况，进行下一个资源分配周期卫星服务规划，包括卫星可提供服务区域和卫星可用资源(频率、波束、时间和能量)。

40)次级星座卫星系统用户终端切换与驻留选星：综合考虑卫星可用资源与服务用户情况，设计次级星座卫星系统用户终端的卫星选择、切换和驻留策略，指导用户终端按照流程实现服务卫星调度切换；

所述用户终端切换与驻留选星的步骤40)如图6所示，包括

(41)依据卫星服务规划，系统周期广播可切换目标卫星的状态集

集合的元素内容为一个长度为N_c的向量，N_c代表目标卫星集内的卫星数目，终端接收该服务规划；

(42)次级星座系统终端用户依据系统播发的可切换目标卫星的状态集消息，结合本机位置信息和接可用卫星信号质量监测信息，进行切换预决策，并向系统发起切换申请；

(43)次级星座卫星通信系统复核终端提交的切换申请，在满足预留资源门限时，同意终端切换申请，否则拒绝；当不满足预留资源门限时，系统对终端执行切换调度。

50)实时调度次级星座卫星系统资源：综合考虑卫星的可用资源、用户终端切换需求和新业务需求预测，结合主星座卫星系统资源实时认知结果，实现次级星座卫星系统中提供服务的卫星和服务资源的实时调度。

本发明的资源共用架构设计，次级星座卫星系统可通过认知主星座的资源使用的多维稀疏性，结合波束调度策略，实现与主星座卫星通信系统频率资源共用，提高次级星座卫星通信系统的通信容量和降低通信中断概率。

Claims (8)

1.一种互联网星座资源共用架构，其特征在于：

包括至少1个主星座卫星系统和1个次级星座卫星系统；

所述次级星座卫星系统包括大规模卫星星座和若干分布式布署地面站；用户终端采用多波束相控阵天线，接收多路信号；卫星采用基于相控阵的捷变波束工作方式，支持空间波束指向捷变；

所述次级星座卫星系统可统一调度所属卫星和用户终端，实现对主星座系统资源使用情况的数据采集，其中，用户终端的数据采集利用空闲终端或者终端的空闲波束；

所述次级星座卫星系统设有1个或多个地面管理中心，该中心通过前向广播信道向所有用户终端发布相同消息，反之，用户终端通过返向信道与系统交互；

所述次级星座卫星系统共用主卫星星座卫星系统的频率资源，为全球或区域用户提供服务。

2.根据权利要求1所述的互联网星座资源共用架构，其特征在于：所述次级星座卫星系统能够获取主星座卫星系统的星历和频率配置方案。

3.根据权利要求1或2所述的互联网星座资源共用架构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

10)获取主星座卫星系统资源使用情况：利用次级星座卫星系统的多颗卫星和分布式地面用户终端，分别获取主卫星星座卫星系统的上行链路和下行链路的多维资源使用数据；

20)构建主星座卫星系统资源利用统计数据库：基于感知采集数据，认知主星座系统资源的上下行链路资源使用规律，并基于地理信息构建主星座系统在区域的多维资源利用统计数据库；

30)规划次级星座卫星系统服务：基于主星座卫星资源利用统计数据库，面向次级星座卫星系统的用户区域分布、业务分布及业务动态变化，周期规划次级星座卫星系统中每颗卫星的共用资源和服务区域；

40)次级星座卫星系统用户终端切换与驻留选星：综合次级星座卫星可共用资源和服务用户业务分布情况，设计用户终端的卫星选择、切换和驻留策略，指导用户终端按照流程实现服务卫星调度切换；

50)实时调度次级星座卫星系统资源：综合考虑卫星的可共用资源、用户终端切换需求和新业务需求预测，结合主星座卫星系统资源实时认知结果，实现次级星座卫星系统中提供服务的卫星服务资源的实时调度。

4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述步骤10)的获取主星座资源使用情况，具体包括如下步骤：

(11)基于次级星座卫星覆盖能力与规律，将地面区域划分成若干子区域，依次记为A(m,n)，其中m代表经度标号，n代表纬度标号；

(12)针对某区域A(m,n)，利用次级星座卫星系统的多星接收通道，获取主星座系统上行链路在该区域的多维资源使用情况；其中，单卫星单通道采集数据记为

这里i代表次级星座卫星编号，i∈N_sat，N_sat代表次卫星系统的卫星数量，j代表该卫星波束编号，t代表采集时刻，f代表采集频率；

(13)针对某区域A(m,n)，利用次级星座卫星系统广域分布的地面用户终端，对主星座卫星系统下行链路在该区域的多维资源的使用情况进行数据采集；其中，单个次级星座卫星系统用户终端对主星座卫星系统下行链路在该区域采集数据记为

这里k代表终端的编号，j代表该终端波束指向编号，t代表采集时刻，f代表采集频率。

5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述步骤20)的构建资源利用统计数据库，具体包括如下步骤：

(21)认知主星座卫星系统上行链路规律，针对A(m,n)区域，基于次级星座卫星对该区域的覆盖规律，所有采集的主星座卫星系统上行链路数据为

其中N∈N_sat代表能够覆盖该地区的次级卫星，认知该区域主卫星星座系统用户业务分布情况，归纳主星座系统其波束调度周期和空时频能等维度的波束点亮规律；

(22)认知主星座卫星系统下行链路规律，针对A(m,n)区域，利用次级星座卫星用户终端的空闲天线，采集到主星座卫星系统下行链路数据记为

其中N_{T_free}代表次级星座卫星系统地面空闲用户终端数量。结合用户终端波束指向，认知该区域主卫星星座系统的下行链路业务分布；基于主卫星星历，归纳主卫星星座系统波束调度周期和关联卫星ID的空时频能等维度的波束点亮规律；

(23)在步骤(21)、(22)提供的主卫星星座系统上下行链路的区域使用规律认知的基础上，构建主星座卫星通信系统资源利用统计数据库，资源库的关键字包括但不局限于：主星座卫星ID、服务地面区域编号、服务资源规律描述。

6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述步骤30)的规划次级星座卫星服务，具体包括如下步骤：

(31)依据步骤20)建立的主星座卫星资源利用统计数据库和次级星座卫星系统运行规律，评估次级星座系统不同卫星在不同地面区域A(m,n)的服务能力，包括系统容量和连续服务能力；

(32)依据次级星座卫星通信系统各地面区域A(m,n)历史业务需求数据，进行区域关联的用户业务需求预测，获得用户业务需求预测数据；

(33)基于步骤31)的次级星座卫星系统卫星服务能力和步骤32)的预测数据，结合卫星当前服务用户和预测的可能服务用户情况，采用系统容量最大原则，即

其中，R_i,A(m,n)代表在A(m,n)区域的第i颗卫星的信道容量，k是与地理位置相关的系数，进行下一个资源分配周期卫星服务规划，包括卫星可用资源和卫星服务区域。

7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述步骤40)的次级星座卫星系统用户终端切换与驻留选星，具体包括如下步骤：

(41)依据卫星服务规划，系统广播切换目标卫星的状态集

集合的元素内容为一个长度为N_c的向量，N_c代表目标卫星集内的卫星数目；

(42)次级星座系统终端用户接收系统播发的可切换目标卫星的状态集消息，结合本机位置信息和可用卫星信号质量监测信息，进行切换预决策，生成切换预决策消息，向系统发起切换申请；

(43)次级星座卫星通信系统复核终端提交的切换申请，在满足预留资源门限时，同意终端切换申请，否则拒绝；当不满足预留资源门限时，系统可对终端进行切换调度。

8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述步骤50)的实时调度次级星座卫星系统资源，具体包括如下步骤：

(51)次级星座卫星依据系统的卫星服务规划和实时的主星座资源认知情况，生成服务区域关联的实时可用卫星资源库。

(52)依据次级星座卫星服务用户的属性，包括，原服务用户、切换用户、新申请用户，进行资源实时调度，生成资源服务列表，通过前向信道将消息广播给用户终端；

(53)用户依据接收的可用资源消息，调整收发参数，完成在当前区域内对次级卫星星座系统的业务资源调配。

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