CN116566465A - 基于跳波束规避低轨卫星干扰的多域资源分配方法 - Google Patents

基于跳波束规避低轨卫星干扰的多域资源分配方法 Download PDF

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Abstract

基于跳波束规避低轨卫星干扰的多域资源分配方法，涉及卫星通信领域，是为了解决现有的跳波束技术仅考虑单颗卫星的资源分配及星内同频干扰，导致资源的利用率低等问题。本发明通过分析两颗低轨卫星的星内和星间干扰，设置小区的权重优先级，基于小区的权重优先级自适应分配功率，得到小区的功率分配矩阵，以小区的平均流量满意度作为优化目标，首先考虑星内干扰，进行单颗低轨卫星跳波束图案的设计，得到每颗卫星在整个跳波束周期内的时间分配矩阵；其次考虑星间干扰，对得到的时间分配矩阵基于启发式算法进行重新排列，得到最终所需的时隙调度矩阵，从而实现规避星内和星间干扰，在保证用户服务公平性的基础上大幅度提升了系统吞吐量。

Description

基于跳波束规避低轨卫星干扰的多域资源分配方法
技术领域
本发明涉及涉及卫星通信领域，具体涉及一种规避低轨卫星干扰的资源分配方法。
背景技术
低轨卫星轨道高度低、覆盖范围大、通信时延短，且近年来随着低轨大规模星座的建设，低轨卫星势必成为空天地一体化网络的重要组成部分。低轨卫星的覆盖区域因地形地势以及自然环境的影响，人口分布不均，导致了业务需求分布的不均匀，如若继续采用传统的平均分配资源的方案，必然会降低资源的利用率以及系统的服务质量。而且随着空间中低轨卫星数量的增加，星间干扰不可忽略，跳波束技术利用空间隔离和时间隔离的思想规避同频干扰，同时可以为业务需求量更大的地方提供更多的资源以提高资源的利用率并且保证小区服务的公平性。
目前关于跳波束技术的研究大多数集中于高轨卫星，少数关于低轨卫星的研究均聚焦于规避星内干扰，缺乏在规避星间干扰的基础上联合优化多域资源的研究。目前关于低轨卫星跳波束技术的研究有几种，2020年L.K.Zhao研究了单颗低轨卫星的资源优化问题，引入深度强化学习网络提升系统的吞吐量，2019年WANGY X等人基于业务分布不均匀调整波束大小，管理波束资源，通过覆盖更多的波束位置让更多的用户可以访问，2018年TANGJY等人提出了基于跳波束的低轨卫星系统的时间、频率、功率域资源的联合优化算法，但并未保证用户服务的公平性。在规避干扰层面，2021年WANGAY等人基于跳波束的低轨卫星系统划分簇的概念，定义最小点亮波束间距规避星间同频干扰，2019年KIBRIAM G等人结合预编码和跳波束技术，利用预编码均衡波束间的干扰。
综上所述，目前针对低轨卫星跳波束技术的研究还非常有限，在系统模型搭建、优化问题设置、优化性能评估方面的研究还有待拓展，并且现有的跳波束资源分配算法计算复杂度高，低轨卫星的计算能力有限，还无法直接应用于低轨卫星。
发明内容
本发明是为了解决现有的跳波束技术仅考虑单颗卫星的资源分配及星内同频干扰，导致资源的利用率低，以及用户服务的公平性差的问题，从而提供一种基于跳波束规避低轨卫星干扰的多域资源分配方法。
本发明采用的技术方案为：
基于跳波束规避低轨卫星干扰的多域资源优化方法，它包括以下步骤：
步骤一、建立低轨卫星系统模型，其中低轨卫星系统包括两颗低轨卫星，即：低轨卫星LEO_1和低轨卫星LEO_2，所述两颗低轨卫星均配置有可操控的多跳波束天线，用于下行业务传输，每颗低轨卫星覆盖M个小区，M为正整数；且每颗低轨卫星最大能够产生K个波束，K为正整数；且K＜＜M，每颗低轨卫星的总发射功率Ptotal根据不同的功率分配方案服务于各小区，所述两颗低轨卫星均采用全频复用的频率复用方式，即：同一时刻两颗卫星点亮波束的可用频带为全部带宽；
步骤二、根据步骤一建立的低轨卫星系统模型，分析所述低轨卫星系统的通信链路，具体为：
地面网关根据小区的流量需求为各小区分配权重优先级，并将数据通过信关站发送至所述低轨卫星系统，所述低轨卫星系统通过波束调度规避星内和星间同频波束的干扰，并联合优化时隙、波束功率资源和信干噪比SINR的多域资源；
步骤三、根据步骤二中所述各小区的权重优先级进行各小区的自适应功率分配，通过设置低轨卫星系统的迭代次数，获得最优的功率分配矩阵；
步骤四、定义小区的流量满意度，所述流量满意度采用所述低轨卫星系统提供流量Cm与所需流量Dm的比值来表示，即：Cm/Dm，所述流量满意度用于衡量所述低轨卫星系统的服务质量；
步骤五、将步骤四中所述的小区的流量满意度分解为单颗卫星的跳波束图案设计问题和合理设计时隙调度矩阵规避星间干扰问题；
步骤六、对于单颗卫星的跳波束图案设计问题，其求解方法具体为：
在所有的波束选择方案中选择满足空间隔离条件的有效跳波束图案BHTP，获得在整个跳波束周期内所有有效跳波束图案BHTP的选择次数；进而根据步骤三获得的最优功率分配矩阵获得单颗卫星的跳波束图案设计问题的解；
步骤七、对于合理设计时隙调度矩阵规避星间干扰问题，其求解方法具体为：
定义一个干扰惩罚矩阵，并利用现有的启发式算法求解两颗低轨卫星的时隙调度矩阵，实现规避星内和星间干扰；进而获得合理设计时隙调度矩阵规避星间干扰问题的解；
完成一次基于跳波束规避低轨卫星干扰的多域资源优化。
本发明具有以下突出的实质性特点和显著进步：
本发明提出了一种基于跳波束规避低轨卫星干扰的多域资源分配方法，分析两颗低轨卫星的星内和星间干扰，设置小区的权重优先级，基于小区的权重优先级自适应分配功率，得到小区的功率分配矩阵，以小区的平均流量满意度作为优化目标，首先针对星内干扰，进行单颗低轨卫星跳波束图案的设计，得到每颗卫星在整个跳波束周期内的时间分配矩阵；其次针对星间干扰，对得到的时间分配矩阵基于启发式算法进行重新排列，得到最终所需的时隙调度矩阵，从而实现规避星内和星间干扰，在保证用户服务公平性的基础上大幅度提升了系统吞吐量。
附图说明
图1是基于跳波束规避低轨卫星干扰的系统模型示意图；
图1中窄波束覆盖小区内的数字是小区编号；
图2是两颗卫星同一时隙两种BH方案模式的示意图；
图3是基于优先级的自适应功率分配(JP-APAI)算法的收敛性示意图；
图4是基于优先级的自适应功率分配(JP-APAI)、平均分配功率、按需分配功率和按优先级分配功率四种功率分配方法的服务情况对比示意图；
图5是四种功率分配算法的平均流量满意度对比示意图。
图6是图5中四种功率分配算法的系统吞吐量对比示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、下面结合说明书附图图1-6，对本发明一种基于跳波束规避低轨卫星干扰的多域资源分配方法作进一步详细的描述。
一、通信模型
在跳波束卫星通信系统的前向链路中，假设用户接收端已经抵消了由于低轨卫星的高速运动产生的多普勒频移、雨衰、阴影衰减等，则第k个用户与第j个波束之间的信道系数可表示为：
其中，Gt(·)表示发射天线增益，θk,j表示卫星与用户之间的连线和波束主轴间的夹角，Gr(·)表示接收天线增益，通常情况下接收端天线全向辐射，即即接收端为天线的最大增益，dk,j表示用户k与波束j之间的距离，λ表示载波信号的波长。
多波束天线辐射方向图为3GPPTR 38.811，其表达式为：
其中，λ表示波长，a表示天线圆孔径的半径。J1(·)为一类一阶贝塞尔函数。θ为离轴角。Gm表示卫星发射的最大增益。
用户k在时隙t接收到的信干噪比SINR的表达式为：
其中，B为带宽，k为玻尔兹曼常数，T表示等效噪声温度，Pk、Pj分别表示波束k和波束j的发射功率，S(k)、S(j)分别表示波束k和波束j所属的卫星。
小区可用吞吐量rm,t可以表示为：
二、功率分配
根据地面小区的流量需求确定小区的权重优先级，用Im表示小区的权重优先级，I＝[I1,I2,...,IM]，M表示卫星覆盖小区数量，第m个小区的权重优先级可表示为：
其中，dm表示第m个小区的流量需求。
基于优先级进行多次迭代，低轨卫星的星载计算能力有限，需合理设置迭代次数，得到最优的功率分配矩阵，其中迭代过程中波束k的功率可表示为：
其中Ptotal表示卫星发射的总功率，δk表示平均归一化加权后的提供容量与请求容量的比值，可以表示为：
其中，lk,m＝1表示在时隙t小区m被波束k服务，lk,m＝0则不然，Qm表示小区所需的流量，Cm表示系统为小区提供的流量，在迭代过程中根据公式(6)以及容量计算公式多次更新Cm，得出最优的功率分配矩阵。容量计算公式可表示为：
其中，Nslot表示时隙总数，Cm,t表示在时隙t系统为小区m提供的流量，可以表示为：
Cm,t＝rm,t×Tslot (9)
其中，Tslot表示时隙长度。
小区m在一个跳波束图案周期TH内所需的系统容量可表示为：
Qm＝dm·TH(10)
三、优化问题建模
对于两颗低轨卫星组成的双星系统，以提高小区的平均流量满意度作为优化目标，定义了系统的平均流量满意度可表示为
其中，表示小区m的流量满意度，Mi表示卫星覆盖小区的数量。基于上述构建了双星系统的优化目标函数，表示如下：
其中，X1,X2均为0,1矩阵，表示两颗跳波束卫星的跳波束图案BHTP，C1限制了每颗卫星最多产生K个波束，C2限制了一个BHTP内系统提供的容量，C3表示矩阵中的值只能取0或1，C4表示波束功率之和应不大于卫星总的发射功率Ptotal，Si表示属于卫星i的波束集合。
问题(12)为非凸的NP-hard问题，计算复杂度高，所以在求解的过程中将其分解为2个较易求解的子问题，分别是单颗卫星的跳波束图案设计、星间干扰避免，得到该非凸NP-hard问题的次优解，降低算法的复杂度，并且保证算法的准确性和逻辑性。
四、单颗卫星跳波束图案设计
理论上来讲，波束分配方案共有种，然而并非所有的波束分配方案均满足跳波束的空间隔离思想，所以我们需要从所有的方案中选择满足空间隔离条件的波束分配方案，首先我们需要定义一个相邻矩阵/>其中的元素aij∈{0,1}表示小区i和小区j是否相邻，其取值的原则满足下式：
其中，dij表示小区i和小区j之间的距离，R表示点波束半径即小区半径，把4R作为临界值分析，因为在前期研究中论证了用户距离大于四个波束半径便可忽略他们之间的同频干扰。
另外，定义了一个二进制向量表示一个跳波束图案，w中取值为1的元素表示该小区被波束照亮，且1的个数等于卫星的点亮波束数K。同样，具有空间隔离条件的BHTP应满足被照射小区不相邻的约束，即满足：
wTAw＝0 (14)
单颗卫星跳波束图案设计的优化问题可表示为：
其中，ci,m,n表示卫星i在第n种BHTP有效模式下为小区m提供的流量，Ni,v表示满足空间隔离的有效模式的数量，NTotal表示有效模式在整个跳波束周期中出现的次数。限制条件C1表示有效BH图案出现的总和等于一个BH周期包含的时隙数，C2表示卫星i在一个跳波束周期内为小区m提供的流量，C3表示BH图案出现的次数为自然数，C4引入辅助变量，降低求解难度，但不影响求得解为最优解。
五、合理分配时隙规避星间干扰
规避星间干扰同样利用空间隔离的思想，定义了两颗低轨卫星在同一时隙任意两种有效模式的干扰惩罚因子其表达式为：
其中，dpq表示小区p和小区q之间的距离，表示两颗卫星的两种跳波束图案设计方案，则/>表示两种模式下任意两个小区之间的最小距离。
卫星a和卫星b的干扰惩罚矩阵可表示为：
其中，Na,v、Nb,v分别表示卫星a和卫星b的有效模式数量。求解时隙调度矩阵的优化问题可表示为：
其中，Tr(·)表示矩阵对角线元素相加，τ1、τ2分别表示两颗低轨卫星的时隙调度矩阵，C1表示第i颗卫星第x种有效模式在整个跳波束周期内出现的次数C2表示一个时隙有且仅有一种有效BH模式，C3限制了时隙调度矩阵元素的取值。
考虑到该算法计算复杂高，并且在矩阵运算过程中为一个非凸问题，所以在求解过程中基于启发式算法计算两颗低轨卫星的时隙调度矩阵τ1和τ2。
六.基于跳波束规避低轨卫星干扰的多域资源分配算法
JP-APAI算法如表1所述，根据定义的小区权重优先级通过合理的迭代得到最优的功率分配矩阵，将原始问题分解为单颗卫星跳波束图案设计和合理分配时隙避免星间干扰两个子问题。针对单颗卫星跳波束图案设计，定义相邻矩阵，得出在整个跳波束周期内所有有效BHTP的选择次数，D-BHTP算法如表2所述；针对合理分配时隙避免星间干扰，定义干扰惩罚矩阵，基于启发式算法求解两颗低轨卫星的时隙调度矩阵，H-TSSM算法如表3所述。
表1：基于优先级的自适应功率(JP-APAI)算法
表2：单颗卫星跳波束图案设计(D-BHTP)
表3：基于启发式算法合理分配时隙规避星间干扰(H-TSSM)
七.仿真实验
下面结合仿真实验对本发明做详细的描述。仿真参数如表4所示。
表4仿真参数
图1为本发明的系统模型示意图；
图2是两颗卫星同一时隙两种BH方案模式的示意图；
图2中可以看出，两种BH方案间的最短距离越小，干扰因子越大，此时两颗卫星的两种BH模式出现在一个时隙的概率就更小。
图3是基于优先级的自适应功率分配(JP-APAI)算法的收敛性示意图；
图3中可以看出该算法的收敛性很好，在第4次迭代的时候便可以收敛到最优的值，适用于低轨卫星的星上运算。
图4是基于优先级的自适应功率分配(JP-APAI)、平均分配功率、按需分配功率和按优先级分配功率四种功率分配方法的服务情况对比图；
图4中可以看出每个小区在整个跳波束周期内的供需比，对于在每种功率分配算法下存在的未服务到的小区，这是因为该小区满足空间隔离条件的有效模式很少甚至没有，所以存在未服务到的情况。
图5是四种功率分配算法的系统平均流量满意度对比示意图；
定义所有小区供需比的均值作为衡量小区平均流量满意度的指标，该值越大，小区的平均流量满意度越高，从图中可以看出，JP-APAI算法相比平均分配功率、按需分配功率、按优先级分配功率的均值高，即该算法的平均流量满意度相对另外三种算法系统性能更好。
图6是图5中四种功率分配算法的系统吞吐量对比示意图；
从图6中可以看出，以系统吞吐量作为系统的性能指标，JP-APAI算法相比其他三种功率分配算法有明显增幅，综合图5和图6，可以看出JP-APAI算法在保证系统平均流量满意度的同时提高了系统的吞吐量。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改都在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.基于跳波束规避低轨卫星干扰的多域资源优化方法，其特征是：它包括以下步骤：
步骤一、建立低轨卫星系统模型，其中低轨卫星系统包括两颗低轨卫星，即：低轨卫星LEO_1和低轨卫星LEO_2，所述低轨卫星LEO_1和低轨卫星LEO_2均配置有可操控的多跳波束天线，用于下行业务传输，每颗低轨卫星覆盖M个小区，M为正整数；且每颗低轨卫星最大能够产生K个波束，K为正整数；且K＜＜M，每颗低轨卫星的总发射功率Ptotal根据不同的功率分配方案服务于各小区，两颗低轨卫星均采用全频复用的频率复用方式，即：同一时刻两颗低轨卫星点亮波束的可用频带为全部带宽；
步骤二、根据步骤一建立的低轨卫星系统模型，分析所述低轨卫星系统的通信链路，具体为：
地面网关根据小区的流量需求为各小区分配权重优先级，并将数据通过信关站发送至所述低轨卫星系统，所述低轨卫星系统通过波束调度规避星内和星间同频波束的干扰，并联合优化时隙、波束功率资源和信干噪比SINR的多域资源；
步骤三、根据步骤二中所述各小区的权重优先级进行各小区的自适应功率分配，通过设置低轨卫星系统的迭代次数，获得最优的功率分配矩阵；
步骤四、定义小区的流量满意度，所述流量满意度采用所述低轨卫星系统提供流量Cm与所需流量Dm的比值来表示，即：Cm/Dm，所述流量满意度用于衡量所述低轨卫星系统的服务质量；
步骤五、将步骤四中所述的小区的流量满意度分解为单颗卫星的跳波束图案设计问题和合理设计时隙调度矩阵规避星间干扰问题；
步骤六、对于单颗卫星的跳波束图案设计问题，其求解方法具体为：
在所有的波束选择方案中选择满足空间隔离条件的有效跳波束图案BHTP，获得在整个跳波束周期内所有有效跳波束图案BHTP的选择次数；进而根据步骤三获得的最优功率分配矩阵获得单颗卫星的跳波束图案设计问题的解；
步骤七、对于合理设计时隙调度矩阵规避星间干扰问题，其求解方法具体为：
定义一个干扰惩罚矩阵，并利用现有的启发式算法求解两颗低轨卫星的时隙调度矩阵，实现规避星内和星间干扰；进而获得合理设计时隙调度矩阵规避星间干扰问题的解；
完成一次基于跳波束规避低轨卫星干扰的多域资源优化。
2.根据权利要求1所述的基于跳波束规避低轨卫星干扰的多域资源优化方法，其特征在于步骤二中，用户k在时隙t接收到的信干噪比SINR的表达式为：
其中：B为带宽；k为玻尔兹曼常数；T表示等效噪声温度；Pk、Pj分别表示波束k和波束j的发射功率，S(k)、S(j)分别表示波束k和波束j所属的卫星。
3.根据权利要求1所述的基于跳波束规避低轨卫星干扰的多域资源优化方法，其特征在于步骤三中，最优的功率分配矩阵，表示为：
其中：Ptotal表示卫星发射的总功率，δk表示平均归一化加权后的提供容量与请求容量的比值。
4.根据权利要求1所述的基于跳波束规避低轨卫星干扰的多域资源优化方法，其特征在于步骤四中，定义的小区的流量满意度为其表达式为：
其中：表示小区m的流量满意度，Qm表示小区流量需求，Mi表示卫星覆盖小区的数量，i为正整数。
5.根据权利要求1所述的基于跳波束规避低轨卫星干扰的多域资源优化方法，其特征在于步骤六中、对于单颗卫星的跳波束图案设计问题是通过公式：
求解的；
其中：ci,m,n表示卫星i在第n种所述波束图案BHTP有效模式下为小区m提供的流量，Ni,v表示满足空间隔离的有效模式的数量，NTotal表示有效模式在整个跳波束周期中出现的次数，限制条件C1表示有效波束图案出现的总和，且等于一个波束图案周期包含的时隙数；C2表示卫星i在一个跳波束周期内为小区m提供的流量；C3表示所述波束图案BHTP出现的次数为自然数；C4引入辅助变量。
6.根据权利要求1所述的基于跳波束规避低轨卫星干扰的多域资源优化方法，其特征在于步骤七中，定义的干扰惩罚矩阵为：
其中，Na,v、Nb,v分别表示低轨卫星LEO_1和低轨卫星LEO_2的有效模式数量。
7.根据权利要求6所述的基于跳波束规避低轨卫星干扰的多域资源优化方法，其特征在于步骤七中，获得合理设计时隙调度矩阵规避星间干扰问题的解是通过公式：
求解的；
其中，Tr(·)表示矩阵对角线元素相加，τ1、τ2分别表示两颗低轨卫星的时隙调度矩阵，
所述时隙调度矩阵τ1和τ2采用现有启发式算法计算获得；
C1表示第i颗卫星第x种有效模式在整个跳波束周期内出现的次数
C2表示一个时隙有且仅有一种有效波束图案BHTP模式；
C3用于限制时隙调度矩阵元素的取值。
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