CN117560769A - 一种卫星通信星载基站波束管理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星通信星载基站波束管理的方法，涉及卫星移动通信领域。本发明包括：调度随遇波束，实现覆盖特定波位的随遇波束SSB信号的发送；卫星终端从随遇波束的物理随机接入信道发起业务接入申请；星载基站获取用户所在位置分块扇区的中心点经纬度；波束管理模块选择一个业务波束为卫星终端提供覆盖，并在随遇波束的随机接入响应消息中携带上业务波束的频率信息和服务时间信息；卫星终端在业务波束进行随机接入，向核心网进行注册并建立承载。本发明通过随遇波束和业务波束的分离设计和资源调度，为在一个卫星覆盖下的卫星终端提供敏捷接入和高速业务通信，能够保证用户覆盖的性能和时长。

Description

一种卫星通信星载基站波束管理的方法

技术领域

本发明涉及卫星移动通信领域中的无线资源管理、业务管理和跳波束管理的技术，特别是指一种卫星通信星载基站波束管理的方法。

背景技术

卫星通信网络向速率更高、接入更多、覆盖更广的方向发展，对频谱资源的高效合理利用提出更多的挑战。将实现全球全域覆盖的卫星通信网络具有业务类型的多样性、业务分布的空间不均匀性和时变性，对资源调度的需求呈现出时域和空域的不均衡性和高动态性特征，要求波束管理技术能够从时域角度对星上功率、带宽资源灵活的再分配，进一步提高卫星容量和卫星系统的工作效率。

当前宽带卫星大都采用多点波束来增加系统容量，而多点波束卫星通信系统多采用固定方式分配星上功率，带宽等资源。由网管规划每个点波束工作的时间、频段，由于业务类型的多样性，业务分布的空间不均匀性和时变性，这种固定的分配方式容易造成卫星性能受限和资源浪费。

为了有效利用星上资源，国内外许多学者对波束的资源分配做了深入的研究。跳波束技术通过控制星载多波束天线的空间指向、带宽、频点和发射功率，为用户终端动态配置通信资源，提高卫星资源在带宽和功率方面的使用效率，为时域带宽分配提供了便利的平台。通过改变跳变波束在每个波束覆盖区的驻留时间，在有限星载资源条件下提高卫星宽带通信吞吐量，可以最大化星上带宽资源利用率。

现有的跳波束图案设计的资源分配算法只能得出各波束的跳波束时隙总数等系统资源分配结果，无法确定各波束在一个跳波束周期中的单次驻留时间和工作顺序。某个波位单次驻留时间太长会影响其他波位的业务服务响应时间，间接影响波束重访时间，从而造成系统同步问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种卫星通信星载基站波束管理的方法，通过随遇波束和业务波束的分离设计和资源调度，为在一个卫星覆盖下的卫星终端提供敏捷接入和高速业务通信，能够保证用户覆盖的性能和时长。

本发明采用的技术方案为：

一种卫星通信星载基站波束管理的方法，基于由卫星终端、星载基站组成的卫星移动通信系统实现；包括以下步骤：

（1）星载基站波束管理模块调度随遇波束，根据系统配置的波束图谱将波束空口时刻波束覆盖的波位对应的3db波束宽度、波位方向角、波位俯仰角发送到天线模块，由天线模块实现覆盖特定波位的随遇波束SSB信号的发送；

（2）卫星终端检测到随遇波束SSB信号，从随遇波束的物理随机接入信道发起业务接入申请；

（3）星载基站根据随遇波束编号及波位编号查询随遇波束波位图谱，得到波束对应的波束宽度、方向角、俯仰角；调用星历模块接口，计算得到随遇波束波位每个分块扇区的中心点经纬度，根据用户位置索引，获取用户所在位置分块扇区的中心点经纬度，即为业务波束波位对应的TA索引；

（4）波束管理模块遍历业务波束的所有时间块服务的波位，选择一个业务波束为卫星终端提供覆盖，并在随遇波束的随机接入响应消息中携带上业务波束的频率信息和服务时间信息；

（5）卫星终端在业务波束进行随机接入，接入完成后，卫星终端向核心网进行注册并建立承载，执行后续业务。

进一步地，步骤（4）中，选择一个业务波束为卫星终端提供覆盖，具体方式为：

（401）如果TA索引对应的波位已经分配时间块，则认为波束分配成功，否则选择新的波束；

（402）遍历系统所有波束，按照接入用户数由少到多的顺序选择一个波束；

（403）如果一个波束的所有时间块都分配了不同的波位，则此波束不参与分配，选择下一个用户数最少的波束；

（404）计算在选定波束中为新接入卫星终端所在波位分配的时间块个数n：

n=max[floor(波束时间块总数/波束用户总数) , 1]

其中，floor表示向下取整，max表示取最大值；

调用业务波束波位重分配接口，传入分配的时间块个数n，重新分配波束各波位时间块；

（405）更新业务波束波位图谱并输出。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明建立了跳波束时隙分配模型，通过凸优化算法得到各波束分配的跳波束时隙个数，能够尽可能地满足各波束的业务需求。

2、本发明综合考虑了同频干扰、系统同步等因素，引入了同频复用距离、波束重访时间、最大同步保持时间等限制条件对时隙分配结果进行联合优化，并确定各波束的驻留时间和次序，从而得到波束跳跃图案。这种方式能够有效地消除系统内部同频干扰，兼顾系统同步，大幅度提高系统容量。

3、本发明采用跳波束实现波束覆盖。对于固定多波束，由于其覆盖范围固定，一旦覆盖，不能调节，在用户非均匀分布且用户数很少时存在波束无效覆盖的情况。而对于跳波束而言，由于其可以进行波束时域资源动态分配，其理论上的有效吞吐量利用率可达100%。因此，本发明能够更加适应业务分布不均性的情况。

附图说明

图1是本发明实施例中卫星移动通信系统的应用场景示意图。

图2是本发明的基于业务波束跳波束的原理图。

图3是本发明的基于业务波束跳波束的业务流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

一种卫星通信星载基站波束管理的方法，基于由卫星终端、星载基站组成的卫星移动通信系统实现；包括以下步骤：

（1）星载基站波束管理模块调度随遇波束，根据系统配置的波束图谱将波束空口时刻波束覆盖的波位对应的3db波束宽度、波位方向角、波位俯仰角发送到天线模块，由天线模块实现覆盖特定波位的随遇波束SSB信号的发送；

（2）卫星终端检测到随遇波束SSB信号，从随遇波束的物理随机接入信道（PRACH）发起业务接入申请；

（3）星载基站根据随遇波束编号及波位编号查询随遇波束波位图谱，得到波束对应的波束宽度、方向角、俯仰角等参数；调用星历模块接口，计算得到随遇波束波位每个分块扇区的中心点经纬度，根据用户位置索引，获取用户所在位置分块扇区的中心点经纬度，即为业务波束波位对应的TA索引；

（4）波束管理模块遍历业务波束的所有时间块服务的波位，选择一个业务波束为卫星终端提供覆盖，并在随遇波束的随机接入响应（RAR）消息中携带上业务波束的频率信息和服务时间信息；其中，星载基站为卫星终端选择业务波束的覆盖的具体方式为：

（401）如果TA索引对应的波位已分配时间块，则认为波束分配成功，否则执行选择新的波束；

（402）遍历系统所有波束，按照接入用户数由少到多的顺序选择一个波束；

（403）如果一个波束的所有时间块都分配了不同的波位，即每个波位最多分配一个时间块，则此波束不参与分配，选择下一个用户数最少的波束；

（404）计算在选定波束中为新接入终端所在波位分配的时间块个数n：

n=max[floor(波束时间块总数/波束用户总数) , 1]

调用业务波束波位重分配接口，传入分配时间块个数n，分配标识为1，表示占用重分配，重新分配波束各波位时间块；

（405）更新业务波束波位图谱并输出；

（5） 卫星终端终端在业务波束进行4步随机接入过程，接入完成后，终端向核心网进行注册并建立承载，即可正常进行业务。

为了实现上述方法，提供了一个卫星移动通信系统，图1是卫星移动通信系统的应用场景示意图，卫星移动通信系统包括卫星终端、卫星、星载基站。星载基站的波束管理模块实现了随遇波束和业务跳波束的资源管理，原理见图2。

图3是业务跳波束图案管理的业务流程图，包括以下步骤：

（1）网管OM通知集中单元CU进程业务波束规划信息配置更新；

（2）CU调用跳波束波束管理模块的业务波束规划配置接口；

（3）跳波束波束管理模块读取业务波束规划配置，更新业务波束波位图谱，并将已接入业务波束的用户切换到其他业务波束上；

（4）如有用户需进行波束切换，则在生成目的波束的波位图谱后，通过波位图谱更新回调函数接口通知CU；

（5）CU通过F1控制接口F1-C，将业务波束波位图谱发送给目的业务波束分布单元DU；

（6）跳波束波束管理模块调用波位服务波束切换函数，通知CU进程启动波束切换流程；

（7）CU通知目的DU的跳波束图谱更新；

（8）CU发送终端上下文建立请求消息UECONTEXT SETUP REQUEST给目的业务波束DU，向目的业务波束DU为目标波束新申请用户资源；

（9）跳波束波束管理模块根据业务波束规划配置信息生成源波束的波位图谱后，通过波位图谱更新回调函数接口通知CU进程；

（10）如果目的业务波束DU资源分配成功，回复终端上下文建立响应消息UECONTEXT SETUP RESPONSE给CU；

（11）CU进行内部不同小区上下文同步，并发送终端上下文修改请求消息UECONTEXT MODIFICATION REQUEST给源业务波束DU，通知源业务波束DU下发L2停止调度指示；

（12）源业务波束DU回复终端上下文修改相应消息UE CONTEXT MODIFICATIONRESPONSE给CU；

（13）CU获取目的业务波束DU所在小区的BWP配置，通过源波束给UE发送无线资源重配消息RRCReconfiguration进行BWP（部分带宽）切换，携带目标DU所在小区的初始BWP、专用BWP及第一个激活的BWP等配置；

（14）终端UE进行BWP切换，在目标波束进行数据传输，切换BWP过程中，UE暂停发送上行数据，下行数据缓存在基站中，不下发给UE。

（15）UE在目标波束上给基站回复无线资源重配完成消息RRCReconfigurationComplete，基站将缓存的下行数据通过新波束发送给UE，UE恢复上行数据发送。

（16）UE成功切换波束后CU发送消息释放源波束的上下文信息。

（17）CU通过F1-C接口，将业务波束波位图谱发送给源业务波束DU。

以上实施例详细描述了随遇波束和业务波束相结合的卫星终端敏捷接入方法，以及终端接入后星载基站波束管理根据时间片生成跳波束图谱的过程。时间片周期可以动态调整，能够适应变化的业务请求以及不均匀的业务分布，更好地适应时变的用户业务分布的需求。本发明可应用于频谱资源紧张，星上载荷功率受限的卫星移动通信系统中，能有效结合卫星移动特性提供灵活多变的波束管理，提高空间无线资源的利用率，扩大系统容量，有效覆盖率和吞吐量可达100%。

本发明基于低轨卫星快速移动场景，针对低轨卫星可用通信资源有限而业务需求分布动态变化时所面临的高效动态资源调度问题，提出了低轨卫星宽波束结合动态点波束的跳波束接入方案，每颗卫星发射随遇波束和业务波束两种波束，由随遇波束辅助业务波束进行跳波束按需服务用户。相比传统的固定多波束方案，随遇波束结合动态业务波束的跳波束管理方案，在用户分布极度不均匀的情况下系统吞吐性能方面效果显著，比固定多波束方案更能充分利用星上有限资源。

本发明通过随遇波束和业务波束的分离设计和资源调度，为在一个卫星覆盖下的卫星终端提供了敏捷接入和高速业务通信，随遇波束波束宽度较大，对覆盖区内的所有波位进行扫描覆盖，用于终端在覆盖区所有波位内的随遇接入，业务波束用于终端进行业务传输。业务波束的宽度窄、扫描周期短，可以保证用户覆盖的性能和时长，解决了传统固定多波束覆盖在用户非均匀分布且用户数很少时存在的波束无效覆盖的问题。

总之，本发明独创了星载基站随遇波束的业务跳波束的波束管理方法，尤其该实施例适用于星载卫星移动通信系统，能有效地提高空间无线资源的利用率，扩大系统容量。

Claims (2)

1.一种卫星通信星载基站波束管理的方法，其特征在于，基于由卫星终端、星载基站组成的卫星移动通信系统实现；包括以下步骤：

（1）星载基站波束管理模块调度随遇波束，根据系统配置的波束图谱将波束空口时刻波束覆盖的波位对应的3db波束宽度、波位方向角、波位俯仰角发送到天线模块，由天线模块实现覆盖特定波位的随遇波束SSB信号的发送；

（2）卫星终端检测到随遇波束SSB信号，从随遇波束的物理随机接入信道发起业务接入申请；

（3）星载基站根据随遇波束编号及波位编号查询随遇波束波位图谱，得到波束对应的波束宽度、方向角、俯仰角；调用星历模块接口，计算得到随遇波束波位每个分块扇区的中心点经纬度，根据用户位置索引，获取用户所在位置分块扇区的中心点经纬度，即为业务波束波位对应的TA索引；

（4）波束管理模块遍历业务波束的所有时间块服务的波位，选择一个业务波束为卫星终端提供覆盖，并在随遇波束的随机接入响应消息中携带上业务波束的频率信息和服务时间信息；

（5）卫星终端在业务波束进行随机接入，接入完成后，卫星终端向核心网进行注册并建立承载，执行后续业务。

2.根据权利要求1所述的一种卫星通信星载基站波束管理的方法，其特征在于，步骤（4）中，选择一个业务波束为卫星终端提供覆盖，具体方式为：

（401）如果TA索引对应的波位已经分配时间块，则认为波束分配成功，否则选择新的波束；

（402）遍历系统所有波束，按照接入用户数由少到多的顺序选择一个波束；

（403）如果一个波束的所有时间块都分配了不同的波位，则此波束不参与分配，选择下一个用户数最少的波束；

（404）计算在选定波束中为新接入卫星终端所在波位分配的时间块个数n：

n=max[floor(波束时间块总数/波束用户总数) , 1]

其中，floor表示向下取整，max表示取最大值；

调用业务波束波位重分配接口，传入分配的时间块个数n，重新分配波束各波位时间块；

（405）更新业务波束波位图谱并输出。