CN117639886A - 卫星返向跳波束图案优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卫星返向跳波束图案优化方法，通过所收集的用户需求信息和各波束指向信息，计算波位时隙需求数量；若波位时隙需求数量超过波位的可用时隙数量，则基于预设的第一调整规则缩减调整用户时隙需求数量；若各波位的波位时隙需求数量之和超过系统总资源数，则基于预设的第二调整规则对波位时隙需求数量进行缩减调整；根据调整后的波位时隙需求数量，为各个波位分配波位时隙；根据分配的所述波位时隙，为各个所述用户分配载波与时隙，并生成时隙计划表。借此，本发明能够实现多频时分多址接入体制下的返向跳波束图案优化，有效解决返向跳波束资源分配的难题。

Description

卫星返向跳波束图案优化方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种卫星返向跳波束图案优化方法及装置。

背景技术

随着空天地海一体化成为第六代移动通信(6G)的网络愿景，通信卫星被纳入下一代无线通信网络已成为业界共识。面向未来通信需求，卫星所承载的业务不再局限于电视广播与应急通信，多样化的互联网应用将成为卫星通信的主流，卫星需要适应地面业务的时空非均匀分布特征。与此同时，随着卫星波束数量不断攀升，与之对应的射频通道与发射机数量大大增加，卫星成本将显著提高。在飞速增长的业务需求与经济效益的双重驱动下，跳波束技术作为实现卫星通信网络多样化任务的高效传输与随需覆盖的关键技术，获得了业界的广泛关注。

跳波束系统采用多点波束技术，能够使卫星更灵活地覆盖目标地区，波束的跳变可利用铁氧体开关或相控阵天线实现，其主要思想为利用时间分片技术，无需所有波束全时工作，在同一时刻只有部分波束按需工作，通过对空间、时间、频率、功率等多维度资源的优化利用，显著提升系统资源利用效率与配置灵活性，相比于固定的波束配置方案能够有效应对业务的时变性与空间不均匀特性。而在使用相控阵天线的跳波束系统中，则无需为每一波位都配置发射端口，通过不同波位对发射机的分时复用，实现以较少的发射机实现对大量波位的覆盖，可有效降低卫星制造成本。

目前，前向链路的跳波束图案与资源优化问题已经得到了充分的研究，但返向链路的研究却相对匮乏。根据DVB-RCS/RCS2标准，不同于卫星前向采用的时分多址(TDM)体制，卫星返向链路通常采用多频时分多址接入(MF-TDMA)体制，具有与前向链路完全不同的帧结构和频率资源配置，前向链路跳波束优化技术的难以直接扩展到返向链路。在MF-TDMA体制下，返向增加了频率维度，资源分配自由度增加，资源管理更为复杂。更重要地，在前向，波位的容量/时隙数量需求可由波位内各用户的需求叠加得到，但在返向，由于用户可以使用多个子载波，波位对时隙的需求与各用户需求之间不再是简单的求和关系，而与波位内用户资源分配方案密切相关，此时波位级资源优化(波位间资源管理)与用户级资源优化(波位内资源管理)紧密耦合，大大增加了返向跳波束资源分配的难度。

综上可知，现有的方法在实际使用上，存在着较多的问题，所以有必要加以改进。

发明内容

针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种卫星返向跳波束图案优化方法及装置，能够实现多频时分多址接入体制下的返向跳波束图案优化，有效解决返向跳波束资源分配的难题。

为了实现上述目的，本发明提供一种卫星返向跳波束图案优化方法，包括步骤：

收集用户需求信息和各波束指向信息；其中，所述用户需求信息包括用户所在波位与用户时隙需求数量；

根据同一波位上的各用户的所述用户时隙需求数量，计算所述波位的波位时隙需求数量；

若所述波位时隙需求数量大于所述波位对应的可用时隙数量，则基于预设的第一调整规则对所述波位上的各用户的所述用户时隙需求数量进行缩减调整，以使调整后的所述波位时隙需求数量不超过所述可用时隙数量；

若各波位的波位时隙需求数量之和超过系统总资源数，则基于预设的第二调整规则对至少一所述波位的所述波位时隙需求数量进行缩减调整，以使调整后的所述波位时隙需求数量之和不超过所述系统总资源数；其中，所述系统总资源数为所有捷变波束在一个跳波束周期中的时隙资源之和；

根据调整后的所述波位时隙需求数量，为各个所述波位分配波位时隙；

根据分配的所述波位时隙，为所述波位内的各个所述用户分配载波与时隙，并生成时隙计划表。

可选的，所述基于预设的第一调整规则对所述波位上的各用户的所述用户时隙需求数量进行缩减调整，以使调整后的所述波位时隙需求数量不超过所述可用时隙数量的步骤包括：

筛选出所述用户时隙需求数量大于所述可用时隙数量的第一目标用户，并将所述第一目标用户对应的所述用户时隙需求数量缩减至所述可用时隙数量；

判断在所述第一目标用户的所述用户时隙需求数量调整后的所述波位时隙需求数量是否大于所述可用时隙数量；

若大于，则根据预设的用户优先级筛选出第二目标用户；

逐个对所述第二目标用户的所述用户时隙需求数量减少1，直至所述波位时隙需求数量不超过所述可用时隙数量。

可选的，所述逐个对所述第二目标用户的所述用户时隙需求数量减少1，直至所述波位时隙需求数量不超过所述可用时隙数量的步骤包括：

分别计算所述第二目标用户的所述用户时隙需求数量减少1时隙后的系统效用函数的第一变化量；

根据各个所述第二目标用户的所述第一变化量由低至高将所述第二目标用户依次排序形成第一队列；

根据轮询规则，依序对所述第一队列中的所述第二目标用户的所述用户时隙需求数量减少1时隙，直至所述波位时隙需求数量不超过所述可用时隙数量，并记录调整后为各用户分配的时隙数量。

可选的，所述基于预设的第二调整规则对至少一所述波位的所述波位时隙需求数量进行缩减调整，以使调整后的所述波位时隙需求数量之和不超过所述系统总资源数的步骤包括：

计算为每一所述波位的所述波位时隙需求数量减少1时隙后的系统效用函数的第二变化量；

根据各个所述波位的所述第二变化量的高低将各个所述波位依次排序形成第二队列；

根据轮询规则，依序对所述第二队列中的所述波位的所述波位时隙需求数量减少1时隙，直至所述波位时隙需求数量之和不超过所述系统总资源数。

可选的，所述收集用户需求信息和各波束指向信息的步骤包括：

确定用户所处波位的波位号；

获取所述用户的速率需求，并基于所述速率需求计算对应的所述用户时隙需求数量。

可选的，设波位i中用户u的所述用户时隙需求数量为t_u，则所述波位i的所述波位时隙需求数量为T_i，则：

其中，N为子帧内的载波数量，t_max为所述波位i中最大的所述用户时隙需求数量。

可选的，所述根据调整后所述波位时隙需求数量，为各个所述波位分配波位时隙的步骤包括：

依次确定预分配的目标波位；

根据各个波束对应的所述可用时隙数量大小，将各个所述波束由大到小排序形成第三队列；

从所述第三队列中选取依序选取出所述波束；

判断所述波束是否符合预设条件，若否则从所述第三队列中选取出下一排序的所述波束，直至获得符合所述预设条件的目标波束；

将所述目标波束的可用时隙分配给所述目标波位。

可选的，所述预设条件为波束剩余时隙资源满足所述波位时隙需求数量且在为所述目标波位服务的时段不存在同频波束干扰。

可选的，所述依次确定预分配的目标波位包括：

基于各个所述波位中的所述用户的优先级排序，从各个所述波位中确定预分配的目标波位的次序。

还提供一种卫星返向跳波束图案优化装置，包括：

用户需求统计模块，用于收集用户需求信息和各波束指向信息；其中，所述用户需求信息包括用户所在波位与用户时隙需求数量；

波位需求计算模块，用于根据同一波位上的各用户的所述用户时隙需求数量，计算所述波位的波位时隙需求数量；

用户时隙调整模块，用于若所述波位时隙需求数量大于所述波位对应的可用时隙数量，则基于预设的第一调整规则对所述波位上的各用户的所述用户时隙需求数量进行缩减调整，以使调整后的所述波位时隙需求数量不超过所述可用时隙数量；

波位时隙调整模块，用于若各波位的波位时隙需求数量之和超过系统总资源数，则基于预设的第二调整规则对至少一所述波位的所述波位时隙需求数量进行缩减调整，以使调整后的所述波位时隙需求数量之和不超过所述系统总资源数；其中，所述系统总资源数为所有捷变波束在一个跳波束周期中的时隙资源之和；

波位间时隙分配模块，用于根据调整后的所述波位时隙需求数量，为各个所述波位分配波位时隙；

用户时隙分配模块，用于根据分配的所述波位时隙，为所述波位内的各个所述用户分配载波与时隙，并生成时隙计划表。

本发明所述的卫星返向跳波束图案优化方法及装置，通过所收集的用户需求信息和各波束指向信息，计算波位时隙需求数量；若波位时隙需求数量超过波位的可用时隙数量，则基于预设的第一调整规则缩减调整用户时隙需求数量；若各波位的波位时隙需求数量之和超过系统总资源数，则基于预设的第二调整规则对波位时隙需求数量进行缩减调整；根据调整后的波位时隙需求数量，为各个波位分配波位时隙；根据分配的所述波位时隙，为各个所述用户分配载波与时隙，并生成时隙计划表。借此，本发明能够实现多频时分多址接入体制下的返向跳波束图案优化，有效解决返向跳波束资源分配的难题。

附图说明

图1本发明一实施例提供的所述卫星返向跳波束图案优化方法的步骤流程图；

图2为本发明一实施例提供的所述卫星返向跳波束图案优化装置的工作流程图；

图3为本发明一实施例提供的所述卫星返向跳波束图案优化方法的用于用户需求调整可选的工作流程图；

图4为本发明一实施例提供的所述卫星返向跳波束图案优化方法用于波位需求调整可选的工作流程图；

图5为本发明一实施例提供的所述卫星返向跳波束图案优化方法用于波位间时隙分配可选的工作流程图；

图6a～图6b为采用本发明所述卫星返向跳波束图案优化方法在差异化服务质量的示意图；

图7a～图7b为采用本发明所述卫星返向跳波束图案优化方法规避同频干扰性能的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的，本说明书中针对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的引用，指的是描述的该实施例可包括特定的特征、结构或特性，但是不是每个实施例必须包含这些特定特征、结构或特性。此外，这样的表述并非指的是同一个实施例。进一步，在结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，不管有没有明确的描述，已经表明将这样的特征、结构或特性结合到其它实施例中是在本领域技术人员的知识范围内的。

此外，在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件或部件，所属领域中具有通常知识者应可理解，制造商可以用不同的名词或术语来称呼同一个组件或部件。本说明书及后续的权利要求并不以名称的差异来作为区分组件或部件的方式，而是以组件或部件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的权利要求书中所提及的“包括”和“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。以外，“连接”一词在此系包含任何直接及间接的电性连接手段。间接的电性连接手段包括通过其它装置进行连接。

图1示出本发明一实施例提供的卫星返向跳波束图案优化方法，所述方法具体应用于上行使用MF-TDMA体制具备波束捷变能力的民商用卫星，包括步骤如下：

S101：收集用户需求信息和各波束指向信息；其中，所述用户需求信息包括用户所在波位与用户时隙需求数量。用户所在波位以波位号表示，所述波束指向信息包括有各个波束使用的频率以及在每一时隙所指向的波位。

可选的，步骤S101包括：确定用户所处波位的波位号；获取所述用户的速率需求，并基于所述速率需求计算对应的用户时隙需求数量。

S102：根据同一波位上的各用户的所述用户时隙需求数量，计算所述波位的波位时隙需求数量。即根据各用户的时隙数量需求计算该波位所需的最少时隙数量，所述最少时隙数量即为波位时隙需求数量；每一波位具体依据最小化时隙使用数量原则对用户进行时隙分配。

在一种可选的实施方式中，设波位i中用户u的所述用户时隙需求数量为t_u，则所述波位i的所述波位时隙需求数量为T_i，则：

其中，N为子帧内的载波数量，t_max为所述波位i中最大的所述用户时隙需求数量。

S103：若所述波位时隙需求数量大于波位对应的可用时隙数量，则基于预设的第一调整规则对波位上的各用户的所述用户时隙需求数量进行缩减调整，以使调整后的所述波位时隙需求数量不超过可用时隙数量。每一波位的可用时隙数量是指波位所能够提供的最大可用时隙资源数量；当通过步骤S102计算的所述波位对应的波位时隙需求数量超过其可用时隙数量时，则根据预设的调整策略所确定的调整规则对波位的用户时隙需求数量进行缩减调整，直至调整后的波位时隙需求数量不超过可用时隙数量。

本实施例优选的基于第一调整规则进行缩减调整的方式如下：筛选出用户时隙需求数量大于所述可用时隙数量的第一目标用户，并将第一目标用户对应的用户时隙需求数量缩减至可用时隙数量；判断在第一目标用户的用户时隙需求数量调整后的波位时隙需求数量是否大于可用时隙数量；若大于，则根据预设的用户优先级筛选出第二目标用户；逐个对第二目标用户的用户时隙需求数量减少1，直至所述波位时隙需求数量不超过可用时隙数量。其中，用户优先级具体包括：高、中、低的分级。当然，在其他实施例中，所示第一调整规则可基于根据实际需求进行配置，仅需满足缩减调整后的所述波位时隙需求数量不超过可用时隙数量。

可选的，所述逐个对第二目标用户的用户时隙需求数量减少1，直至所述波位时隙需求数量不超过可用时隙数量的步骤包括：分别计算第二目标用户的用户时隙需求数量减少1时隙后的系统效用函数的第一变化量；根据各个所述用户的所述第一变化量由低至高将所述第二目标用户依次排序形成第一队列；根据轮询规则，依序对所述第一队列中的所述第二目标用户的所述用户时隙需求数量减少1时隙，直至所述波位时隙需求数量不超过所述可用时隙数量，并记录调整后为各用户分配的时隙数量。

令Tⁱ表示波位i的可用时隙数量，首先，筛选出用户时隙需求数量大于Tⁱ的第一目标用户，将第一目标用户加入至用户集合U₁中，则，U₁＝{u|t_u>Tⁱ}，并将U₁中的用户时隙需求均缩减为，t_u＝Tⁱ，u∈U₁。其次，计算调整后的波位时隙需求T_i’，若T_i’>T，其中T为一个波束周期内的跳波束时隙数量；则筛选出系统中的中、低优先级用户U₂，并计算为每一用户U₂减少1时隙后的系统效用函数的变化量：

Δf_u＝f(t)-f(t_u)；

其中f为系统效用函数，t＝[t₁,t₂,...t_u,...,t_U]为用户时隙向量，代表分配给每一用户的时隙数量向量，t_u＝[t₁,t₂,...,t_u-1,...,t_U]为给用户u(u∈U₂)减少1时隙后的用户时隙向量；再将U₂中的用户按效用函数变化量从低至高依次排序形成队列各元素排序满足：若i<j，则有/>最后，按照轮询规则，依次对L中的用户减少1时隙，直至波位所需时隙数量不大于波位可用时隙数量，并记录调整后为各用户分配的时隙数量t'＝[t₁′,t′₂,...,t′_u,...,t′_U]。本示例的步骤S103的具体工作流程参见图3所示。

S104：若各波位的波位时隙需求数量之和超过系统总资源数，则基于预设的第二调整规则对至少一所述波位的所述波位时隙需求数量进行缩减调整，以使调整后的所述波位时隙需求数量之和不超过所述系统总资源数；其中，所述系统总资源数为所有捷变波束在一个跳波束周期中的时隙资源之和。

本实施例优选的基于第二调整规则进行缩减调整的方式如下：计算为每一波位的所述波位时隙需求数量减少1时隙后的系统效用函数的第二变化量；根据各个波位的所述第二变化量的高低将各个波位依次排序形成第二队列；根据轮询规则，依序对第二队列中的所述波位的波位时隙需求数量减少1时隙，直至所述波位时隙需求数量之和不超过系统总资源数。

具体实施时，计算各波位所需时隙数量∑T_i′是否大于系统总资源数TB，其中B为捷变波束数量，若∑T_i′＞TB，则进行以下波位时隙调整操作：

首先，计算为每一波位减少1时隙后系统效用函数的变化量。具体的，将波位i的可用时隙数量设置为T′_i-1，令调整后各用户可分配的时隙数量为tⁱ＝[t″₁,t″₂,...,t″_u,...,t″_U]，则减少波位i的时隙数量所带来的收益函数变化量为Δfⁱ＝f(t′)-f(tⁱ)。

其次，将所有M个波位按照Δfⁱ由小至大排序，形成队列L′＝{c₁,c₂,...,c_M}，满足：若i<j，则有

最后，依次对L′中的波位减少1时隙，直至∑T_i′≤TB。若减少M个时隙后仍无法满足∑T_i′≤TB，则重复上述过程，直至∑T_i′≤TB，并记录调整后为各波位分配的时隙数量T_i″，及波位中各用户可分配的时隙数量t″_u，本示例的步骤S104的具体工作流程参见图4所示。

S105：根据调整后的波位时隙需求数量，为各个波位分配波位时隙。即依据各波位的时隙数量T_i″进行波束跳变图案规划，确定每一波位的服务波束及可用时隙位置。

在一种实施方式中，步骤S105包括：依次确定预分配的目标波位；根据各个波束对应的可用时隙数量大小，将各个波束由大到小排序形成第三队列；从所述第三队列中选取依序选取出所述波束；判断所述波束是否符合预设条件，若否则从第三队列中选取出下一排序的波束，直至获得符合所述预设条件的目标波束；将所述目标波束的可用时隙分配给目标波位。具体的，所述预设条件为波束剩余时隙资源满足所述波位时隙需求数量且在为所述目标波位服务的时段不存在同频波束干扰。可选的，所述依次确定预分配的目标波位包括：基于各个所述波位中的所述用户的优先级排序，从各个所述波位中确定预分配的目标波位的次序。

具体实施时，从各个波位中依次确定要分配的波位，将波束按可用时隙数量由大至小排列选取其中第一个波束b₁，若波束b₁剩余时隙资源满足该波位需求，且若波束b₁在t_b～t_b+T_i″-1时间内为该波位服务不会与同频波束产生干扰；其中，T_i″为波位i需要的时隙数，t_b～t_b+T_i″-1的物理意义为波束b为波位i分配的时隙资源，也即波束b服务波位i的时段；为了避免同频干扰，在将波束b的时隙t_b～t_b+T_i″-1分配给波位i前需判断该分配方案是否会与其他波束产生同频干扰，若不存在同频干扰则可将波束b的t_b～t_b+T_i″-1时隙分配给波位i，若有同频干扰则判定该波束b不可用，选取下一波束，重复上述操作，若能够找到满足条件的波束则为该波位分配时隙，否则拒绝为该波位服务，本示例的步骤S105的具体工作流程参见图5所示。

S106：根据分配的所述波位时隙，为所述波位内的各个所述用户分配载波与时隙，并生成时隙计划表。在对各个波位分配时隙时，首先筛选含有高优先级用户的波位，并启动依次为包含优先级用户的每一波位分配波束与时隙，再对其余波位分配波束与时隙；最后，对未被拒绝服务的波位，为波位内的用户分配子载波与时隙，形成时隙计划表。

在一种可选的实施方式中，对于每一波位i，假设为其分配的资源为波束b的第T_i～T_i+T_i”-1时隙，将波束b的第T_i～T_i+T_i”-1时隙取出，从第一个子载波的第一个时隙开始，从1开始依次为每一时隙编号即第一个子载波中的时隙编号为1～T_i”，第二个子载波中的时隙编号为T_i”+1～2T_i”，依次类推。最后，对波位i中的每一用户u，选择编号最小的t″_u个未使用的时隙，并将其分配给用户u。

图2示出本发明一实施例提供的卫星返向跳波束图案优化装置，其包括有用户需求统计模块101、波位需求计算模块102、用户时隙调整模块103、波位时隙调整模块104、波位间时隙分配模块105以及用户时隙分配模块106，其中：

用户需求统计模块10用于收集用户需求信息和各波束指向信息；其中，所述用户需求信息包括用户所在波位与用户时隙需求数量；波位需求计算模块102用于根据同一波位上的各用户的用户时隙需求数量，计算所述波位的波位时隙需求数量；用户时隙调整模块103用于若所述波位时隙需求数量大于波位对应的可用时隙数量，则基于预设的第一调整规则对所述波位上的各用户的用户时隙需求数量进行缩减调整，以使调整后的所述波位时隙需求数量不超过可用时隙数量；波位时隙调整模块104用于若各波位的波位时隙需求数量之和超过系统总资源数，则基于预设的第二调整规则对至少一波位的所述波位时隙需求数量进行缩减调整，以使调整后的波位时隙需求数量之和不超过系统总资源数；其中，所述系统总资源数为所有捷变波束在一个跳波束周期中的时隙资源之和；波位间时隙分配模块105用于根据调整后的波位时隙需求数量，为各个波位分配波位时隙；用户时隙分配模块106用于根据分配的波位时隙，为所述波位内的各个用户分配载波与时隙，并生成时隙计划表。

本实施例的所述卫星返向跳波束图案优化装置还可用于实现上述卫星返向跳波束图案优化方法的可选示例。

以一个具有B＝8个捷变波束，使用4色复用的跳波束系统为例，即波束1、5使用频带1，波束2、6使用频带2，以此类推。系统子帧中具有N个子载波，M个波位，跳波束周期中具有T个跳波束时隙，则系统总的可用时隙数为TB。系统中的用户可分为高、中、低三个优先级。

系统中的用户向卫星上报自身位置与速率需求，首先通过用户需求统计模块确定用户所处的波位，根据用户的速率需求计算出每一用户u所需的时隙个数并将结果传递至波位需求计算模块。

波位需求计算模块按波位统计每个波位中的用户时隙需求，依次计算每一波位所需的时隙数量T_i。令每波位可用时隙数量Tⁱ＝T，筛选出波位需求大于可用时隙的波位集合L_b＝{i|T_i＞Tⁱ}，若L_b为空，则无需启动用户时隙调整模块，否则，对L_b中的波位启动用户时隙调整模块。首先将所有需求大于波位可用时隙的用户时隙都置为Tⁱ，启动波位需求计算模块，令t＝[t₁,t₂,...t_u,...,t_U]为用户时隙向量，表示为每个用户分配到的时隙数量。令定义f(t)为系统收益函数，以用户的加权需求满足率之和为例，f(t)可定义为：

其中，w_u为用户u的权重，与用户的优先级有关。令t_u＝[t₁,t₂,...,t_u-1,...,t_U]，依次计算该波位中每一中低优先级用户减少1时隙后所对应的Δf，并将中低优先级用户按Δf由小至大排序形成队列L。最后，按照轮询规则，依次对L中的用户减少1时隙，直至波位所需用户数量不大于波位可用时隙数量，并记录调整后为各用户分配的时隙数量t'＝[t₁′,t′₂,...,t′_u,...,t′_U]，及各波位的时隙需求T_i′。

计算所有波位需求之和若T_total≤TB，可直接进行波位间时隙分配，否则，启动波位时隙调整模块。对每一波位，令其可用时隙为T_i′-1，并以T_i′-1为输入调用用户时隙调整模块，经调整后波位i中用户的时隙向量为tⁱ＝[t₁″,t′₂′,...,t′_u′,...,t′_U′_i]，计算Δfⁱ＝f(t′)-f(tⁱ)。将波位按Δfⁱ由小至大排序形成队列L′，依次对L′中的波位减少1时隙，即T_i′＝T_i′-1，直至波位需求之和/>若减少M个时隙后仍无法满足T_total≤TB，则重复上述过程，直至T_total≤TB。

当满足所有波位需求之和不超过系统所拥有的时隙资源总量TB时，进行波位间时隙分分配，首先，筛选出包含最高优先级用户的波位，优先进行分配。分配方法为：将波束按可用时隙数量由大至小排列，选取其中第一个波束b₁，若波束b₁剩余时隙资源满足该波位需求，则进行同频干扰判断。一种可选的方法为：对波束b₁的同频波束b′，记其在第t_b～t_b+T_i″-1个时隙上需服务的波位集合为I。若波位i与I中的所有波位均至少间隔一个波位，则认为不会产生同频干扰，否则，认为存在同频干扰。若波束b₁在t_b～t_b+T_i″-1时间内为该波位服务不会与同频波束产生干扰，则将时隙t_b～t_b+T_i″-1的分配给该波位，其中t_b为波束b₁的第一个可用时隙。否则，选取下一波束，重复上述操作，若能够找到满足条件的波束则为该波位分配时隙，否则拒绝为该波位服务。随后，对剩余波位，重复上述分配方法。

最后，利用用户时隙分配模块对各波位中的用户分配子载波与时隙。

经过仿真验证，本实施例所述的卫星返向跳波束图案优化方法能够严格保障最高优先级，即重点用户的接入与服务质量，并为不同优先级的用户提供差异化服务质量，如图6a～图6b所示；同时，所述方法能够规避同频波束间的干扰，通过同频干扰规避，可使系统效用值提高进10％，随着用户分布越来越集中，同频干扰规避为系统收益带来的增益效果越明显，如图7a～图7b所示。

综上所述，本发明所述的卫星返向跳波束图案优化方法及装置，通过所收集的用户需求信息和各波束指向信息，计算波位时隙需求数量；若波位时隙需求数量超过波位的可用时隙数量，则基于预设的第一调整规则缩减调整用户时隙需求数量；若各波位的波位时隙需求数量之和超过系统总资源数，则基于预设的第二调整规则对波位时隙需求数量进行缩减调整；根据调整后的波位时隙需求数量，为各个波位分配波位时隙；根据分配的所述波位时隙，为各个所述用户分配载波与时隙，并生成时隙计划表。借此，本发明能够实现多频时分多址接入体制下的返向跳波束图案优化，有效解决返向跳波束资源分配的难题；能够满足非均匀分布的用户需求，规避系统内同频干扰，严格保障重点用户的服务质量并为不同优先级的用户提供差异化的接入服务。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种卫星返向跳波束图案优化方法，其特征在于，包括步骤：

收集用户需求信息和各波束指向信息；其中，所述用户需求信息包括用户所在波位与用户时隙需求数量；

根据同一波位上的各用户的所述用户时隙需求数量，计算所述波位的波位时隙需求数量；

若所述波位时隙需求数量大于所述波位对应的可用时隙数量，则基于预设的第一调整规则对所述波位上的各用户的所述用户时隙需求数量进行缩减调整，以使调整后的所述波位时隙需求数量不超过所述可用时隙数量；

若各波位的波位时隙需求数量之和超过系统总资源数，则基于预设的第二调整规则对至少一所述波位的所述波位时隙需求数量进行缩减调整，以使调整后的所述波位时隙需求数量之和不超过所述系统总资源数；其中，所述系统总资源数为所有捷变波束在一个跳波束周期中的时隙资源之和；

根据调整后的所述波位时隙需求数量，为各个所述波位分配波位时隙；

根据分配的所述波位时隙，为所述波位内的各个所述用户分配载波与时隙，并生成时隙计划表。

2.根据权利要求1所述的卫星返向跳波束图案优化方法，其特征在于，所述基于预设的第一调整规则对所述波位上的各用户的所述用户时隙需求数量进行缩减调整，以使调整后的所述波位时隙需求数量不超过所述可用时隙数量的步骤包括：

筛选出所述用户时隙需求数量大于所述可用时隙数量的第一目标用户，并将所述第一目标用户对应的所述用户时隙需求数量缩减至所述可用时隙数量；

判断在所述第一目标用户的所述用户时隙需求数量调整后的所述波位时隙需求数量是否大于所述可用时隙数量；

若大于，则根据预设的用户优先级筛选出第二目标用户；

逐个对所述第二目标用户的所述用户时隙需求数量减少1，直至所述波位时隙需求数量不超过所述可用时隙数量。

3.根据权利要求2所述的卫星返向跳波束图案优化方法，其特征在于，所述逐个对所述第二目标用户的所述用户时隙需求数量减少1，直至所述波位时隙需求数量不超过所述可用时隙数量的步骤包括：

分别计算所述第二目标用户的所述用户时隙需求数量减少1时隙后的系统效用函数的第一变化量；

根据各个所述第二目标用户的所述第一变化量由低至高将所述第二目标用户依次排序形成第一队列；

根据轮询规则，依序对所述第一队列中的所述第二目标用户的所述用户时隙需求数量减少1时隙，直至所述波位时隙需求数量不超过所述可用时隙数量，并记录调整后为各用户分配的时隙数量。

4.根据权利要求1所述的卫星返向跳波束图案优化方法，其特征在于，所述基于预设的第二调整规则对至少一所述波位的所述波位时隙需求数量进行缩减调整，以使调整后的所述波位时隙需求数量之和不超过所述系统总资源数的步骤包括：

计算为每一所述波位的所述波位时隙需求数量减少1时隙后的系统效用函数的第二变化量；

根据各个所述波位的所述第二变化量的高低将各个所述波位依次排序形成第二队列；

根据轮询规则，依序对所述第二队列中的所述波位的所述波位时隙需求数量减少1时隙，直至所述波位时隙需求数量之和不超过所述系统总资源数。

5.根据权利要求1所述的卫星返向跳波束图案优化方法，其特征在于，所述收集用户需求信息和各波束指向信息的步骤包括：

确定用户所处波位的波位号；

获取所述用户的速率需求，并基于所述速率需求计算对应的所述用户时隙需求数量。

6.根据权利要求1所述的卫星返向跳波束图案优化方法，其特征在于，设波位i中用户u的所述用户时隙需求数量为t_u，则所述波位i的所述波位时隙需求数量为T_i，则：

其中，N为子帧内的载波数量，t_max为所述波位i中最大的所述用户时隙需求数量。

7.根据权利要求1所述的卫星返向跳波束图案优化方法，其特征在于，所述根据调整后所述波位时隙需求数量，为各个所述波位分配波位时隙的步骤包括：

依次确定预分配的目标波位；

根据各个波束对应的所述可用时隙数量大小，将各个所述波束由大到小排序形成第三队列；

从所述第三队列中选取依序选取出所述波束；

判断所述波束是否符合预设条件，若否则从所述第三队列中选取出下一排序的所述波束，直至获得符合所述预设条件的目标波束；

将所述目标波束的可用时隙分配给所述目标波位。

8.根据权利要求7所述的卫星返向跳波束图案优化方法，其特征在于，所述预设条件为波束剩余时隙资源满足所述波位时隙需求数量且在为所述目标波位服务的时段不存在同频波束干扰。

9.根据权利要求7所述的卫星返向跳波束图案优化方法，其特征在于，所述依次确定预分配的目标波位包括：

基于各个所述波位中的所述用户的优先级排序，从各个所述波位中确定预分配的目标波位的次序。

10.一种卫星返向跳波束图案优化装置，其特征在于，包括：

用户需求统计模块，用于收集用户需求信息和各波束指向信息；其中，所述用户需求信息包括用户所在波位与用户时隙需求数量；

波位需求计算模块，用于根据同一波位上的各用户的所述用户时隙需求数量，计算所述波位的波位时隙需求数量；

用户时隙调整模块，用于若所述波位时隙需求数量大于所述波位对应的可用时隙数量，则基于预设的第一调整规则对所述波位上的各用户的所述用户时隙需求数量进行缩减调整，以使调整后的所述波位时隙需求数量不超过所述可用时隙数量；

波位时隙调整模块，用于若各波位的波位时隙需求数量之和超过系统总资源数，则基于预设的第二调整规则对至少一所述波位的所述波位时隙需求数量进行缩减调整，以使调整后的所述波位时隙需求数量之和不超过所述系统总资源数；其中，所述系统总资源数为所有捷变波束在一个跳波束周期中的时隙资源之和；

波位间时隙分配模块，用于根据调整后的所述波位时隙需求数量，为各个所述波位分配波位时隙；

用户时隙分配模块，用于根据分配的所述波位时隙，为所述波位内的各个所述用户分配载波与时隙，并生成时隙计划表。