一种卫星通信系统波束扫描方法及系统与流程

1.本发明涉及卫星通信系统领域，更具体地说，它涉及一种卫星通信系统波束扫描方法及系统。


背景技术：

2.随着5g通信系统开始大规模商用部署，6g作为下一代移动通信系统，目标在于满足未来十年后的社会通信需求。卫星通信网络作为6g的主干关键技术，能够作为地面通信的补充，形成空天地一体化的立体通信网络，实现高空、外太空、远洋、深海、山区、沙漠等地区的无缝全球覆盖。随着高速互联网接人、机载通信、远程教育、远程医疗、高清数字电视等需求的快速增长，高通量卫星(high throughput satellite，hts)已经成为目前卫星行业的热点之一，许多国家和地区已经成功发射多颗高通量卫星。
3.目前，大多数卫星通信系统采用多波束天线，尤其是高通量卫星通信系统采用多波束覆盖能够达到gbps量级以上的传输速率，在高通量卫星中，常常具有几十，上百个波位，每次通过配置扫描波束pattern，资源分配，波束跳变来进行终端的业务覆盖。如图1所示为某一特定区域内的波位覆盖示意图，在从某一区域跳波束到另一区域时，一般需要重新获取能够服务的业务波束，此时可以采用p1/p2/p3过程的波束扫描来确定卫星下行链路的发送波束，在完成某一区域的覆盖后，再跳波束到另外一个区域进行覆盖；p1的目的是进行全局波束选择，卫星扫描全部波束，终端选择全局最优波束并上报给卫星；p2的目的是卫星波束精确选择，卫星扫描局部波束，终端固定波束，终端选择精确波束并上报给卫星；p3的目的是终端波束精确选择，终端扫描局部波束，卫星固定波束，终端选择精确波束。
4.现有技术中需要经过多次波束扫描才能实现卫星与终端的波束匹配，波束匹配后还需进行最优波束的上报才能使得卫星与终端的最优服务波束对生效，多次波束扫描会导致传输时延过长，进行最优波束的上报也会增加卫星与终端的时延。


技术实现要素：

5.本发明所解决的技术问题是现有技术中波束扫描过程中会经过至少三次上行下行链路传输才能实现卫星侧与终端侧的波束匹配，并且生成的波束还需将波束上报至卫星侧以确定是否为最优波束，上述技术问题增加了卫星与终端的传输时延及获取时延，本发明的目的是提供一种卫星通信系统波束扫描方法，达到在波束扫描时减少卫星与终端间信令传输次数，以减少传输时延；同时减少终端上报卫星的最优波束次数，以减少最优波束的上报时延。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.一种卫星通信系统波束扫描方法，所述方法包括以下步骤：
8.卫星侧与终端侧进行波束生成与波速扫描形成具有多个峰值的多峰波束；
9.所述卫星侧根据所述多峰波束接收ul参考信号，并进行多峰解算，生成卫星侧的最优指向波束；
10.所述终端侧根据所述多峰波束接收dl参考信号，并进行多峰解算，生成终端侧的最优指向波束。
11.本发明通过在卫星侧与终端侧通过波速扫描生成与波束扫描形成具有多峰特性的多峰波束，该多峰波束与p2/p3跳波束扫描的波束一致，终端侧采用多峰波束接收dl参考信号，然后通过多峰解算，在终端侧的多峰rx波束基础上获得终端侧的最优指向波束；同样的，卫星侧采用多峰波束接收ul参考信号，然后通过多峰解算，在卫星侧的多峰rx波束基础上获得卫星侧的最优指向波束。
12.由于是将p2/p3跳波束扫描过程中的波束设计为卫星侧与终端侧在扫描时直接生成多峰波束，仅需一次即可完成波束扫描，较之现有技术中需进行多次的上行下行扫描而言，节约了扫描流程所需时延。由于卫星侧与终端侧的最优波束均通过本地解算得到，因此，对于卫星侧与终端侧均不需要进行波束的上报，仅需要指示卫星和终端最优波束生效的时刻即可。
13.进一步的，所述多峰波束包括数字多峰波束、模拟多峰波束以及混合多峰波束。
14.进一步的，所述多峰波束根据数字dbf架构，获取天线阵面的数字多峰波束，所述数字多峰波束接收dl/ul参考信号进行多峰解算，生成最优指向波束。
15.进一步的，所述多峰波束根据模拟abf架构，获取天线阵面的模拟多峰波束，所述模拟多峰波束接收dl/ul参考信号进行多峰解算，生成最优指向波束。
16.进一步的，所述多峰波束根据混合hbf架构，获取天线阵面的混合多峰波束，所述混合多峰波束接收dl/ul参考信号进行多峰解算，生成最优指向波束。
17.进一步的，所述卫星侧和终端侧均采用多峰rx波束进行波束的管理与扫描。
18.一种波束扫描系统，用于执行所述的扫描方法，所述系统包括卫星端与终端，所述卫星端与终端进行波束生成与波速扫描形成具有多个峰值的多峰波束。
19.进一步的，卫星端根据所述多峰波束接收终端的ul参考信号，并进行多峰解算，生成卫星侧的最优指向波束；
20.终端根据所述多峰波束接收卫星端的dl参考信号，并进行多峰解算，生成终端侧的最优指向波束。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
22.本发明减少了一次波束上报流程，从而减少了一次传输时延；减少了卫星/终端的p2/p3波束扫描流程，仅需直接形成多峰波束进行一次的波束发送和接收，即可通过本地进行最优波束对的解算；可以在波束扫描时延，卫星与终端间信令传输次数两个维度上同时减少业务波束的获取时延；从而有效的减少高通量卫星在跳波束后，重新获取最优业务波束的时延，从而能够更快的实现卫星侧与终端侧波束的对准。
附图说明
23.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
24.图1为现有技术中跳波束管理图；
25.图2为现有技术中波束扫描p1/p2/p3管理的波束扫描和信令传输过程图；
26.图3为采用本发明所提供的扫描方法的流程图；
27.图4为本发明所述扫描方法的流程图；
28.图5为本发明不同的天线架构下多峰波束生成方法图。
具体实施方式
29.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
30.需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
31.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
33.实施例一
34.每一次波束跳变后，一般需要进行多次的波束扫描来实现该覆盖区域内业务波束的获取，对于p1/p2的波束扫描过程，终端侧在扫描结束后，还需要进行最优波束的上报，卫星接收到ue上报信息后，再进行下行波束指示，从而使得卫星和终端的最优服务波束对生效。由此至少需要下行，上行3次传输，才能实现卫星和终端ue的波束匹配。在leo/meo卫星通信中，与地面通信不同，由于卫星与地面终端的距离较远，导致传输时延很大，比如对于轨道高度为1500km的leo卫星，单向传输时延可达13ms左右，而对于meo卫星，传输时延能够达到50ms左右。如下表1所示，
35.表1低中轨道卫星到地面设备的传输时延
[0036][0037]
在高通量卫星通信中，如果采用p2/p3进行业务波束扫描，则总的业务波束获取时
延为：
[0038]
t
业务波束获取时延
＝t
p2
+t
p3
+3*t
delay
；
[0039]
假定卫星发射波束个数为n，终端接收波束个数为m，卫星和终端的波束扫描切换时延均为t
sweep
，则有：
[0040]
t
业务波束获取时延
＝n*t
sweep
+m*t
sweep
+3*t
delay
；
[0041]
波束扫描切换时延t
sweep
一般在ns量级，以leo卫星为例，取tdelay＝13ms。相较于地面通信，卫星通信传输的链路损耗较大，尤其是在高频段(如ka/ku波段)，因此在卫星和终端通常采用窄波束来保证高波束增益，而窄波束的使用增加了卫星和终端扫描波束数量n和m。
[0042]
如下表2所示，经过分析列出了leo卫星在卫星和终端不同波束数量下，对应的业务波束获取时延。可以看出，通过p2/p3过程的波束扫描，带来的业务波束获取时延较大，可能达到几十ms量级。
[0043]
表2低中轨道卫星获取最优接入波束时延
[0044][0045][0046]
对现有技术中的波束扫描所需的传输时延及最优波束接入波束时延进行分析后，本实施例一提供一种卫星通信系统波束扫描方法，如图4所示，方法包括：卫星侧与终端侧进行波束生成与波速扫描形成具有多个峰值的多峰波束；
[0047]
卫星侧根据多峰波束接收ul参考信号，并进行多峰解算，获取卫星侧的最优指向波束；
[0048]
终端侧根据多峰波束接收dl参考信号，并进行多峰解算，获取终端侧的最优指向波束。
[0049]
工作原理：对图2、图3进行对比，可发现现有技术中的问题，会进行多次的波束扫描，卫星侧与终端侧还需上报最优的波束指示，以三次上下行链路为例，当去掉p2/p3这两个波束扫描流程，可减少几十ms量级的传输时间，基于此，本发明将波束扫描过程中的卫星侧与终端侧在扫描时直接生成具有多个峰值特性的多峰波束，该多峰波束可以是一个波束，也可以是多个具有多峰特性的波束，该多峰波束与p2/p3跳波束扫描的波束pattern一
致，即多峰波束表示波束具有以前多个波束的多个波峰，例如现有技术中的波束扫描会有三个波束，每个波束有一个波峰，那么本发明生成的多峰波束具有三个与现有技术中对应的三个波峰，即具有三个波峰的波束，该多峰波束包括数字波束，模拟波束及混合波束。
[0050]
终端采用多峰波束接收dl参考信号，然后通过多峰解算，在终端侧的多峰rx波束基础上获得终端侧的最优指向波束；同样的，卫星采用多峰波束接收ul参考信号，然后通过多峰解算，在卫星侧的多峰rx波束基础上获得卫星侧的最优指向波束。由于卫星与终端侧的最优波束均通过本地解算得到，因此，对于卫星侧和终端侧均不需要进行波束的上报，仅需要指示卫星和波束最优波束生效的时刻即可。
[0051]
将本发明的技术方案与现有流程进行对比，对图2、图3进行对比，可以看出：
[0052]
(1)本发明的技术方案减少了一次波束上报流程，从而减少了一次传输时延；
[0053]
(2)本发明的技术方案减少了卫星侧与终端侧之间的p2/p3波束扫描流程，仅需直接形成多峰波束进行一次的波束发送和接收，即可通过本地进行最优波束对的解算。
[0054]
本发明所提供的扫描方法可应用于5g fdd制式与卫星通信相融合的高通量卫星通信系统，其它卫星通信系统也可应用，此处不在赘述。
[0055]
优选地，多峰波束包括数字多峰波束、模拟多峰波束以及混合多峰波束。
[0056]
优选地，多峰波束根据数字dbf架构，获取天线阵面的数字多峰波束，所述数字多峰波束接收dl/ul参考信号进行多峰解算，生成最优指向波束。
[0057]
优选地，多峰波束根据模拟abf架构，获取天线阵面的模拟多峰波束，所述模拟多峰波束接收dl/ul参考信号进行多峰解算，生成最优指向波束。
[0058]
优选地，多峰波束根据混合hbf架构，获取天线阵面的混合多峰波束，所述混合多峰波束接收dl/ul参考信号进行多峰解算，生成最优指向波束。
[0059]
优选地，卫星侧和终端侧均采用多峰rx波束进行波束的管理与扫描。
[0060]
本实施例一还提供一种波束扫描系统，用于执行上述扫描方法，系统包括卫星端与终端，卫星端与终端进行波束生成与波速扫描形成具有多个峰值的多峰波束。
[0061]
优选地，卫星端根据多峰波束接收终端的ul参考信号，并进行多峰解算，生成卫星侧的最优指向波束；
[0062]
终端根据多峰波束接收卫星端的dl参考信号，并进行多峰解算，生成终端侧的最优指向波束。
[0063]
实施二
[0064]
本实施例二在实施例一的基础上对多峰波束进行进一步的解释，多峰波束包括数字多峰波束、模拟多峰波束以及混合多峰波束。
[0065]
如图5所示，通过全数字的dbf架构，通过在每个trx上加载波束权值，使得对于接收信号rx，在接收天线阵面形成具有同时多个波峰的波束。由于是数字dbf架构，因此可以通过多峰波束同时将信号接收进来，然后通过接收信号与本地的矩阵进行解算，得到最优的数字波束，从而实现卫星侧与终端侧的多峰波束接收，避免了多波束的扫描过程。
[0066]
如图5所示，通过模拟的abf架构，通过不同时刻在天线阵子上加载波束权值，使得对于接收信号rx，在接收天线阵面形成具有同时多个波峰的波束。通过m次不同形式的多峰模拟波束接收，本地可以将多峰波束中的最优峰指向解算出来，然后得到最优的模拟波束权值，从而实现卫星侧与终端侧的多波峰波束接收，避免了多波束的扫描过程。
[0067]
如图5所示，通过混合的hbf架构，通过在模拟一级加载模拟波束权值，在数字trx一级加载数字波束权值，从而对于接收信号rx，在整个接收通道内，形成具有同时多个波峰的波束。首先通过模拟多峰波束的接收，然后将接收信号进行数字多峰波束的解算，实现最优的混合波束指向计算，从而实现卫星侧与终端侧的多峰波束接收，避免了多波束的扫描过程。
[0068]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。