一种基于动态频谱分配的融合星地系统频率共享方法及系统与流程

本发明涉及融合星地系统的频率共享技术领域，具体涉及一种基于动态频谱分配的融合星地系统频率共享方法及系统。

背景技术：

随着通信行业的发展，用户对通信的质量、方式等要求越来越高。用户希望无论在何时何地都可以使用手持终端完成高质量的通信。虽然说蜂窝移动通信具有良好的通信质量且其基础设施已经架构完成，但是值得注意的是地球面积的70％以上被海洋沙漠覆盖，而在这些地方建设基站是相对困难的，且成本较高。而卫星通信具有覆盖范围广，更加容易实现通信全球覆盖的优点。那么将卫星通信与现有的地面蜂窝移动通信进行融合，构建星地一体化网络充分发挥卫星通信和地面蜂窝移动通信的优点，更加有利于实现通信全球覆盖。

所谓“星地一体化系统”自上世纪80年代末被使用，但它已经随着一体化体系的演变变得愈加完善和有意义。itu也给出了星地一体化的定义，同时itu对融合星地系统和混合星地系统的定义进行了区分。现有的文献已经对两类系统做了详细的分析，从中我们了解到两个系统的主要区别在于是否运行在相同的频段，是否具有相同的网络管理中心。在融合星地系统中采取了频率共享技术，在很大程度上提高了频谱效率，提升了系统容量并简化了终端设备。但是在融合星地网络中采取频率共享技术一个不可避免的问题就是会产生同频干扰问题，会严重影响用户的通信质量。目前已经有很多学者对融合星地系统的频率共享技术进行了可行性验证，并对其中的干扰问题采用软频率复用、部分频率复用以及基于保护区的频率复用方案。但是对于软频率复用和部分频率而言主要是对波束间的干扰问题进行解决，而基于保护区的频率复用方案虽然解决了卫星网络和地面网络之间的干扰，验证了可行性。但是上述频率复用方案都是静态频率分配，使干扰水平在可容忍范围内，但是这需要保持活跃用户密度相对较低，这对融合星地系统来说是一个非常强的约束条件。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的融合星地系统的频率共享技术需要保持活跃用户密度相对较低，对融合星地系统有很强的约束条件的缺点，而提出一种基于动态频谱分配的融合星地系统频率共享方法及系统。

一种基于动态频谱分配的融合星地系统频率共享方法，包括：

步骤一、将总频率资源划分为f1至f9共9段频率资源；

步骤二、对卫星波束划分区域，划分出的每个区域对应于f1至f9的频率资源中的一种；

步骤三、被卫星波束覆盖的地面小区使用1/3复用方案，具体为：按照预定规则为每个地面小区分配f1至f3、f4至f6、f7至f9这三组频率范围中的一组，随机选取每个组中相互不重复的物理资源块分配给用户。

本发明的有益效果为：1、不需要保持较低的活跃用户密度，对融合星地系统没有很强的约束条件；2、本发明对地面网络和卫星网络采用不同的复用方案，在此基础上采用动态频率分配的方式进行频谱分配，降低了干扰；3、传统的频率复用方案是只单一考虑干扰的静态方案，而本发明通过对用户特点的分析来减少干扰，对干扰的降低效果更明显；4、当每个地面小区的用户为8时，本发明的根据用户潜在干扰的频率策略的干扰噪声比可低至-13.5db。

附图说明

图1为本发明的基于动态频谱分配的融合星地系统频率共享方法的流程图；

图2融合星地系统体系架构；

图3为融合星地系统干扰场景；

图4为融合星地系统七色复用方案；

图5a)为地面基站对卫星终端的干扰；b)为卫星对地面网络终端的干扰；c)为卫星终端对基站的干扰；d)为地面终端对卫星的干扰；

图6为频率资源划分；

图7为卫星波束频率划分；

图8为地面频率复用方案；

图9为地面网络小区1/3复用方案频率划分；

图10为动态资源分配方案下的干扰仿真结果。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的基于动态频谱分配的融合星地系统频率共享方法，如图1所示，包括：

步骤一、将总频率资源划分为f1至f9共9段频率资源。

步骤二、对卫星波束划分区域，划分出的每个区域对应于f1至f9的频率资源中的一种。

步骤三、被卫星波束覆盖的地面小区使用1/3复用方案，具体为：按照预定规则为每个地面小区分配f1至f3、f4至f6、f7至f9这三组频率范围中的一组，随机选取每个组中相互不重复的物理资源块分配给用户。

本发明的方法基于卫星网络与地面网络融合，卫星网络与地面网络融合有多种形式，基于地面辅助组件(atc)技术的融合星地系统模型是众多方案之一。基于atc的融合星地系统模型搭建如图2所示。通过地面辅助组件技术将卫星网关和地面蜂窝移动通信的基站连接。基于atc技术的融合星地系统的卫星部分采用高功率和大尺寸天线设计，同时通过引入大孔径多波束技术有利于提高有效全向辐射功率(eirp)地球站品质因数。同时，地面网络使用的各种接口技术适用于地面和空间站，地面不同体制的辅助组件将运行在一个核心蜂窝网上。

融合星地系统干扰场景模型如图3所示，在该模型中包含卫星(ss)，地面基站(tbs)以及终端(ms)。为了方便分析，这里将终端分为地面终端(tms)和卫星终端(sms)。同时卫星、地面基站以及终端之间可以直接通信，则实线为有用信号，虚线为干扰信号。可以看出卫星(ss)会收到地面终端(tms)造成的干扰。在整个融合星地系统中采用统一的复用方案，其适用于卫星波束小区和地面蜂窝小区。图4显示了七色频率复用方案，也就是小区集群大小为7。在图4中大圆代表卫星波束所覆盖的小区，在大圆内的若干个六边形为地面蜂窝小区，并且每种颜色(或灰度)代表一个频段。根据该分析确定融合星地系统中的主要干扰为地面终端对卫星的干扰如图5a)-5d)所示。

针对此类干扰，本发明提出了基于动态资源分配的方案。整体的频谱分配如图6所示。将15mhz的频率资源划分为f1-f9共9段频率资源供卫星网络和地面网络共同使用，每个频段分为8个物理资源块。在通信过程中，每个用户可以被分配1个物理资源块供其使用。在仿真中，为了方便个用户分配频率资源将f1到f9频段的物理资源块编号为1-72，即步骤一的内容。

对于卫星网络而言采用的频率复用方案如图7所示，卫星网络采用9色复用的方案，每个卫星波束可以使用8个物理资源块。卫星波束是指由卫星天线发射出来的电磁波在地球表面上形成的形状(例如像手电筒向黑暗处射出的光束)，由发射天线来决定其形状。每个卫星波束内有57个地面网络小区组成的小区簇，小区簇的中心位置随机设定，每个小区最多可以有72个用户，相应的小区簇内最多可以有4104个用户。卫星所使用的频率资源的情况如图7所示，为了避免卫星网络波束间的干扰，相邻的卫星波束不能使用同一频段。f1-f9代表卫星波束所使用的频率。即步骤二的内容。

对于地面小区来说，在地面小区可以用多种方案为用户分配频率。在本发明中，为了得到这两种策略对干扰减轻的效果，同时对随机为用户分配频率的策略进行了仿真。图8和图9为地面网络1/3复用方案下地面网络小区的频率分配图，图8中相同填图案代表相同的频率，图9中(1)、(2)、(3)分别代表该地面小区可以使用f1-f3、f4-f6、f7-f9的频率资源。

需要说明的是，图9中的六边形区域和图7中的六边形区域是不同的，图7中的六边形区域是卫星波束中的卫星小区，即卫星电磁波在地球表面形成的形状，而图9的六边形是地面小区，卫星小区可能覆盖很多个地面小区。图7中六边形内的频率f1至f9表示的是卫星使用的频率，图9中以第一个六边形区域32(2)为例，32表示该地面小区的编号是32，(2)表示其使用的是f4-f6范围的频率，当物理资源块的总数量为72时，该频率范围对应的可用的物理资源块编号为25-48。

步骤三的目的是为每个地面小区选定一种频率范围，该频率范围是f1-f3、f4-f6、f7-f9这三种范围中的一种，选定的规则可以有多种，选定之后，具体给用户分配频率范围内的哪个资源块是随机的，例如针对编号为17的地面小区，根据选定的规则为其分配了f4-f6的频率资源(对应于图9中的(2))，而在物理资源块总数为72的情况下，f4-f6的资源块编号为25-48，假设该小区中有8个用户，那么从25-48的资源块中随机选择8个编号不同的资源块分配给8个用户。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中：

对卫星波束进行划分具体为：根据卫星参数确定能够划分出的区域数量；为每个区域分配f1至f9中的频率资源中的一种，分配时保证相同的频率资源所在的区域的距离之和高于预设值。

本实施方式是对图7中的每个卫星小区分配f1-f9频率的过程，分配的原则是尽可能使相同的频率的物理距离尽可能远，例如图7中，所有相同频率的卫星小区之间至少间隔了两个卫星小区的距离。实际操作中可以计算相同频率区域的距离之和，距离和最大，则认为隔离度最大，也可以通过人为设置，或者计算方差等方式进行分配。这样设置的好处是，能够尽可能地减少干扰。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤三中，预定规则为随机选取规则。即为地面小区选定三种频率范围中的一种时，采用随机选取。

在该原则中，卫星和地面部分是缺乏协调的，按照在地面系统中建立的分配模式，随机分配地面系统中的资源，不考虑卫星频率模式中的小区位置或地面用户条件。地面网络小区采用1/3色复用，随机为地面网络中小区内的用户分配可用频率。在图9中可以知道，编号为17的地面网络小区可以使用f4-f6(物理资源块编号为25-48)的频率资源，若每个小区内有8个用户，那么可以将25-48任意编号不重复的8个物理资源块分配个这8位用户。

这样设置的好处是，执行效率比较高，不涉及复杂的运算。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中，预定规则为：选取相对于用户位置隔离度最大的频率资源；隔离度为用户在地面小区所处的位置到所有同频卫星小区的中心的距离之和；同频卫星小区为对卫星波束划分后的区域中，与用户所在的地面小区选用相同频率的区域。

由于卫星小区是卫星波束的一部分，是电磁波在地面上的投射，地面小区是在地面划分出的区域，因此用户所在的位置可以同时在卫星小区中，也在地面小区中。本实施方式计算的隔离度为从用户所处的地理位置到所有同频卫星小区的中心的距离之和。具体计算时，先假定用户使用f1频率，然后计算这种情况下用户在当前位置距离所有f1的同频卫星小区的中心的距离之和，这里中心指的是几何中心；再计算f2、f3等其他频率的隔离度，计算完所有隔离度之后选出隔离度最大的频率资源，然后为地面小区分配相应的频率范围。

该原则与基于保护区的概念相对应，地面小区的频率分配将取决于在卫星频率模式中每个波束下隔离的小区位置，然后按照它们对卫星最大可能的隔离度来分配频率。这一原则是与卫星的第一级协调。地面网络小区采用1/3复用，根据用户的位置为用户分配可用的隔离度最大的频率资源。例如编号为17的地面网络小区内的用户只能被分配f4-f6(物理资源块编号为25-48)中隔离度最大的频率资源。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：

步骤三中，预定的选取规则为：

对每个地面小区的用户计算干扰功率，计算公式为：

ipp(el)db＝eirp(el)db-plsat(el)db

＝isat(el)db-grx,sat(el)db

其中ipp(el)db为地面小区的用户el的干扰功率；eirp(el)db为发射功率增益，plsat(el)db为路径损耗；isat(el)db为干扰值；grx,sat(el)db为增益值。

然后对用户的干扰功率和隔离度均进行排序，根据干扰功率的次序，为用户分配与该次序对应的隔离度的频率。

该原则比具体实施方式四更进一步，与根据基站位置的频率分配策略相同的方式，按照与卫星的隔离顺序对频率进行排序然后，地面系统将向呈现卫星的“最危险”的用户(即对卫星干扰最大的用户)分配干扰最小的频率，反之亦然。为此，我们定义一个新参数：潜在干扰功率。潜在干扰功率越高，用户干扰越严重。在资源分配时，对所有用户评估干扰功率(ipp)。然后，具有较高ipp的用户被分配具有最佳隔离的频率。

表示为ipp的该参数特定于每个地面用户el。其公式如下：

ipp(el)db＝eirp(el)db-plsat(el)db

＝isat(el)db-grx,sat(el)db

它对应于由用户发射并且由卫星在其天线处接收的干扰的功率。它是用户相关因素的函数：卫星的eirp和传播损耗(路径损耗的)。对于路径损耗，自由空间中的传播的直接损失被认为是独立于用户。而，仅卫星的掩蔽因子是依赖用户的。或者，ipp是接收干扰的功率减去卫星天线增益。

在基站的分配算法中，根据每个用户的ipp来分配信道。我们知道每个用户的路径损耗，但是在分配时不知道eirp。事实上，当我们应用功率控制，它取决于分配给用户的信道。因此，该分配基于对ipp的估计，该估计基于以下公式中给出的eirp的估计。

eirpest(el)db＝f(plter(el)db,grx,bs(el)db)

估计的eirp对应于在开环中计算的用户的eirp，使得后者达到期望的信噪比。它是基站和用户之间的路径损耗以及基站在用户方向上的天线增益的函数。

即地面网络小区采用1/3复用，检测用户位置和用户的潜在干扰大小，在该小区可用的频率资源中为潜在干扰最大的用户优先分配隔离度最大的频率。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式提供一种基于动态频谱分配的融合星地系统频率共享系统，如图2和图3所示，包括卫星、地面基站、地面终端、卫星终端以及网关，其中卫星、地面基站、地面终端、卫星终端间能够直接通信，网关与地面基站连接；载波频率为2ghz，带宽为15mhz，物理资源块数量为72，卫星天线为geo多波束卫星天线，卫星信道模型为perez-fontan模型，卫星波束直径为200km，地面小区簇纬度为45度，地面小区覆盖半径为1/3km，地面基站天线增益为20db，地面终端和卫星终端的最大功率为24bm，最小功率为-30bm，地面信道模型为winnerii；总频率资源被划分为f1至f9频段；每个卫星波束内有57个地面网络小区组成的小区簇，小区簇的中心位置随机设定，每个小区至多有72个用户。

卫星终端用于对卫星波束划分区域，划分出的每个区域对应于f1至f9的频率资源中的一种。

地面终端用于按照预定规则为每个地面小区分配f1至f3、f4至f6、f7至f9这三组频率范围中的一组，随机选取每个组中相互不重复的物理资源块分配给用户。

具体实施方式七、本实施方式与具体实施方式六不同的是：卫星终端具体用于根据卫星参数确定能够划分出的区域数量；为每个区域分配f1至f9中的频率资源中的一种，分配时保证相同的频率资源所在的区域的距离之和高于预设值。

本实施方式与具体实施方式二相似，本实施方式的卫星终端用于实现具体实施方式二中的功能，此处不再详述。

其它步骤及参数与具体实施方式六相同。

具体实施方式八、本实施方式与具体实施方式六或七不同的是：地面终端中，预定规则为随机选取规则。

本实施方式与具体实施方式三相似，本实施方式的地面终端用于实现具体实施方式三中的功能，此处不再详述。

其它步骤及参数与具体实施方式六或七相同。

具体实施方式九、本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：

地面终端中，预定规则为：在每个组中选取相对于用户位置隔离度最大的物理资源块；隔离度为用户在地面小区所处的位置到所有同频卫星小区的中心的距离之和；同频卫星小区为对卫星波束划分后的区域中，与用户所在的地面小区选用相同频率的区域。

本实施方式与具体实施方式四相似，本实施方式的地面终端用于实现具体实施方式四中的功能，此处不再详述。

其它步骤及参数与具体实施方式六至八之一相同。

具体实施方式十、本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是：

地面终端中，预定规则为：

对每个地面小区的用户计算干扰功率，计算公式为：

ipp(el)db＝eirp(el)db-plsat(el)db

＝isat(el)db-grx,sat(el)db

其中ipp(el)db为地面小区的用户el的干扰功率；eirp(el)db为发射功率增益，plsat(el)db为路径损耗；isat(el)db为干扰值；grx,sat(el)db为增益值；

对用户的干扰功率和隔离度均进行排序，根据干扰功率的次序，为用户分配与该次序对应的隔离度的频率。

本实施方式与具体实施方式五相似，本实施方式的地面终端用于实现具体实施方式五中的功能，此处不再详述。

其它步骤及参数与具体实施方式六至九之一相同。

<实施例>

按照具体实施方式进行仿真，仿真过程中仿真参数设定如下：载波频率为2ghz，带宽为15mhz，物理资源块数量为72，卫星天线是geo多波束卫星天线，卫星信道模型为perez-fontan模型，卫星波束直径为200km，地面小区簇纬度为45度，地面小区覆盖半径为1/3km，地面基站天线增益为终端最小/最大功率为-30/24dbm，地面信道模型为winnerii(c2)。

仿真环境为：matlabr2016a

仿真结果如图5、图10以所示，其中图10所示的1/3复用根据基站位置分配以及1/3复用根据内容分配为发明内容。

地面网络小区采用1/3频率复用方案时，每个小区用户数最多为24个。可以看出，为用户分配频率的根据用户潜在干扰的频率策略对卫星产生的干扰最小，随机的频率分配策略产生的干扰最大。干扰功率随着地面网络小区内用户数的增多而增多。图10中，用户数为8时，根据基站位置的频率分配策略和根据用户潜在干扰的频率策略方案对卫星波束产生的干扰大小相同。这是因为假如每个小区的用户数为8，只有当某个小区隔离度最高的频率为f1频段时，f1的8个prb频率资源才会被分配个该小区内的用户。这种情况下，无论小区内用户对卫星潜在干扰是大是小，这8个用户都会被分配f1的频率资源。因此，用户数为8时根据基站位置的频率分配策略和根据用户潜在干扰的频率策略对卫星造成的干扰是相同的。可以看出所提出的策略使干扰降低到可允许范围内，而根据基站位置的频率分配策略和根据用户潜在干扰的频率策略使干扰进一步降低。

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，本领域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。