一种基于虚拟基带的认知卫星网络系统频谱共享方法及装置与流程

本申请涉及认知卫星网络技术领域，尤其涉及一种基于虚拟基带的认知卫星网络频谱共享方法及装置。

背景技术：

在认知卫星网络系统中，分为主卫星和从卫星，从卫星的终端目标是以最有效方式发现和利用主卫星的终端的频谱空洞，进行数据传输。从卫星的终端通过频谱感知、频谱地理位置数据库等方式检测主卫星的终端的频谱漏洞，一旦探测到频谱漏洞，从卫星的终端就可以利用这些频谱漏洞进行数据传输，当检测到主卫星的终端再次需求该频谱资源时，从卫星的用户终端释放这些频谱资源。

认知卫星网络系统可以提升频谱的利用效率，满足在频谱资源日益短缺的情况下实现大容量高带宽的宽带卫星网络系统，以支持不断上升的用户业务容量和用户业务不同负载情况下的传输效率。

目前的卫星通信网络系统通常是静态频谱管理，包含一个预先分配的通信信道，这种信道具有预定义的中心频率和带宽，这种静态频谱管理可能导致频谱碎片化，导致有些频率漏洞不能利用，降低频谱利用率。因此，可用频谱资源的稀缺性，以及授权频谱的低效利用是一直存在的问题。尤其是卫星通信领域，如何提升频谱资源的利用率，是本申请解决的技术问题。

技术实现要素：

鉴于此，在认知卫星网络系统中，本申请披露一种基于虚拟基带的认知卫星网络频谱共享方法及装置，达到提升频谱资源利用率的目的。

为实现上述目的，本申请实施方式提供一种基于虚拟基带的认知卫星网络频谱共享方法，所述方法包括：

从卫星的终端获得频谱漏洞；其中，所述频谱漏洞为没有被主卫星的终端占用的物理基带的频谱；

根据频谱映射表和所述频谱漏洞，确定所述频谱漏洞对应的虚拟基带的频谱；其中，所述频谱映射表是基于虚拟基带的频谱和物理基带的频谱之间的映射规则确定的；

所述从卫星的终端利用所述虚拟基带的频谱进行数据传输。

可选地，所述映射规则为所述虚拟基带的频谱映射到频谱漏洞；其中，所述虚拟基带的频谱带宽与所述频谱漏洞的频谱带宽相同。

可选地，所述映射规则为所述虚拟基带的频谱映射到至少两个不连续的频谱漏洞。

可选地，所述虚拟基带的频谱带宽大于所述频谱漏洞的频谱带宽。

可选地，所述虚拟基带的频谱获取方法包括：

在从卫星的终端作为接收端，射频前端的频谱被分路器接收，所述分路器根据每个物理层的频谱图，对射频前端的频谱进行处理，处理结果再滤波处理，获得物理基带的频谱；

整形器根据所述频谱映射表对所述物理基带进行处理，获得对应的虚拟基带的频谱。

可选地，所述射频前端的频谱获取方法包括：

在从卫星的终端作为发送端，所述整形器根据所述频谱映射表对所述虚拟基带的频谱进行处理，获得对应的物理基带的频谱；

至少两个独立的物理基带的频谱属于使用同一个射频前端时，混频器对所述物理基带的频谱进行混频处理，获得对应的射频前端的频谱。

可选地，所述混频处理的方法进为：

所述整形器调整所述物理基带的频谱的带宽，获得对应新的物理基带的频谱；使得在混频器执行处理时，新的物理基带的频谱的信号采样率与射频前端的频谱的信号采样率匹配。

可选地，所述方法还包括：

设置从卫星的终端的物理层虚拟时钟，通过物理层虚拟时钟实现虚拟基带频谱与相对应的物理基带频谱是自适应的。

可选地，所述物理基带的频谱获取方法包括：

所述虚拟基带的频谱分解成至少两个虚拟基带的子频谱，根据频谱映射表，整形器再将每个虚拟基带的子频谱都可以映射到一个独立的物理基带的频谱。

为实现上述目的，本申请实施方式还提供一种基于虚拟基带的认知卫星网络频谱共享装置，所述频谱共享装置执行上述所述的方法。

通过以上技术手段，可以实现以下有益效果：

针对认知卫星网络系统，从卫星的终端采用频谱虚拟化技术，屏蔽了物理基带频谱的频谱漏洞，实现全域多维频谱共享调度。对频谱资源引入虚拟化的设计理念，即在射频前端与物理层之间引入频谱虚拟化层，通过频谱虚拟化层实现了物理基带频谱和虚拟基带频谱的映射，物理层操作的基带是虚拟基带频谱，虚拟基带频谱通过频谱虚拟化层与射频前端频谱产生映射关系，从而可以实现频谱虚拟化和全域多维频谱动态分配。频谱虚拟化层在虚拟基带频谱和射频前端的物理基带频谱之间维护频谱映射表，可以实现把射频前端多个物理基带频谱片(spectrumslice)映射为连续的虚拟基带频谱，达到把所有可以利用的频谱空洞碎片使用起来的目的，使得物理基带频谱中不连续的频谱漏洞映射为连续的虚拟基带频谱。从卫星的终端基于连续的虚拟基带频谱进行数据传输，使得静态频谱管理下因频谱碎片化导致有些频谱漏洞不能利用的问题得到解决。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为认知卫星网络系统示意图；

图2为本申请披露的技术方案流程图；

图3为频谱虚拟化层的功能示意图；

图4为整形器的功能模块图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

附图1为认知卫星网络系统。在认知卫星网络系统中，两颗卫星都是覆盖相同区域的多频谱卫星，并且工作在正常前向模式。两个卫星在同一地球静止(geo)轨道上，并连接到地面上不同的网关。这些网关通过地面骨干网连接。在认知卫星网络系统中，包括主卫星和从卫星。认知无线电的核心技术是频谱感知，频谱感知的目的是发现频谱漏洞，从卫星的终端利用频谱漏洞传输信息，同时不能对主卫星的终端造成有害干扰。从卫星的终端在利用频谱漏洞进行通信过程中，必须能够快速感知到主卫星的终端需求该频谱资源，并及时进行波束切换，释放所占用的频谱资源给主卫星的终端使用。

从卫星的终端具体工作过程如下：在每个特定的时隙，天线接收信号，传给射频前端，决策可用信道，把信息通过可用信道传给物理层。具体实现可通过能量检测并从多个候选可用信道中选择一个，对候选可用信道中接收到的信号类型进行识别，如果在对应候选可用信道中发现了信号，物理层则将选择另外一条候选可用信道，继续再对此候选可用信道进行检测，直到发现未被占用的候选可用信道为止。主卫星的终端在较大频谱下操作，而从卫星的终端在相同覆盖区域中具有较小频谱。对于较大频谱，在每个频谱内具有许多点波束的覆盖区域，并且这些点波束是属于从卫星的终端。主卫星的终端的频谱选择模式和定时信息共享到从卫星的终端。可以通过定时信息来使主卫星的终端传输和从卫星的终端传输同步。从卫星的终端需要更加灵活，并配备更小的转发器。

对于从卫星的终端，采用频谱虚拟化技术，通过频谱虚拟化把物理基带的频谱映射到虚拟基带的频谱，屏蔽了物理基带的频谱漏洞，实现全域多维频谱共享调度。对频谱资源引入虚拟化的设计理念，基于虚拟基带实现了全域多维频谱动态分配和资源调度。在从卫星的终端的射频前端与物理层之间引入频谱虚拟化层，通过频谱虚拟化层实现了物理基带的频谱和虚拟基带的频谱之间的映射，在物理层操作的基带是虚拟基带，虚拟基带的频谱通过频谱虚拟化层与射频前端的频谱映射，从而可以实现频谱虚拟化和全域多维频谱动态分配。在从卫星的终端作为发送方时，物理层生成数字波形信号，频谱虚拟化层截取这些信号，并将其整形为不同的波形形状，当输出的无线电信号与当前的频谱分配相匹配时，射频前端传输这些信号。在从卫星的终端作为接收端时，频谱虚拟化层对射频前端传输的信号执行反向整形操作，以恢复物理层的原始数字波形形状。频谱虚拟化层在虚拟基带和射频前端之间维护频谱映射图，可以实现把射频前端的多个频谱片(spectrumslice)映射为连续的虚拟基带的频谱，从卫星的终端基于连续的虚拟基带的频谱进行数据传输，使得静态频谱管理下因频谱碎片化导致有些频谱漏洞不能利用的问题得到解决。

基于上述描述，如图2所示，为本申请披露的技术方案的流程图。所述方法包括：

步骤101)：从卫星的终端获得频谱漏洞；其中，所述频谱漏洞为没有被主卫星的终端占用的物理基带的频谱。

从卫星的终端使用认知无线电模块来观察信号功率和频谱无线资源块的使用状态，获取频谱无线资源块的利用率和频谱漏洞。进一步地详述，从卫星的终端周期性地感知每个频谱无线资源块的频谱，以获取每个频谱无线资源块的占用率。频谱漏洞hj是由一些相邻的频谱无线资源块组成的。假设nk是一段时间内频谱无线资源块rbk被主卫星的终端占用的累计数。如果在时间段内使用一次频谱无线资源块rbk，则nk的值会增加1。如果nk值较大，说明主卫星的终端占用频谱无线资源块rbk越频繁，这也意味着从卫星的终端使用频谱无线资源块rbk的机会较低。否则，如果nk的值很小，从卫星的终端有更高的机会使用频谱无线资源块rbk，因而主卫星的终端中断从卫星的终端传输数据的概率越低。在一段时间内观察并记录所有频谱无线资源块rbk占用率的信息。hj是一些相邻的频谱无线资源块rbk，形成一个频谱漏洞。类似的，这样可以得到一系列频谱漏洞(h1，h2，…，hj…，hr)。其中，频谱漏洞亦是主卫星的终端没有占用的物理基带的频谱。

步骤102)：根据所述频谱映射表和所述频谱漏洞，确定所述频谱漏洞对应的虚拟基带的频谱；其中，所述频谱映射表是基于虚拟基带的频谱和物理基带的频谱之间的映射规则确定的。

为了解决本申请披露的技术问题，在从卫星的终端的物理层(phy1、phy2、…、phyn)和射频前端之间设置频谱虚拟化层，频谱虚拟化层包括了动态频谱管理功能，动态频谱管理功能定义了频谱虚拟化层的频谱映射规则，如图3所示，在物理层(phy1、phy2、…、phyn)操作的基带是虚拟基带，虚拟基带频谱通过频谱虚拟化层与射频前端连接，从而可以实现频谱虚拟化和全域多维动态分配。在从卫星的终端作为发送方时，物理层生成数字波形信号，频谱虚拟化层截取这些信号，并将其整形为不同的波形形状，当输出的无线电信号与当前的频谱分配相匹配时，射频前端传输这些信号。在从卫星的终端作为接收端时，频谱虚拟化层对射频前端传输过来的信号执行反向整形操作，以恢复物理层的原始数字波形形状。频谱虚拟化层在虚拟基带频谱和射频前端之间维护频谱映射表，虚拟基带的频谱即虚拟频谱vs(vs:virtualspectrum)，射频前端可以分为多个频谱片(sl：spectrumslice)，在图3所示例子中，有9个频谱片，分别为sl1、sl2、sl3、sl4、sl5、sl6、sl7、sl8、sl9。其中，sl2、sl4、sl6、sl8为检测到没有被主卫星的终端占用的频谱，即频谱漏洞。频谱虚拟化层有下列几种映射模式：

第一种映射模式为：频谱虚拟化层可以将虚拟基带的频谱映射到具有相同带宽的频谱漏洞，如图3所示，vs1作为虚拟基带的频谱，sl2作为频谱漏洞，vs1的带宽与sl2的带宽相同。

第二种映射模式为：频谱虚拟化层可以将虚拟基带的频谱映射到几个不连续的频谱漏洞。如图3所示，vs2作为虚拟基带的频谱，sl4、sl6作为频谱漏洞。其中，sl4、sl6不连续。

第三种映射模式为：频谱虚拟化层可以将虚拟基带的频谱映射到带宽更窄的频谱漏洞，如图3所示，vs3作为虚拟基带的频谱，sl8作为频谱漏洞，vs3的带宽大于sl8的带宽。

频谱虚拟化层的功能是从卫星的终端使用认知无线电模块来频谱感知或查询频谱数据库监控当前主卫星使用频谱的情况，建立频谱漏洞到虚拟基带的频谱之间的频谱映射表，并维护该频谱映射表。在频谱虚拟化层中频谱管理功能允许动态修改频谱映射表。

步骤103)：所述从卫星的终端利用所述虚拟基带的频谱进行数据传输。

对于本技术方案来说，频谱虚拟化层包括了信号整形器、混频器、分路器，频谱虚拟化层在发送时将虚拟基带的频谱转换为射频前端的频谱，以及反向操作从射频前端的频谱中恢复出虚拟基带的频谱。

进一步详述，如图3所示的从卫星的终端作为发送端时，将虚拟基带的频谱经过整形器处理，整形器基于频谱映射表获得对应的物理基带的频谱。当多个独立的物理基带的频谱要使用同一个射频前端时，多个物理基带的频谱再经过混频器处理，转换为射频前端的频谱。

从卫星的终端作为接收端时，射频前端的频谱被传输到对应的分路器，该分路器根据每个物理层的频谱图，对射频前端的频谱进行处理，处理结果再滤波处理，获得物理基带的频谱。物理基带的频谱再次送入整形器，在整形器中执行反向操作，基于频谱映射表获得对应的虚拟基带的频谱。然后将虚拟基带的频谱发送到物理层，进一步解调，得到二进制信息。射频前端的频谱是载波调制的信号，除包含物理基带的频谱还有别的信号，此外接收到的信号一般都有噪声等，需执行滤波处理，滤波后才可以获得物理基带的频谱。最为重要地，多个独立的物理基带的频谱，要使用同一射频前端，这些物理基带的频谱先要复用一个物理基带的频谱。混频器用于实现在同一个射频前端上进行多个物理基带的频谱复用，采用分路器来实现射频前端产生的物理基带的频谱的解复用。

进一步地，如图4所示，为整形器的功能模块图。包括三个子功能模块，分别为信号分解与重组子模块、带宽和采样率调整子模块和频移动子模块。

对于信号分解与重组子模块来说，从卫星的终端作为发送端时，信号分解与重组子模块用于将虚拟基带的频谱分解成至少两个虚拟基带的子频谱，根据频谱映射表，再将每个虚拟基带的子频谱都可以映射到一个独立的物理基带的频谱。从卫星的终端作为接收端时，信号分解与重组子模块用于将物理基带的频谱转换成虚拟基带的子频谱，通过重新组合，获得组合结果；根据频谱映射表，组合结果转换成对应的虚拟基带的频谱。

对于带宽和采样率调整子模块来说，用于调整物理基带的频谱的带宽，获得对应新的物理基带的频谱，使得在混频器执行处理时，新的物理基带的频谱的信号采样率与射频前端的频谱的信号采样率匹配。

对于频移动子模块来说，用于将虚拟基带的频谱的中心频率移到物理基带的频谱的中心频率。

最后，从卫星的终端的物理层提供一个虚拟时钟，通过虚拟时钟使得虚拟基带的频谱与物理基带的频谱相匹配，达到虚拟基带的频谱与相对应的物理基带的频谱是自适应的。在实现时钟虚拟化时，对物理层和其他高层协议进行修改，达到从虚拟时钟获取定时信息的目的。

对于本技术方案来说，频谱虚拟化层的功能是通过频谱感知或查询频谱数据库监控当前频谱使用情况，建立物理基带的频谱到虚拟基带的频谱之间的频谱映射表，在频谱虚拟化层中允许动态修改频谱映射表。频谱虚拟化层包括了信号整形器、混频器、分路器，通过这些部件将虚拟基带的频谱转换为射频前端的频谱，以及反向操作，使得射频前端的频谱恢复虚拟基带的频谱。在从卫星的终端作为发送端时，经过整形器，把虚拟基带的频谱转换成一个个不同的物理基带的频谱，在通过混频器转换为射频前端的频谱。在从卫星的终端作为接收端时，把从射频前端获得物理基带的频谱通过分路器转换不同的物理基带频谱，在经过整形器的反向操作，获得对应的虚拟基带的频谱。在射频前端与物理层之间引入射频虚拟化层，通过频谱虚拟化层实现了物理基带的频谱和虚拟基带的频谱之间的映射，从而可以实现频谱虚拟化和全域频谱动态分配。频谱虚拟化层在虚拟基带和射频前端的物理基带之间维护频谱映射表，可以实现把射频前端的多个频谱片(spectrumslice)映射为连续的虚拟基带的频谱。静态频谱管理可能导致频谱碎片化，这些频谱碎片带宽小，无法满足使用，但虚拟化以后，把射频前端的多个频谱片(spectrumslice)映射为连续的虚拟基带的频谱，虚拟基带的频谱的带宽满足使用需求，从卫星的终端基于连续的虚拟基带的频谱进行数据传输，使得静态频谱管理下因频谱碎片化导致有些频谱漏洞不能利用的问题得到解决，达到提升频谱资源利用率的目的。