一种卫星通信系统的动态波束资源分配方法

1.本发明涉及一种资源分配方法，具体涉及一种卫星通信系统的动态波束资源分配方法。


背景技术：

2.随着业务需求的不断增长，大众对卫星通信的需求日益增长。高通量卫星(high throughput satellite，简称hts)已成为卫星通信的主流，采用频谱复用和多点波束技术，在同样频谱资源的条件下，通信容量通过分配频谱和频率复用因子加成得到大幅度提升，是传统固定通信卫星的数倍，开启了卫星通信新纪元。高通量卫星系统具有覆盖范围广，通信容量大的优势，在民用和军事领域均具有广阔的应用前景。
3.用户业务需求在空间、地理、时间上的不均匀性日益显著。基于多频时分多址(mf-tdma)系统的平稳多波束资源管理算法已经相当成熟，可以根据用户业务需求动态调整带宽资源分配，从而在给定带宽资源的情况下有效地提高系统容量。与传统的多波束天线相比，跳波束技术在抗强方向干扰、灵活性、降低功耗、提高系统容量等方面具有很大的优势。现有技术为充分利用频谱资源，提出一种能根据业务分布调整光照位置和覆盖范围的算法，通过覆盖更多的波束，使更多的用户可以访问以充分利用波束带宽资源，但是，该算法没有考虑波束间干扰带来的影响。现有技术根据变化的业务分布对波束重新分配容量来提供适应不同业务需求，具有较强的灵活性。这种灵活性将使系统资源与卫星寿命期间的用户业务需求保持最佳匹配，从而大大提高系统的利用率和竞争力，但是当波束内用户业务需求高于波束能提供的最大容量时，用户满意度将会显著降低。为保证公平性，现有技术提出了一种基于空间聚类的资源分配算法，该算法根据所需容量与可用资源的比例，为各波束分配相应的时隙，在满足相对公平性的前提下增加系统容量，但是，当所需容量大于可用资源时，一些用户的业务需求将无法被满足。因此，面对用户分布不均匀的场景，我们需要更加灵活的频谱资源分配方法，在提高系统容量的同时，提高用户的满意度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种卫星通信系统的动态波束资源分配方法，该方法能够在提高系统容量的同时，提高用户的满意度。
5.为达到上述目的，本发明所述的卫星通信系统的动态波束资源分配方法包括：
6.选择两种半径尺寸的波束，分别记作大波束及小波束；
7.根据各波束内用户需求，将用户分布区域划分为低密度用户区域及高密度用户区域，其中，在低密度用户区域使用大波束覆盖，在高密度用户区域使用小波束覆盖；
8.在开始阶段，采用大波束覆盖所有用户分布区域，在波束动态转换过程中，当大波束内的用户需求大于大波束的用户需求量阈值时，则将大波束更换为四个相邻小波束，将所述四个相邻小波束记作一簇波束；当任一簇波束内的用户需求小于大波束的用户需求量阈值时，则将该簇波束更换为大波束，其中，采用四色频率复用技术为各波束提供动态带
宽。
9.将波束半径为r1的波束定义为大波束，将波束半径为r2的波束定义为小波束，其中，r1＝2r2。
10.设卫星有效载荷通过用户链路在地面产生n个点波束，其中，有na个大尺寸波束，nb个小尺寸波束，且满足na+nb＝n。
11.当期望用户位于目标波束内时，则该用户接收到的卫星信号功率为：
[0012][0013]
其中，α为自由空间损耗参数，λ为载波波长，r为波束用户与卫星的路径长度，k为信道模型决定的信道增益随机数，p0为期望波束的卫星发射功率，g
t
为大波束的卫星发射天线增益，gr为地用户端接收天线的增益，θ0为期望用户偏离该波束天线轴线的角度，为接收信号方向偏离接收天线轴线的角度。
[0014]
期望用户受到一个同频波束i的干扰信号功率为：
[0015][0016]
其中，α为自由空间损耗参数，λ为载波波长，r为波束用户与卫星的路径长度，k为信道模型决定的信道增益随机数，pi为期望波束i的发射功率，i＝1，2，3，...，n，n为hts系统中的波束总量，g
′
t
为该同频波束卫星发射天线增益，gr为地用户端接收天线的增益，θi为期望用户偏离干扰波束i的天线轴线的角度，为干扰波束i发送的干扰信号的方向偏离接收天线轴线的角度，其中，i＝1，2，3，...，n，n为hts系统中的波束总量。
[0017]
目标波束的信号干扰加噪声比γ为：
[0018][0019]
其中，pr为期望用户接收到的卫星信号功率，为期望用户受到一个同频波束i的干扰信号功率，n为hts系统中的波束总量，k为玻尔兹曼常数，t为接收天线噪声温度，b为目标波束分配的带宽。
[0020]
目标波束的信道容量r为：
[0021]
r＝blog2(1+γ)
ꢀꢀ
(6)
[0022]
其中，b为目标波束分配的带宽，γ为目标波束的信号干扰加噪声比。
[0023]
本发明具有以下有益效果：
[0024]
本发明所述的卫星通信系统的动态波束资源分配方法在具体操作时，采用波束动态转换的方式进行波束资源的分配，适用于hts下行系统，根据用户业务需求动态调整波束覆盖大小，加强热点地区的服务，极大地提高系统容量，满足用户需求。在硬件条件充足的情况下，与传统的跳波束资源分配算法相比，本发明能够获得更大的通信容量。
附图说明
[0025]
图1为本发明中卫星开始阶段使用大波束全域均匀覆盖的波束分布示意图；
[0026]
图2为本发明中卫星根据不同用户区域分别使用两种波束覆盖的波束分布示意图；
[0027]
图3为卫星采用的四色频谱复用波束着色方案图；
[0028]
图4为考虑同波束干扰和不考虑同波束干扰下的hts系统容量对比图；
[0029]
图5为hts系统使用本发明与跳波束方法的系统容量对比图；
[0030]
图6为hts系统使用本发明与跳波束方法的用户满意度对比图。
具体实施方式
[0031]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
[0032]
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0033]
本发明所述的卫星通信系统的动态波束资源分配方法包括以下步骤：
[0034]
1)目标波束选择
[0035]
将波束范围重新定义为-3db衰减边缘，设不考虑空间噪声的影响，波束大小变化对该波束承载带宽能力无影响，选择两种半径尺寸的波束，r1＝2r2，其中，将波束半径为r1的波束定义为大波束，将波束半径为r2的波束定义为小波束，卫星有效载荷通过用户链路在地面产生n个点波束，其中，有na个大尺寸波束，nb个小尺寸波束，且满足na+nb＝n。
[0036]
2)用户需求感知
[0037]
设地面用户的分布不均匀，以波束为基本单元，此时，对地面用户的分布进行感知，得各波束内的用户需求di，i＝1，2，3，...，n，其中，n为波束的总量。设该感知结果无误，则通过感知得到的数据将用户分布区域划分为两部分，其中，波束内用户需求di＜d
thdi
，i＝1，2，3，...，n(d
th
为大波束的用户需求量阈值，即大波束能够满足用户需求的最大值，n为此时波束总量)的区域为低密度用户区域，另一部分波束内用户需求di＞d
th
，i＝1，2，3，...，n(d
th
为大波束的用户需求量阈值，即大波束能满足用户需求的最大值，n为此时波束总量)的区域为高密度用户区域。针对低密度用户区域及高密度用户区域，本发明分别采用大波束及小波束覆盖，其中，在低密度用户区域使用大波束覆盖，在高密度用户区域使用小波束覆盖，通过上述多尺度覆盖方式实现按需服务，加强热点地区服务，提高系统容量，提高用户满意度。
[0038]
3)波束间干扰分析
[0039]
由于多波束天线辐射方向图的重叠旁瓣，多波束技术会产生波束间干扰。与传统的波束间干扰不同，本发明在hts下行系统中，会产生两种波束间干扰，其中一种为相同尺寸之间的波束干扰，包括大波束之间的波束间干扰以及小波束之间的波束间干扰，另一种为不同尺寸之间的波束间干扰，即大波束与小波束之间的波束间干扰。波束间干扰基于以
下原理分析：
[0040]
本发明采用国际电信联盟发布的关于卫星和地面站天线辐射模式的建议中的天线辐射方向图：
[0041][0042][0043]
其中，g为卫星天线增益，g
max
为卫星天线最大增益，j1(
·
)及j3(
·
)分别为一阶及三阶的第一类贝塞尔函数，θi为所在位置偏离该波束天线轴线的角度，θ
3db
为波束的3db角度。
[0044]
当期望用户位于目标波束(假设该目标波束为大波束)内时，该用户接收到的卫星信号功率为：
[0045][0046]
其中，α为自由空间损耗参数，λ为载波波长，r为波束用户与卫星的路径长度，k为信道模型决定的信道增益随机数，p0为期望波束的卫星发射功率，g
t
为大波束的卫星发射天线增益，gr为地用户端接收天线的增益，由于用户端使用全向天线，增益与角度无关，θ0为期望用户偏离该波束天线轴线的角度，为接收信号方向偏离接收天线轴线的角度。
[0047]
期望用户受到一个同频波束i的干扰信号功率为：
[0048][0049]
其中，α为自由空间损耗参数，λ为载波波长，r为波束用户与卫星的路径长度，k为信道模型决定的信道增益随机数，pi为期望波束i的发射功率，i＝1，2，3，...，n，n为hts系统中的波束总量，g
′
t
为该同频波束卫星发射天线增益，当该同频波束与目标波束大小相同，则为大波束对应的卫星发射天线增益，当该同频波束与目标波束大小不同，则为小波束对应的卫星发射天线增益，gr为地用户端接收天线的增益，由于用户端使用全向天线，增益与角度无关，θi为期望用户偏离干扰波束i的天线轴线的角度，为干扰波束i发送的干扰信号的方向偏离接收天线轴线的角度，其中，i＝1，2，3，...，n，n为hts系统中的波束总量。
[0050]
根据式(3)及式(4)计算目标波束的信号干扰加噪声比γ为：
[0051][0052]
其中，pr为期望用户接收到的卫星信号功率，为期望用户受到一个同频波束i的干扰信号功率，n为hts系统中的波束总量，k为玻尔兹曼常数，t为接收天线噪声温度，b为目标波束分配的带宽。
[0053]
通过香农公式，得到目标波束的信道容量r为：
[0054]
r＝blog2(1+γ)
ꢀꢀ
(6)
[0055]
其中，b为目标波束分配的带宽，γ为目标波束的信号干扰加噪声比。
[0056]
4)波束转换过程
[0057]
开始阶段，采用大波束全域覆盖，服务区域用户需求将随时间呈不规则变化，通过实时感知数据，波束的分布位置以及覆盖范围发生相应的变化，该变化称为波束动态转换过程。在波束动态转换过程中，当大波束内用户需求di＞d
th
，i＝1，2，3，...，n(di为卫星获取的大波束内的用户需求，d
th
为大波束的用户需求量阈值，即大波束能满足用户需求的最大值，n为此时波束总量)，则该波束将转换使用四个按预设规则相邻排列的小波束覆盖，规定所述四个固定排列的小波束为一簇；否则，当一簇波束内用户总需求小于单个大波束的用户需求量阈值，则该簇波束覆盖的用户区域将转换使用一个大波束覆盖。
[0058]
5)多点波束技术
[0059]
多点波束技术是通过频率复用技术来实现的，频率复用技术包括部分频率复用技术及全频率复用技术，在选择频率复用技术时，考虑到四色频率复用技术通过频谱正交/极化复用，有效降低波束间干扰(由于多波束天线辐射方向图的重叠旁瓣，多波束技术会产生波束间干扰)；采用全频谱复用技术，虽然各波束可以使用全部带宽，给通信容量带来增益，但由于使用相同频段频率覆盖相邻波束，则会产生极大的波束间干扰。因此鉴于四色频率复用技术的优势，本发明采用四色频率复用技术，在低密度用户区域及高密度用户区域皆采用四色频率复用技术，但分别在各自区域着色，为各波束提供动态带宽，带宽在整个可用带宽中灵活变化，在每个时间步长根据每个波束的用户需求改变频率分配，在各区域中每一列相邻波束的带宽分配保持不重叠，始终选择能够使信道容量最大化的频率分配方案。
[0060]
图1中的黑色原点表示用户需求，大波束均匀覆盖在用户区域，用户在波束内的分布是非均匀的，本发明将大波束内能够满足的最大用户需求量定义为用户需求阈值，当大波束内的用户需求总量大于用户需求阈值时，则将该大波束覆盖的区域划分为高密度用户区域，即热点区域；当大波束内的用户需求总量小于用户需求阈值时，则将该大波束覆盖的区域划分为低密度用户区域。卫星为地面用户提供通信服务的同时对地面用户需求的分布进行感知，根据得到的实时反馈数据，将用户区域划分为低密度用户区域和高密度用户区域。
[0061]
图2中，在高密度用户区域使用小波束均匀覆盖，加强热点区域服务；在低密度区域使用大波束均匀覆盖，合理使用频谱资源。服务区域用户需求将随时间呈不规则变化，通过实时感知数据，波束的分布位置和覆盖范围发生相应的变化，该变化称为波束动态转换过程。
[0062]
将图1与图2进行对比可以发现，卫星针对用户需求的分布情况实时调整波束的位置和覆盖范围，实现按需服务，提高系统吞吐量和用户满意度。
[0063]
图3中，信道频率分配方案主要有两种：
[0064]
固定频率分配方案：该方法为每个波束提供固定的带宽，即波束的信道容量不随时间变化。当波束内用户需求量不超出该波束的固定信道容量时，波束内的用户均可以正常通信；当波束内的用户需求量超出波束的固定信道容量时，波束内有一部分用户不能正常通信，该方案不适用于该情况。
[0065]
动态频率分配方案：该方法为每个波束提供动态带宽，带宽在整个可用带宽中灵活变化，在每个时间步长根据每个波束的用户需求量改变频率分配，在每个区域中每一列相邻波束的带宽分配保持不重叠，始终选择能使信道容量最大化的频率分配方案。
[0066]
本实施例的hts卫星通信系统中，考虑由传统波束覆盖模式和本发明提出的动态波束覆盖模式，其中，传统波束覆盖模式中使用大波束，该波束半径为250千米；动态波束覆盖模式中使用两种波束，分别为大波束(半径为250千米)和小波束(半径为125千米)，仿真中的卫星通信系统参数如表1所示：
[0067]
表1
[0068]
参数名称数值geo卫星高度h＝35786km卫星频段ka-band(f＝20ghz)大波束半径250km小波束半径125km波束天线增益峰值54dbi大波束3db角度θ
3db1
＝0.4
°
小波束3db角度θ
3db2
＝0.2
°
玻尔兹曼常数1.38
×
10-23
j/m接收天线噪声温度系数516k单波束发射功率200w波束带宽500mhz信道模型lms
[0069]
hts使用两种波束覆盖模式下的仿真结果如图4所示，随着用户需求的不断增加，传统的波束覆盖模式不能很好的满足用户需求，动态波束覆盖模式可以提高系统容量，精准的满足用户的实时需求，进行按需服务。同时，仿真图中对比了考虑波束间干扰和不考虑波束间干扰的情况，图中有波束间干扰和无波束间干扰的曲线几乎重合，可以得到，本发明采用四色频率复用产生的波束间干扰极低。
[0070]
本实施例的hts卫星通信系统中，将本发明与传统的跳波束系统的资源分配方案进行对比，仿真结果如图5及图6所示。通过图5，可以得到本发明在系统容量方面优于传统的跳波束资源分配方案。这是因为本发明考虑了用户业务需求分布不均匀的情况。当用户业务需求发生变化时，通过调整波束分布和半径大小，来实现按需服务，精准的满足用户需求。当业务需求量较少时，所需硬件设备较少，用户需求量增多时，所需硬件资源亦增多。从图6中可以得到，本发明在用户满意度方面优于传统的跳波束资源分配方案。其中蓝色曲线为本发明提出方案对应的用户满意度随用户需求变化的曲线，当传统跳波束对应曲线达到下降阈值时，说明用户需求量已经高于系统最大容量，所以阈值后的区域将没有对比意义。所以，只需要关注左侧的曲线，显而易见，本发明对应曲线在传统跳波束对应曲线的上方，可以得到本发明在用户满意度方面优于传统的跳波束资源分配方案。