面向星地融合网络基于频谱共享的多波束卫星跳波束方法

本发明属于无线电，特别是涉及面向星地融合网络基于频谱共享的多波束卫星跳波束方法。

背景技术：

1、为满足全球无缝覆盖和随时随地接入的通信需求，把卫星通信系统整合到地面通信网络形成星地一体化通信网络已经成为无线通信系统的发展趋势。为了更好的利用卫星资源，卫星多波束技术在星地融合网络中已经被广泛应用。多波束卫星利用预编码技术，简单高效地产生多个小覆盖范围、高增益的点波束，极大地增强了星地点对点通信链路的信道容量与服务质量。此外，多波束卫星还在点波束间引入了频率复用与极化复用技术，通过对相邻波束小区提供不同频率与极化的业务波束，减轻波束间的同频干扰，在完成波束全覆盖的同时，提高服务质量。进一步的，考虑到星地融合网络中地面小区的流量需求具有分布不均匀性和时变性，跳波束技术作为一种有前景的技术被引入。然而，星地融合网络允许地面终端和卫星终端共享相同的频谱资源，卫星系统可用的频谱资源需要根据地面网络已经占用的资源随时调整。现有的波束调度算法通常根据终端的需求分配卫星波束，忽略了卫星可用频谱资源的动态变化，这将导致现有的波束调度算法不适用这种需求和动态同时快速变化的场景。因此，需要探索新的跳波束方法，来适应星地融合网络频谱资源和流量需求在空间和时间上动态变化的新场景。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了面向星地融合网络基于频谱共享的多波束卫星跳波束方法。在星地融合网络中，地面小区的流量需求在空间和时间上动态变化。同时，由于卫星网络和地面网络共用同样的频谱资源，卫星终端可利用的频谱资源也不再是固定大小。本发明引入频谱共享来辅助跳波束方案设计，来适应流量需求和可利用频谱资源在时空维度同时变化情况。

2、本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出面向星地融合网络基于频谱共享的多波束卫星跳波束方法，所述方法包括以下步骤：

3、步骤一：卫星控制中心首先分析某一时隙内的地面n个波束小区的流量需求，假设卫星通过控制信道已知当前时隙地面各小区业务分布t1×n＝{t1,t2,…tn,…tn}，其中tn表示第n个小区请求接入的终端数量，小区终端接入数量代表小区流量需求；

4、步骤二：地面网络和卫星网络共用同样的频谱资源，卫星终端协同捕获周围环境中地面终端的状态信息，实时检测频谱空洞；

5、步骤三：在集中式协作频谱感知模式下，卫星终端获得地面终端频谱使用情况，并将其感知结果报告给统一的融合中心，当前时隙地面小区可利用载波数量记为c1×n＝{c1,c2,…cn,…cn}；

6、步骤四：在一个时隙内，卫星控制中心综合分析地面小区流量需求以及当前时隙可利用的频谱资源，分配合适的波束为地面小区服务，每个卫星窄波束可以服务一个小区，卫星波束采用时分复用模式，每个时隙激活部分波束服务地面部分小区；

7、步骤五：在下一时隙，卫星控制中心将根据频谱资源和终端需求的变化调整波束分配策略；

8、步骤六：星地融合网络中，卫星控制中心和地面基站协作，使卫星终端和地面终端能够共享相同的频谱资源；

9、步骤七：当卫星控制中心根据流量需求和可利用资源数量给地面小区分配完波束时，被波束覆盖的小区的卫星终端则需要接入卫星网络完成通信；卫星终端采用功率域非正交多址接入noma；以下行链路为两用户noma为例，卫星作为信号发射端在设置合适的功率配置因子a1、a2后，向用户1与用户2发射时频域叠加信号，信号表示为，

10、

11、那么，地面终端的接收信号表示为，

12、y1＝h1x+n1,

13、y2＝h2x+n2,

14、其中，h1、h2为信道，n1、n2为信道加性白噪声：且根据功率域noma功率分配的原则，在接收端实现sic，发射端给弱信道条件用户分配的功率高于强信道条件用户，即a1＜a2；

15、步骤八：下行链路中，用户作为信号接收端，具备sic处理功能，用户1由于信道条件好，首先解调功率大的用户2的信号，重构后消除用户2信号，解调并提取用户1信号；用户2由于信道条件差，直接将用户1信号作为噪声处理，提取自身信号；在用户1成功解调、重构用户2信号并实现消除即完成sic处理后，用户通信容量分别为，

16、

17、

18、进一步地，所述的频谱共享方式包括叠加式频谱接入、底层频谱接入和混合式接入。

19、本发明的有益效果为：

20、(1)针对星地融合网络场景，建立了星地融合网络的非均匀分布和时变资源模型与流量需求模型，其中地面终端被视为主用户，卫星终端被视为次级用户(感知终端)。

21、(2)在星地融合网络场景下，结合频谱共享和跳波束技术，综合考虑地面小区接入需求和卫星可用资源的数量，设计基与频谱共享的跳波方案，提高频谱资源利用率和终端接入密度。弥补了传统跳波束方案只考虑地面小区需求，而忽略可利用的频谱资源也是时空变换的缺陷。

22、(3)波束调度算法会把可利用的频谱资源纳入考虑，对于地面终端通信活跃的场景，可利用频谱资源往往较少，卫星波束一般会避开这样的小区，这样会降低通信干扰。因此，基于频谱共享的跳波束算法会一定程度降低系统多址接入干扰，提升系统可靠性。

技术特征：

1.面向星地融合网络基于频谱共享的多波束卫星跳波束方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的频谱共享方式包括叠加式频谱接入、底层频谱接入和混合式接入。

技术总结
本发明提出面向星地融合网络基于频谱共享的多波束卫星跳波束方法。在星地融合网络中，地面小区的流量需求在空间和时间上动态变化。同时，由于卫星网络和地面网络共用同样的频谱资源，卫星终端可利用的频谱资源也不再是固定大小。本发明引入频谱共享来辅助跳波束方案设计，来适应流量需求和可利用频谱资源在时空维度同时变化情况。本发明提出的基于频谱共享的跳波束算法会一定程度降低系统多址接入干扰，提升系统可靠性。

技术研发人员：王文静,李志强,韩帅
受保护的技术使用者：哈尔滨商业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13