一种高通量卫星通信系统跳波束方法技术方案

技术编号:20549763 阅读:1308 留言:0更新日期:2019-03-09 22:05
本发明专利技术提出了一种高通量卫星通信系统跳波束方法,该方法根据业务需求对总波束进行均匀分簇,针对需求建立目标函数,监测相邻簇的边缘波束距离是否等于2R,且处于工作状态,若否则性能满足直接计算频谱效率,若是则采取干扰避免措施,然后计算频谱效率,使用KKT条件求解闭式解的时隙分配数,最后根据闭式解的值向下取整,对其优化,求得容量最优分配。本发明专利技术的优点是不仅能够满足容量的动态需求,提高频谱效率,还能避免同频率的干扰造成的性能下降。

【技术实现步骤摘要】
一种高通量卫星通信系统跳波束方法
本专利技术涉及一种高通量卫星通信系统跳波束方法,具体的说涉及一种基于时间分片的干扰避免的随需覆盖的资源分配方式,属于卫星通信

技术介绍
在传统的多波束卫星通信系统中,分配给每个波束的功率和频率资源仅是整颗卫星资源的一部分,该系统往往只能在每个波束范围内调度可用的资源以满足用户多样化的需求,造成卫星资源的“碎片化”调度;随着多波束卫星通信系统容量的进一步增加,点波束数往往也会增加,不仅导致卫星资源“碎片化”现象的加重,也会造成卫星载荷的相应增加,最终导致资源全局调度效率的下降和卫星实现复杂度的上升。在空间信息网络中,由于业务类型的多样性、业务分布的空间不均匀性和时变性,这种“碎片化”的资源配置方式将会导致各波束频繁出现“忙闲不均”的现象,引起通信资源的巨大浪费,也很难实现面向多样化任务的高效传输和随需覆盖。针对上述背景,有研究人员提出了一种跳波束(Beam-hopping)技术,该技术能够提高链路的传输能力,满足时空动态分布、需求相差迥异的空间信息网络业务需求。上述技术的基本思想是利用时间分片技术,在同一个时刻,并不是卫星上所有的波束都工作,而是只有其中的一部分波束工作,这种新的思想相比于传统的多波束卫星系统能够满足业务需求不均衡的应用场景,是未来高通量卫星的一个很好的技术选择,但是同频率干扰也是不可避免的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是,通过研究现有的模型,克服现有技术的不足而提供一种高通量卫星通信系统跳波束方法,为同时满足多个用户需求,在同一时隙中多个波束处于工作状态,在有同频干扰的情况下,引入干扰避免机制,使得改进后的算法不仅能够满足容量的动态需求,还能避免同频率的干扰造成的性能下降,提高频谱效率。本专利技术提供一种高通量卫星通信系统跳波束方法,包括以下步骤:第一步、根据业务需求对总波束进行均匀分簇;转至第二步;第二步、针对需求,建立目标函数;转至第三步;第三步、监测相邻簇的边缘波束距离是否相距2R,R为每个点波束的半径,若否则性能满足直接进入步骤四,若是则继续监测相邻簇的边缘波束是否处于工作状态,若否则性能满足直接进入步骤四,若是则采取干扰避免措施,然后进入步骤四;第四步、计算频谱效率;转至第五步;第五步、使用KKT条件求解闭式解的时隙分配数;转至第六步;第六步、根据闭式解的值向下取整,对其优化,求得容量最优分配。据了解,采用全频率复用能够有效地提高频带利用率,然而,当不同簇中同时工作的波束相邻时,同频率干扰不可忽略。根据欧洲电信标准化协会标准,不同簇中同时工作的波束相邻2R时,使用相同的频率性能会下降。本专利技术采用网关实时监测波束跳动情况,当存在相邻簇的波束都跳到边缘且相距2R时,采用正交频率复用。作为本专利技术的进一步技术方案,第一步中,将所有的波束均匀地分簇后,簇间使用全频率复用,为同时满足多个业务需求,簇内在同一时隙点亮多个波束,根据业务需求进行时隙分配来实现跳波束技术。第二步中,为使时隙、SNR(信噪比)、临近波束干扰等达到最优或者次优解,最终使得实际波束分配的容量尽可能的达到需求,为此可建立如下目标函数:(21)2阶差分目标函数,s.tCik≤Tik(2)Nik≥0,Nik∈整数(4)(22)公平目标函数,s.tCik≤Tik(6)Nik≥0,Nik∈整数(8)其中,M为每个簇中用户波束的数量,K为整体系统中用户波束的总数量,这里Tik为各个波束的业务需求,Cik为各个波束的业务提供,Nik为各个波束分配到的时隙数,为最多可同时工作在一个时隙的波束数,Nt为总的时隙长度,Bcluster为每一簇带宽,ηi为频谱效率,为每一簇提供的容量。第三步中,根据欧洲电信标准化协会标准,信噪比与频谱效率的曲线关系图是分段函数,即不同的信噪比可能对应相同的频谱效率。在全频率复用的情况下,每个簇中同时工作的用户波束可以使用卫星上的整个可用频带,这有效地提高了频带利用率。然而,当不同簇中的工作的波束相邻时,同频干扰不可避免,但是有同频干扰的环境中保证系统的频谱效率不降低是可行的。同频率干扰的增益因子其中u=2.07123sin(θ)/sin(θ3dB),J1是1阶第一类贝塞尔函数,J3是3阶第一类贝塞尔函数,θ3dB是3dB夹角,θ表示信号入射方向与波束中心指向之间的夹角,D为天线口径,λ为辐射信号的波长,半功率波束宽度取每个点波束的半径为R,同频复用波束圆心之间的距离为RD,对应的天线夹角H为卫星轨道高度;取SINRup=25dB,根据SINRdown=[Pi]+[GT]×α+[GR]-[Lfree]-[Tn]-[k]-[Bn]和可求得信噪比r的值;从相邻簇相距较远的波束开始增加同频波束,根据欧洲电信标准化协会标准计算得,当在相邻簇距离等于2R处增加同频波束,频谱效率会减小;观察每个簇的边缘波束与其他簇相邻波束距离为2R的波束共有三个,所以采取四色频率复用,使得计算的性能下降处不存在同频干扰;所以需要网关实时监测波束的跳动情况,当相邻簇的边缘波束同时处于工作状态且中心相距2R时,使用正交频率复用,然后在性能满足要求的情况下,计算每个簇的频谱效率。第四步中,根据下式计算每个簇的频谱效率:SINRdown=[Pi]+[GT]×α+[GR]-[Lfree]-[Tn]-[k]-[Bn]其中,α为同频率的干扰增益因子,Pi为第i个簇分配的功率,GT为天线传输增益,GR为天线接收增益,Lfree为自由空间损耗,Tn为噪声温度,k为波尔兹曼常数,Bn为噪声带宽。另外,每个簇的频谱效率通过以下方法得到:由于SINRup为定值,根据可求得信噪比r的值;根据欧洲电信标准化协会标准,信噪比与频谱效率是分段函数的关系,如图2信噪比与频谱效率的关系曲线图,求得信噪比之后,查图可得频谱效率。第五步中,使用KKT条件求解闭式解的时隙分配数,其方法如下:由于式(1)2阶差分目标函数是一个凸优化问题,考虑到系统业务需求业务较大,各波束分配的容量必然小于业务需求,约束条件(2)易满足,通过引入约束(3)对应的对偶变量λ,此问题的Lagrangian函数如下,根据对偶性分析与KKT条件对(9)式进行求导,令得出,同样对于式(5)公平性目标函数,在进行对数运算之后该问题转化为一个凸优化问题,引入与约束式(7)对应的对偶变量λ,公平性目标函数的Lagrangian函数如下,根据对偶性分析与KKT条件对式(12)进行求导,令得出,第六步中,对闭式解所求的值向下取整,存在剩余的时隙可再次分配给各个波束,使容量分配更能够接近容量需求,具体方法如下:首先根据公式(10)或(13)计算出一组时隙分配值NikL,如果NikL值大于0则向下取整,小于0则取0;然后根据公式得出一组时隙分配Nik的上限,每个波束的时隙分配可取的范围为[NikL,Nik],可用前提是保证每一个簇中时隙分配累和小于或等于总可用时隙数,即最后通过组合和求得最优组合,根据公式求出各个波束相应的容量分配值。本专利技术采用以上技术方案与传统的技术相比,具有以下技术效果:采用跳波束技术可以根据业务需求和覆盖区域的大小,将功率和频带资源化,以时隙为单位分配给各个波束,使其有足够的灵活性来优化分配卫星资源,很好的解决了卫星传统、固定的分配方式造成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高通量卫星通信系统跳波束方法,其特征在于,包括以下步骤:第一步、根据业务需求对总波束进行均匀分簇;转至第二步;第二步、针对需求,建立目标函数;转至第三步;第三步、监测相邻簇的边缘波束距离是否等于2R,R为每个点波束的半径,若否则性能满足直接进入步骤四,若是则继续监测相邻簇的边缘波束是否处于工作状态,若否则性能满足直接进入步骤四,若是则采取干扰避免措施,然后进入步骤四;第四步、计算频谱效率;转至第五步;第五步、使用KKT条件求解闭式解的时隙分配数;转至第六步;第六步、根据闭式解的值向下取整,对其优化,求得容量最优分配。

【技术特征摘要】
1.一种高通量卫星通信系统跳波束方法,其特征在于,包括以下步骤:第一步、根据业务需求对总波束进行均匀分簇;转至第二步;第二步、针对需求,建立目标函数;转至第三步;第三步、监测相邻簇的边缘波束距离是否等于2R,R为每个点波束的半径,若否则性能满足直接进入步骤四,若是则继续监测相邻簇的边缘波束是否处于工作状态,若否则性能满足直接进入步骤四,若是则采取干扰避免措施,然后进入步骤四;第四步、计算频谱效率;转至第五步;第五步、使用KKT条件求解闭式解的时隙分配数;转至第六步;第六步、根据闭式解的值向下取整,对其优化,求得容量最优分配。2.根据权利要求1所述一种高通量卫星通信系统跳波束方法,其特征在于,第一步中,将所有的波束均匀地分簇后,簇间使用全频率复用,为同时满足多个业务需求,同一时隙簇内多个波束处于工作状态,根据业务需求进行时隙分配。3.根据权利要求2所述一种高通量卫星通信系统跳波束方法,其特征在于,第二步中,建立如下目标函数:(21)2阶差分目标函数,s.tCik≤Tik(2)Nik≥0,Nik∈整数(4)(22)公平目标函数,s.tCik≤Tik(6)Nik≥0,Nik∈整数(8)其中,M为每个簇中用户波束的数量,K为整体系统中用户波束的总数量,这里Tik为各个波束的业务需求,Cik为各个波束的业务提供,Nik为各个波束分配到的时隙数,为最多可同时工作在一个时隙的波束数,Nt为总的时隙长度,Bcluster为每一簇带宽,ηi为频谱效率,为每一簇提供的容量。4.根据权利要求3所述一种高通量卫星通信系统跳波束方法,其特征在于,第三步中,当相邻簇的边缘波束同时处于工作状态且中心相距2R时,使用正交频率复用,然后在性能满足要求的情况下,计算每个簇的频谱效率。5....

【专利技术属性】
技术研发人员:张晨王琳张更新谢继东
申请(专利权)人:南京邮电大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

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