控制随业务的跳波束卫星系统工作流程及信令帧设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种控制随业务的跳波束卫星系统工作流程及信令帧设计方法，包括如下步骤：1、系统控制信令通过业务波束发送，在首次对某个业务需求区域进行服务时通过波位轮询完成用户同步、入网、跳波束资源申请等操作；2、网络控制中心建立面向资源全局调度和灵活分配的目标函数；3、求解步骤2中目标函数；4、设置波束跳变周期和波束驻留时间参数，利用波束的时隙数生成跳波束时间计划表；5、完成BHTP信令帧组帧；6、卫星和用户解调BHTP信令完成星地一体波束同步跳跃；7、用户进行业务传输并完成下一个跳波束周期的业务申请。本发明专利技术不需要单独配置的控制波束，避免了用户在跳波束周期内重新同步所带来的额外开销，提高了系统时隙资源利用率。

【技术实现步骤摘要】
控制随业务的跳波束卫星系统工作流程及信令帧设计方法
本专利技术提出一种基于跳波束的卫星通信系统工作流程设计方案，属于卫星通信领域。主要涉及跳波束卫星中控制信令跟随业务波束场景下的工作流程，以及在该流程下波束跳变规则和跳波束时间计划(BeamHoppingTimePlan，BHTP)信令帧结构的优化设计。
技术介绍
通信卫星可通过增加点波束数量增加容量，然而传统的多波束卫星为每个波束分配固定资源的方式由于局限在单个波束内调配可用资源，加上用户业务需求的不均匀性造成了系统资源浪费，限制了系统吞吐量的增加。近年来对跳波束理论和技术的研究工作表明，跳波束技术大幅度提高了卫星资源利用率，可实现对卫星资源的高效利用，得到了越来越多的应用。跳波束系统中用户所能利用的波束、频率、时间资源是动态变化的，加上波束随时间跳跃，使得用户的接入、资源申请、同步等工作流程成为系统设计中不可避免的关键问题。现有的跳波束设计中大多采取控制和业务相分离的接入方式，每个卫星节点需要配备两种类型的波束，即覆盖范围广的全球控制波束和覆盖范围窄的业务点波束。其中，控制波束固定指向，用来传输系统控制信令；业务波束根据系统动态的调整波束间的资源，为用户提供高速的数据传输。然而在这种接入方式中，系统需要单独配置一个广域覆盖的控制波束用来传输控制信令，导致卫星载荷和终端设备量的大幅增加。为了降低卫星系统的建设成本需要设计新的控制随业务的工作流程，并设计新流程下波束跳变规则和相应的BHTP控制信令。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有跳波束系统控制和业务相分离的交互方式中卫星载荷和终端设备量大的问题，提出一种控制随业务波束的跳波束卫星系统工作流程和该流程下的BHTP信令设计方法，降低跳波束卫星系统设备量，避免了用户在跳波束周期内重新同步所带来的额外开销，提高了系统时隙资源利用率，同时满足用户业务服务需求。本专利技术的技术方案是：系统控制信令跟随业务波束，在首次对某个业务需求区域进行服务时通过波位轮询步骤完成用户同步、入网、跳波束资源申请等操作；根据各用户的业务申请建立面向资源全局调度和灵活分配的目标函数，并利用凸优化算法求得各波束分配的时隙资源；设置波束跳变周期和波束驻留时间参数，设置波束重访时间TRV，结合用户终端同步最大保持时间TD，根据TRV≤TD规则，利用波束的时隙数生成跳波束时间计划(BHTP)表；完成BHTP信令帧的组帧；卫星和用户解调BHTP信令完成星地一体波束的同步跳跃；用户进行业务传输并完成下一个跳波束周期的业务申请。具体步骤包括如下：步骤1：系统控制信令通过业务波束发送，在首次对某个业务需求区域进行服务时通过波位轮询完成用户同步、入网、跳波束资源申请等操作。步骤2：用户接入系统后，网络控制中心(NCC)根据各用户的业务申请，建立面向资源全局调度和灵活分配的目标函数。综合考虑时隙、频谱、功率等资源，使得每个波束i具有尽可能接近所需容量的容量值Ri。为尽可能的满足用户业务的动态变化，提高资源利用率，可建立如下n阶差分函数：其中，为波束总的业务需求，Ri为系统可提供的容量值，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，N为总的时隙长度，K为系统波束个数。步骤3：利用凸优化算法求解步骤2中目标函数的最优整数解即各个波束分配的最优时隙数步骤4：设置波束跳变周期和波束驻留时间参数，设置波束重访时间TRV，结合用户终端同步最大保持时间TD，根据TRV≤TD的规则，利用波束的时隙数生成跳波束时间计划(BHTP)表。步骤5：完成BHTP信令帧组帧。BHTP帧中包括组ID、信道ID、跳波束周期长度、跳波束周期序号、时隙长度、分配时隙数和跳波束时隙序号字段。BHTP信令通过这些字段承载系统对用户的跳波束时隙资源分配情况，同时卫星也利用此信令完成波束的同步切换。步骤6：卫星和用户解调BHTP信令完成星地一体波束同步跳跃。步骤7：用户进行业务传输并完成下一个跳波束周期的业务申请。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：本专利技术为基于跳波束的卫星通信系统工作流程提供了可行性方案，通过设计控制信令跟随业务波束的工作流程，不再需要单独配置的控制波束，精简了系统设备，通过设置波束重访时间和相应跳波束控制信令，避免了用户在跳波束周期内重新同步所带来的额外开销，提高了系统时隙资源利用率，满足用户业务服务需求。附图说明图1是本专利技术的实现流程图；图2是控制随业务波束的接入示意图；图3是波束跳变周期和波束驻留时间参数图；图4是本专利技术中设计的BHTP信令帧结构图；图5是有波束重访时间和无波束重访时间系统的容量对比图。具体实施方式参照图1，本专利技术的具体实现步骤如下：步骤1、系统控制信令通过业务波束发送，在首次对某个业务需求区域进行服务时通过波位轮询成用户同步、入网、跳波束资源申请等操作。本专利技术中设计控制随业务波束的策略，上下行控制信令跟随跳变的业务波束，完成同步、入网、系统广播、跳波束资源申请等功能。具体说来，系统在首次对某个业务需求区域进行服务时，其业务波束要对各区域内的所有波位进行轮询。业务波束依次对每个波位进行跳跃轮询，每个波位的驻留时间相同；在各波位的驻留时间内，卫星通过下行链路完成系统信息广播、管理控制、信道分配及突发参数设置等控制信令；波束覆盖范围内的用户完成捕获、同步、资源申请等操作，与卫星及信关站建立连接。控制随业务波束的接入示意图，如图2所示。步骤2、用户接入系统后，网络控制中心(NCC)根据各用户的业务申请，建立面向资源全局调度和灵活分配的目标函数。综合考虑时隙、频谱、功率等资源，使得每个波束i具有尽可能接近所需容量的容量值Ri。为尽可能的满足用户业务的动态变化，提高资源利用率，可建立如下n阶差分函数：其中，为波束总的业务需求，Ri为系统可提供的容量值，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，N为总的时隙长度，K为系统波束个数。在功率分配、时隙分配以及业务需求的限制下，求得式(5)最佳解。步骤3、利用凸优化算法求解步骤2中目标函数的最优整数解即各个波束分配的最优时隙数目标函数(5)是凸函数，对约束(7)引入对偶变量λ，则可获得拉格朗日函数为：根据KKT条件与对偶性分析对式(9)进行求导，令有：由于联立(10)式可以获得：将式(11)代入式(10)可以获得波束的时隙个数为：约束条件(8)指明波束分配的时隙个数为整数，考虑到卫星系统是功率受限系统，在求得式(12)的结果后向下取整即可获得波束分配的整数时隙数。在本专利技术中，差分目标函数的阶数可以取为2，即上式中n＝2。在计算出时隙数后就可求得波束分配的容量Btot为波束带宽，γi、γk为波束i、k的信干燥比本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种控制随业务的跳波束卫星系统工作流程及信令帧设计方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1：系统控制信令通过业务波束发送，在首次对某个业务需求区域进行服务时通过波位轮询完成用户同步、入网、跳波束资源申请；/n步骤2：用户接入系统后，网络控制中心NCC根据各用户的业务申请，建立面向资源全局调度和灵活分配的目标函数；/n步骤3：利用凸优化算法求解步骤2中目标函数的最优整数解即各个波束分配的最优时隙数

【技术特征摘要】
1.一种控制随业务的跳波束卫星系统工作流程及信令帧设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：系统控制信令通过业务波束发送，在首次对某个业务需求区域进行服务时通过波位轮询完成用户同步、入网、跳波束资源申请；
步骤2：用户接入系统后，网络控制中心NCC根据各用户的业务申请，建立面向资源全局调度和灵活分配的目标函数；
步骤3：利用凸优化算法求解步骤2中目标函数的最优整数解即各个波束分配的最优时隙数
步骤4：设置波束跳变周期和波束驻留时间参数，设置波束重访时间TRV，结合用户终端同步最大保持时间TD，根据TRV≤TD规则，利用波束的时隙数生成跳波束时间计划表BHTP；
步骤5：完成BHTP信令帧组帧；
步骤6：卫星和用户解调BHTP信令完成星地一体波束同步跳跃；
步骤7：用户进行业务传输并完成下一个跳波束周期的业务申请。


2.根据权利要求1所述的一种控制随业务的跳波束卫星系统工作流程及信令帧设计方法，其特征在于，步骤2建立面向资源全局调度和灵活分配的目标函数，按如下步骤进行：
综合考虑时隙、频谱、功率，使得每个波束i具有尽可能接近所需容量的容量值Ri，建立如下n阶差分函数：












其中，为波束总的业务需求，Ri为系统可提供的容量值，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，N为总的时隙长度，K为系统波束个数；在功率分配、时隙分配以及业务需求的限制下，求得式(1)最佳解。


3.根据权利要求2所述的一种控制随业务的跳波束卫星系统工作流程及信令帧设计方法，其特征在于，步骤3利用凸优化算法得到各波束的时隙数具体为：
对约束(3)引入对偶变量λ，获得拉格朗日函数为：



根据KKT条件与对偶性分析对式(5)进行求导，令有：



由于联立(6)式得：



将式(7)代入式(6)获得波束的时隙数为：



约束条件(4)指明波束分配的时隙数为整数，考虑到卫星系统是功率受限系统，在求得式(8)的结果后向下取整即可获得波束分配的整数时隙数；n为差分目标函数的阶数，在计算出时隙数后可求得波束分配的容量Btot为波束带宽，γi、γk为波束i、k的信干燥比。


4.根据权利要求1所述的一种控制随业务的跳波束卫星系统工作流程及信令帧设计方法，其特征在于，步骤4设置波束跳变周期和波束驻留时间参数，设置波束重访时间TRV，结合用户终端同步最大保持时间TD，根据TRV≤TD规则，利用波束的时隙数生成跳波束时间计划表BHTP，方法为：
4a)首先设置波束跳变周期和波束驻留时间参数，具体为：
1)跳波束时隙BHS：分配给一个波束的最小持续时间；
2)跳波束周期BHP：遍历一次所分配的跳波束时隙序列所需的时间；
3)时隙切换时间SS：一个波束切换到另一个波束所需的时间延迟；
4)波束重访时间RVT：某个波束所分配的跳波束时隙资源块之间的间隔时间；
5)跳序号HN：是跳波束时隙的数字标识符，跳波束周期开始处的第一个跳波束时隙的跳序...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晨，杨江涛，张更新，
申请(专利权)人：南京邮电大学，南京微星通信技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32