窄带GEO卫星通信非对称信道用户上行功率控制方法技术

本发明专利技术属于GEO卫星移动通信服务技术领域，具体涉及一种窄带GEO卫星通信非对称信道用户上行功率控制方法。本发明专利技术包括如下步骤：步骤1、计算卫星坐标系下用户位置相对波束中心的离轴角，进而基于卫星波束增益方向图预估理想情况下的用户下行信号接收功率；步骤2、通过对比用户实际下行信号接收功率和理想接收功率，计算得到下行信道非理想衰减情况；步骤3、用户终端利用上述信道非理想衰减值和频率补偿因子，对上行发射功率开环预补偿准备；步骤4、控制段根据实际需要，决策对用户发射功率进行非实时的闭环控制。本发明专利技术通过优化弱实时非对称GEO卫星窄带通信信道的用户上行功率控制策略来降低同频多址干扰，提高卫星通信上行接入容量。接入容量。接入容量。

【技术实现步骤摘要】
窄带GEO卫星通信非对称信道用户上行功率控制方法


[0001]本专利技术属于GEO卫星移动通信服务
，具体涉及一种窄带GEO卫星通信非对称信道用户上行功率控制方法。

技术介绍

[0002]随着全球经济与科技的快速发展，人类对卫星移动通信的需求越来越旺盛。卫星移动通信相对地面移动通信而言，具有覆盖地域广、通信成本与距离无关、随遇接入、不受地域性灾害影响等优势，能够覆盖海洋、沙漠、飞机航线等偏远地区，在陆地灾害地面通信设施毁损时进行应急通信等重要作用。在卫星移动通信领域，用户端上行功率控制技术是通信信道资源调节和干扰管理的关键环节。具体在地球同步轨道(GEO)卫星窄带移动通信服务、短报文服务领域，普遍存在双向交互实时性较弱(往返时延最大540ms)的特点,同时,下行链路传输总吞吐量(受限于卫星发射EIRP)低于上行链路总吞吐容量等问题，在地面移动通信、低轨卫星通信中采用的频繁双向交互信令对用户终端上行功率控制的方法不再适用于此类窄带非对称GEO卫星信道场景，而是需要采用弱实时交互、低信令开销的用户终端上行功率控制方法。
[0003]在GEO卫星窄带移动通信服务、短报文服务领域，受限于上行信息传输容量相对较大，下行信息传输容量较小(比如北斗短报文)的星地链路现实条件，面对大量移动用户不适宜进行频繁的闭环功率控制信令传输；即使进行闭环功率控制，由于存在上述往返传输时延大的情况，该功率控制指令的时效性也存在较大适用性问题。同时，卫星通信还面临着信道衰落波动、不同应用场景用户终端发射功率差异大导致的到达功率不均衡的问题。同频段用户同时发射的上行信号彼此之间相互干扰，这既影响通信链路的稳健性，又制约了系统的上行信道传输吞吐容量。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是：提供一种窄带GEO卫星通信非对称信道用户上行功率控制方法，通过优化弱实时非对称GEO卫星窄带通信信道的用户上行功率控制策略来降低同频多址干扰，提高卫星通信上行接入容量。
[0005]本专利技术采用的技术方案：
[0006]一种窄带GEO卫星通信非对称信道用户上行功率控制方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1、计算卫星坐标系下用户位置相对波束中心的离轴角，进而基于卫星波束增益方向图预估理想情况下的用户下行信号接收功率；步骤2、通过对比用户实际下行信号接收功率和理想接收功率，计算得到下行信道非理想衰减情况；步骤3、用户终端利用上述信道非理想衰减值和频率补偿因子，对上行发射功率开环预补偿准备；步骤4、控制段根据实际需要，决策对用户发射功率进行非实时的闭环控制。
[0008]所述步骤1具体包括如下步骤：
[0009]步骤1.1、用户收到GEO卫星某个波束B发射的下行信号，用户终端选择该卫星波束
接入，用户终端通过GEO卫星广播电文得到该卫星轨道位置O(x
o
,y
o
,z
o
)、波束B地理中心位置B(x
b
,y
b
,z
b
)，并利用GNSS卫星进行定位得到用户自身位置U(x
u
,y
u
,z
u
)，从而计算用户在该GEO卫星覆盖区内相对波束中心的夹角∠UOB，记为θ
u
，即用户相对卫星波束中心的离轴角，计算公式如下：
[0010][0011]其中，
[0012]式中，在地心地固直角坐标系下，为卫星至波束中心向量，为卫星至用户向量；
[0013]用户观测卫星仰角计算公式如下：
[0014][0015]其中，[Δe，Δn，Δu]T
为以用户坐标为原点的站心坐标系中的卫星坐标的观测向量；[Δe，Δn，Δu]T
与地心地固直角坐标系下用户到卫星的观测向量[Δx，Δy，Δz]T
关系为：
[0016][0017]式中坐标变换矩阵S如下，表示用户位置对应的大地经度、纬度：
[0018][0019]用户到卫星的观测向量[Δx，Δy，Δz]T
为：
[0020][0021]步骤1.2、利用卫星天线发射增益、无线电传播公式，计算出该用户的理论下行信号接收载噪比CNR
ut,r_ideal
，
[0022]CNR
ut,r_ideal
＝EIRP
sat
+G
sat,t
(θ
u
)
‑
L
dwn
+G
ut,r
(ε)
‑
10log(kB
dwn
T
sat
)
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0023]其中，EIRP
sat
为已知的卫星波束中心方向的等效辐射功率；G
sat,t
(θ
u
)为卫星天线在用户方向θ
u
的归一化发射增益，L
dwn
为下行信号在自由空间的传播损耗，G
ut,r
(ε)为用户终端在卫星方向的接收增益，全向天线接收增益记为0dBi，k为玻尔兹曼常数，B
dwn
为下行信号工作带宽，T
sat
为用户终端自身等效噪声温度；
[0024][0025][0026]在上述二式中，J1(x)为第一阶的第一类贝塞尔函数，a为卫星波束圆孔径的半径，f
dwn
为下行工作频率，c为光速，d为卫星至用户终端的空间距离。
[0027]所述步骤2具体包括如下步骤：
[0028]步骤2.1、用户终端通过对卫星下行信号进行跟踪接收和信道估计，得到卫星实际下行信号接收载噪比强度CNR
ut,r_real
；
[0029]步骤2.2、通过下行信道实际值、理论值之差，计算卫星下行信道非理想变化量p
dwn
，计算公式如下，
[0030]p
dwn
＝CNR
ut,r_real
‑
CNR
ut,r_ideal
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)。
[0031]所述步骤3具体包括如下步骤：
[0032]步骤3.1、用户至卫星上行信道根据不同应用场景需求，具备多档上行信息速率，档位记为n(1≤n≤N)；基于用户卫星相对几何关系，计算上行发送信息速率r
n
(1≤n≤N)的最低接收载噪比门限CNR
sat,r_ideal
(r
n
)，
[0033][0034]式中，为单个信息比特能量与噪声密度比为时的传输误码率，10
‑5为传输误码率门限；
[0035]步骤3.2、再考虑上行链路必要信道备余量、上下行信道补偿因子，计算各档信息速率r
n
对应的上行发射功率基线P
ut,t_dmd
(r<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种窄带GEO卫星通信非对称信道用户上行功率控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤(1)、计算卫星坐标系下用户位置相对波束中心的离轴角，进而基于卫星波束增益方向图预估理想情况下的用户下行信号接收功率；步骤(2)、通过对比用户实际下行信号接收功率和理想接收功率，计算得到下行信道非理想衰减情况；步骤(3)、用户终端利用上述信道非理想衰减值和频率补偿因子，对上行发射功率开环预补偿准备；步骤(4)、控制段根据实际需要，决策对用户发射功率进行非实时的闭环控制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)具体包括如下步骤：步骤(1.1)、用户收到GEO卫星某个波束B发射的下行信号，用户终端选择该卫星波束接入，用户终端通过GEO卫星广播电文得到该卫星轨道位置O(x
o
,y
o
,z
o
)、波束B地理中心位置B(x
b
,y
b
,z
b
)，并利用GNSS卫星进行定位得到用户自身位置U(x
u
,y
u
,z
u
)，从而计算用户在该GEO卫星覆盖区内相对波束中心的夹角∠UOB，记为θ
u
，即用户相对卫星波束中心的离轴角，计算公式如下：其中，式中，在地心地固直角坐标系下，为卫星至波束中心向量，为卫星至用户向量；用户观测卫星仰角计算公式如下：其中，[Δe，Δn，Δu]
T
为以用户坐标为原点的站心坐标系中的卫星坐标的观测向量；[Δe，Δn，Δu]
T
与地心地固直角坐标系下用户到卫星的观测向量[Δx，Δy，Δz]
T
关系为：式中坐标变换矩阵S如下，表示用户位置对应的大地经度、纬度：用户到卫星的观测向量[Δx，Δy，Δz]
T
为：步骤(1.2)、利用卫星天线发射增益、无线电传播公式，计算出该用户的理论下行信号接收载噪比CNR
ut,r_ideal
，
CNR
ut,r_ideal
＝EIRP
sat
+G
sat,t
(θ
u
)
‑
L
dwn
+G
ut,r
(ε)
‑
10log(kB
dwn
T
sat
)
ꢀꢀꢀꢀ
(6)其中，EIRP
sat
为已知的卫星波束中心方向的等效辐射功率；G
sat,t
(θ
u
)为卫星天线在用户方向θ
u
的归一化发射增益，L
dwn
为下行信号在自由空间的传播损耗，G
ut,r
(ε)为用户终端在卫星方向的接收增益，全向天线接收增益记为0dBi，k为玻尔兹曼常数，B
dwn
为下行信号工作带宽，T
sat
为用户终端自身等效噪声温度；为用户终端自身等效噪声温度；在上述二式中，J1(x)为第一阶的第一类贝塞尔函数，a为卫星波束圆孔径的半径，f
dwn
为下行工作频率，c为光速，d为卫星至用户终端的空间距离。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括如下步骤：步骤(2.1)、用户终端通过对卫星下行信号进行跟踪接收和信道估计，得到卫星实际下行信号接收载噪比强度CNR
ut,r_real
；步骤(2.2)、通过下行信道实际值、理论值之差，计算卫星下行信道非理想变化量p
dwn
，计算公式如下，p
dwn
＝CNR
ut,r_real
‑
CNR
ut,r_ideal
ꢀꢀꢀꢀ
(9)。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：张天桥，陈金平，刘利，章林峰，任晖，蒲俊宇，刘帅，田翌君，黄双临，王冬霞，吴杉，刘治君，沙海，王许煜，徐赟，薛峰，赵华凯，张卫楠，
申请(专利权)人：中国人民解放军三二零二一部队，
类型：发明
国别省市：