CN103796319B - 一种多波束卫星移动通信下行链路频率复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波束卫星移动通信***下行链路频率复用方法。本方法为：1)将多波束卫星通信***下行链路中的用户分为N组，每一组包含来自不同波束的K个用户，且同一组用户中的用户满足用户间距最大化；K为该多波束卫星通信***的波束总数；2）对每一组用户分配一不同的频点，每组用户在所分配频点上进行下行链路信号发送；3）地面中心站对用户的接收信号信干噪比进行监测；如果某用户的接收信号信干噪比小于设定阈值，则为该用户分配预留的频点进行下行链路信号发送，否则该用户用所分配频点对发送信号进行预编码后发送。本发明解决了预编码的干扰消除方法在卫星通信***中的适应性问题，能够有效提高***的频率利用率及***容量。

Description

一种多波束卫星移动通信下行链路频率复用方法

技术领域

本发明涉及多波束卫星通信***，尤其涉及一种多波束卫星移动通信***中下行链路频率复用方法设计，属于通信技术领域。

背景技术

在移动通信***中，***容量受有限的频谱资源所限制[Lee W C Y.Overview ofcellular CDMA[J].Vehicular Technology,IEEE Transactions on,1991,40(2):291-302.]。随着卫星移动通信的不断发展，对频谱资源的需求也不断增加，而目前分配给卫星移动通信的S频段资源上行只有1980MHz～2010MHz，下行只有2170MHz～2200MHz，频谱资源已经趋于紧张。因此，研究卫星移动通信***中的频率规划技术很有必要。由于卫星环境和地面环境的诸多不同，使卫星环境中的频率规划技术与地面环境中也有所不同。

对于以正交频分多址（OFDMA）为主的***卫星移动通信***来说，由于同频多址干扰对频率规划的影响较大，良好的频率复用方案不仅能够提高频谱利用率，而且有利于网络后期的建设和运营，因此研究频率复用方案十分重要。通过先进的频率复用方案，可以实现在频谱利用率较高的同时，将波束间干扰降低到可接受的范围内，从而提高***容量。

多波束卫星通信***是在同一个卫星的覆盖范围内，使用不同波束来区分不同用户区域的一种***。在多波束卫星通信***中，卫星的覆盖区域被划分成了许多不同的小区域，通过这些小区域来实现卫星服务范围的完整覆盖[Lutz E.Issues in satellitepersonal communication systems[J].Wireless Networks,1998,4(2):109-124.]。与单波束相比，多波束可以通过调整波束数目、点波束组网方案和各点波束的传输功率来获得最理想的覆盖，被广泛应用于卫星移动通信***中。

多波束卫星通信***既可以直接借鉴地面***的频率复用方案，又可以利用多波束组网灵活的特性，设计出卫星***特有的频率复用方案。目前***的频率复用方案主要包括传统异频复用方案和波束嵌套频率复用方案两大类。

[Lodge J H.Mobile satellite communications systems:toward globalpersonal communications [J].Communications Magazine,IEEE,1991,29(11):24-30]所提出的传统异频复用方案就是直接在卫星上应用规则的小区频率复用方案，可以采用单频/三色/四色/七色组网方式。但这种组网方式存在问题，即使用单频组网时，波束间干扰过于严重，无法满足正常通信的要求，而频率复用因子较大时，则频谱利用率过低。

[Guo J,Ren S,Xu X,et al.Uplink Capacity Analysis of GEO SatelliteMobile Communication System Compatible with TD-SCDMA[J].New Technologies,Mobility and Security(ICCNT),2011]所提出的波束嵌套频率复用方案的基本思想是将小区从中心到边缘分为多层(通常为2层)同心圆，对各层的用户采用不同的频率复用方案，例如：对小区边缘的用户采用异频组网的方式，以抑制同频干扰；对小区中心的用户采用同频组网方式，以提升频谱利用率。波束嵌套方案可利用多反射面技术或者组合馈源方式来实现，使得两个点波束中心重叠，而两波束的波束宽度不同。

频率复用技术虽然可以通过提高频率复用因子来降低波束间干扰，但是却只能将波束间干扰当成噪声来处理，无法消除波束间干扰。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提出一种基于预编码干扰消除技术的多波束卫星通信***频率复用方法。在卫星多波束环境下，不同小区的信号由同一个地面站进行集中处理，为预编码干扰消除提供了有利条件。将预编码干扰消除技术与频率复用技术结合起来，能够进一步降低干扰对频率规划的影响，提高频谱利用率，对卫星移动通信***的发展有重要意义。

所述预编码干扰消除技术，即在已知信道状态信息的情况下，发送端对每个用户即将发送的信号进行预处理，以方便接收机进行信号检测。

本发明所述方法包括三种资源调度算法，以及结合所述任一种资源调度算法的频率复用方案。本发明能够有效消除多波束卫星通信***下行链路中的用户间干扰，克服采用预编码干扰消除技术带来的噪声放大问题。

为了实现本发明的目的，采用如下技术方案：

资源调度方法要完成的是将多波束***下行链路中的用户进行分组：同一个频点上每个波束中选取一个用户，即同频点上的用户数量与波束数量一致，每一组中的用户在同一个频点上对下行数据做干扰消除的预编码处理。经过预编码的下行信号在接收端解调后，用户间的干扰可以完全消除，但噪声会被放大，噪声放大系数由用户之间的距离决定。考虑到用户间的距离会影响预编码干扰消除的性能，选用使用同频点的用户间距离最大化作为资源调度准则，即采用同一频点的一组用户中用户之间的距离最大化。首先为***中的波束编号，以馈源阵列的中心波束为波束一，并按螺旋顺序次第编号；基于所述资源调度准则，本发明提出了三种资源调度算法，

算法一：首先，在第一个波束中找到距离所在波束的波束中心最远的用户；接着，按波束序号，依次寻找每一个波束中，能够使得与前几个波束中已找到用户之间的最小距离最大化的那个用户，作为本组在此波束中的已找到用户。当每个波束都找到相应用户以后，为本组用户分配一个频点做预编码进行干扰消除。重复以上步骤直至用户被分配完。

算法二：首先，在第一个波束中找到距离所在波束中心最远的用户；接着，按波束序号，依次在每一波束中找到用户与所在波束中心的相对位置最接近a的用户作为当前组在此波束中的已定位用户；其中，a为当前组第一波束中已定位用户相对第一所在波束中心的位置坐标。当每个波束都找到相应用户以后，为本组用户分配一个频点做预编码进行干扰消除。重复以上步骤直至用户被分配完。

算法三：首先，在第一个波束中找到距离所在波束中心最远的用户；接着，按波束序号，依次在每一波束中找到用户指向该波束中心的向量与当前组第一波束中用户指向第一波束中心的向量之间夹角最小的用户，作为当前组此波束中的已定位用户。当每个波束都找到相应用户以后，为本组用户分配一个频点做预编码进行干扰消除。重复以上步骤直至用户被分配完。

为所有用户分组后，若有用户发生位置移动，并且位移距离超过一定距离时，应对所有用户进行重新分组。用户的位移信息可利用对上行信号的时延检测来获得。所述频率复用方案，其方法为，同一组内的用户使用同一个频点发送下行信号因而波束间属于单频复用的频率复用方式。地面中心站对用户的接收信号信干噪比进行监测计算，对于那些接收信号信干噪比小于设定阈值的用户，在波束之间使用预留部分频段并采用三色复用的频率复用方式进行下行链路信号发送。这些频点上的用户不进行预编码干扰消除，而是直接在波束间采用三色复用的频率复用方式。

本发明的有益效果：

本发明针对多波束卫星移动通信***，提供了一种下行链路的频率复用方法，包括三种用户资源调度算法以及一种频率复用方案；发明的用户资源调度算法解决了预编码的干扰消除方法在卫星通信***中的适应性问题，结合发明所述的频率复用方案，能够有效提高***的频率利用率及***容量。

附图说明

图1是多波束卫星***蜂窝覆盖示意图；

图2是资源调度算法一调度过程示意图；

图3是资源调度算法二调度过程示意图；

图4是资源调度算法三调度过程示意图；

图5是结合资源调度的下行干扰预消除方案示意图。

具体实施方式

考虑一个有K个波束的卫星通信***，每个波束有N个用户，资源调度要完成的是将所有用户(共K×N个)分为N组，每一组包含的K个用户均来自不同的波束。资源调度算法的基本思想为从K个波束中各选出1个用户，将这K个用户归并为一组，共重复N次，并将频点f_i(i∈[1,N])分配给第i次归并的用户。如果某一波束中的用户数少于其他组，在分组时，若发现此波束中的用户已经被分组完，则跳过这一波束。如果某一波束中的用户数较多，则多出来的用户使用预留频段上的频点进行下行信号的传输。

将中心波束记为波束1，从中心波束向外按螺旋顺序为其他波束编号。用记录第i次归并过程之前波束k中的未分配用户(k∈[1,K]，P=N-i+1)。为了便于说明资源调度算法，定义以下几个函数，如表1所示。

表1资源调度算法说明函数定义表

资源调度算法一：

资源调度算法一的步骤如下所示。对于频点f_i(i∈[1,N])，

步骤一：对波束1，找U₁中距离所在波束中心最远的用户n₁，即

步骤二：按波束序号，依次找U_k(k∈[2,K])中的用户n_k，使得

步骤三：为用户n_k(k∈[1,K])分配频点f_i，并将用户n_k从U_k中去掉(k∈[1,K])。

步骤四：重复步骤一～三，直到频点f₁～f_N全部被分配完成。

图2以示意图的形式来直观地说明调度算法1，用圆点表示未分配用户，用三角形表示已分配用户，为简化说明假设共有7个波束，每波束2名用户，则调度算法1的调度过程如图2所示。

调度算法1的思想是采用串行的思想，依次找到满足“最小距离最大化”调度准则的未分配用户。

资源调度算法二：

资源调度算法二的步骤如下所示。对于频点f_i(i∈[1,N])，

步骤一：找U_k(k∈[1,K])中距离所在波束中心最远的用户n₀，即

步骤二：令，并按波束序号，依次找U_k(k∈[1,K]，k≠b(n₀))中的用户n_k，使得

若存在多个用户{u₁,u₂,...,u_M}(M>1,u_m∈U_k)满足上式，则从{u₁,u₂,...,u_M}中选择用户n_k，使得即使得c(k)指向n_k的向量与c(b(n₀))指向n₀的向量之间夹角最小。

步骤三：为用户n_k(k∈[1,K])分配频点f_i，并将用户n_k从U_k中去掉(k∈[1,K])。

步骤四：重复步骤一～三，直到频点f₁～f_N全部被分配完成。

图3为资源调度算法2的调度过程，其中圆点表示未分配用户，三角形表示已分配用户，为简化说明假设共有7个波束，每波束2名用户。

调度算法2的思想是找到与步骤一中找到的用户n₀相对其所在波束中心的坐标最接近的用户。

资源调度算法三：

资源调度算法3的步骤如下所示。对于频点f_i(i∈[1,N])，

步骤一：找U_k(k∈[1,K])中距离所在波束中心最远的用户n₀，即

步骤二：令，并按波束序号，依次找U_k(k∈[1,K]，k≠b(n₀))中的用户n_k，使得

若存在多个用户{u₁,u₂,...,u_M}(M>1,u_m∈U_k)满足上式，则从{u₁,u₂,...,u_M}中选择用户n_k，使得即n_k为M个用户中与波束b(n₀)中已找到用户相对其所在波束中心坐标位置最为接近的用户。

步骤三：为用户n_k分配频点f_i，并将用户n_k从U_k中去掉(k∈[1,K])。

步骤四：重复步骤一～三，直到频点f₁～f_N全部被分配完成。

调度算法3的调度过程如图4所示。

结合资源调度的下行干扰预消除方案：

对用户的接收信号信干噪比进行监测计算，对于那些接收信号信干噪比小于一定阈值（5dB）的用户，为其另外分配预留的频点。这些频点上的用户不进行预编码干扰消除，而是直接在波束间采用三色复用的频率复用方式。如图5所示。对于每一个波束来说，绝大部分频点的频率复用因子为1，其余个别频点的频率复用因子为3；单频复用的用户进行干扰预消除，而三色复用的用户不进行干扰预消除。

以上虽然仅仅是参考特定的具体实施例对本发明进行了图示和说明，但是任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，可能对本发明进行的形式和细节上的任何修改，都应该包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多波束卫星移动通信***下行链路频率复用方法，其步骤为：

1)将多波束卫星移动通信***下行链路中的用户分为N组，每一组包含来自不同波束的K个用户，且同一组用户中的用户满足用户间距最大化；其中，K为该多波束卫星通信***的波束总数；

2)对每一组用户分配一不同的频点，每组用户在所分配频点上进行下行链路信号发送；

3)地面中心站对用户的接收信号信干噪比进行监测；如果某用户的接收信号信干噪比小于设定阈值，则为该用户分配预留的频点进行下行链路信号发送，否则该用户用所分配频点对发送信号进行预编码后发送。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述地面中心站对用户的位置进行监测，如果某用户位移距离超过设定距离时，则对所有用户进行重新分组。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于以所述多波束卫星移动通信***的馈源阵列中心波束为波束一，对波束按螺旋顺序次第编号；然后在第一波束中找到距离第一波束的波束中心最远的用户作为第1组的第一个用户并标记已分配，然后按照波束编号依次在后续每一波束中寻找一与该组已确定用户间距最大的用户作为该组的用户并标记已分配，得到第1组用户；依次类推，对所有用户进行分配，得到N组用户。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于将多波束卫星移动通信***下行链路中的用户分为N组的方法为：首先，在第一波束中找到距离所在波束的波束中心最远的用户作为当前组的第一个用户；接着，按波束序号，依次寻找每一波束中与已找到用户之间的最小距离最大化的用户，作为当前组在此波束中的已找到用户；重复以上步骤直至用户被分配完，得到N组用户。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于将多波束卫星移动通信***下行链路中的用户分为N组的方法为：

51)在第一波束中找到距离所在波束中心最远的用户作为当前组的第一个用户；

52)按波束序号，依次在每一波束中找到用户与所在波束中心的相对位置最接近a的用户作为当前组在此波束中的已定位用户；其中，a为当前组第一波束中已定位用户相对第一所在波束中心的位置坐标；

53)完成一轮所有波束中的用户定位后，将这些用户形成一组；

54)重复步骤51)至53)，将所有用户归组，得到N组用户。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于如果某一波束中距离最接近a的用户为多个用户，则从中选取用户指向该波束中心的向量与第一波束中用户指向第一波束中心的向量之间夹角最小的用户。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于将多波束卫星移动通信***下行链路中的用户分为N组的方法为：

71)在第一波束中找到距离所在波束中心最远的用户作为当前组的第一个用户；

72)按波束序号，依次在每一波束中找到用户指向该波束中心的向量与当前组第一波束中用户指向第一波束中心的向量之间夹角最小的用户，作为当前组此波束中的已定位用户；

73)完成一轮所有波束中的用户定位后，将这些用户形成一组；

74)重复步骤71)至73)，将所有用户归组，得到N组用户。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于如果某一波束中所述夹角最小的用户为多个用户，则从中选取与该波束中心坐标的距离最接近a的用户作为当前组在此波束中的已定位用户；a为当前组第一波束中已定位用户相对第一所在波束中心坐标的距离。

9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述多波束卫星移动通信***为每个波束预留m个多色复用频点；接收信号信干噪比小于设定阈值的用户所在波束之间采用三色复用的频率复用方式进行下行链路信号发送。