CN105375961A - 一种基于跳波束模式的卫星频段共享方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于跳波束模式的卫星频段共享方法，通信卫星采用多波束天线，并建立认知链路；通过认知链路的信息交换，频谱非授权卫星获得频谱授权卫星的跳波束模式，得到主用户卫星分配给主波束发射功率和主用户接收到主波束的功率；次用户卫星根据主用户卫星的跳波束模式，调整自身的发射功率，并根据主用户卫星跳波束模式，即主用户卫星分配给主波束的波束禁区半径，调整自身的跳波束模式。利用本发明的方法，次用户卫星不仅不会影响到主用户卫星的正常工作，提高频谱使用效率，而且由于次卫星使用较小的波束，波束的低峰值收益和低的等值水平可以设计使用较小的天线孔径，节省了硬件成本。

Description

一种基于跳波束模式的卫星频段共享方法

技术领域

本发明涉及一种频段复用技术，特别是基于跳波束模式的卫星频段共享方法。

背景技术

未来通信卫星网络和地面网络聚合在一个标准的平台上，共同提供移动性、固定性和广播服务的可能性已经成为了一个重要的研究热点，这也要求通信卫星和地面网络使用相同的频段。高速宽带和多媒体无线服务的迅速发展，导致宽带无线频谱需求增加，同时由于当前频段分割和静态分配的策略，可用的频段资源变得越来越稀少。

在这种背景下，认知无线电通信技术是一种在共存的异构无线网络里高效地使用频谱效率的技术。使用相同频段的无线网络有多种表现形式，如两种地面网络组合，两种卫星网络组合，卫星和地面的异构网络组合等。这种技术允许主用户和次用户***共同使用相同的频段，从而不用阻碍授权给主用户***频段的正常工作。

在卫星通信领域，固定通信卫星服务通常使用C波段(4-7GHz)和K波段(ku:11.7-14.5GHz，ka:20-30GHz)；移动通信卫星服务更多使用L(1.4-1.6GHz)和S波段(2.2-2.6GHz)，原因在于可以用板上天线，更好的穿透力和更小的大气影响。

地面服务(如3G、LTE、WiMax和WiFi服务)的发展对通信卫星的L和C波段造成了持续的压力。具体情况是：2000年世界无线电大会针对未来数据发展需求问题，对3G频带作了扩展：806-960MHz、1710-1885MH，2500-2690MHz；LTE：频段2010-2615MHz；WiFi:2.4GHz、5GHzWiMax：主要频段：2.3GHz，2.5-2.7GHz、3.5GHz。宽带服务的高需求和L、S波段频率资源的限制使用，使得固定卫星服务已经开始使用更多频率的Ku和Ka波段。因此，探索高效的频率共享技术提高频谱效率，同时保证服务质量是重要的具有挑战的研究问题。这种技术也催生了认知卫星通信技术的概念，用于在两种通信卫星网络***或者卫星和地面网络***中开发频谱共享技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于跳波束模式的卫星频段共享方法，针对通信卫星采用认知跳波束技术的模式的不同，基于功率控制方法和禁区方法，次卫星调整自身的跳波束模式，达到次用户卫星使用相同频率传输信号的同时，不影响主用户卫星***的正常工作，与通信卫星单独采用多束***或者跳波束技术的***比，提高了***的吞吐量。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

一种基于跳波束模式的卫星频段共享方法，包括下列步骤：

(1)某一频段的授权卫星为主用户卫星，非授权卫星为次用户卫星，主用户卫星和次用户卫星均采用跳波束模式和地面用户通讯，次用户卫星和主用户卫星之间建立认知链路，得到主用户卫星分配给波束j的发射功率和主用户卫星正常工作下干扰阈值级别I_T；

(2)次用户i′与主用户卫星波束j中心的距离为D，波束j的波束的地面半径为R，当D≤R时，计算次用户卫星满足I_AGG≤I_T时，次用户卫星的发射功率的最大值P_st，其中I_AGG表示次用户卫星波束对主用户卫星的干扰和；当D>R时，次用户卫星采用主用户卫星的波束j与次用户通讯，次用户卫星的发射功率为全功率；

(3)次用户卫星实时计算主用户卫星的波束半径R_new，返回步骤(2)，另R＝R_new。

优选的，次用户卫星和主用户卫星之间建立认知链路的方式为：次用户卫星和主用户卫星采用星间通讯建立认知链路。

优选的，次用户卫星和主用户卫星之间建立认知链路的方式为：次用户卫星通过次用户卫星地面站网关和主用户卫星地面站网关建立认知链路。

优选的，所述步骤(2)中计算次用户卫星满足I_AGG≤I_T时，次用户卫星的发射功率最大值P_st的具体方法为：

$P_{st}=\frac{I_T}{{\Σ}_{j^{\′}\∈Ss}|\frac{G_{\max }^{\′}\·{(\frac{J_1\left(u\right(i^{\′},j^{\′}\left)\right)}{2u(i^{\′},j^{\′})}+36\frac{J_3{\left(u\right(i^{\′},j^{\′}\left)\right)}^2}{u{(i^{\′},j^{\′})}^3})}^2{G}_{s,i^{\′}j}}{{\left(4{\mathrm{\πd}}_{i^{\′}{j}^{\′}}\right)}^2}{|}^2}$

G′_max为次用户卫星最大天线增益，J_n(.)为n阶第一形式贝叶斯函数，

u(i′,j′)＝2.01723sin(θ(i′,j′))/sin(θ_3dB)，θ_3dB为3dB角度；G_s,i′j表示次用户i′天线对主波束j的增益；d_i′j′表示主用户i到主卫星的距离。

优选的，所述步骤(3)中次用户卫星实时计算主用户卫星的波束半径R_new的方法为：

主用户卫星波束3dB的波束宽度θ_3dB表示如下：

θ_3dB＝tan^-1(R₀/D)

其中R₀为3dB波束宽的地面半径，D为主用户卫星到波束j中心的高度；当主用户卫星调整θ_3dB的值时，θ_new＝θ_3dB+α，α为主用户卫星波束宽的调整幅度，调整后的地面半径为R_new；

R_new＝Dtanθ_new。

优选的，所述步骤(2)中R的初始值为θ_3dB对应的波束j的波束半径。

优选的，所述频段属于C波段、L波段、S波段或K波段。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明次用户卫星利用跳波束模式规划机制，实现了与主用户卫星共享频谱技术，提高了频段的使用效率，在频段资源有限的情况下，能够为更多用户提供服务；

(2)本发明次卫星采用较小的波束，波束的低峰值收益和低的等值水平可以设计使用较小的天线孔径，降低了次卫星天线设计成本；可以采用低功率发射，节省了卫星的功耗；

(3)本发明采用基于跳波束模式规划机制的多束通信卫星，与现有单独采用多束***或者跳波束技术的卫星***相比，提高了卫星通信***的吞吐量；

(4)本发明针对用户的不同位置，采用功率控制法和禁区法相结合，可以动态调整次用户卫星的发射功率，能够充分利用现有主卫星的频率资源，让次用户得到更好的服务。

附图说明

图1基于认知跳波束技术的双星多束***；

图2为本发明功率控制法的用户位置示意图；

图3为本发明禁区法的用户位置示意图。

具体实施方式

现有的多束***如下：

用户i被分配到的波束带宽W_i：

W_i＝W/K

其中，W为上行链路可用带宽，K为频率复用因子，也就是将带宽W划分为K段。1个波束簇共享了全部带宽。被分配到的波束带宽W_i，表示如下：

W_i＝N_iW_c

N_i为第i个波束的载波数，W_c为载波的频率宽度。

多束卫星***中，K的最小值为3。

现有的另一种多波束***：

每个波束至少有1个载波，N_i∈{1,2,…,N_max}，N_max＝N_c-(K-1)，N_c＝W/W_c

其中N_c为所有可用载波数。令N_b为***中所有波束数量，那么有N_c×N_b的带宽分配矩阵C表示如下：

其中，C_ij代表第j个载波分配给第i个波束，分配给第i个波束的载波数为C_ij∈{0,1}表示是否第j个载波分配给第i个波束。

跳波束模式技术指的是卫星多波束***以固定的重复模式同时使用一定数量的波束。这种技术有助于减少板上放大器的数量和载荷对功率的要求。以全频率复用或部分频率复用实施跳波束技术，在全频率复用下，跳波束***周期性地应用固定的时间窗口，将全部可用的带宽分配给每个使用的波束。每个波束的使用时间应该满足用户传输时延要求；在部分频率复用下，带宽被分割，每个波束使用部分的带宽。令N_t为每个时间窗口包含的时隙数量，那么N_t×N_b波束使用矩阵T表示如下：

其中，T_ij代表第j个时隙分配给第i个波束，分配给第i个波束的时隙数为T_ij∈{0,1}表示是否第j个时隙分配给第i个波束。

针对现有的跳波束模式技术，本发明提出了一种频段共享的方法：

步骤1：通信卫星采用多波束天线，并建立认知链路。通过认知链路的信息交换，频谱非授权卫星(次用户卫星)获得频谱授权卫星(主用户卫星)的跳波束模式，得到主用户卫星分配给主波束j发射功率和主用户卫星正常工作下干扰阈值级别I_T。

如图1所示，两通信卫星均采用多束天线，覆盖相同的地面区域，均处在相同的地球同步静止轨道(GEO)，并和地面的不同网关连接。网关之间用高速的地面链路(如光纤、微波)连接。此外，两颗通信卫星工作在Ka波段(20-21GHz前向链路)。主用户卫星是给固定用户提供高优先级的宽带多媒体服务。次用户卫星用于给固定用户提供低服务质量(QoS)的交互式服务。在相同的覆盖区域，主用户卫星使用较大的波束，而次用户卫星使用较小的波束。覆盖区域由较大的主波束和在主波束里的斑点波束组成，这些斑点波束是次卫星的波束。

在跳波束(beamhopping)***下，由于主用户卫星只使用了大量部署的波束中的小部分波束，剩下的等待传输中的波束处于空闲状态。如果一颗使用和主用户卫星相同的频段的卫星，但是和主用户卫星的跳波束序列不同，那么部署这样的卫星不会对主用户卫星***造成严重的干扰，整个***的频率效率就会得到提高。这种思想是主用户卫星共享它的跳波束模式给次用户卫星，然后次用户卫星根据主用户卫星的跳波束模式，设计自身的跳波束模式。为了达到这样的目的，主用户卫星和次用户卫星需要进行交互，这样次用户卫星才能知道主用户卫星的跳波束模式。交互可以通过在地面网关之间的认知链路来实现，也可以通过星上通讯实现。

主用户卫星多波束***安装可发波束数量为N_b的卫星天线，且采用特定的跳波束模式。

主用户卫星第j个波束分配给第i个用户的波束增益B_ij，表示如下：

$B_{ij}=G_{\max }\·{(\frac{J_1\left(u\right(i,j\left)\right)}{2u(i,j)}+36\frac{J_3{\left(u\right(i,j\left)\right)}^2}{u{(i,j)}^3})}^2$

其中，G_max为最大天线增益，u(i,j)＝2.01723sin(θ(i,j))/sin(θ_3dB)，θ_3dB为3dB角度，θ(i,j)表示从波束j中心到用户i的位置连线与卫星之间的角度，J_n(.)为n阶第一形式贝叶斯函数(firstkindofBessel’sfunctionofordern)， $J_v\left(z\right)={\left(\frac{z}{2}\right)}^v\underset{k=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{{\left(\frac{z^2}{4}\right)}^k}{k!\mathrm{\Γ}(v+k+1)},$ Γ(.)为伽马函数， $\mathrm{\Γ}\left(x\right)={\∫}_0^{\mathrm{\∞}}{e}^{-t}{t}^{x-1}dt.$

晴天条件下，从主用户卫星波束j到主用户i的信道系数h_ij表示如下：

$h_{ij}=\frac{B_{ij}{G}_{r,ij}}{{\left(4{\mathrm{\πd}}_{ij}\right)}^2}$

其中，G_r,ij表示主用户i接收天线对主波束j的增益，d_ij表示主用户i到主卫星的距离，r_ij是主波束j中心到主用户i的位置的距离，D_j为主卫星到主波束j中心的高度。

晴天条件下，主用户卫星分配给主波束j发射功率，通过下面公式计算：

$P_{i,j}=\frac{{\mathrm{\γ}}_{th}\·I_{cn}}{{\min }_{i\∈j}|h_{ij}{|}^2}$

其中γ_th为主用户i期望的服务质量(QoS)下要求的最小的信噪比(SNR)，I_cn表示其他波束信号对主波束j信道的干扰加噪声，i∈j表示主波束j分配给到主用户i使用。

主用户i的接收功率P_r,i与波束j的功率P_t,j有关，表示如下：

$\begin{array}{c}{P}_{r,i}=h_{ij}{P}_{t,j}\\ =\frac{B_{ij}{G}_{r,ij}}{{\left(4{\mathrm{\πd}}_{ij}\right)}^2}\×\frac{{\mathrm{\γ}}_{th}\·I_{cn}}{{\min }_{i\∈j}|h_{ij}{|}^2}\\ =\frac{{\mathrm{\γ}}_{th}\·I_{cn}{\left(4{\mathrm{\πd}}_{ij}\right)}^2}{c_{\max }\·{(\frac{J_1\left(u\right(i,j\left)\right)}{2u(i,j)}+36\frac{J_3{\left(u\right(i,j\left)\right)}^2}{u{(i,j)}^3})}^2{G}_{r,ij}}\end{array}$

其中，j＝{1,…,N_b},i＝{1,…,M}，M＝N_b/K为用户总数，K为频率复用因子。

步骤2：次用户i′与主卫星波束j中心的距离D，波束j的波束禁区半径为R，当D≤R时，采用功率控制方法，次用户卫星的发射功率，不影响主用户卫星正常工作；当D>R时，次用户卫星采用主用户卫星的波束j与次用户通讯，次用户卫星的发射功率为全功率。

基于功率控制方法，次用户卫星根据主用户卫星的跳波束模式，即主用户卫星正常工作下干扰阈值，调整自身的发射功率。

在某一特定时隙T下，次卫星计算波束对主用户卫星***的干扰合计，然后基于主卫星干扰级别，调整次卫星的发射功率满足主用户卫星的干扰阈值级别。

在某一特定时隙T，次卫星波束对主用户卫星的干扰合计I_AGG可表示为 $I_{AGG}=P_{st}{\mathrm{\Σ}}_{j^{\′}\∈Ss}|h_{i^{\′}{j}^{\′},s}{|}^2.$

其中h_i′j′,s为次卫星波束j′对次用户i′的信道增益，Ss为在某一特定时隙T下，次卫星活跃的波束集合，j′∈Ss表示波束j′属于次卫星活跃的波束集合。

通过网关之间的认知链路，可得到主用户卫星正常工作下干扰阈值级别I_T，当I_AGG≤I_T时，那么次卫星的发射功率表示如下：

$\begin{array}{c}{P}_{st}=\frac{I_{AGG}}{{\Σ}_{j^{\′}\∈Ss}|h_{i^{\′}{j}^{\′},s}{|}^2}\\ \≤\frac{I_T}{{\Σ}_{j^{\′}\∈Ss}|\frac{B_{i^{\′}{j}^{\′},s}{G}_{s,i^{\′}j}}{{\left(4{\mathrm{\πd}}_{i^{\′}{j}^{\′}}\right)}^2}{|}^2}\\ \≤\frac{I_T}{{\Σ}_{j^{\′}\∈Ss}|\frac{G_{\max }^{\′}\·{(\frac{J_1\left(u\right(i^{\′},j^{\′}\left)\right)}{2u(i^{\′},j^{\′})}+36\frac{J_3{\left(u\right(i^{\′},j^{\′}\left)\right)}^2}{u{(i^{\′},j^{\′})}^3})}^2{G}_{s,i^{\′}j}}{{\left(4{\mathrm{\πd}}_{i^{\′}{j}^{\′}}\right)}^2}{|}^2}\end{array}$

其中，Ss为在某一特定时隙T下，次卫星活跃的波束集合，θ_3dB为3dB角度；G_s,i′j表示次用户i′天线对主波束j的增益；d_i′j′表示主用户i到主卫星的距离。

用户i与主卫星波束j中心的距离D，波束j的波束禁区半径为R，当D>R时，采用禁区方法：

基于禁区方法，次用户卫星根据主用户卫星跳波束模式，即主用户卫星分配给主波束j的波束禁区半径，调整自身的跳波束模式，次用户卫星可以全部采用主用户的波束j通讯，不需要考虑对主用户卫星的干扰，次卫星的发射功率可以采用全功率。

步骤3：次用户卫星实时计算主用户卫星的波束半径R_new，返回步骤2，另R＝R_new。

主卫星波束3dB的波束宽度θ_3dB(beamwidth)表示如下：

θ_3dB＝tan^-1(R₀/D)

其中，R₀为3dB波束宽的地面半径，即R的初值；D为主用户卫星到波束j中心的高度，通过提高θ_3dB的值，θ_new＝θ_3dB+α，α为主用户卫星波束宽的调整幅度，D不变，可计算出相应的半径R_new＝Dtanθ_new。在某一特定时隙T，次用户的波束只有在活跃的主卫星波束禁区半径R_new外可以被使用。

本发明提出基于跳波束模式规划机制的双星多束通信的频谱共享技术，基于主用户卫星跳波束模式的先验知识，次用户卫星设计不同于主用户卫星的跳波束模式，同时双星通过地面网关认知链路交换时间信息，基于功率控制方法和禁区方法，主用户卫星和次用户卫星可以同时传输信号。这种技术次用户卫星不仅不会影响到主用户卫星的正常工作，提高频谱使用效率，而且由于次卫星使用较小的波束，波束的低峰值收益和低的等值水平可以设计使用较小的天线孔径，节省了硬件成本。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种基于跳波束模式的卫星频段共享方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)某一频段的授权卫星为主用户卫星，非授权卫星为次用户卫星，主用户卫星和次用户卫星均采用跳波束模式和地面用户通讯，次用户卫星和主用户卫星之间建立认知链路，得到主用户卫星分配给波束j的发射功率和主用户卫星正常工作下干扰阈值级别I_T；

(2)次用户i′与主用户卫星波束j中心的距离为D，波束j的波束的地面半径为R，当D≤R时，计算次用户卫星满足I_AGG≤I_T时，次用户卫星的发射功率的最大值P_st，其中I_AGG表示次用户卫星波束对主用户卫星的干扰和；当D>R时，次用户卫星采用主用户卫星的波束j与次用户通讯，次用户卫星的发射功率为全功率；

(3)次用户卫星实时计算主用户卫星的波束半径R_new，返回步骤(2)，另R＝R_new。

2.如权利要求1所述的基于跳波束模式的卫星频段共享方法，其特征在于，所述步骤(1)中次用户卫星和主用户卫星之间建立认知链路的方式为：次用户卫星和主用户卫星采用星间通讯建立认知链路。

3.如权利要求1所述的基于跳波束模式的卫星频段共享方法，其特征在于，所述步骤(1)中次用户卫星和主用户卫星之间建立认知链路的方式为：次用户卫星通过次用户卫星地面站网关和主用户卫星地面站网关建立认知链路。

4.如权利要求1所述的基于跳波束模式的卫星频段共享方法，其特征在于，所述步骤(2)中计算次用户卫星满足I_AGG≤I_T时，次用户卫星的发射功率最大值P_st的具体方法为： $P_{st}=\frac{I_T}{{\mathrm{\Σ}}_{j^{\′}\∈Ss}|\frac{G_{max}^{\′}\·{(\frac{J_1\left(u\right(i^{\′},j^{\′}))}{2u(i^{\′},j^{\′})}+36\frac{J_3{\left(u\right(i^{\′},j^{\′}\left)\right)}^2}{u{(i^{\′},j^{\′})}^3})}^2{G}_{s,i^{\′}j}}{{\left(4{\mathrm{\πd}}_{i^{\′}{j}^{\′}}\right)}^2}{|}^2}$

其中i′为次用户，j′为次用户卫星的波束，G′_max为次用户卫星最大天线增益，J_n(.)为n阶第一形式贝叶斯函数，u(i′,j′)＝2.01723sin(θ(i′,j′))/sin(θ_3dB)，θ_3dB为3dB角度；G_s,i′j表示次用户i′天线对主波束j的增益；d_i′j′表示主用户i到主卫星的距离。

5.如权利要求1所述的基于跳波束模式的卫星频段共享方法，其特征在于，所述步骤(3)中次用户卫星实时计算主用户卫星的波束半径R_new的方法为：

主用户卫星波束3dB的波束宽度θ_3dB表示如下：

θ_3dB＝tan^-1(R₀/D)

其中R₀为3dB波束宽的地面半径，D为主用户卫星到波束j中心的高度；当主用户卫星调整θ_3dB的值时，θ_new＝θ_3dB+α，α为主用户卫星波束宽的调整幅度，调整后的地面半径为R_new；

R_new＝Dtanθ_new。

6.如权利要求1所述的基于跳波束模式的卫星频段共享方法，其特征在于，所述步骤(2)中R的初始值为θ_3dB对应的波束j的波束半径。

7.如权利要求1所述的基于跳波束模式的卫星频段共享方法，其特征在于，所述频段属于C波段、L波段、S波段或K波段。