CN109600190A - 基于频谱地图的卫星通信***用户链路干扰规避方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于频谱地图的卫星通信***用户链路干扰规避方法，旨在解决复杂电磁环境下卫星移动通信***可靠通信问题。通过下述技术方案予以实现：该方法采用数据采集与预处理、频谱地图构建与分发、频谱可用情况预测、干扰规避决策生成及星地联合频谱资源调配五个环节，用户终端及卫星共同获取卫星移动通信***用户链路的频谱地图信息，并将信息上报至信关站；信关站建立区域频谱地图分发至网络管理中心，网络管理中心构建卫星移动通信***完整频谱地图；网络管理中心采用频繁模式挖掘算法对频谱可用情况进行预测，并将生成的干扰规避策略下发至信关站；信关站生成资源调配指令，卫星及用户终端根据调配指令进行参数重配置，完成***干扰规避。
Description
技术领域
本发明涉及一种主要用于卫星移动通信领域，利用频谱地图多维数据呈现优势，结合数据挖掘方法对频谱可用情况进行预测，通过星地联合频谱资源调配实现干扰规避的方法。
背景技术
随着现代信息网络技术的发展，卫星网络(通信卫星、侦察卫星、气象卫星等)、地面互联网、移动通信网、地基节点网等多种异构网络融合共存，空、天、地、海等异构网络之间不可避免存在频段交叠区域，如卫星移动通信***使用UHF频段和S频段，集中在100MHz～4GHz这一范围，而这一范围恰是地面通信应用的重点区域，网络间的干扰时有发生。因此，干扰规避是卫星移动通信***在干扰条件下维持正常通信的有效手段，以保证***在复杂电磁环境下的可靠通信。
卫星移动通信***通常利用多波束卫星天线实现频率复用，随之而来必将产生***的干扰问题。对于一个卫星移动通信来说，其干扰不仅与***容量、多址方式等因素有关，卫星天线性能的好坏也是影响***干扰的主要因素之一。星地一体化通信***为提高***容量和频谱效率，卫星网络与辅助地面网络共用一段频率,这种分别采用频率复用技术，虽然有利于提高***频谱效率,但也带来了***内不可避免的同频干扰。当多信道传输设备聚集在一个有限的空间之内时，会引起严重的互干扰。随着各种通信方式的不断涌现以及用户对不同业务需求的不断增加，使得频谱资源越来越紧张，互干扰效应普遍存在，形式各异，严重影响通信效能，有时甚至导致严重阻塞而使***失灵。在实际的卫星移动通信***中，用户可能处在卫星点波束中的任意位置，且处在多样的地面环境情况下，因此其***干扰是十分复杂的，主要干扰类型包括同频干扰、临频干扰、带外干扰、互调干扰及阻塞干扰等。为了保证卫星移动通信***在复杂电磁环境下的正常通信，卫星移动通信***常采用优化调制方式、合理设置信道间保护间隔、优化发送滤波器、空域调零等被动抗干扰方法，但基于认知无线电的主动干扰规避方法鲜有报道。
干扰规避的前提和基础是频谱数据准确及实时的获取，只有在了解频谱占用及干扰强度的情况下才能有效地选取合适的空闲时隙及频段规避干扰，因此频谱数据库的建立对干扰规避效果产生重要影响。频谱地图是频谱数据准确及实时获取的前提和基础，它可以从地理位置，频率，时间，能量等多维度刻画频谱数据，从而直接查看频谱信息，例如占用频段，空闲时段，以及指定频段的覆盖范围等，然而传统的频谱地图主要考虑的是信号强度在空间上的分布，往往较少地综合考虑到时间，频段等多个维度。
数据挖掘是一种决策支持过程，可在获取的大量实验数据基础上，通过数据挖掘分析实验数据中隐藏的频谱可用性规律，指导频谱感知和决策过程。通过将数据挖掘方法应用于无线通信领域，能够找出频谱数据的关联关系，即隐含的具有潜在价值的规律，将数据挖掘得到的结果应用于频谱感知和频谱决策过程中，能够提高频谱感知的效率，即通信节点能够更快更优地选择频谱进行通信，提高了通信质量。
发明内容
本发明的目的是针对复杂电磁环境下卫星移动通信***可靠通信需求，提供一种***频谱数据实时更新、频谱状态可预测，可提高***频谱利用率、增强卫星通信***抗干扰能力的干扰规避方法。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种基于频谱地图的卫星通信***用户链路干扰规避方法，主要包括数据采集与预处理、频谱地图构建与分发、频谱可用情况预测、干扰规避决策生成及星地联合频谱资源调配五个环节，其中，数据采集与预处理：用户终端依次完成对通信信号采集、频谱感知及干扰识别，并将提取的用户链路下行信道的频谱地图信息进行组帧上报，通过卫星转发器将该信息透明转发至信关站，同时卫星也具备频谱感知及数据预处理功能，对用户链路上行信道进行频谱地图信息获取，并将信息发送至信关站；频谱地图构建与分发：信关站接收不同用户链路的感知与识别结果，结合点波束编号、时隙、频带、干扰强度信息构建区域多维频谱地图，并将构建的区域频谱地图分发至网络管理中心，网络管理中心实现网络内不同信关站频谱地图的汇聚，构建卫星移动通信***内完整频谱地图；频谱可用情况预测：网络管理中心建立多维标注的频谱数据库，采用频繁模式挖掘算法对卫星移动通信***内的频谱可用情况进行预测；干扰规避决策生成：网络管理中心基于预测结果及用户QoS需求，选择仅对受干扰用户资源重分配，或者对受干扰用户及卫星的频谱资源同时重新调配，并将生成的干扰规避策略下发至相应信关站；星地联合频谱资源调配：若卫星移动通信***点波束内仅受多载频或窄带干扰，信关站可通过寻呼信道对受干扰用户的资源重分配，卫星转发器工作频段保持不变；若点波束整个工作频段干扰严重，信关站通过控制信令对卫星转发器的工作频段进行重调配，同时利用寻呼信道完成受干扰用户在新的工作频段下的资源调配，实现干扰规避。
本发明相比于现有技术具有以下有益效果：
频谱数据实时更新。本发明利用频谱地图多维数据呈现优势，结合数据挖掘方法对频谱可用情况进行预测，采用频谱地图直接表征了卫星移动通信***的波束、时隙、子频带、干扰强度的映射关系，通过建立多维标注的频谱数据库，为频谱可用情况预测分析提供数据支撑。用户终端利用接入信道上报用户链路下行信道的频谱地图相关信息，通过通信卫星转发器透明转发至信关站，同时卫星也具备频谱感知及干扰检测功能，对用户链路上行信道进行频谱地图信息获取，并将信息发至信关站，由信关站构建覆盖区域的多维频谱地图，并将频谱地图信息传输至网络管理中心，网络管理中心汇聚整个网络的频谱地图信息，完成该***频谱地图的构建及更新。
频谱状态可预测。本发明采用频繁模式挖掘算法对卫星移动通信***内的频谱可用情况进行预测，首先要找到所谓的频繁模式，即频繁模式挖掘；然后要找到这些频繁模式之间的联系，即对模式联系规则的挖掘。利用数据挖掘技术，卫星移动通信***网络管理中心可完成下一时隙或者未来多个时隙的用户频谱可用情况预测，根据预测结果指导受干扰用户空闲频段选择。
频谱资源利用率提升。本发明利用基于QoS的星地联合频谱资源调配方法实现用户干扰规避，即根据频谱可用情况预测结果，基于用户QoS需求，网络管理中心选择对受干扰用户资源重分配，或者对受干扰用户及卫星的频谱资源同时重新调配，提升***频谱资源利用率。若***点波束内仅受多载频或窄带干扰，可通过寻呼信道对受干扰用户的资源重分配即可，卫星转发器工作频段保持不变；若点波束整个工作频段干扰严重，需通过控制信令对卫星转发器的工作频段进行重调配，同时利用寻呼信道完成受干扰用户在新的工作频段下的资源调配。
抗干扰能力增强。本发明采用数据采集与预处理、频谱地图构建与分发、频谱可用情况预测、干扰规避决策生成及星地联合频谱资源调配五个环节，充分利用频谱地图多维数据呈现优势，通过建立卫星移动通信***波束、时隙、子频带、干扰强度等多维信息关联的频谱地图，利用数据挖掘方法对频谱可用情况进行预测，基于预测结果及用户QoS需求生成干扰规避策略，通过星地联合频谱资源调配实现***干扰规避，增强卫星移动通信***抗干扰能力，为卫星移动通信***干扰规避提供了一种全新的思路。
附图说明
图1是基于频谱地图的卫星通信***用户链路干扰规避框架示意图。
图2是卫星移动通信***多维频谱地图构建流程图。
图3是基于频谱地图的卫星通信***用户链路干扰规避流程图。
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，采用数据采集与预处理、频谱地图构建与分发、频谱可用情况预测、干扰规避决策生成及星地联合频谱资源调配五个环节来实现卫星移动通信***的干扰规避，其中，数据采集与预处理：用户终端依次完成对通信信号采集、频谱感知及干扰识别，并将提取的用户链路下行信道的频谱地图信息进行组帧上报，通过卫星转发器将该信息透明转发至信关站，同时卫星也具备频谱感知及数据预处理功能，对用户链路上行信道进行频谱地图信息获取，并将信息发送至信关站；频谱地图构建与分发：信关站接收不同用户链路的感知与识别结果，结合点波束编号、时隙、频带、干扰强度信息构建区域多维频谱地图，并将构建的区域频谱地图分发至网络管理中心，网络管理中心实现网络内不同信关站频谱地图的汇聚，构建卫星移动通信***内完整频谱地图；频谱可用情况预测：网络管理中心基于多维标注的频谱数据库，首先挖掘频繁模式，然后找到这些频繁模式之间的联系，挖掘模式联系的规则，通过数据挖掘技术，网络管理中心完成下一时隙，或者未来多个时隙的用户频谱可用情况预测；干扰规避决策生成：网络管理中心基于预测结果及用户QoS需求，选择仅对受干扰用户资源重分配，或者对受干扰用户及卫星的频谱资源同时重新调配，并将生成的干扰规避策略下发至相应信关站；星地联合频谱资源调配：若卫星移动通信***点波束内仅受多载频或窄带干扰，信关站可通过寻呼信道对受干扰用户的资源重分配，卫星转发器工作频段保持不变；若点波束整个工作频段干扰严重，信关站通过控制信令对卫星转发器的工作频段进行重调配，同时利用寻呼信道完成受干扰用户在新的工作频段下的资源调配，实现干扰规避。
参阅图2。卫星移动通信***通过以下途径完成多维频谱地图的构建：用户终端UE1依次完成下行信道的信号采集、频谱感知及干扰识别，将提取的信号特征进行组帧上报处理，通过卫星转发器透明转发至信关站，同时卫星也具备频谱感知及干扰检测功能，对用户UE2上行信道进行频谱信息获取，并将信息下发至信关站；由信关站构建覆盖区域的多维频谱地图，并将频谱地图信息传输至网络管理中心；网络管理中心汇聚整个网络的频谱地图信息，完成该***频谱地图的构建。
频谱地图作为一种带有地理信息的频谱环境的抽象性描述，可对复杂电磁环境下不同波束、不同时隙、不同子频带的频谱使用情况、设备的物理位置、相关历史经验情况进行记录和分析，是频谱数据库的一种可视化方式。它直接表征了卫星移动通信***的波束、时隙、子频带、干扰强度的映射关系，通过建立多维标注的频谱数据库，为频谱可用情况预测分析提供数据支撑。多维频谱地图所描述的要素分为四类，包括地理特征数据库、频段业务数据库、信道特征数据库以及相应的版本信息，具体说明如下。
(a)地理特征数据库
卫星覆盖区域以波束/点波束为重要地理特征标识，每个波束覆盖范围细分为网格形状，每个网格成为一个子区域，记录其起止经纬度，频谱地图的分发将以子区域为单位。地理特征要素包括了波束编号、子区域编号，频谱地图的建立以子区域为单位，网格越小，则信息越精确，但建立和维护的开销越大。
(b)频段业务数据库
记录该子区域内频段划分、业务类型等。
(c)信道特征数据库
卫星移动通信***信道特征数据库包括子区域内信道编号、时隙、干扰强度等信道特征，用于可用信道分析及预测。
(d)版本信息
记录频谱地图的更新时间和下发时间，以辅助频谱地图的分发。
频谱地图中包含了大量的频谱信息，如何从频谱地图中预测未来频谱可用情况，涉及到了数据挖掘问题。
下面给出频繁模式挖掘中的符号及概念：
输入矩阵：网络管理中心针对不同的业务类型(语音、视频等)，建立输入矩阵Q，
其中，aj,m,n代表不同业务类型在当前状态下信道可用与否(可用为1，否则为0)，j表示业务类型，m表示信道数，n表示时隙数；
[1]块：Q的子矩阵；
[2]子阵：块的子矩阵；
[3]块面积：块中包含元素的个数；
[4]块模式：块面积不小于min_area的块，其中min_area为块模式门限值；
[5]匹配：如果模式P和块A完全相同，则A是P的一个匹配；
[6]匹配数：模式所有匹配的个数；
[7]有效模式：匹配数不小于min_conf的模式为有效模式，其中min_conf为有效模式门限值；
当全部有效模式被识别后，若模式P1与模式P2均为有效模式，且模式P2具有[P1 V]的形式，这里V是一个列矢量，则模式P1是模式P2的其中一个父块。
频谱可用状态转移率定义如下：
R(P1→P2)＝M(P2)/M(P1)
其中，M(P1)、M(P2)分别代表模式P1与模式P2的匹配数。那么下一个时隙的频谱可用情况会以概率R(P1→P2)与列矢量V匹配。基于以上预测规则，网络管理中心完成下一时隙或者未来多个时隙的频谱可用情况预测。
参阅图3。若卫星移动通信***在通信过程中受干扰，用户终端获取子区域内用户链路下行信号频谱信息，并将频谱信息上报至信关站，同时卫星也具备频谱感知与干扰检测能力，获取子区域内用户链路上行信道频谱信息，同样将频谱信息上报至信关站；信关站接收不同用户链路的感知与识别结果，结合点波束编号、时隙、频带、干扰强度等信息构建区域多维频谱地图，并将构建的区域频谱地图分发至网络管理中心；网络管理中心构建该***完整频谱地图，采用频繁模式挖掘算法，对卫星移动通信***内的频谱可用情况进行预测，并基于预测结果及用户QoS(QualityofService)需求，确定调配方案；网络管理中心将干扰规避调配方案下发至相应信关站，信关站生成调配指令，并将调配指令传至卫星和用户终端，卫星和用户终端反馈调配指令接收响应，由信关站返回再次确认信息至卫星及用户终端，卫星及用户终端根据调配指令进行参数重配置，完成***干扰规避。
根据网络管理中心频谱可用情况预测结果，基于用户QoS需求，网络管理中心调配方案主要分为两类，即对受干扰用户资源重分配，或者对受干扰用户及卫星的频谱资源同时重新调配。若***点波束内仅受多载频或窄带干扰，可通过寻呼信道对受干扰用户的资源重分配即可，卫星转发器工作频段保持不变；若点波束整个工作频段干扰严重，需通过控制信令对卫星转发器的工作频段进行重调配，同时利用寻呼信道完成受干扰用户在新的工作频段下的资源调配。
(a)用户频谱资源重分配
首先信关站通过寻呼信道生成控制指令，其中控制指令中包含对用户终端业务频段的重分配，卫星通过转发器将控制指令转发至用户终端；用户终端解析并响应寻呼，调整通信参数，实现地面干扰规避，最终实现用户之间正常通信。
(b)用户及卫星频谱资源同时重分配
首先信关站生成星上工作状态控制指令，通过安全性等级高的专用独立信道，将控制指令发送至卫星；卫星返回确认信息并解析指令，完成星上工作参数重配置；信关站通过寻呼信道生成终端通信状态控制指令，其中控制指令中包含对用户终端业务频段及时隙的重分配；卫星通过转发器将控制指令转发至用户终端，用户终端响应寻呼，调整通信参数，完成地面干扰规避，最终实现用户之间正常通信。
以上所述仅是实现基于光纤链路的数据同步传输方法的优选实施方案，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于频谱地图的卫星通信***用户链路干扰规避方法，其特征在于包括如下步骤：数据采集与预处理：用户终端依次完成对通信信号采集、频谱感知及干扰识别，并将提取的用户链路下行信道的频谱地图信息进行组帧上报，通过卫星转发器将该信息透明转发至信关站，对用户链路上行信道进行频谱地图信息获取，并将信息发送至信关站；频谱地图构建与分发：信关站接收不同用户链路的感知与识别结果，结合点波束编号、时隙、频带、干扰强度信息构建区域多维频谱地图，并将构建的区域频谱地图分发至网络管理中心，实现网络内不同信关站频谱地图的汇聚，构建卫星移动通信***内完整频谱地图；频谱可用情况预测：网络管理中心建立多维标注的频谱数据库，采用频繁模式挖掘算法对卫星移动通信***内的频谱可用情况进行预测；干扰规避决策生成：网络管理中心基于预测结果及用户QoS需求，选择仅对受干扰用户资源重分配，或者对受干扰用户及卫星的频谱资源同时重新调配，并将生成的干扰规避策略下发至相应信关站；星地联合频谱资源调配：若卫星移动通信***点波束内仅受多载频或窄带干扰，信关站通过寻呼信道对受干扰用户的资源重分配，卫星转发器工作频段保持不变；若点波束整个工作频段干扰严重，信关站通过控制信令对卫星转发器的工作频段进行重调配，同时利用寻呼信道完成受干扰用户在新的工作频段下的资源调配，实现干扰规避。
2.如权利要求1所述的基于频谱地图的卫星通信***用户链路干扰规避方法，其特征在于：用户终端UE1依次完成下行信道的信号采集、频谱感知及干扰识别，将提取的信号特征进行组帧上报处理，通过卫星转发器透明转发至信关站，同时卫星也具备频谱感知及干扰检测功能，对用户UE2上行信道进行频谱信息获取，并将信息下发至信关站；由信关站构建覆盖区域的多维频谱地图，并将频谱地图信息传输至网络管理中心；网络管理中心汇聚整个网络的频谱地图信息，完成该***频谱地图的构建。
3.如权利要求2所述的基于频谱地图的卫星通信***用户链路干扰规避方法，其特征在于：多维频谱地图所描述的要素分为四类，包括地理特征数据库、频段业务数据库、信道特征数据库以及相应的版本信息；其中地理特征要素包含了波束编号、子区域编号，以子区域为单位的频谱地图建立；频段业务数据库记录所述子区域内频段划分、业务类型；信道特征数据库包含子区域内信道编号、时隙和干扰强度的信道特征，用于可用信道分析及预测；版本信息记录频谱地图的更新时间和下发时间，以辅助频谱地图的分发。
4.如权利要求1所述的基于频谱地图的卫星通信***用户链路干扰规避方法，其特征在于：频繁模式挖掘算法对卫星移动通信***内的频谱可用情况进行预测时，网络管理中心首先找到频繁模式，然后找到这些频繁模式之间的联系，对频繁模式联系规则进行挖掘，利用数据挖掘技术，完成下一时隙或者未来多个时隙的用户频谱可用情况预测，根据预测结果指导受干扰用户空闲频段选择。
5.如权利要求4所述的基于频谱地图的卫星通信***用户链路干扰规避方法，其特征在于：网络管理中心针对不同的业务类型，建立输入矩阵Q，
其中，aj,m,n代表不同业务类型在当前状态下信道可用与否，可用为1，否则为0，j表示业务类型，m表示信道数，n表示时隙数。
6.如权利要求4所述的基于频谱地图的卫星通信***用户链路干扰规避方法，其特征在于：若模式P1与模式P2均为***有效模式，卫星移动通信***频谱用状态转移率定义为：R(P1→P2)＝M(P2)/M(P1)，下一个时隙的频谱可用情况以概率R(P1→P2)与列矢量V匹配，基于以上预测规则，网络管理中心完成下一时隙或者未来多个时隙的频谱可用情况预测，其中，M(P1)、M(P2)分别代表模式P1与模式P2的匹配数。
7.如权利要求1所述的基于频谱地图的卫星通信***用户链路干扰规避方法，其特征在于：网络管理中心将干扰规避调配方案下发至相应信关站，信关站生成调配指令，并将调配指令传至卫星和用户终端，卫星和用户终端反馈调配指令接收响应，由信关站返回再次确认信息，发至卫星及用户终端，卫星及用户终端根据调配指令进行参数重配置，完成***干扰规避。
8.如权利要求7所述的基于频谱地图的卫星通信***用户链路干扰规避方法，其特征在于：基于用户QoS需求，网络管理中心调配方案分为两类，即对受干扰用户资源重分配或者对受干扰用户及卫星的频谱资源同时重新调配，若卫星移动通信***点波束内仅受多载频或窄带干扰，则通过寻呼信道对受干扰用户的资源重分配；若点波束整个工作频段干扰严重，则通过控制信令对卫星转发器的工作频段进行重调配，同时利用寻呼信道完成受干扰用户在新的工作频段下的资源调配。
9.如权利要求8所述的基于频谱地图的卫星通信***用户链路干扰规避方法，其特征在于：在用户频谱资源重分配中，信关站通过寻呼信道生成控制指令，其中控制指令中包含对用户终端业务频段的重分配，卫星通过转发器将控制指令转发至用户终端；用户终端解析并响应寻呼，调整通信参数，实现地面干扰规避，最终实现用户之间正常通信。
10.如权利要求8所述的基于频谱地图的卫星通信***用户链路干扰规避方法，其特征在于：在用户及卫星频谱资源同时重分配中，信关站生成星上工作状态控制指令，通过安全性等级高的独立信道，将控制指令发送至卫星；卫星返回确认信息并解析指令，完成星上工作参数重配置；信关站通过寻呼信道生成终端通信状态控制指令，其中控制指令中包含对用户终端业务频段及时隙的重分配；卫星通过转发器将控制指令转发至用户终端，用户终端响应寻呼，调整通信参数，完成地面干扰规避，最终实现用户之间正常通信。
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