CN110519695B - 一种数据库辅助的卫星***与地面蜂窝网络频谱共享方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种数据库辅助的卫星***与地面蜂窝网络频谱共享方法。该方法为：首先卫星通过下行链路向地面站广播其波束覆盖范围和过顶时间，波束覆盖范围信息和过顶时间信息形成卫星轨迹数据库；然后地面站与地面蜂窝网络共享卫星轨迹数据库；最后当蜂窝基站需要接入毫米波频段进行频谱共享时，蜂窝基站将自己的位置信息发送给卫星轨迹数据库，卫星轨迹数据库向蜂窝基站反馈其最大可用发射功率。本发明方法简单、时延可控，降低了卫星链路的中断概率，提高了频谱机会的利用率，并且提升了地面蜂窝网络的吞吐量。

Description

一种数据库辅助的卫星***与地面蜂窝网络频谱共享方法

技术领域

本发明属于频谱共享技术领域，特别是一种数据库辅助的卫星***与地面蜂窝网络频谱共享方法。

背景技术

目前无线电***主要利用3MHz-3GHz的频谱资源进行工作，3MHz-3GHz的频谱资源由于众多无线电***使用，已经接近于饱和，短期内难以进一步提升该频段的频谱利用率。在3GHz以上，大量频谱资源被分配给卫星***，一方面，分配给卫星***的频谱资源尚未得到充分利用；另一方面，通过复用3GHz以上毫米波频段的一小部分频谱资源，即可使通信容量提高数十倍。早期，由于频率相对较高，例如K波段(18-27GHz)和Ka波段(27-40GHz)，卫星频段很少部署其他无线电业务***。当前，第5代(5G)宽带蜂窝通信网络正在探索利用毫米波频段频谱资源，对毫米波频段频谱资源的需求大大提高。与目前的蜂窝***相比，毫米波频段频谱资源的复用能够解决地面蜂窝网络频谱资源紧缺的问题。以低地球轨道(LowEarth Orbit,LEO)和中地球轨道(Medium Earth Orbit,MEO)卫星为例，LEO或MEO卫星的典型轨道高度为200km至20000km，相当于1.5-12小时的轨道周期和7-300分钟的过顶时间，如果地面蜂窝网络准确避开LEO或MEO卫星的过顶时间，即可获得大量的频谱接入机会。

鉴于此，亟待对卫星***和地面蜂窝网络进行毫米波频段的共存分析。在该方向已有一些研究结果：为了防止地球站受到地面蜂窝网络的干扰，K.An等人(K.An,J.Ouyang,M.Lin,and T.Liang,“Outage analysis of multi-antenna cognitive hybridsatellite-terrestrial relay networks with beamforming,”IEEE Commun.Lett.,vol.17,no.7,pp.1344-1347,Jul.2014.)在干扰温度约束条件下研究了多天线波束成形的约束机制；K.An等人(K.An,M.Lin,W.P.Zhu,Y.Huang,and G.Zheng,“Outage performanceof cognitive hybrid satellite terrestrial networks with interferenceconstraint,”IEEE Trans.Veh.Technol.,vol.65,no.11,pp.9397-9404,Nov.2016.)在干扰约束下对认知卫星地面网络的中断概率进行了分析；E.Lagunas等人(E.Lagunas,S.K.Sharma,S.Maleki,S.Chatzinotas,and B.Ottersten,“Resource allocation forcognitive satellite communications with incumbent terrestrial networks,”IEEETrans.Cognitive Commu.And Networking,vol.1,no.3,pp.305-317,Sept.2015.)以干扰电平为主要性能指标分析了卫星***与地面蜂窝网络的毫米波频段频谱共享带来的关键性能提升。然而，现有工作大部分集中在性能分析和关键参数的推导上，如何在卫星***和地面蜂窝网络之间实现可靠的毫米波频谱共享仍未得到解决。因此，如何在充分保护卫星链路不受干扰的前提下，避开LEO或MEO卫星的过顶时间，获得空-时频谱接入机会，具有重要的应用价值。

然而，卫星信号微弱且易受到干扰，在没有专用的卫星天线对卫星信号进行高增益接收时，地面蜂窝网络无法通过频谱感知确定卫星信号是否存在，即卫星是否过顶。如果地面蜂窝网络用户在卫星过顶期间漏检测卫星信号，仍然使用与卫星***相同的频率复用毫米波频谱资源，则会对卫星链路造成严重干扰甚至导致卫星链路中断。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高可靠、低时延、低复杂度的数据库辅助的卫星***与地面蜂窝网络频谱共享方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种数据库辅助的卫星***与地面蜂窝网络频谱共享方法，包括以下步骤：

步骤1、卫星通过下行链路向地面站广播波束覆盖范围和过顶时间，波束覆盖范围信息和过顶时间信息形成卫星轨迹数据库；

步骤2、地面站与地面蜂窝网络共享卫星轨迹数据库；

步骤3、当蜂窝基站需要接入毫米波频段进行频谱共享时，蜂窝基站将自己的位置信息发送给卫星轨迹数据库，卫星轨迹数据库向蜂窝基站反馈最大可用发射功率。

进一步地，步骤1所述的卫星通过下行链路向地面站广播波束覆盖范围和过顶时间，波束覆盖范围信息和过顶时间信息形成卫星轨迹数据库，具体如下：

卫星通过下行链路向地面站广播该卫星的波束覆盖范围和过顶时间，波束覆盖范围信息和过顶时间信息形成卫星轨迹数据库，当地球站接收到卫星信号时，表明LEO或MEO卫星正在过顶，且地球站处于该LEO或MEO卫星的波束覆盖范围之内。

进一步地，步骤2所述的地面站与地面蜂窝网络共享卫星轨迹数据库，具体如下：

地球站接收到卫星广播的波束覆盖范围信息和过顶时间信息后，通过4G移动网络将该卫星的波束覆盖范围信息和过顶时间信息存入卫星轨迹数据库，卫星***和地面蜂窝网络共享卫星轨迹数据库的信息。

进一步地，步骤3所述的当蜂窝基站需要接入毫米波频段进行频谱共享时，蜂窝基站将自己的位置信息发送给卫星轨迹数据库，卫星轨迹数据库向蜂窝基站反馈最大可用发射功率，具体如下：

卫星轨迹数据库根据蜂窝基站的位置和波束覆盖区域中心位置，计算出蜂窝基站到波束覆盖区域中心的距离d；设定当LEO或MEO卫星过顶时，点波束的覆盖范围是半径为R_SAT的圆形区域，范围大小由LEO或MEO卫星的3dB波束角度φ_3dB确定；R_CBS为由地球站灵敏度决定的半径，则有：

(1)当d≤R_SAT时，卫星轨迹数据库禁止蜂窝基站进行毫米波频段的星地频谱共享；

(2)当R_SAT＜d≤R_CBS时，卫星轨迹数据库向蜂窝基站反馈最大无中断发射功率(MOFTP)，卫星轨迹数据库通过求解下面的优化问题得到MOFTP：

该优化问题是一个非凸的非线性优化问题，P_CBS,peak表示峰值发射功率，P_CBS属于有限区间P_CBS∈[0,P_CBS,peak]，通过穷举法得到MOFTP，即

蜂窝基站必须采用小于

的发射功率进行数据传输；其中，C(P_CBS)为蜂窝基站采用MOFTP传输数据时蜂窝基站的吞吐率；

(3)当d＞R_CBS时，卫星轨迹数据库向蜂窝基站反馈峰值发射功率P_CBS,peak，允许蜂窝基站采用峰值发射功率P_CBS,peak传输数据。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)通过共享波束覆盖范围和过顶时间信息，使地面蜂窝网络实现了对卫星信号的可靠发现，使卫星链路在免于地面蜂窝网络干扰的前提下进行毫米波频段频谱资源共享，降低了卫星链路的中断概率；(2)方案简单、时延可控，蜂窝基站只需将地理位置发送给数据库，即可得到数据库反馈的蜂窝基站最大可用发射功率；(3)通过对卫星链路的充分保护和低复杂度的共享策略设计，提高了频谱机会的利用率，提升了地面蜂窝网络的吞吐量。

附图说明

图1是本发明数据库辅助的卫星***与地面蜂窝网络频谱共享方法的网络场景示意图。

图2是本发明数据库辅助的卫星***与地面蜂窝网络的频谱共享方法的流程框图。

图3是本发明实施例中卫星链路中断概率与蜂窝基站到波束覆盖中心距离的关系曲线图。

图4是本发明实施例中卫星***平均吞吐率与蜂窝基站到波束覆盖中心距离的关系曲线图。

图5是本发明实施例中蜂窝网络平均吞吐率与蜂窝基站到波束覆盖中心距离的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提出数据库辅助的卫星***与地面蜂窝网络频谱共享方法，LEO或MEO卫星通过卫星下行链路向地面站广播其波束覆盖区域和过顶时间，波束覆盖区域信息和过顶时间信息形成卫星轨迹数据库，地面站与地面蜂窝网络共享该数据库，蜂窝基站(CellularBase Station,CBS)将其地理位置发送给卫星轨迹数据库，得到卫星轨迹数据库反馈的蜂窝基站最大可用发射功率，在卫星轨迹数据库的辅助下实现卫星***与地面蜂窝网络在毫米波频段的频谱共享。

数据库辅助的卫星***与地面蜂窝网络频谱共享的网络场景如图1所示，地面蜂窝网络在充分保护卫星链路不受干扰的前提下复用分配给卫星***的毫米波频段频谱资源，故设定使用卫星链路的地球站为主用户，使用地面蜂窝网络的蜂窝基站和手持终端为次用户；设定当LEO或MEO卫星过顶时，其点波束的覆盖范围是半径为R_SAT的圆形区域，范围大小由LEO或MEO卫星的3dB波束角度φ_3dB确定；波束覆盖区域范围内的蜂窝基站可以接收到LEO或MEO卫星信号，波束覆盖区域范围外的蜂窝基站则接收不到LEO或MEO卫星信号；

如果地球站在LEO或MEO卫星的波束覆盖范围内，则认为该卫星链路被激活，即主用户处于在使用状态(PU＝1)，波束覆盖区域范围内的蜂窝网络用户禁止通过频谱共享的方式复用分配给卫星***的毫米波频段频谱资源；

如果地球站在LEO或MEO卫星的波束覆盖范围外，则认为该卫星链路未被激活，即主用户处于空闲状态(PU＝0)，波束覆盖区域范围内的蜂窝网络用户可以通过频谱共享的方式复用分配给卫星***的毫米波频段频谱资源。

设定d为蜂窝基站到波束覆盖区域中心的距离，当LEO或MEO卫星过顶时，如果d≤R_SAT，则禁止蜂窝网络用户以频谱共享的方式复用分配给卫星***的毫米波频段频谱资源，如附图1中的蜂窝基站1及其手持终端用户；如果d＞R_CBS，则允许蜂窝网络用户以频谱共享的方式复用分配给卫星***的毫米波频段频谱资源，R_CBS为由地球站灵敏度决定的半径，即部署在该半径上的地球站与LEO或MEO卫星之间的卫星链路不会中断，如附图1中的蜂窝基站3及其手持终端用户，此时，蜂窝基站3及其手持终端用户可以其峰值功率P_CBS,peak传输数据；如果R_SAT＜d≤R_CBS，则需要在控制蜂窝网络用户的发射功率防止对卫星链路造成干扰的前提下，允许蜂窝网络用户以频谱共享的方式复用分配给卫星***的毫米波频段频谱资源，如图1中的蜂窝基站2及其手持终端用户。

星地频谱共享中传统的时域频谱接入机会可以表示为如下的二进制假设检验问题：

其中H₀表示卫星链路已激活，H₁表示卫星链路未激活，x[m]表示地球站接收的第m次采样信号，s[m]表示LEO或MEO卫星的下行信号，m＝1,2,...,M；P_SAT(h)＝P_t·G_t·ξ(h)为地球站接收的卫星下行信号功率，其中P_t为卫星下行信号的发射功率，G_t为卫星天线的波束增益，ξ(h)为卫星轨道高度h决定的路径衰减因子；ω[m]表示噪声分量的采样值，设定

在星地频谱共享网络场景中，由于蜂窝基站到卫星波束覆盖中心的距离不同，从而产生了空域频谱接入机会，将空域频谱接入机会表示为如下的二进制假设检验问题：

其中S₀表示对于d＞R_CBS的蜂窝基站及其手持终端用户存在空域频谱接入机会；S₁表示对于d≤R_SAT的蜂窝基站及其手持终端用户不存在空域频谱接入机会，将上述的时域频谱接入机会和空域频谱接入机会结合起来，得到星地频谱共享中的空-时频谱接入机会，则星地频谱共享中的空-时频谱接入机会可建模为：

其中O₀表示存在空-时频谱共享机会，O₁表示不存在空-时频谱共享机会，可见O₀＝H₀∪S₀，即当LEO或MEO卫星未过顶或d＞R_SAT时存在空-时频谱接入机会；O₁＝H₁∩S₁，即当LEO或MEO卫星过顶时，蜂窝基站及其手持终端用户位于波束覆盖范围内时，不存在空-时频谱接入机会。因此，如何准确地获取卫星过顶时间信息以及波束覆盖范围信息成为星地频谱共享中蜂窝网络获取频谱接入机会的关键。

结合图2，本发明数据库辅助的卫星***与地面蜂窝网络频谱共享方法，步骤如下：

步骤1、卫星通过下行链路向地面站广播其波束覆盖范围和过顶时间，波束覆盖范围信息和过顶时间信息形成卫星轨迹数据库，具体如下：

首先，LEO或MEO卫星总是通过下行链路向地球站广播其波束覆盖范围和过顶时间，当地球站接收到卫星信号时，表明LEO或MEO卫星正在过顶，且地球站处于该LEO或MEO卫星的波束覆盖范围之内。

步骤2、地面站与地面蜂窝网络共享卫星轨迹数据库，具体如下：

地球站接收到卫星广播的波束覆盖范围信息和过顶时间信息后，通过4G移动网络将LEO或MEO卫星的波束覆盖范围信息和过顶时间信息存入卫星轨迹数据库，卫星***和地面蜂窝网络共享卫星轨迹数据库的信息。

假设当数据速率小于预定的阈值C_out时，卫星链路即发生中断，

表示为保证卫星链路不中断的最低信干噪比(Signal Interference Noise Ratio,SINR)。显然，中断最有可能发生在从蜂窝基站至波束覆盖区域中心的连线与波束覆盖区域的交界处，将该交界处定义为最差情况的地球站位置(Worst Case Earth Station Position,WCESP)，如果部署在WCESP的地球站没有发生卫星链路中断，则更加靠近波束覆盖区域中心的地球站也不会发生卫星链路中断。根据上述推理，部署在WCESP的地球站的中断概率可以写为：

其中γ_ES表示WCESP处地球站的平均SINR，

为蜂窝基站在WCESP处的平均接收功率，其中P_CBS为蜂窝基站的发射功率，ξ(d-R_SAT)为d-R_SAT处的路径损耗，

和φ分别为中尺度阴影衰落因子和小尺度瑞利衰落因子。当地球站部署在WCESP时，为了避免地球站卫星链路发生中断，将此时蜂窝基站能够采用的最大发射功率定义为最大无中断发射功率(Maximum Outage-free Transmit Power,MOFTP)，则蜂窝基站的吞吐率可以写为：

C(P_CBS)＝(1-P₁)C₀+P₁(1-P_out,WCESP(P_CBS))C₁ (5)

其中P_out,WCESP(P_CBS)可根据(4)式计算，P₁＝T_PT/T_OP为卫星过顶概率，其中T_PT为为卫星过顶时间跨度，T_OP为卫星轨道周期，C₀和C₁分别为蜂窝基础部署在d＞R_CBS和R_SAT＜d≤R_CBS处的吞吐率，可写为：

其中N₀为噪声功率，

为蜂窝基站到手持终端的平均衰减因子。

因此，式(5)等号右边的第一项表示部署在d＞R_CBS的蜂窝基站以功率P_CBS,peak进行数据传输，第二项表示部署在R_SAT＜d≤R_CBS的蜂窝基站以P_CBS进行数据传输。

步骤3、当蜂窝基站需要接入毫米波频段进行频谱共享时，蜂窝基站将自己的位置信息发送给卫星轨迹数据库，卫星轨迹数据库向蜂窝基站反馈其最大可用发射功率，具体如下：

当蜂窝基站需要以频谱共享方式接入分配给卫星***的毫米波频段频谱资源进行数据传输时，蜂窝基站将自己的位置信息发送给卫星轨迹数据库，卫星轨迹数据库根据蜂窝基站的位置和波束覆盖区域中心的位置，计算出蜂窝基站到波束覆盖区域中心的距离d，设定当LEO或MEO卫星过顶时，点波束的覆盖范围是半径为R_SAT的圆形区域，范围大小由LEO或MEO卫星的3dB波束角度φ_3dB确定；R_CBS为由地球站灵敏度决定的半径，则有：

当d≤R_SAT时，卫星轨迹数据库要求蜂窝基站停止毫米波频段的星地频谱共享；

当R_SAT＜d≤R_CBS时，卫星轨迹数据库向蜂窝基站反馈最大无中断发射功率MOFTP，并通过求解下面的优化问题得到MOFTP：

该优化问题是一个非凸的非线性优化问题，因此难以给出解析形式的解，但是注意到P_CBS属于有限区间P_CBS∈[0,P_CBS,peak]，P_CBS,peak表示峰值发射功率，因此可以通过穷举法得到MOFTP，即

蜂窝基站必须采用小于

的发射功率进行数据传输；其中，C(P_CBS)为蜂窝基站采用MOFTP传输数据时蜂窝基站的吞吐率；

当d＞R_CBS时，卫星轨迹数据库向蜂窝基站反馈峰值发射功率P_CBS,peak，蜂窝基站可以采用峰值发射功率P_CBS,peak传输数据。

实施例1

下面结合实施例对数据库辅助的卫星***与地面蜂窝网络频谱共享中的关键性能指标进行评估，基本参数设置如表1所示：

表1性能评估的参数设置表

设置以下两种比较基准：

(1)基于蜂窝网络感知的星地频谱共享：蜂窝网络通过频谱感知确定卫星是否正在过顶。当蜂窝基站检测到卫星信号时，表明卫星正在过顶，且蜂窝基站部署在卫星波束覆盖区域内，蜂窝基站立即停止与卫星***共享毫米波频段的频谱资源，并切换到其他频段。由于卫星信号较弱且难以准确检测，因此设定对卫星信号的检测概率和虚警概率分别为0.9和0.1。

(2)基于地球站感知的星地频谱共享：地球站通过频谱感知确定卫星是否正在过顶。当地球站检测到卫星信号时，表明卫星正在过顶，且地球站部署在卫星波束覆盖区域内，则地球站立即与地面蜂窝网络共享该信息。然后，波束覆盖区域内或覆盖区域附近的蜂窝基站在确保卫星链路不中断的前提下调整发射功率。由于地球站具有卫星信号的一些先验信息，因此设定对卫星信号的检测概率和虚警概率分别设置为0.95和0.05。

图3给出了三种星地频谱共享下卫星链路中断概率与蜂窝基站到波束覆盖中心距离的关系，较高的卫星链路中断概率表明仅仅通过频谱感知检测卫星信号是不可靠的。由于在卫星波束覆盖区域附近和波束覆盖区域外部署的蜂窝基站无法检测到卫星信号，因此以峰值功率传输数据，导致卫星链路被严重中断。当数据库辅助的卫星***与地面蜂窝网络频谱共享方法通过卫星轨迹数据库建立协调机制之后，从基于地球站感知的星地频谱共享和数据库辅助的星地频谱共享的对比可见中断概率得到显着降低。此外，当采用数据库辅助的星地频谱共享方案时，卫星链路中断概率减小到零，表明了对卫星链路的充分保护。

图4给出了卫星***平均吞吐率与蜂窝基站到波束覆盖中心距离的关系。由于对卫星链路的充分保护，数据库辅助的卫星***与地面蜂窝网络频谱共享方法下卫星***平均吞吐率显著优于基于蜂窝网络/地球站感知的星地频谱共享的平均吞吐率。此外，随着蜂窝基站到波束覆盖中心距离的增加，三种方案的卫星***平均吞吐率均略有增加。

图5给出了蜂窝网络平均吞吐率与蜂窝基站到波束覆盖中心距离的关系。由于数据库辅助的卫星***与地面蜂窝网络频谱共享方法中发射功率的限制比基于地球站感知的星地频谱共享方案更严格，因此在波束覆盖区域附近蜂窝网络的平均吞吐量较低；随着蜂窝基站到波束覆盖中心距离的增加，数据库辅助的卫星***与地面蜂窝网络频谱共享方法中蜂窝基站的平均吞吐率逐渐增加，直到超过基于地球站感知的星地频谱共享方案中蜂窝基站的平均吞吐率。对于基于蜂窝网络感知的星地频谱共享方案和基于地球站感知的星地频谱共享方案，其吞吐量在蜂窝基站到波束覆盖中心距离增加时保持不变，表明波束覆盖范围不影响这两种方案中蜂窝基站的发射功率。

Claims (4)

1.一种数据库辅助的卫星***与地面蜂窝网络频谱共享方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、卫星通过下行链路向地面站广播波束覆盖范围和过顶时间，波束覆盖范围信息和过顶时间信息形成卫星轨迹数据库；

步骤2、地面站与地面蜂窝网络共享卫星轨迹数据库；

步骤3、当蜂窝基站需要接入毫米波频段进行频谱共享时，蜂窝基站将自己的位置信息发送给卫星轨迹数据库，卫星轨迹数据库向蜂窝基站反馈最大可用发射功率。

2.根据权利要求1所述的数据库辅助的卫星***与地面蜂窝网络频谱共享方法，其特征在于，步骤1所述的卫星通过下行链路向地面站广播波束覆盖范围和过顶时间，波束覆盖范围信息和过顶时间信息形成卫星轨迹数据库，具体如下：

卫星通过下行链路向地面站广播该卫星的波束覆盖范围和过顶时间，波束覆盖范围信息和过顶时间信息形成卫星轨迹数据库，当地面站接收到卫星信号时，表明LEO或MEO卫星正在过顶，且地面站处于该LEO或MEO卫星的波束覆盖范围之内。

3.根据权利要求1所述的数据库辅助的卫星***与地面蜂窝网络频谱共享方法，其特征在于，步骤2所述的地面站与地面蜂窝网络共享卫星轨迹数据库，具体如下：

地面站接收到卫星广播的波束覆盖范围信息和过顶时间信息后，通过4G移动网络将该卫星的波束覆盖范围信息和过顶时间信息存入卫星轨迹数据库，卫星***和地面蜂窝网络共享卫星轨迹数据库的信息。

4.根据权利要求1所述的数据库辅助的卫星***与地面蜂窝网络频谱共享方法，其特征在于，步骤3所述的当蜂窝基站需要接入毫米波频段进行频谱共享时，蜂窝基站将自己的位置信息发送给卫星轨迹数据库，卫星轨迹数据库向蜂窝基站反馈最大可用发射功率，具体如下：

卫星轨迹数据库根据蜂窝基站的位置和波束覆盖区域中心位置，计算出蜂窝基站到波束覆盖区域中心的距离d；设定当LEO或MEO卫星过顶时，点波束的覆盖范围是半径为R_SAT的圆形区域，范围大小由LEO或MEO卫星的3dB波束角度φ_3dB确定；R_CBS为由地面站灵敏度决定的半径，则有：

(1)当d≤R_SAT时，卫星轨迹数据库禁止蜂窝基站进行毫米波频段的星地频谱共享；

(2)当R_SAT＜d≤R_CBS时，卫星轨迹数据库向蜂窝基站反馈最大无中断发射功率(MOFTP)，卫星轨迹数据库通过求解下面的优化问题得到MOFTP：

该优化问题是一个非凸的非线性优化问题，P_CBS,peak表示峰值发射功率，P_CBS为蜂窝基站的发射功率，P_CBS属于有限区间P_CBS∈[0,P_CBS,peak]，通过穷举法得到MOFTP，即

蜂窝基站必须采用小于

的发射功率进行数据传输；其中，C(P_CBS)为蜂窝基站采用MOFTP传输数据时蜂窝基站的吞吐率；

(3)当d＞R_CBS时，卫星轨迹数据库向蜂窝基站反馈峰值发射功率P_CBS,peak，允许蜂窝基站采用峰值发射功率P_CBS,peak传输数据。

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