基于多波束卫星系统的跳波束技术研究
卫星跳波束资源分配综述
卫星跳波束资源分配综述唐璟宇;李广侠;边东明;胡婧【摘要】卫星跳波束技术可在空间、时间、频率和功率四个维度上进行资源分配,以其优越的灵活性、资源利用效率以及适应地面业务动态变化的能力,在高通量卫星系统中展现出良好的适用性.梳理了卫星跳波束资源分配算法,分析了现有分配算法的特点和不足,并以低轨卫星星座系统的场景和需求为着眼点,提出了跳波束技术应用于低轨卫星星座系统上的有意义的研究点.【期刊名称】《移动通信》【年(卷),期】2019(043)005【总页数】6页(P21-26)【关键词】高通量卫星;低轨卫星星座系统;跳波束;资源分配;共信道干扰【作者】唐璟宇;李广侠;边东明;胡婧【作者单位】中国人民解放军陆军工程大学,江苏南京 210001;中国人民解放军陆军工程大学,江苏南京 210001;中国人民解放军陆军工程大学,江苏南京 210001;中国人民解放军陆军工程大学,江苏南京 210001【正文语种】中文【中图分类】TN9271 引言多波束天线技术作为宽带卫星通信系统的必选技术之一，已经在众多的实际卫星通信系统中得到广泛的应用。
传统多波束卫星将带宽和功率均匀分配给各个点波束，但由于地面业务的分布和需求是非均匀的，导致卫星系统的资源利用率不高，实际通信容量大打折扣。
为了解决卫星资源需求和配置不匹配的问题，在传统多波束的基础上发展起来了灵活载荷（FP, Flexible Payload）多波束和跳波束（BH, Beam Hopping）。
众多文献资料表明，跳波束卫星系统相较于非跳波束卫星系统在资源分配方面具有更优异的性能。
PieroAngeletti[1]分析了通过引入跳波束技术对多波束透明转发卫星系统性能提升的效果，利用遗传算法设计最佳匹配业务需求的跳波束方案。
Anzalchi[2]在Angeletti研究工作的基础上，以ESA DDSO（Digital Divide Satellite Offer）给出的未来欧洲业务需求分布为标准，评估了Ka频段卫星中使用跳波束技术和不使用跳波束技术两者之间的性能对比。
多波束卫星通信系统波束干扰下的资源分配策略研究
的容量计算模型来对功率进行优化． 其中，文献［ ５⁃７］ 仅是优化功率，
没有考虑到带宽的灵活分配，对带宽资源造成了一定的浪费．文献［８］
构建了一种资源分配模型对功率和频带做联合优化；文献［９］ 和文献
［１０］ 在基于点波束干扰的前提下，分别提出一种功率和带宽联合分
向为卫星通信．ｐｅｎｇ．ｌｉ＠ ｎｕｉｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
１ 南京信息工程大学 电子与信息工程学院，
南京，２１００４４
种以二阶业务未服务量 ［７］ 作为优化目标函数的功率带宽联合优化算
法，约束了卫星的最大传输时延和干扰功率，优化系统容量，逼近业
务需求量，并且利用拉格朗日对偶理论和次梯度下降法获得了此算
Ｔｉ
（１ － ｅ ｉ ） Ｄ ｉ
ｉ
ｉ
－ Ｃｉ ） ２ ，
，
（８）
（９）
（１０）
Ｐ ｉ ≤ Ｐ ｔｏｔａｌ ，
∑ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ｉ＝１
（１１）
Ｎ
Ｗ ｉ ≤ Ｗ ｔｏｔａｌ ，
∑
ｉ＝１
（１２）
Ｎ
Ｐ ｉ ｇ ｉ ≤ Ｐ ｉｎｔ ，
∑
ｉ＝１
引入非负对偶变量 ρ，λ，μ 和 ν， 可以得到联合
Ｎ
（ Ｔｉ
∑
ｉ＝１
Ｎ
（１３）
Ｔ
ｉ
总传输速率，降低了点波束业务需求与
所分配通信资源之间的差值，最大化满
足用户通信业务需求；在噪声功率谱密
度不同的信道条件下，本文提出的算法
仍保持较好的公平性．
关键词
卫星通信；多波束；波束干扰；资源
优化；时延；干扰功率
中图分类号 ＴＮ９２７ ２
关于卫星跳波束系统的几点思考
可以表示为:波束 1→波束 2→波束 N→波束 1→波 束 2→波束 N。 图中仅给出了一个波束簇内同一时 刻单一波束的跳变情况,实际系统中一个波束簇内可 有多个波束同时跳变。 跳波束系统多用在宽带卫星 的前向链路,即业务流的主要方向[12] 。 下面以前向 链路为例,分析跳波束系统中各个组成部分的作用。
关键词:跳波束;跳波束控制器;资源分配;时间同步;地面验证 中图分类号:TB330. 1 文献标识码:A 文章编号:1674-7135(2021)01-0008-06 D O I:10. 3969 / j. issn. 1674-7135. 2021. 01. 002
A Study of Beam-hopping Technology in Satellite Systems
图 2 跳波束系统前向链路处理流程 Fig. 2 Forward link processing of beam hopping system
跳波束控制器和开关矩阵,如图 2 所示。 跳波束控 制器用于解析网关生成的波束跳变指令,并控制开 关矩阵或波束形成网络实现波束的切换。 文献[1] 在 ACTS 项 目 中 采 用 单 个 行 波 管 ( Traveling Wave Tube,TWT) 产生单个波束,通过在辐射馈源前加入 开关矩阵,利用馈源的选通达到波束跳变的目的,即 采用图 2 中跳波束控制器→开关矩阵→发射天线的 技术路线。 文献[2]在文献[1] 的基础上,采用相控 阵天线方案,通过波束形成网络中的移相器形成不 同的波束,从而实现波束的跳变,即采用图 2 中,跳 波束控 制 器 → 波 束 形 成 网 络 → 发 射 天 线 的 技 术 路 线。 两种方案各有侧重:切换馈源的方案,控制器设 计简单,但多个馈源只有一个工作,造成一定的资源 浪费;相控阵天线方案中,共用多个馈源和功放,提 高了星上资源利用率,难点在于波束形成网络设计 比较复杂。
一种适用于大规模多层低轨卫星星座的协作跳波束方法
一种适用于大规模多层低轨卫星星座的协作跳波束方法引言随着科技的不断进步，卫星通信技术在现代通信中扮演着至关重要的角色。
面向大规模多层低轨卫星星座的通信系统设计，跳波束方法被广泛应用以提高信号传输效率和性能。
本文旨在介绍一种适用于大规模多层低轨卫星星座的协作跳波束方法，以满足业务的高要求。
卫星星座与跳波束方法的背景卫星星座是由一组在不同轨道上运行的卫星组成的网络系统。
在大规模多层低轨卫星星座中，卫星之间的通信涉及到多跳传输，这就需要一种高效的方法来实现信号的传输与协作。
跳波束方法是一种基于波束赋形和协作通信的技术，通过跳跃式的波束取向和协作传输，极大地提高了通信系统的性能，并减少了传输延迟。
在大规模多层低轨卫星星座中，跳波束方法被广泛应用以应对高流量和高频率的通信需求。
协作跳波束方法的原理协作跳波束方法是通过卫星之间的跳跃式波束取向和协作传输实现的。
具体步骤如下：波束赋形1.：每个卫星都使用波束赋形技术，即根据接收到的信号进行波束取向，以最大限度地接收和传输信号。
跳跃式波束取向2.：当一个卫星接收到信号后，根据接收到的信号以及信号传输路径的信息，选择一个最佳的波束取向，并将信号传输给下一个卫星。
协作传输3.：下一个卫星接收到信号后，继续进行波束赋形和波束取向，并将信号传输给下下个卫星。
这种跳跃式的协作传输方式可极大地减少传输延迟和信号损失。
协作跳波束方法的优势协作跳波束方法在大规模多层低轨卫星星座中具有以下优势：高效的信号传输1.：通过跳跃式的波束取向和协作传输，卫星之间可以高效地传输信号，提高通信系统的整体性能。
降低传输延迟2.：跳波束方法减少了信号传输的跳数，从而降低了传输延迟，适应对实时通信和高频率通信需求的应用场景。
减少信号损失3.：协作跳波束方法通过协作传输和波束赋形，最大程度地减少了信号在传输过程中的损失，提高了通信质量。
应用场景和展望协作跳波束方法广泛应用于大规模多层低轨卫星星座中。
基于LCMV的卫星导航多波束形成抗干扰技术
顺利开展工作。
3 卫星导航抗干扰技术分析
常见的卫星导航抗干扰技术主要有虚拟卫星法、天线抗 干扰法、扩展谱频抗干扰法、调频抗干扰、光通信抗干扰、编码 调制法、PSK 卫星导航抗干扰技术以及限幅抗干扰技术。近年 来，LCMV 技术应用下的卫星导航技术应用控制得到了全面 的应用，其主要是针对抗干扰波束进行的一种干扰技术排除， 通过这种技术排除控制，能够为整体技术应用控制性能提升 奠定基础，促进了卫星导航技术应用发展性能提升[2]。
the anti-jamming technology of satellite navigation is of great significance for improving the signal transmission capability of satellite. The
multi-beamforming anti-jamming technology of satellite navigation based on LCMV is analyzed, so as to improve the capability of satellite
但是在多波束形成抗干扰技术进行抗干扰处理过程中， 要正确认识到抗干扰因素中的偏差，可以按照矢量约束机制
165
中小企业管理与科技
Management &Technology of SME
开展技术处理，从而更好地消除干扰因素的影响。
4.2 基于 LCMV 的卫星导航多波束形成抗干扰仿真实验
4.2.1 均匀线阵 在技术应用实验过程中，要将卫星导航多波束形成抗干
基于深度学习的多波束卫星通信系统中动态波束调度技术研究
基于深度学习的多波束卫星通信系统中动态波束调度技术研究________________________________□朱倪瑶张波中国人民解放军92728部队互联网+通信nternet Communication ______________________________________________________【摘要】针对多波束技术为卫星通信系统带来更大用户容量，提升覆盖能力的同时，也面临波束控制难度高、资源浪费的问题。
本文简要阐述了多波束天线的工作原理与波束调度方法，并基于深度学习分析了动态波束调度技术，在未考虑延时优化的前提下， 利用线性规划得到适用稳态实践平均值的波束调度技术，希望提升一般波束调度方案适应环境动态变化的能力。
【关键词】 多波束天线卫星通信系统动态波束调度深度学习引言：传统的固定多波束卫星通信系统普遍存在波束资源浪费 问题，所以有必要对全域动态波束调度技术进行研究，以此 大幅度提升系统的通信容量，满足地面用户对通信质量的需 求，进而达到改善无线通信能力的目的，实现多波束卫星通 信系统整体资源利用效率提升的目标。
一、多波束卫星通信系统研究1.1多波束天线的工作原理多波束天线中的每个天线均使用一个独立天线结构，卫 星通信系统配置多波束天线之后，可具有较高的系统吞吐量、 更加集中的波束能量，并且能够实现区域的全覆盖。
多波束 天线包括透镜、阵列等多种类型，其中，多波束透镜天线具 有较强的功率放大能力与重构天线方向图的能力，适用于军 事卫星。
多波束阵列天线是指在直接辐射的基础上，通过增 加一个反辐射面来提升资源利用效率，使得相位不同的电磁 波信号叠加成特定天线方向图之后，向卫星空间发射相应的 辐射单元，进而实现快速的波束跳变。
1.2波束调度方法的介绍多波束卫星通信系统中的波束调度，需要每一时刻都要 调整每个波束的方向，然后运用时分复用的方法，实现卫星 波束发射机减小的目标。
基于波束形成的卫星跳频系统干扰抑制研究
驻 留 时 间 干 扰 具 有 较 好 的抑 制 作 用 ， 且 提 高 了波 束 指 向精 度 及 波 束 收 敛速 度 。 并
关 键 词 ：卫 星 通 信 ；跳 频 ； 分 驻 留 时 间 干 扰 ； 扰 抑 制 部 干
中图 分 类 号 ：Ｔ ９ ４ ４ Ｔ ９ ２ １ Ｎ １ ． ： Ｎ ７ ． 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ —３ ８ ２ １ ） ８ １ ９ －６ ０ ０ １ ２ （ ０ １ ０ —７ ３０
（ ．南 京 理 工 大 学 自动 控 制 系 ， 京 ２０ ９ ；２ １ 南 １０ ４ ．沈 阳 理工 大 学信 息 科 学 与工 程 学 院 ，沈 阳 １０ ６ １ １８
３ 大 连 大 学 ，大 连 １６ ２ ． １ ６２）
摘
要 ：为 了 抑 制 干 扰 实 现 卫 星 的安 全 通 信 ， 先 分 析 了 各 种 干 扰 方 法 对 卫 星 跳 频 系统 干 扰 的 可 行 性 ， 点 首 重
Ｓ ｓｅ ｓ ｄ ｏ ａ ｆ ｒ ｉ ｙ ｔ ｍ Ｂａ ｅ ｎ Ｂｅ ｍ ｏ ｍ ｎｇ
Ｗ ＡＮＧ ｎ — ｉ ，Ｐ Ｈｏ ｇ ｘａ 一 ＡＮ ｅ ｇ ｓ ｎ Ｃｈ ｎ ．ｈｅ ｇ
（ ． ｃ ｏｌ ｆ ｕｏ ａｉ Ｄ ｐ ｒ ｎ ， ａ ｊ ｇＵ ｉｅ ｉ ｆ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ａ ｊ ｇ １ ０ ４ ｈｎ ； １ Ｓ ｈ ｏ ｏ Ａ ｔｍ ｔ ｅ ａｔ ｔ Ｎ ｎｉ ｎｖ ｒ ｔ ｏ ｉ ｅ ａ ｄＴ ｃ ｎ ｌ ，Ｎ ｎｉ ０ ９ ，Ｃ ｉａ ｃ ｍｅ ｎ ｓｙ Ｓ ｎ ｇ ｎ２
第３ ２卷 第 ８期
２ １ 年 ８月 ０１
字 航 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＡｓｒ ｎ ｕ ｉｓ ｏ ｒ ａ ｔｏ Ａｕｇ ｔ ２ １ ｕｓ ０１
一种适用于多波束卫星网络的负载均衡控制方法[发明专利]
![一种适用于多波束卫星网络的负载均衡控制方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/018915caaff8941ea76e58fafab069dc50224792.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910250743.7(22)申请日 2019.03.29(71)申请人 中国科学院计算技术研究所地址 100190 北京市海淀区中关村科学院南路6号(72)发明人 曹欢 苏泳涛 周一青 胡金龙 石晶林 (74)专利代理机构 北京泛华伟业知识产权代理有限公司 11280代理人 王勇(51)Int.Cl.H04W 28/08(2009.01)H04W 28/24(2009.01)H04B 7/185(2006.01)H04B 7/0408(2017.01)(54)发明名称一种适用于多波束卫星网络的负载均衡控制方法(57)摘要本发明基于当前卫星网络中多波束蜂窝组网的情况下，提出了一种基于QoS保障的联合邻波束和跳波束负载均衡的方法，既考虑到了用户的服务质量保障，又利用了相邻波束重叠覆盖区内用户多波束可卸载的特性进行负载均衡，同时还采用跳波束技术解决了波束中心用户无法卸载的问题，有效的降低了全网波束的丢包率，并提升了全网各波束的有效吞吐。
本发明通过有效利用全网的空闲资源，解决用户分布不均带来的资源分配两极化的问题，有效降低网络平均丢包率，提升网络吞吐。
权利要求书2页 说明书10页 附图5页CN 110049514 A 2019.07.23C N 110049514A1.一种适用于多波束卫星网络的负载均衡控制方法，其特征在于，包括：S1、统计各用户的丢包率、吞吐以及各波束的丢包率、吞吐，根据丢包率的QoS保障要求设置每个波束的丢包率门限值；S2、以丢包率门限值作为判断标准，识别网络中的重负载波束和轻负载波束；S3、采用邻波束负载均衡方法进行波束卸载，将重负载波束与相邻轻负载波束重叠覆盖区内的用户卸载到其相邻轻负载波束。
2.根据权利要求1所述的一种适用于多波束卫星网络的负载均衡控制方法，其特征在于，所述步骤S1包括如下步骤：Q1、根据每个用户的业务对应的QoS参数，以用户业务包中的最大时延作为用户的QoS 参数；Q2、根据所有用户的QoS参数计算用户平均时延；Q3、根据用户平均时延，指定用户平均时延的QoS保障策略。
基于深度强化学习的跳波束卫星系统资源动态分配方法[发明专利]
![基于深度强化学习的跳波束卫星系统资源动态分配方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/c339324c59fafab069dc5022aaea998fcc224018.png)
专利名称：基于深度强化学习的跳波束卫星系统资源动态分配方法
专利类型：发明专利
发明人：张晨,韩永锋,张更新
申请号：CN202111609439.0
申请日：20211224
公开号：CN114499629A
公开日：
20220513
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种基于深度强化学习的跳波束卫星系统资源动态分配方法，包括以下步骤：步骤1、建立跳波束GEO卫星系统前向链路的业务模型；步骤2、将每时隙到达地面波位的业务的数据包存储在数据包缓冲队列中；步骤3、利用度强化学习算法，将卫星的资源分配模块建模为智能体，设计智能体的状态输入、智能体的输出决策动作以及评价动作的奖励；步骤4、仿真步骤3的深度强化学习算法，不断训练深度强化学习算法的决策神经网络权重参数；步骤5、将步骤4训练获得的决策神经网络完成跳波束卫星系统资源动态分配，求解跳波束卫星系统资源分配的最优方案。
本发明降低了数据包的传输时延，提高了跳波束卫星系统的吞吐量。
申请人：南京邮电大学
地址：210003 江苏省南京市鼓楼区新模范马路66号
国籍：CN
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基于数字多波束天线的多星测控系统
基于数字多波束天线的多星测控系统
蔚保国;姚奇松
【期刊名称】《飞行器测控学报》
【年(卷),期】2004(023)003
【摘要】针对多星测控存在的问题和技术解决途径,提出采用数字波束形成技术实现单站多星测控的方案,简要说明了系统的体系结构和工作原理,指出了系统特点和技术难点.基于数字多波束天线的多星测控系统具有良好的技术基础和应用前景.【总页数】5页(P55-59)
【作者】蔚保国;姚奇松
【作者单位】北京理工大学电子工程系,北京,100081;中国电子科技集团公司第54研究所,河北石家,050081;中国电子科技集团公司第54研究所,河北石家庄,050081【正文语种】中文
【中图分类】V556
【相关文献】
1.基于星上多波束天线的卫星功率带宽联合优化新算法 [J], 冯琦;李广侠;冯少栋;王平;王凡
2.一种基于星载多波束天线的单星干扰源定位方法 [J], 余强;谢智东;张更新
3.基于伪距比对的数字多波束天线相位中心标定方法 [J], 刘魁星;王金华;高帅;王茂磊
4.基于频率复用的单星多波束天线干扰源定位 [J], 赵凡;赵来定;姜玉文;阮岑
5.单星多波束天线下基于压缩感知的多目标干扰定位 [J], 张轶;翟盛华;陶海红
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两跳协作通信系统波束成形技术的研究的开题报告
两跳协作通信系统波束成形技术的研究的开题报告
一、研究背景及意义
随着移动通信技术的不断发展，人们对于通信系统的要求也越来越高。
在无线通信中，信道衰落是影响系统性能的主要因素之一。
因此，
波束成形技术被广泛应用于无线通信系统中，以提高信道效果、降低干扰、增加频谱效率。
传统的波束成形技术主要采用单跳方式实现，即利用天线数组对信
号进行加权处理。
但是在实际应用中，存在一些情况下需要实现多跳通信，如无线中继、卫星通信等，单跳方式已经无法满足需求。
而两跳协
作通信则是解决这些问题的有效方法。
本研究将探讨两跳协作通信系统波束成形技术的研究，包括其原理、算法及实现方法等方面的内容。
此外，针对该技术的应用场景，也将探
究其在提高无线通信系统性能方面所具有的意义。
二、研究内容和方法
1.研究内容
（1）两跳协作通信的原理和特点；
（2）两跳协作通信系统中波束成形技术的应用；
（3）针对两跳协作通信系统的波束成形算法研究；
（4）两跳协作通信系统波束成形技术的软硬件实现。
2.研究方法
（1）文献资料收集和归纳整理；
（2）数学建模分析；
（3）计算机仿真和实验验证。
三、预期成果及意义
本研究的预期成果包括两跳协作通信系统波束成形技术的基本原理、算法和实现方法，并对该技术在移动通信中的应用进行探讨，为相关领
域的技术研究提供参考。
另外，通过研究该技术的应用不仅可以提高无
线通信性能，而且也可以促进通信技术的发展和人们生活的进步。
多波束卫星通信系统中的非线性预编码算法研究
多波束卫星通信系统中的非线性预编码算法研究
王珂;张歆宸;林文亮;邓中亮
【期刊名称】《移动通信》
【年(卷),期】2024(48)6
【摘要】非地面网络(3GPP NTN)是5G演进以及6G网络中的重要组成部分,为了增强卫星容量和频谱效率,基于相控阵的密集多波束、同频部署已逐渐成为研究热点。
由于波束成形中旁瓣功率泄露随着波束数增加会造成严重波束间叠加干扰,亟需低复杂度多用户干扰消除方案。
从预编码技术角度出发,探讨了非线性预编码在卫星通信系统中的应用和优化方法,并通过实际硬件平台测试,验证了在5G NR基带链路中实现该方案的有效性和先进性。
【总页数】11页(P2-12)
【作者】王珂;张歆宸;林文亮;邓中亮
【作者单位】北京邮电大学信息与通信工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN929.5
【相关文献】
1.基于部分信道信息的卫星多波束联合预编码优化方法
2.多波束卫星系统中低复杂度分组预编码算法
3.多波束移动卫星系统的自适应开环预编码方法
4.一种用户级多波束卫星系统预编码算法
5.面向6G低轨卫星物联网的能效优先的多波束鲁棒预编码设计
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基于TDD的低轨卫星跳波束资源分配算法
基于TDD的低轨卫星跳波束资源分配算法
邹安银;张晨;张更新
【期刊名称】《太赫兹科学与电子信息学报》
【年(卷),期】2024(22)5
【摘要】低轨(LEO)卫星跳波束技术可以灵活分配系统资源,适用于业务分布不均匀的场景。
时分双工(TDD)方式可以减少星载和地面终端设备的天线数量,有效降低其复杂度,并有利于开展上下行非对称业务。
本文提出一种基于TDD的LEO卫星跳波束资源分配算法,在满足业务需求的基础上,以最小化时域资源消耗为目标,建立支持跳波束和多频时分多址接入(MF-TDMA)机制的LEO卫星反向链路资源分配模型;综合考虑星地动态时延补偿,采取一种多层次的跳波束时隙架构设计,以最大化可用时隙为目标,建立上下行时隙切换模型,并提出一种基于TDD的跳波束时隙排布优化方法。
仿真结果表明,对比于传统的MF-TDMA资源分配方法或固定多波束均分算法,本文提出的算法能有效提高系统的时隙利用率和吞吐量。
【总页数】10页(P485-494)
【作者】邹安银;张晨;张更新
【作者单位】南京邮电大学通信与信息工程学院;南京邮电大学通信与网络技术国家工程研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】TN927.2
【相关文献】
1.低轨卫星网络基于跳波束的资源调度算法
2.基于迁移深度强化学习的低轨卫星跳波束资源分配方案
3.面向能效的低轨卫星联合跳波束调度和功率分配算法
4.基于用户分组的低轨卫星动态跳波束算法
5.基于不完美CSI的低轨卫星通信系统鲁棒资源分配算法
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基于相控阵的跳波束波位优化及资源分配算法
基于相控阵的跳波束波位优化及资源分配算法
镐梦婷;张晨;张更新
【期刊名称】《天地一体化信息网络》
【年(卷),期】2022(3)1
【摘要】跳波束技术能够为卫星通信系统提供足够的灵活性和较高的资源利用率,在宽带卫星通信系统中展现良好的性能,但现有的跳波束技术波位规划方案相对固定,不能随业务需求特点的变化而变化,对于用户需求分布不均且位置分散的情况,跳波束技术的优势很难发挥。
针对上述问题,提出一种波位优化的方法,利用相控阵天线的捷变特性,根据业务分布特点调整波束的大小,使得各个波束内的业务需求更加均衡。
在此基础上,从需求量与实际传输容量相匹配的角度,建立最小化n阶差分目标函数,利用凸优化算法求解各个波束内分配的时隙资源,并对比波位优化前后系统的整体满意度及系统时延等性能参数。
仿真分析结果表明,相比传统的波位规划方案,该算法能在提高系统整体满意度的同时降低系统时延,提升用户的接入成功率。
【总页数】9页(P18-26)
【作者】镐梦婷;张晨;张更新
【作者单位】南京邮电大学通信与信息工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP393
【相关文献】
1.相控阵天线波束跃度仿真分析及算法优化
2.基于粒子群优化的毫米波通信网络资源分配算法
3.递进型优化算法对相控阵天线阵列的波束优化
4.基于FPGA的相控阵天线波束控制算法优化研究
5.基于跳频应用的Ka频段相控阵波束跟踪技术
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南京邮电大学学报(自然科学版)Journal of Nanjing University of Posts and Telecommunications(Natural Science Edition)Vol.39No.3 Jun.2019第39卷第3期2019年6月doi：10.14132/ki.1673-5439.2019.03.004基于多波束卫星系统的跳波束技术研究王琳▽，张晨心，王显煜3,张更新-2(1.南京邮电大学通信与网络国家工程研究中心，江苏南京210003\2.南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京2IOOO3、3.西安空间无线电技术研究所，陕西西安710000,摘要：多波束卫星系统传统的固定资源分配方式缺乏足够的灵活性。
文中在考虑多波束卫星系统各点波束业务需求多样性的基础上，基于全频率复用的“跳波束”技术，提出了一种灵活的资源分配方式。
文中首先提出了两种不同的目标函数对资源进行优化，然后计算同频复用距离并引入新的约束机制以减轻同频干扰带来的性能下降，最后以最小同频率干扰为目标，结合时隙分配算法进行跳波束图案设计。
仿真结果表明，相比于传统的分配方案，该方法能大大提高频谱利用率，使分配更能满足大容量动态需求。
关键词：多波束卫星；跳波束；同频干扰；时隙分配中图分类号:TN927J2文献标志码：A文章编号：1673-5439(2019)03-0025-06Research of beam-hopping technology based onmulti-beam satellite systemWANG Lin''2,ZHANG Chen1'2,WANG Xianyu3,ZHANG Gengxin1'2/1.Telecommunication and Network National Engineering Research Center,Nanjing University of Posts and Telecommunications,\ Nanjing210003,China2.College of Telecommunications&Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing210003,China、3.Xi'an Institute of Space Radio Technology,Xi*an710000,China丿Abstract:Traditional resource allocation methods of multi-beam satellite lack sufficient flexibility to optimize the allocation of satellite resources.Considering the diversity of demand for each spot beam service ina multi-beam satellite system,this paper proposes a flexible resource allocation mechanism based on a fullfrequency reused u beam・hopping”technology.Firstly,two different cost functions are prosed to optimize system resources.Secondly,calculate the same frequency reuse distance and introduce a new constraint mechanism to mitigate the performance degradation caused by co・channel stly,beamhopping pattern design is introduced based on the minimum same frequency interference and time slot allocation pared with the traditional allocation scheme,the results show that the proposed method greatly improves spectrum efficiency and can be better meet the dynamic demand of the beam capacity.Keywords:multi-beam satellite；beam-hopping；co-channel interference；time slot allocation收稿日期：2018-12-l1；修回日期：2019-04-15本刊网址:http：//基金项目：国家自然科学基金(91738201)和南京邮电大学校级科研基金(NY219121)资助项目作者简介：王琳，女，硕士研究生;张晨(通讯作者)，男，博士，高级工程师,zhangchen@引用本文：王琳，张晨，王显煜，等.基于多波束卫星系统的跳波束技术研究[J]•南京邮电大学学报(自然科学版),2019,39(3):25-30.26南京邮电大学学报(自然科学版)2019年随着宽带卫星通信的不断发展，大容量、高速率、大覆盖区域的需求与日俱增，高通量卫星的提出则为卫星超大容量通信理论的研究提供了坚实的基础。
当前宽带卫星系统大都采用多点波束来增加系统容量，而多点波束卫星通信系统多采用固定方式分配星上功率、带宽等资源"，由于业务类型的多样性、业务分布的空间不均匀性和时变性，这种固定的分配方式容易造成卫星性能受限和资源浪费⑵。
因此各国都在致力于寻求更为灵活的资源分配方式，以期获得更好、更灵活的系统可用容量。
为了有效地利用星上资源，国内外许多学者对资源分配""I做了深入的研究，提出了一种从时域对卫星资源进行优化的“跳波束”技术叫⑴,该技术的主要思想是利用时间分片技术，在同一时刻，并不是卫星上所有的波束都工作，而是只有其中的一部分工作，这种新的思想相比于传统的多波束卫星系统更加能够满足业务需求不均衡的应用场景。
其中文献［3-5］在未考虑干扰的环境中假设信噪比固定，对容量需求进行了简单的分配，总结了常见的差分函数和公平函数的优异性，但在时隙存在剩余的情况下，并未对其再次分配，造成资源的浪费。
文献［6］在不考虑干扰的情况下，对功率分配实行二分法，同时使用迭代算法对带宽进行资源分配。
文献［7-8］提出了最小化共信道干扰和最大信干噪比的概念，但文章中并没有给出具体的场景和算法。
文献［9］考虑了下行链路的用户波束业务需求，添加了干扰和功率分配等因素使其更贴近真实的场景。
在每一时隙中只有一个波束处于工作状态，避免了同频率干扰，但是频谱利用率比较低，而且不能同时满足多个用户的需求。
针对以上方法的不足，本文对基于跳波束技术的资源分配做了一些补充,主要包括以下几个方面:(1)为了提高频谱利用效率，本文使用全频率复用，计算同频复用距离并引入约束机制以减轻同频干扰带来的性能下降,。
(2)使用凸优化算法对目标函数初次求解，考虑到目标函数的特性以及时隙分配的整数要求，时隙会存在剩余，以资源约束为限制，使用组合算法完成时隙的再分配，进一步提高时隙资源利用效率。
(3)以最小同频率干扰为目标,结合时隙分配算法进行跳波图案设计以获得完整的分配体系。
1系统模型1.1跳波束时隙模型在多波束卫星系统中，波束赋形天线在覆盖区域内生成K个点波束，总带宽为，采用跳波束技术将系统总带宽以时隙为单位分配给各个波束。
如图1所示窗口总长度为/最小时隙分配单元为T s,系统根据各个波束不同的业务需求为其分配相应数量的时隙,跳波束技术最多允许“叭个波束工作在同一时隙中，为了简化跳波束系统，对其进行均匀地分簇，第i簇的频谱效率为",，则分配给第i个簇的容量为：C,=B m x77,=1,2,---,N(1)采用跳波束技术的系统时隙分配矩阵T表示时隙与波束之间的分配关系。
其中=1表示时隙j分配给了波束=0表示时隙j没有分配给波束to图1跳波束技术时隙分配图1|2|||"111111111-帀£1.2同频复用距离在实际系统中，跳波束技术可以使用部分频率复用或全频率复用。
使用部分频率复用时，卫星总带宽被分段，即每个簇中处于工作状态的波束只能使用部分频带，这种方法实际上是以牺牲频谱利用效率为代价来减轻同频率干扰。
在全频率复用的情况下，每个簇中处于工作状态的用户波束可以使用卫星上的整个可用频带，这有效地提高了频带利用的效率，因此本文采用全频率方案。
为减轻同频干扰,相距较远的波束通过空间隔离来实现复用，相距较近的波束通过时间隔离来实现频率复用，同时引入了左旋极化和右旋极化。
根据欧洲电信标准化协会标准，信噪比与频谱效率的曲线关系图是分段函数，即不同的信噪比可能对应相同的频谱效率，如图2所示。
当使用相同频率的波束同时工作时，同频干扰不可避免，但是在有同频干扰的环境中保证系统的频谱效率不降低，计算同频复用距离是可行的。
假设功率足够可以满足需求，并且各个波束分配的功率相同。
根据文献［12］同频率干扰的增益因子：其中，u-2.07123sin0/sin(^3dB)J和J｝分别是1第3期王琳，等：基于多波束卫星系统的跳波束技术研究27阶和3阶第一类贝塞尔函数[13-'4],3dB夹角漏=70x A/D,信号入射方向与波束中心指向之间的夹角ff^arc sin(/?,///)，每个点波束的半径为R=H•sin(&3<iB/2),A为信号波长，为同频复用波束圆心之间的距离,H为卫星轨道高度。
上行链路和下行链路的SINR分别为SINR””和SINR,。
””，其中八=SINR：+SINR證”(3)SINRg"=总⑷I-P(i')+G T X a+G R-Lfree(5)根据式(3)~式(5),可计算得信噪比r的值;从相距较远的波束开始增加同极化波束，根据欧洲电信标准化协会标准中信噪比与频谱效率的关系曲线图得到，当在距离等于27?处增加同极化同频波束，频谱效率会减小。
距离较近的波束通过使用左旋极化和右旋极化来避免干扰，不可避免的中心波束处通过错开时隙分配来减轻干扰。