空时频三重复用与带宽自适应相结合的卫星移动通信方法

本发明涉及卫星移动通信技术领域，尤其涉及一种空时频三重复用与带宽自适应相结合的卫星移动通信方法。

背景技术：

与地面移动通信系统相比，卫星移动通信系统具有覆盖范围广和不受地形条件限制的显著优势，在服务空中、海上、沙漠、山地和偏远、无人区域用户方面以及应对地震、洪水等自然灾害导致的地面通信基础设施损坏方面，发挥着不可替代的作用。卫星移动通信系统常常采用星载大口径的多波束天线来提高对用户发送信号的接收能力，从而减小卫星用户的发射天线口径，增强卫星用户的移动性。然而，在实际应用中，卫星移动通信系统的用户容量、通信性能、服务质量等还是受到了多方面的限制，具体体现为，一是受限于卫星平台承载能力和有限的频率资源，卫星移动通信系统的用户容量有限；二是随着卫星通信技术的发展，人们对通信服务质量的要求越来越高，要求卫星移动通信链路能够满足不同业务的传输质量需求，提供尽可能高的通信服务质量；三是卫星移动通信往往应用于地面通信中断的关键时刻，因此要求通信性能可靠性高，尤其是能够克服各种恶劣信道条件下的传输影响；四是面向大用户容量多业务类型通信需求，要求卫星通信系统能够自适应提供用户业务服务决策，保证用户容量和吞吐量的综合最优。因此，针对采用多波束覆盖的移动通信卫星，在有限的卫星平台承载能力、有限的频率资源等条件下，如何减少实现复杂度、提高资源利用率，实现尽快可能高的用户容量、通信性能和服务质量，成为了卫星移动通信系统可用、管用、好用中的亟待解决问题。

中国专利cn102752255中提出了一种适于卫星移动通信的多载波多址传输方法，上下行链路均支持正交频分复用ofdm传输，能够实现多种多址模式的灵活切换，提高系统对功率效率；中国专利cn103796319中提出了一种多波束卫星移动通信下行链路频率复用方法，通过预编码干扰消除技术提高了通信系统的频率利用率；中国专利cn104320174中提出了一种基于部分信道信息的卫星多波束协作传输方法，实现了波束间的干扰抑制和频谱资源复用。上述专利能够一定程度上提高卫星移动通信系统的用户容量，但是仅针对频率、空间等单维度的复用技术展开，未能从空时频等多个维度对卫星通信资源进行复用，并且没有考虑资源受限条件下的带宽自适应调整。

技术实现要素：

针对卫星移动通信系统资源受限情况下，支持大容量用户和多业务通信需求，提出一种基于空时频三重复用与带宽自适应相结合的卫星移动通信方法，能够有效提高资源使用频率，提供更高的用户容量和更灵活的多业务承载能力，同时具有方案较为简单易于实施的特点。

本发明公开了一种空时频三重复用与带宽自适应相结合的卫星移动通信方法，由卫星、卫星用户终端、信关站来实现，卫星采用星载多波束天线实现对地面的多波束覆盖，其具体步骤包括：

s1，根据卫星可支持的载荷重量、载荷功耗和器件工艺水平，设置星载多波束天线口径、馈源数量、波束形成矩阵规模，进而设置整个卫星可形成的波束数量b总和单波束的接收增益与接收噪声等效温度比值g/t值，其g/t值用(g/t)0表示；

s2，设定系统共采用s种调制编码组合，第i种组合对应的接收门限值为ui，i＝1,2,…,s，可用频率资源在波束间进行多色复用，复用因子设定为k，根据多色复用规则，k取值为1、3、4、7、12；

s3，分别计算k取1、3、4、7、12时，卫星接收到的载波功率与同频干扰功率的比值c/i值，得到(c/i)k，k＝1、3、4、7、12；

s4，选择ui，i＝1,2,…,s，中的最大值，记为ui,max，在满足(c/i)k≥ui,max+u0的所有(c/i)k中选择最小k值作为通信复用因子，记为k0，其中u0为根据卫星通信链路传输损耗设定的链路损耗余量；

s5，将可用的频率总带宽记为w，则单波束可用带宽w0＝w/k0；

s6，根据(g/t)0、ui,max、(c/i)k、卫星用户终端的最大发射功率pmax，计算得出卫星用户终端的最大载波速率rs和峰值信息速率rb；

s7，设定卫星用户终端最低信息速率需求为r0，计算出每个载波可划分的时分信道数量n，δr为时域保护间隔，表示向下取整；

s8，根据最大载波速率rs和频谱成型滚降系数α，计算出峰值信息速率rb所需占用的信道带宽w＝rs·(1+α)，定义信道带宽w为基本载波，从而计算出卫星单波束可支持的基本载波数

s9，将卫星通信信道质量按照由好至差划分为p档，卫星用户终端共有q类业务，每类业务对应不同的信道质量各有p种信息速率，则共有m＝p·q种可能的信息速率档位，卫星用户终端根据通信信道质量档位和需要传输的业务种类，自适应地从m档速率中选取合适的速率进行业务传输，各档的信息传输速率表示为rm,m＝1,2,…,m，其中m＝1,2,…,v时对应的业务为窄带业务，m＝v+1,v+2,…,m时对应的业务为宽带业务，1＜v＜m；

s10，计算卫星用户终端业务所需的基本载波数量，其计算公式为：

其中，m＝1,2,…,m，u＝1,2,…,u，u为具有业务传输需求的卫星用户终端的总数量，rm,u为第u个卫星用户终端的第m档信息速率需求，表示向上取整；

s11，利用多目标优化算法，计算最优宽窄带业务资源分配比例，即带宽切割因子β；

s12，计算窄带业务所需的基本载波总数计算宽带业务所需的基本载波总数

s13，如果vn-b+vb-b≤c，则信关站为各用户终端按需分配基本载波，否则计算vn-b/vb-b，若vn-b/vb-b＞β，则在当前接收到的全部业务中，按照由后到至先到的顺序，依次拒绝后到的窄带业务，直至剩余业务所需的基本载波数量总数不超过单波束可支持的基本载波数c，若vn-b/vb-b≤β，则在当前接收到的全部业务中，按照由后到至先到的顺序，依次拒绝后到的宽带业务，直至剩余业务所需的基本载波数量总数不超过单波束可支持的基本载波数c；

从而完成密集多波束覆盖下空时频三重复用与带宽自适应相结合的卫星移动通信。

本发明的有益效果为：本发明实现了频谱效率和同频干扰的最优折中，有效提高了系统通信资源资源利用率；本发明能适应多种信息速率和话音、数据、视频等多业务通信需求，支持带宽自适应调整，满足用户对不同业务的通信性能和服务质量要求；本发明实现了资源受限条件下的系统容量与吞吐量的综合优化。

附图说明

图1为本发明中空时频三重复用与带宽自适应方法实现流程图；

图2为本发明中多波束天线c/i分析模型。

具体实施方式

为了更好的了解本发明内容，这里给出一个实施例。

下面结合附图，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明描述了一种空时频三重复用与带宽自适应相结合的卫星移动通信方法，具体步骤如下：

s1，根据卫星可支持的载荷重量、载荷功耗和器件工艺水平，设置星载多波束天线口径、馈源数量、波束形成矩阵规模，进而设置整个卫星可形成的波束数量b总和单波束的接收增益与接收噪声等效温度比值g/t值，其g/t值用(g/t)0表示；

s2，设定系统共采用s种调制编码组合，第i种组合对应的接收门限值为ui，i＝1,2,…,s，可用频率资源在波束间进行多色复用，复用因子设定为k，根据多色复用规则，k取值为1、3、4、7、12；

s3，分别计算k取1、3、4、7、12时，卫星接收到的载波功率与同频干扰功率的比值c/i值，得到(c/i)k，k＝1、3、4、7、12；图2为本发明中多波束天线c/i分析模型；

对于同频复用卫星多波束天线中的任一波束b，当用户位于波束b的中心点时，用户接收到的有用信号功率最大，随着用户位置偏离波束中心点，用户接收到的有用信号功率逐渐变小，即有用信号功率随着用户所在位置相对波束b的轴向偏离角度θ而变化，偏离角度θ对有用信号功率的影响。用户所在位置相对同频复用卫星多波束天线中的某一波束中心的偏离角度为θ时，用户对该波束的接收增益表示为增益函数g(θ)。

当卫星密集多波束为k色复用时，计算卫星波束接收到的载波功率与同频干扰功率的比值c/i值时，需要同时考虑与该波束相距最近的h0个同频波束带来的干扰；

设定目标用户的发射功率为p，该用户到卫星链路的损耗为l，用户所在位置相对所在波束轴向偏离角度为θc，则卫星接收到的有用信号功率c为：

设定用户所在波束周边第h(h＝1,2,…，h0)个同频波束中的同频干扰用户到卫星链路的损耗为lh，该用户所在位置相对于第h个同频波束的轴向偏离角度为θh，卫星收到的来自周边h0个同频波束的干扰信号功率和i为：

从而得到卫星接收到的载波功率与干扰功率之比c/i为：

一般情况下，h0＝6。

s4，选择ui，i＝1,2,…,s，中的最大值，记为ui,max，在满足(c/i)k≥ui,max+u0的所有(c/i)k中选择最小k值作为通信复用因子，记为k0，其中u0为根据卫星通信链路传输损耗设定的链路损耗余量；

s5，将可用的频率总带宽记为w，则单波束可用带宽w0＝w/k0；

s6，根据(g/t)0、ui,max、(c/i)k、卫星用户终端的最大发射功率pmax，计算得出卫星用户终端的最大载波速率rs和峰值信息速率rb；

kb为玻尔兹曼常数，卫星用户终端的最大载波速率rs的计算公式为：

rs＝pmax·(g/t)0·[u^-1i,max-(c/i)^-1k]/(kb·l)，

ui,max对应的调制阶数为x、编码码率为y，卫星用户终端的峰值信息速率rb的计算公式为：

rb＝rs·x·y；

s7，设定卫星用户终端最低信息速率需求为r0，计算出每个载波可划分的时分信道数量n，δr为时域保护间隔，表示向下取整；

s8，根据最大载波速率rs和频谱成型滚降系数α，计算出峰值信息速率rb所需占用的信道带宽w＝rs·(1+α)，定义信道带宽w为基本载波，从而计算出卫星单波束可支持的基本载波数

s9，将卫星通信信道质量按照由好至差划分为p档，卫星用户终端共有q类业务，每类业务对应不同的信道质量各有p种信息速率，则共有m＝p·q种可能的信息速率档位，卫星用户终端根据通信信道质量档位和需要传输的业务种类，自适应地从m档速率中选取合适的速率进行业务传输，各档的信息传输速率表示为rm,m＝1,2,…,m，其中m＝1,2,…,v时对应的业务为窄带业务，m＝v+1,v+2,…,m时对应的业务为宽带业务，1＜v＜m；

s10，计算卫星用户终端业务所需的基本载波数量，其计算公式为：

其中，m＝1,2,…,m，u＝1,2,…,u，u为具有业务传输需求的卫星用户终端的总数量，rm,u为第u个卫星用户终端的第m档信息速率需求，表示向上取整；

s11，利用多目标优化算法，计算最优宽窄带业务资源分配比例，即带宽切割因子β；

当卫星单波束中卫星用户终端所需的基本载波数量总数超过卫星单波束可支持的基本载波数c时，对各卫星用户终端选择服务或拒绝，以最大化用户容量nuser和最大化吞吐量t为目标，建立多目标优化模型g(λ)：

s.t.:t≤c，

其中，λ＝[λ1,λ2,…,λu]为决策因子矩阵，λu为第u个用户的决策因子，若为第u个用户终端提供服务，则λu＝1，反之λu＝0；

根据nuser和t两个目标的重要性，分别定义两个目标函数的权重ω1、ω2，将加权多目标优化模型g0(λ)表达为：

s.t.:t≤c

求解加权多目标优化模型，得到满足最大化用户容量和最大化吞吐量目标的最优决策因子矩阵，记为λopt＝[λopt,1,λopt,2,…,λopt,u]，λu,opt为第u个用户的最优决策因子，u＝1,2,…,u；

基于最优决策因子矩阵，计算窄带业务所分配的基本载波数量总数和宽带业务分配的基本载波数量总数

计算带宽切割因子β：

s12，计算窄带业务所需的基本载波总数计算宽带业务所需的基本载波总数

s13，如果vn-b+vb-b≤c，则信关站为各用户终端按需分配基本载波，否则计算vn-b/vb-b，若vn-b/vb-b＞β，则在当前接收到的全部业务中，按照由后到至先到的顺序，依次拒绝后到的窄带业务，直至剩余业务所需的基本载波数量总数不超过单波束可支持的基本载波数c，若vn-b/vb-b≤β，则在当前接收到的全部业务中，按照由后到至先到的顺序，依次拒绝后到的宽带业务，直至剩余业务所需的基本载波数量总数不超过单波束可支持的基本载波数c；

从而完成了密集多波束覆盖下空时频三重复用与带宽自适应相结合的卫星移动通信。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。