一種基于聚類的衛(wèi)星波束規(guī)劃方法

郝英川

(海軍駐石家莊地區(qū)通信軍事代表室，河北石家莊050081)

0 引言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，衛(wèi)星載荷功能日益強(qiáng)大、靈活，可分配資源不再局限于傳統(tǒng)通信衛(wèi)星中的轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬和時隙，衛(wèi)星的天線和波束等均成為可規(guī)劃并可重構(gòu)的資源。高效的波束規(guī)劃結(jié)果不僅能滿足區(qū)域覆蓋的要求，還可節(jié)省星上資源，降低星載資源管理器的運(yùn)算量，提高資源的利用率以及系統(tǒng)整體的服務(wù)質(zhì)量和通信容量。而國內(nèi)目前的波束資源規(guī)劃研究僅限于對移動通信的蜂窩系統(tǒng)規(guī)劃。根據(jù)用戶區(qū)域分布針對地面基站的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，是針對地面系統(tǒng)的，并且規(guī)劃完成后蜂窩資源將固定不變。將聚類算法引入波束規(guī)劃算法，針對星上點(diǎn)波束的指向，也就是波束照射的覆蓋區(qū)域進(jìn)行分配和動態(tài)調(diào)整。規(guī)劃的依據(jù)是當(dāng)前地面用戶的地理分布和業(yè)務(wù)需求等因素。隨著用戶的移動，對業(yè)務(wù)量變化進(jìn)行調(diào)整，具有很強(qiáng)的靈活性。因此，高效的波束資源規(guī)劃方法是非常有必要的。

1 波束特點(diǎn)及規(guī)劃思想

1.1 星上波束資源

一般而言，衛(wèi)星上配置的波束資源有固定的廣域波束和可移動的點(diǎn)波束，差異主要是覆蓋區(qū)域的大小、下行EIRP值以及G/T值。

1.1.1 廣域波束

廣域波束具有固定的覆蓋區(qū)域，不可分配。由于其波束寬、覆蓋范圍廣，適用于大地域范圍內(nèi)的低速業(yè)務(wù)通信和控制信息傳輸。但是存在EIRP值和G/T值比較低的缺點(diǎn)，不適于傳輸高速業(yè)務(wù)。

1.1.2 點(diǎn)波束

點(diǎn)波束可在一定的覆蓋范圍內(nèi)任意移動，為局部區(qū)域提供通信覆蓋，其覆蓋半徑將會影響波束覆蓋的規(guī)劃。點(diǎn)波束具有更高的EIRP值和G/T值，因此能支持更高的傳輸速率及抗干擾能力。

缺點(diǎn)是點(diǎn)波束覆蓋面積較小，主要用于重點(diǎn)保障廣域波束無法覆蓋用戶的業(yè)務(wù)通信。

對于星上資源的規(guī)劃，例如新一代寬帶通信衛(wèi)星Spaceway3，工作于Ka頻段，采用相控陣點(diǎn)波束技術(shù)，能為站點(diǎn)間提供單跳網(wǎng)狀通信，這些獨(dú)特性使其能夠?yàn)橛脩籼峁┛焖佟⒏咝?、靈活和最佳性價比的通信解決方案。

Spaceway3放棄了廣域波束加點(diǎn)波束的傳統(tǒng)方案，以全點(diǎn)波束代之。下行的24個TDM載波以時隙為間隔在784個波束間跳變。

Spaceway3的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)控中心(NOCC)主要提供高可靠性、地區(qū)冗余和高性能的資源管理服務(wù)器。這些服務(wù)器為控制面板發(fā)送信號提供衛(wèi)星地址分辨、連接許可控制、衛(wèi)星終端注冊和下行鏈路功率控制。Spaceway3的資源分配支持預(yù)分配和按需分配動態(tài)。

綜上所述，廣域波束的覆蓋范圍是相對固定不變的，能夠進(jìn)行動態(tài)調(diào)整的主要是點(diǎn)波束。因此本文的研究對象為衛(wèi)星可移動的點(diǎn)波束，以下簡稱為波束。

1.2 波束規(guī)劃的原則

波束規(guī)劃的原則如下:

①滿足衛(wèi)星能力限制。衛(wèi)星通信載荷是有限的，擁有若干個可移動的點(diǎn)波束進(jìn)行覆蓋，其余區(qū)域只能利用固定區(qū)域波束覆蓋，因此聚類和規(guī)劃的覆蓋區(qū)域數(shù)量不能大于波束上限個數(shù)，各覆蓋區(qū)域的尺寸不能大于波束的覆蓋范圍。

②預(yù)分配與自主分配結(jié)合。通過運(yùn)控中心，可實(shí)現(xiàn)波束覆蓋范圍的預(yù)分配;對于沒有預(yù)分配的波束，可由資源規(guī)劃單元實(shí)現(xiàn)波束覆蓋范圍的自主調(diào)配。

③在滿足區(qū)域覆蓋的情況下盡可能地保證業(yè)務(wù)量需求?；诰垲惖牟ㄊ?guī)劃方法可以分為聚類分析和波束分配2部分。聚類分析在大量節(jié)點(diǎn)中搜索到最需要覆蓋的區(qū)域，而波束分配根據(jù)區(qū)域和波束的具體情況進(jìn)行分配。

2 基于聚類的波束規(guī)劃方法

2.1 規(guī)劃思路

聚類分析的基本思想是根據(jù)各個待分類的模式特征相似程度進(jìn)行分類，而相似值得是2個特征矢量之間各分量分別比較接近。

聚類的目標(biāo)是用某種相似性度量的方法將數(shù)據(jù)組織成有意義的和有用的各組數(shù)據(jù)。聚類不需要利用已知類的信息，因此，它是一種非監(jiān)督學(xué)習(xí)的方法，解決方案是數(shù)據(jù)驅(qū)動的，也就是說，不依賴于任何監(jiān)督學(xué)習(xí)或指導(dǎo)。

為了評定內(nèi)部數(shù)據(jù)的相似性，或在模式識別研究的探索階段想從—堆沒有分組的信息中提取有意義的數(shù)據(jù)，則需要用到聚類分析。

由于波束覆蓋的過程就是從眾多的地面節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)中找出面積和業(yè)務(wù)量都符合要求的區(qū)域，從而決定波束的指向，這些區(qū)域就是分組，就是類，因此將聚類分析作為波束規(guī)劃初始階段的工具。

在聚類過程中涉及特征選擇、相似性度量和聚類準(zhǔn)則等基本問題。根據(jù)波束規(guī)劃的物理意義，應(yīng)當(dāng)選擇用戶的坐標(biāo)作為特征矢量，而相似性測度則可以選擇歐氏距離。根據(jù)用戶屬性數(shù)據(jù)庫提供的用戶分布信息，對用戶節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聚類，將相距較近的多個用戶聚成一類，對應(yīng)于同一覆蓋波束。

聚類的準(zhǔn)則包括以下幾點(diǎn):

①類內(nèi)模式數(shù)量大于一定閾值。該準(zhǔn)則表示每個波束下最少服務(wù)的用戶數(shù)量，當(dāng)用戶數(shù)量過少，不應(yīng)為其規(guī)劃一個波束。

②聚類直徑小于波束直徑。

③聚類數(shù)小于機(jī)械點(diǎn)波束數(shù)量。

④允許存在不能聚類的模式。

經(jīng)過聚類后，可獲得波束的覆蓋范圍，對于無法聚類的用戶，意味著只能使用全國波束覆蓋。聚類流程如圖1所示。

圖1 聚類流程

2.2 波束分配算法

在分配波束覆蓋范圍時，需要保證覆蓋區(qū)域內(nèi)所有站型均可通信，在規(guī)劃可移動的點(diǎn)波束時，應(yīng)盡量滿足各終端的傳輸帶寬需求。

資源規(guī)劃單元對地面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行業(yè)務(wù)量統(tǒng)計或預(yù)測，然后進(jìn)行資源的規(guī)劃。基本原則是:① 預(yù)期需要的時隙數(shù)小于各個波束所能提供的業(yè)務(wù)時隙數(shù);②最小化可支持的總傳輸帶寬與總需求帶寬之間的差距;③在滿足以上條件的情況下，減小需要使用的波束數(shù)量。

在通過聚類過程得出的備選區(qū)域的基礎(chǔ)上進(jìn)行篩選和判斷。首先根據(jù)輸入?yún)?shù)中的衛(wèi)星參數(shù)確定點(diǎn)波束的覆蓋范圍和帶寬，然后按照業(yè)務(wù)量的大小順序選取區(qū)域，與點(diǎn)波束的帶寬進(jìn)行比較判斷。

3 算法仿真及分析

3.1 典型場景1

在該場景下，用戶分布在一個較大的區(qū)域，分布范圍遠(yuǎn)大于點(diǎn)波束的覆蓋范圍，約為點(diǎn)波束覆蓋范圍的10倍，區(qū)域內(nèi)的用戶數(shù)量較多，但是大部分區(qū)域分布均勻，業(yè)務(wù)量較小，任何一個波束范圍大小的區(qū)域內(nèi)的總業(yè)務(wù)量均低于單個點(diǎn)波束的帶寬能力，但是存在5個分布集中的小區(qū)域，節(jié)點(diǎn)成正態(tài)隨機(jī)分布。其中4個區(qū)域的節(jié)點(diǎn)比較密集，區(qū)域面積較小，另外一個區(qū)域面積較大，節(jié)點(diǎn)分布較為分散。每個終端節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量隨機(jī)產(chǎn)生，單位為時隙。

分布密集、業(yè)務(wù)量大的區(qū)域優(yōu)先進(jìn)行聚類和波束的分配，因此4個分布集中的區(qū)域分別優(yōu)先分配了4個點(diǎn)波束進(jìn)行覆蓋，如圖2所示。

圖2 仿真結(jié)果1

最終波束規(guī)劃單元共規(guī)劃了4個波束對區(qū)域進(jìn)行覆蓋。

場景內(nèi)共1 200個終端節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)波束對其覆蓋率為 86.58%。所有節(jié)點(diǎn)的總業(yè)務(wù)量為269 083.29時隙，系統(tǒng)對其滿足率為79.75%。系統(tǒng)共使用4個點(diǎn)波束進(jìn)行覆蓋，波束的總帶寬能力為294 912時隙，波束的利用率為82.81%。

當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的用戶數(shù)量非常大的時候，并且分布位置大大超出星上波束覆蓋能力的，用戶的需求得不到完全滿足，但是規(guī)劃算法會使波束資源滿足盡可能多的用戶的需求，覆蓋業(yè)務(wù)量最大的區(qū)域，使系統(tǒng)的通信容量達(dá)到當(dāng)前最大值。

3.2 典型場景2

該場景下用戶分布在相隔較遠(yuǎn)的3個不同區(qū)域，分布范圍對應(yīng)點(diǎn)波束的覆蓋范圍，每個區(qū)域的用戶數(shù)量較少，分布集中，采取正太隨機(jī)分布，但是業(yè)務(wù)量較大，3個區(qū)域各自的總業(yè)務(wù)量不同。每個終端節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量隨機(jī)產(chǎn)生，單位為時隙。覆蓋結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果2

場景內(nèi)共875個終端節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)波束對其覆蓋率為97.29%。所有節(jié)點(diǎn)的總業(yè)務(wù)量為223 320.97時隙，系統(tǒng)對其滿足率為98.86%。系統(tǒng)共使用3個點(diǎn)波束和1個區(qū)域波束共4個波束進(jìn)行覆蓋，波束的總帶寬能力為229 376時隙，波束的利用率為97.70%。

該算法能夠根據(jù)點(diǎn)波束和區(qū)域波束的不同特點(diǎn)，綜合考慮業(yè)務(wù)小站的分布區(qū)域和總業(yè)務(wù)量的大小進(jìn)行合理的規(guī)劃，用有限的系統(tǒng)開銷覆蓋場景中絕大部分業(yè)務(wù)站。仿真結(jié)果符合期望，不使用全部載荷而實(shí)現(xiàn)全部功能，即用最少的波束資源來滿足用戶的帶寬需求。

4 結(jié)束語

分析了星上資源的特點(diǎn)和波束規(guī)劃的過程，將聚類算法引入到波束規(guī)劃中，提出了一種聚類分析和波束分配相結(jié)合的規(guī)劃算法。通過對不同終端站分布的典型場景進(jìn)行仿真和分析，可以發(fā)現(xiàn)，在終端站分布較少時，能夠在滿足終端需求的時候節(jié)省系統(tǒng)開銷，在終端分布較多時，最大限度地滿足終端需求，能夠有效提升系統(tǒng)性能。

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