降雨影響下的非均勻時(shí)隙跳波束資源動(dòng)態(tài)分配方法

王亞昕，邊東明，胡 婧，李永強(qiáng)

（陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院，南京 210007）

1 研究背景

近年來(lái)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展對(duì)通信技術(shù)的巨大現(xiàn)實(shí)需求，刺激了衛(wèi)星通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展。其中，高通量衛(wèi)星（High Throughput Satellite，HTS）正逐漸投入使用[1]。HTS，也稱為高吞吐量衛(wèi)星，顧名思義，能夠提供比傳統(tǒng)通信衛(wèi)星更高的容量，有時(shí)甚至能達(dá)到傳統(tǒng)衛(wèi)星容量的數(shù)十倍。HTS衛(wèi)星分為地球同步靜止軌道（Geostationary Earth Orbit，GEO）衛(wèi)星和非靜止軌道（Non-Geostationary Orbit，NGSO）衛(wèi)星兩類，當(dāng)前在軌應(yīng)用的以GEO衛(wèi)星為多。據(jù)資料顯示，一顆HTS的總?cè)萘砍^(guò)100Gb/s，但衛(wèi)星建造及火箭發(fā)射等費(fèi)用與傳統(tǒng)衛(wèi)星相當(dāng)，則每Gbit/s的投資下降到400萬(wàn)～500萬(wàn)美元，僅是一顆傳統(tǒng)衛(wèi)星的1/50。由此可見，HTS網(wǎng)絡(luò)的帶寬成本大致與地面網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)，在經(jīng)濟(jì)性方面具備一定的競(jìng)爭(zhēng)力。

HTS最基本的特征是衛(wèi)星的波束為點(diǎn)波束[2]。采用多點(diǎn)波束能夠提高衛(wèi)星的發(fā)射增益和接收增益，但也存在點(diǎn)波束覆蓋范圍較小的問(wèn)題，如果需要覆蓋較大區(qū)域，則需要大量的點(diǎn)波束，這顯然又與衛(wèi)星平臺(tái)資源有限相悖。跳波束（Beam Hopping，BH）技術(shù)就是在這樣的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型波束覆蓋技術(shù)[3]。它以若干星上波束的跳變完成傳統(tǒng)多波束的覆蓋，大大減少了點(diǎn)波束使用數(shù)目。BH技術(shù)的基本思想是利用時(shí)間分片技術(shù)，在同一時(shí)刻，衛(wèi)星上只有一部分點(diǎn)波束同時(shí)工作，這種方式相比于傳統(tǒng)的多波束技術(shù)而言更能適應(yīng)業(yè)務(wù)量分布不均衡的場(chǎng)景，是HTS的一個(gè)很好的技術(shù)選擇。由于衛(wèi)星平臺(tái)能力有限，資源分配問(wèn)題一直是相關(guān)人員重點(diǎn)研究的方面，于是BH技術(shù)下的資源分配問(wèn)題也就成為了一大研究熱點(diǎn)。

對(duì)HTS通信系統(tǒng)而言，頻率是影響其吞吐量的重要因素。目前，大多數(shù)HTS采用Ka頻段。該頻段能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和頻譜利用率，更加適應(yīng)寬帶業(yè)務(wù)需求。然而，在衛(wèi)星通信中，氣體吸收、降雨和云霧損耗等方面因素都會(huì)造成信號(hào)的衰減，尤其在高頻段如Ka頻段，降雨對(duì)信號(hào)的衰減更加嚴(yán)重[4]，雨衰造成的衛(wèi)星鏈路衰減在資源分配問(wèn)題中不容忽視。

本文針對(duì)高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的跳波束前向鏈路資源分配問(wèn)題，提出了一種基于分簇的非均勻時(shí)隙動(dòng)態(tài)分配方法。考慮雨衰對(duì)鏈路性能造成的影響，動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)隙的最小分配單位，在全頻復(fù)用的場(chǎng)景下，以規(guī)避同頻干擾為原則優(yōu)化跳波束圖案?？紤]實(shí)際情況中雨衰區(qū)域的業(yè)務(wù)請(qǐng)求級(jí)別高于晴天區(qū)域，所以分配時(shí)優(yōu)先滿足鏈路衰減大的波束覆蓋區(qū)域。仿真結(jié)果顯示，本文提出的資源分配算法系統(tǒng)容量損失值小，實(shí)際通信容量大，業(yè)務(wù)需求滿足度高，具備一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2 跳波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)

2.1 跳波束系統(tǒng)下行鏈路模型

跳波束系統(tǒng)采用單載波工作模式，使用一個(gè)載波支持多種業(yè)務(wù)，從而使轉(zhuǎn)發(fā)器吞吐量得到顯著提升[5]。再加上BH采用時(shí)間分片的思想，有針對(duì)性地對(duì)有業(yè)務(wù)需求的波束提供服務(wù)，更加能夠適應(yīng)變化的業(yè)務(wù)請(qǐng)求以及不均勻的業(yè)務(wù)分布場(chǎng)景。此外，BH利用空間隔離的方式，使同時(shí)工作的波束相隔一定距離，來(lái)減少波束間的干擾。時(shí)間分片與空間隔離原理示意如圖1，用戶波束相互之間空間隔離，能夠同時(shí)工作而不互相干擾。

圖1 跳波束技術(shù)中的時(shí)間分片與空間隔離

現(xiàn)有跳波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要采用規(guī)則的分簇方法，將所有點(diǎn)波束均勻地劃分為若干波束簇，每簇波束數(shù)目相等，如圖2所示。由于用戶大部分通信需求都在前向鏈路，本文僅關(guān)注系統(tǒng)前向鏈路模型。如果沒有特殊說(shuō)明，本文討論的資源分配即為時(shí)隙分配。設(shè)系統(tǒng)總帶寬為B，時(shí)隙的最小分配單元為Ts，分配周期為W。

圖2 跳波束系統(tǒng)下行鏈路模型

設(shè)系統(tǒng)采用高斯編碼，則波束i分得的容量Ri可寫為：

式中，Ni表示分配給波束i的總時(shí)隙個(gè)數(shù)；γi表示波束i的信干噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）：

式中，波束i的發(fā)射功率為Pi；信道增益為Gi；噪聲功率為N0；Ψcc表示與波束i同時(shí)工作的其余波束集合。

2.2 干擾分析模型

由式（2）可知，波束i受到的干擾總功率為

其中，信道增益Gr的計(jì)算公式為

式中，GrT表示波束r的發(fā)射天線增益；GrR表示波束r的接收天線增益；L表示自由空間傳播損耗。

自由空間傳播損耗L為

式中，d表示收發(fā)兩端的距離；c為光速；f為頻率。

式中，J1為一階貝塞爾函數(shù)；μ=πfDsin（θ/c），θ為鏈路方向與天線主瓣軸之間的夾角；G0表示θ=0時(shí)的最大天線增益，計(jì)算公式為：

式中，η為天線效率；D是天線口徑。

由于采用GEO衛(wèi)星，假設(shè)所有波束收發(fā)兩端距離d相等，則全部波束的自由空間傳播損耗L都相等。規(guī)定衛(wèi)星總功率平均分配給各波束，則由公式（3）、（4）、（6）可知，干擾功率主要取決于夾角θ，而θ又與受干擾波束和干擾波束之間的距離直接相關(guān)，通過(guò)幾何關(guān)系定性分析可知，距離越大，夾角θ則越大。將該關(guān)系代回公式（6）能夠得出結(jié)論：波束之間距離越短，則干擾越大。

2.3 非均勻時(shí)隙模型

跳波束技術(shù)采用了時(shí)間分片的思想，將容量資源轉(zhuǎn)化為時(shí)隙分配給各個(gè)波束，兩者之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系由公式（1）給出。時(shí)隙資源的分配結(jié)果會(huì)生成一個(gè)跳波束突發(fā)時(shí)間計(jì)劃（Timeslot Burst Time Plan，TBTP），也稱為跳波束圖案（Beam Hopping Pattern），用于指導(dǎo)波束何時(shí)跳變至何處。衛(wèi)星根據(jù)不同波束的不同業(yè)務(wù)量，動(dòng)態(tài)地優(yōu)化跳波束圖案，以適應(yīng)業(yè)務(wù)分布不均、動(dòng)態(tài)變化的場(chǎng)景。

第2代數(shù)字衛(wèi)星廣播標(biāo)準(zhǔn)（DVB-S2）中規(guī)定的幀格式如圖3，所有的幀統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度Kbch[7]。由于GEO衛(wèi)星波束覆蓋范圍廣，不同波束覆蓋區(qū)域內(nèi)的氣象情況會(huì)存在較大差別，同一時(shí)刻可能有一些波束雨衰較大，影響它們的鏈路容量。然而，系統(tǒng)規(guī)定的幀長(zhǎng)是固定的，這就導(dǎo)致信道條件較差的波束傳輸數(shù)據(jù)的能力下降。為改善這一問(wèn)題，本文考慮根據(jù)鏈路情況動(dòng)態(tài)地調(diào)整時(shí)隙分配的最小單元Ts，為鏈路條件較差的波束設(shè)置更大的Ts，使它在固定幀長(zhǎng)內(nèi)能夠攜帶更多數(shù)據(jù)量，從而補(bǔ)償其數(shù)據(jù)傳輸能力的下降。

圖3 DVB-S2中基帶幀格式

3 考慮干擾規(guī)避的跳波束圖案動(dòng)態(tài)優(yōu)化

3.1 系統(tǒng)模型

本文選取了文獻(xiàn)[8]中的GEO衛(wèi)星點(diǎn)波束覆蓋歐洲地區(qū)系統(tǒng)模型，如圖4。本文規(guī)定將70個(gè)點(diǎn)波束劃分為5個(gè)波束簇，即每14個(gè)波束為一簇。同一時(shí)刻一簇內(nèi)僅允許一個(gè)波束處于工作狀態(tài)，即系統(tǒng)的跳變波束為5個(gè)。業(yè)務(wù)量模型來(lái)自歐洲航天局的一項(xiàng)DDSO（Digital Divide： the Satellite Offer）研究[9]，為該地區(qū)2020年的預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)流量需求分布，如圖5所示。

該地區(qū)業(yè)務(wù)量分布明顯不均衡，如果采用傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)資源平均分配方式，勢(shì)必會(huì)造成浪費(fèi)。針對(duì)這樣的場(chǎng)景，本文設(shè)計(jì)了一種跳波束前向鏈路非均勻時(shí)隙分配算法，以更大限度地按需分配星上有限資源，減少浪費(fèi)，提高用戶滿意度。

圖4 歐洲地區(qū)點(diǎn)波束覆蓋模型

圖5 業(yè)務(wù)量分布模型

3.2 算法原理

3.2.1 最小保證帶寬

由于70個(gè)點(diǎn)波束覆蓋了大部分歐洲區(qū)域，覆蓋面積比較大，不同波束的雨衰情況可能不同。在實(shí)際中，天氣情況愈惡劣的區(qū)域，其業(yè)務(wù)請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)相應(yīng)提高，考慮到這一因素，本文設(shè)計(jì)的時(shí)隙分配算法，以優(yōu)先滿足大雨衰波束的請(qǐng)求為原則。但在這一原則下，如果雨衰波束的請(qǐng)求量遠(yuǎn)大于晴天波束的請(qǐng)求量，或是雨衰波束數(shù)目遠(yuǎn)超過(guò)晴天波束，則可能會(huì)出現(xiàn)晴天波束得不到服務(wù)的情況，這樣一來(lái)將大大影響波束間公平性。

各地區(qū)在入網(wǎng)時(shí)，會(huì)隨著請(qǐng)求量上報(bào)的同時(shí)得到一個(gè)最小保證帶寬—— 無(wú)論是否有業(yè)務(wù)請(qǐng)求、鏈路情況如何，該帶寬都是能夠得到保證的。為解決波束間公平性問(wèn)題，本文引入最小保證帶寬Rmi，由公式（1）計(jì)算出對(duì)應(yīng)的最小滿足時(shí)長(zhǎng)Tmi，給所有波束預(yù)分配相應(yīng)的Tmi，從而保證每個(gè)波束都能夠得到服務(wù)。

3.2.2 時(shí)隙長(zhǎng)度設(shè)置

為簡(jiǎn)化算法，根據(jù)不同波束的天氣情況，將所有波束劃分為三類：晴天波束、小雨波束、大雨波束。雨衰值小于等于10dB的波束為小雨波束，大于10dB的為大雨波束。雨衰越大的區(qū)域，由于幀長(zhǎng)固定，則需要越長(zhǎng)的時(shí)隙分配單元。所以設(shè)置晴天波束下的TsN=1ms，小雨波束下的TsL=2ms，Ts大雨波束下的TsL=5ms。在分配算法中，滿足了所有波束的最小保證帶寬之后，優(yōu)先為大的波束分配資源。

3.2.3 干擾規(guī)避方法

由2.2節(jié)中的干擾分析得出，波束間距離越短，相互干擾則越大。而兩波束相隔一定的距離時(shí)，干擾功率相對(duì)于噪聲功率會(huì)很小，對(duì)于SINR的影響也就可以忽略，把該距離稱為距離門限dth。由于各簇存在相鄰關(guān)系，當(dāng)工作波束在不同簇中跳變時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)波束相距較近的情況，于是引入dth，規(guī)定同時(shí)工作的波束之間距離須得大于dth。所以，在時(shí)隙分配過(guò)程中，確定了起始波束后，根據(jù)簇間幾何位置關(guān)系，依次在各簇內(nèi)搜索能夠與已確定的波束同時(shí)工作的其余波束。為了保證分配的可持續(xù)性，避免越到后面可選擇的波束越少的情況，搜索時(shí)優(yōu)先選擇滿足大于dth要求的所有波束中最近的波束。

3.3 算法設(shè)計(jì)

為了使分配的業(yè)務(wù)量更貼合請(qǐng)求，提升系統(tǒng)吞吐量，本文以最小化二階差分系統(tǒng)容量（Differential System Capacity，DSC）為優(yōu)化目標(biāo)[10]來(lái)描述時(shí)隙分配問(wèn)題：

式中，K為系統(tǒng)總波束數(shù)目，分為Nc個(gè)波束簇；Ni表示分配給波束i的時(shí)隙長(zhǎng)度；表示波束i請(qǐng)求的時(shí)隙長(zhǎng)度，分配周期為W；Tij=1表示時(shí)隙j分配給了波束i，限制條件（10）規(guī)定了同一時(shí)刻僅有Nc個(gè)跳變波束在工作，限制條件（11）表示分配給波束i的時(shí)隙數(shù)目必須保證最小滿足時(shí)隙的要求。

本文設(shè)計(jì)了一種啟發(fā)式算法來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)隙的動(dòng)態(tài)分配，算法流程如圖6所示。在分配之前，在系統(tǒng)中隨機(jī)指定若干波束，分別作為小雨波束和大雨波束。而后，根據(jù)圖5中的業(yè)務(wù)量模型，由公式（1）轉(zhuǎn)化為各波束請(qǐng)求的時(shí)隙長(zhǎng)度。對(duì)于有雨衰的波束，將它們的請(qǐng)求量按照一定比例降低。分配時(shí)，首先給所有波束分配最小滿足時(shí)長(zhǎng)Tmi。而后，對(duì)于余下的時(shí)隙資源，按照波束不同的雨衰情況，優(yōu)先給Ts較大的波束分配。

圖6 時(shí)隙分配算法流程圖

4 仿真結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)參數(shù)

GEO衛(wèi)星系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。仿真顯示該系統(tǒng)波束的信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）約為6.6dB，當(dāng)波束間距離大于4倍波束半徑r時(shí)，SINR值幾乎與SNR相等，可以認(rèn)為波束間干擾忽略不計(jì)，所以距離門限dth取值為4r。

表1 GEO衛(wèi)星系統(tǒng)參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果及分析

分配算法在matlab中的仿真結(jié)果如圖7所示。系統(tǒng)生成的大雨波束集合為{30，35，57，69}，小雨波束集合為{2，3，13，28，33，36，42，45，48，49，51，56，62}?？紤]到實(shí)際鏈路容量，將大雨波束下的業(yè)務(wù)調(diào)整為原業(yè)務(wù)的40%，小雨波束下的業(yè)務(wù)調(diào)整為原業(yè)務(wù)的50%。由分配結(jié)果可以直觀看出，所有波束的分配都與其業(yè)務(wù)量相關(guān)，實(shí)現(xiàn)了按需分配的基本目標(biāo)。

下面對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行定量分析。以業(yè)務(wù)需求滿足度來(lái)評(píng)價(jià)算法性能，滿足度即為系統(tǒng)實(shí)際可用容量/系統(tǒng)總請(qǐng)求容量。經(jīng)計(jì)算，本文提出的分配算法的業(yè)務(wù)需求滿足度為68.34%。其中，大雨波束的滿足度為100%，小雨波束的滿足度為100%，晴天波束的滿足度為65.43%，符合算法設(shè)計(jì)中優(yōu)先滿足鏈路條件差的波束的基本思想。為了更直觀地體現(xiàn)出本算法的優(yōu)勢(shì)，在該系統(tǒng)中對(duì)傳統(tǒng)的多波束平均分配方法做仿真，得出系統(tǒng)滿足度為54.72%。由此可見，本算法顯著提升了系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求滿足度，同時(shí)保證了雨衰鏈路的優(yōu)先服務(wù)，顯示出良好的性能。此外，本算法的系統(tǒng)實(shí)際容量為31.69Gb/s，而采用傳統(tǒng)資源平均分配方法的系統(tǒng)實(shí)際容量為25.375Gb/s，可見采用本資源分配算法使得系統(tǒng)容量提升了24.89%。

圖7 算法仿真結(jié)果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的資源動(dòng)態(tài)分配方法，以波束分簇的跳波束前向鏈路為場(chǎng)景開展。由于系統(tǒng)采用全頻復(fù)用方式，基于對(duì)同頻波束距離與干擾關(guān)系的分析，提出設(shè)置距離門限的方法來(lái)規(guī)避干擾。此外，針對(duì)Ka波段受雨衰影響較大的問(wèn)題，考慮到雨衰波束的鏈路能力下降，而幀長(zhǎng)固定不變，提出動(dòng)態(tài)改變時(shí)隙的最小分配單元，以改善信道條件差的波束的傳輸能力?？紤]實(shí)際情況，優(yōu)先保障雨衰鏈路的通信需求，且為了避免雨衰波束數(shù)目過(guò)多或雨衰波束請(qǐng)求過(guò)大，導(dǎo)致晴天波束得不到服務(wù)的情況，引入最小保證帶寬，以確保所有波束都能夠得到服務(wù)，保障了波束間的公平性。仿真結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的資源平均分配方法，本文提出的跳波束資源動(dòng)態(tài)分配方法能夠有效避免同頻干擾，保證重點(diǎn)波束的完全滿足，大大提升系統(tǒng)容量，顯著提高業(yè)務(wù)需求滿足度。