基于波束跳變的地球同步軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理策略研究

葉 磊

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050000）

1 系統(tǒng)模型的構(gòu)建

1.1 跳波束的時隙模型分析

在處于多波束衛(wèi)星系統(tǒng)中，波束賦形天線在這個區(qū)域內(nèi)會形成K個點波束，Btot為總帶寬，可使用跳波束將系統(tǒng)總帶寬以實際作為單位均勻分配給各波束，總長度為W，Ts為最小時隙分布單元，系統(tǒng)能夠根據(jù)各部分波束業(yè)務(wù)需求為其分配對應(yīng)的時隙。通用跳波束允許Nmax個波束在同一時隙內(nèi)工作。為簡化該系統(tǒng)需要均勻進行分簇，第i簇頻譜效率為ηi，則分配給該處的容量如下公式所示。

利用跳波束系統(tǒng)實際分配矩陣T能夠用于表示波束與時隙之間的關(guān)系，在該公式中T（i，j）=1可表示時隙j分配給波束i，而T（i，j）=0則表示時隙j未分配給波束i。

1.2 同頻復(fù)用距離

在系統(tǒng)中跳波束系數(shù)能夠分為全頻率復(fù)用以及部分頻率復(fù)用，在使用部分頻率復(fù)用過程中，衛(wèi)星總帶寬能夠被分段，每個不簇只有部分帶寬處于工作狀態(tài)，這種方法是以犧牲頻譜利用率作為代價，進而能夠避免同頻率干擾。而在使用全頻率復(fù)用的基礎(chǔ)上，每個簇處于工作狀態(tài)的用戶波束可使用衛(wèi)星整個可用帶頻，其能夠顯著提升頻帶利用率。因此本研究使用全頻率方案。為能夠減輕同頻因素的干擾，對于較遠距離波束可使用空間隔離的方式實現(xiàn)復(fù)用，對于較近距離波束可通過時間隔離的方式實現(xiàn)復(fù)用，并引入了左、右旋極化，結(jié)合國際電信標(biāo)準(zhǔn)要求信噪比與頻譜效率曲線為分段函數(shù)，表示不同信噪比對應(yīng)相同頻譜效率。

使用相同頻率波束處于工作狀態(tài)時不可避免會出現(xiàn)同頻干擾的問題，但有同頻干擾的基礎(chǔ)上能夠確保系統(tǒng)頻譜效率保持不變，進而計算同頻復(fù)用距離是切實可行的。假設(shè)功率足夠的基可滿足業(yè)務(wù)需求，且各波數(shù)分配功率一致。根據(jù)文獻同頻率的干擾增益因子如下公式所示。

在該公式中J1和J3分別能夠代表第1節(jié)和第3階第1類貝塞爾函數(shù)，信號入射與波束中心指向夾角為R=H為各點波束半徑，λ為信號波長，RD為同頻復(fù)用波束圓心距離，衛(wèi)星軌道高度為H，上下行鏈路的SINR，可分別將其表示為SINRup和SINRdown，如下公式所示。

通過對該公式進行計算可獲得信噪比，從距離較遠波束增加同極化波束，結(jié)合國際電信標(biāo)準(zhǔn)中信噪比和頻譜效率的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)在距離為2R位置時增加同極化同頻波束，會減少頻譜效率。對于距離較近波束能夠通過左、右旋極化的方式能夠防止同頻干擾，但無法避免由于中心波束位置錯開時隙分配的干擾。

2 跳波束時間分片機制

跳波束時間分片以及波束駐留，構(gòu)建高效時間分配結(jié)構(gòu)，明確具體參數(shù)是跳波束系統(tǒng)目前急需解決的問題，結(jié)合全局資源實現(xiàn)高效調(diào)度的目的，并將提出基于時間分片機制，可通過動目標(biāo)優(yōu)化以明確關(guān)鍵參數(shù)。

下列參數(shù)中跳波束時隙即BHS，是指波束駐留時間，是分配給某一波的最小持續(xù)時間。根據(jù)容量需求以及qos給各波束對應(yīng)時間實際個數(shù)，跳波束時隙是物理幀時間載體，其通常是以毫秒為單位的。跳波束周期即BHP，是指一次電力分配的跳波束時隙序列需花費的時間，各個波束所處突簇集合是通過動態(tài)分組策略來獲取，所分配的各跳波束時隙個數(shù)以及周期順序是由波束跳變策略來獲得的。時隙切換時間即SS，是指保護時間，從一個波束切換到另一個波束需要耗費的時間延遲，可在一個或多個跳波束之后開展。波束重訪時間即RVT，是指各波束將所分配的跳波束時隙資源塊彼此之間的間隔時間，由于波束重訪的時間通常比較大，會從一定程度上影響用戶終端同步，即便在特定跳波束周期中某波束無業(yè)務(wù)需求，但需要在該周期分配一個跳波束值，并且在該時隙中進行廣播、同步等信令。跳序號即HN，是指跳波束實際序號，其也是跳波束時隙數(shù)字標(biāo)識符，通常第一個跳序號為1，在每個波束結(jié)束之后可重新初始化為1。當(dāng)其與波束標(biāo)識符成對使用情況下，跳序號作為惟一標(biāo)識符。跳波束時間計劃即BHTP，是指資源動態(tài)分配時間，分別闡述計劃包含各部波束所分配的跳序號以及帶寬、載波頻率等相關(guān)參數(shù)。跳波束時間計劃需要結(jié)合用戶的申請業(yè)務(wù)，感知系統(tǒng)資源等多個因素，是根據(jù)網(wǎng)控中心提前生成的，能夠發(fā)送給地面系統(tǒng)以及衛(wèi)星系統(tǒng)等。

從跳波束周期以及波束駐留的時間優(yōu)化來看，在整個波束跳變周期中，系統(tǒng)資源全局調(diào)度周期可以用Tw表示，波束駐留時間中資源調(diào)度最小單位為Td，波束跳變周期為Tw以及波束駐留時間Td是系統(tǒng)資源高效利用的基礎(chǔ)。其中Tw表示能夠用于支持波波束數(shù)越多，但也會導(dǎo)致時延增加，Td越小表明系統(tǒng)資源的分配靈活性越強，但由于各波輸出的時間需同步捕獲時間，如果Td越小會導(dǎo)致資源利用率降低。綜合分析需要使用多目標(biāo)優(yōu)化的方式，以實現(xiàn)對波束跳變周期以及波束駐留時間實現(xiàn)同步優(yōu)化，在滿足系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求前提下，進一步實現(xiàn)全局資源的高效調(diào)度。如下公式所示為多目標(biāo)數(shù)學(xué)優(yōu)化模型。

在該目標(biāo)函數(shù)中，第i個波束通信試驗間隔可以用τi表示，第j個波束分配系統(tǒng)容量用Cj表示。上述兩個目標(biāo)函數(shù)能夠分別用于簇內(nèi)波束最大通信時間間隔以及分配的總吞吐量。在處于約束條件下，簇內(nèi)波束數(shù)目為Mb，系統(tǒng)同步最大保持時間為TD，波束同步捕獲時間為Ts，針對多目標(biāo)優(yōu)化的問題可采用整數(shù)規(guī)劃、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、最優(yōu)化設(shè)計方法，進而確定復(fù)數(shù)跳變周期以及波束駐留時間。

3 波束跳變準(zhǔn)則

結(jié)合業(yè)務(wù)需求可獲得跳波束周期范圍內(nèi)各波束分配的跳波束時隙個數(shù)，尤其需要確定簇內(nèi)部波束跳變條件圖案設(shè)計，該問題可轉(zhuǎn)換為跳波束周期中各波束的跳波束時隙排序問題。在處于某個跳波束周期范圍內(nèi)，簇內(nèi)波束可結(jié)合是否存在業(yè)務(wù)傳輸需求可將其分為非熱點和熱點區(qū)域波束，各個波束跳變策略以及具體流程需要遵循一定準(zhǔn)則：

（1）對于熱點區(qū)域的波束系統(tǒng)其需要結(jié)合用戶的業(yè)務(wù)申請，并結(jié)合資源分配算法，能夠?qū)狳c區(qū)域的波束分配情況和對應(yīng)波束間隙完成業(yè)務(wù)服務(wù)。

（2）對于非熱點區(qū)域的波束則需要考慮波束重訪時間影響，主要是由于重返時間較大時會從一定程度上影響用戶終端同步，即便處于非熱點區(qū)域其波束在特定跳波周期范圍內(nèi)無明顯的業(yè)務(wù)需求，這種情況下也應(yīng)當(dāng)在周期范圍內(nèi)分配給一個時間波束時隙，且在該時隙中完成廣播、同步等相關(guān)信令。

（3）對于熱點區(qū)域的跳波束時隙以及非熱點區(qū)域的跳波束間隙可實現(xiàn)交替排序，進而能夠使終端用戶同步最大保持時間與波束重訪時間滿足下列公式。

在處于相同信道條件下，如果系統(tǒng)的波束業(yè)務(wù)需求較小，此時利用N階差分目標(biāo)函數(shù)能夠忽略減少波束，而對于高業(yè)務(wù)需求波束來說，則能夠分配到更多的資源。公平性目標(biāo)函數(shù)能夠確保整個系統(tǒng)的公平性，進一步為高業(yè)務(wù)需求分配相同資源。如果信道條件發(fā)生變化，則會結(jié)合各波束業(yè)務(wù)需求，利用公平性目標(biāo)函數(shù)進行公平分配，以確保各波束業(yè)務(wù)需求能夠獲得相同滿足率。而在信道條件不同時，使用N階差分函數(shù)此時系統(tǒng)信道條件相對較好的波束相比信道較差的波束能夠獲得更多容量，因此需要結(jié)合實際系統(tǒng)參數(shù)和容量需求，選擇合理的優(yōu)化原則。

4 結(jié)束語

總而言之，在本研究中針對地球同步軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中波束跳變策略進行探究，利用該網(wǎng)絡(luò)采用跳波束策略進而實現(xiàn)用戶控制類信息傳輸，應(yīng)用跳波束時能夠從一定程度上改變過去信令接入的方式，通過分析跳波束的運行壓力以及跳變策略，以實現(xiàn)系統(tǒng)資源的合理調(diào)度和高效利用，以期能夠提升地球同步軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理能力以及響應(yīng)能力。