基于跳波束GEO卫星的波束切换研究

作     者：潘宏宇 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宛汀

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：高通量卫星 跳波束 波束切换 呼叫优先级 时空二维模型 资源分配 

摘      要：多波束GEO卫星通过多点波束、高增益等关键技术大幅度提升了通信容量,解决了传统卫星通信容量小的问题。由于对星上资源的固定分配,多波束GEO卫星系统容易造成资源浪费,随之跳波束技术应运而生。跳波束技术能够解决资源分配不均等问题,与此同时,为满足跳波束GEO卫星系统下的移动终端通信需求,还需研究有效的波束切换技术。由于跳波束GEO卫星的波束具有间断性,使得波束切换与多波束GEO卫星的波束切换有很大不同。在跳波束GEO卫星下,每一个波束可以为很多波位提供服务,而在多波束GEO卫星下,波束和波位一一对应。针对跳波束GEO卫星的波束切换问题,本文首先建立了高速移动用户业务的时空二维模型,然后对所提切换算法即基于剩余时间的动态时隙预留切换算法的切换性能进行仿真分析,最后面向跳波束切换进行系统仿真和验证,具体研究内容及其成果如下:高速移动用户业务的时空二维建模。由于多波束技术的应用,众多学者开始研究波束切换算法。通过随机产生的业务,证明了这些算法的理论性能,没有真实的切换场景以及业务模型。针对这一问题,本文选取东方航空公司和中国高铁部分班次作为业务,通过统计和仿真,将业务在空间维度和时间维度上可视化。在空间维度上,首先,将地图网格划分,为了方便计算,航班看作直线,根据起始经纬坐标,再通过累加,最终得到的数值展示成热力图,最后通过“网格号-波束号对应关系,得到以波位为单位的高速移动用户的空间业务模型;在时间维度上,通过统计每时段的终端运行数量,最终得到高速移动用户的时间业务模型。仿真结果表明,终端业务在空间维度、时间维度上存在明显的差异。基于剩余时间的动态时隙预留切换算法。对于切换检测阶段,传统多波束卫星系统的波束切换检测机制大都选择单一变量作为触发切换的因素,例如接收信号强度、地理位置等,这种切换检测机制容易造成终端的乒乓切换,增大通信时延,影响切换质量。针对这一问题,本文采用终端在波位内的剩余驻留时间作为触发切换的因素,该因素融合了终端速度、终端的航线、终端的地理位置三个变量。对于切换决策阶段,传统多波束卫星系统大都采用信道预留机制,相比于跳波束通信系统,终端需要分配到相应的时隙资源才能够传输信息,所以本文将根据呼叫优先级对终端分配时隙资源,通过理论推导,对切换算法的理论性能进行仿真分析。面向跳波束切换的系统仿真和验证。在跳波束场景下,波束切换可以分为簇内切换和簇间切换。对于簇内切换,实质上就是簇内时隙资源的分配,只要波束同步地跳变到相应波位为该终端分配时隙资源即看作切换成功;簇间切换涉及到通信链路的建立以及时隙资源的分配。本章详细阐述两种切换交互流程,同时为了进一步验证以上切换算法的性能,本章将业务时空二维模型作为输入,通过剩余时间切换机制处理终端的切换请求,判断时隙和信道资源利用情况,完成终端的呼叫请求。通过仿真结果,系统地验证了上一章的理论性能。