低轨卫星跳波束资源动态分配算法研究

作     者：周卓 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭庆

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：低轨卫星网络 跳波束 资源动态分配 动态分簇 干扰避免 

摘      要：由于高速率多媒体业务和电子产品设备数量的剧烈增长,为保证未来移动通信网通信速率的达到预期,卫星通信系统与地面移动通信系统进行有机的融合是未来的发展趋势。卫星互联网目前是国内国外的战略研究重点之一。在地面网络的基础上结合卫星通信特性,能够弥补地面网络在服务体验与广域覆盖方面的不足。低轨卫星由于运行轨道距离地面用户近,造成的路径损耗和传输时延较小,可以传输海量低时延的多媒体业务;同时由于卫星的体量不大,因此发射成本低,产生收益高,是目前备受学界关注的卫星系统。但低轨卫星也是典型的资源受限系统,为满足高速业务传输需求,宽带卫星系统中开始采用多波束天线技术。然而传统多波束系统与低轨卫星不断变化的通信请求无法相互匹配,难以达到随需覆盖。跳波束体制由于能够通过时间分片以少量载荷覆盖相同范围区域,同时灵活匹配分布不均匀的流量请求,因此脱颖而出。但目前已有对低轨卫星跳波束资源分配算法的研究中还未有应对不均匀业务的整体考虑,对干扰避免的手段几乎也都停留在控制距离阈值的阶段。因此本文重点研究面向覆盖区域不均匀业务的跳波束资源分配算法与基于动态部分频率复用的干扰避免手段,以更好地满足系统对动态资源分配方案指标的要求。第一,本文对面向覆盖区域不均匀业务的跳波束体制下的资源分配算法进行研究,为每个时隙设计合适的波束跳跃图案,以少量算法的复杂度为代价提升资源利用率,增强系统侧与用户侧的性能指标。先阐释覆盖区域内波束的划分原则,继而通过根据匹配覆盖区域业务对波束数量的选取以及根据流量位置分布对波位的集群方式两个子问题完成动态分簇算法的设计,达到均衡簇间通信业务的目的。最后以均匀簇内业务分布为目标为每个波位分配频率、功率和波束资源,得到适应用户流量且相对公平的资源调度结果。综合以上两者算法,应用于抽象出的数学模型内进行仿真并对结果进行分析。第二,本文设计一种基于动态部分频率复用的干扰避免方案能以少量的频带为代价提升波位边缘用户性能,有效解决波束间的同频干扰。首先对就目前存在的干扰问题进行详细分析,波束间产生同频干扰的场景,并简单阐述现已有的几种频率复用方式,根据本文提出的系统模型选择合适的频率复用方案来实现干扰避免。其次,以最大化吞吐量为目标,对选用的频率复用方案进行用户级的频率域资源调度过程设计,最大限度降低波束同频引发的影响。最后,就低轨卫星跳波束系统抽象出来的场景中进行仿真分析,得到该方案适用的场景和特性。