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宽带卫星通信系统的跳波束技术综述

卫星电视与宽带多媒体 2020年第17期 13-15页

作者：方应勇何辉南京熊猫汉达科技有限公司江苏南京210000

近些年来,在卫星通信市场的发展规律下,出现了宽带卫星通信这一必然的产物,为了满足宽带卫星通信系统的运行需求,需要借助跳波束技术应用,灵活分配星上功率和宽带资源等。跳波束技术中的关键部件复杂,值得业内人士不断的深入探索其技术... 详细信息

近些年来,在卫星通信市场的发展规律下,出现了宽带卫星通信这一必然的产物,为了满足宽带卫星通信系统的运行需求,需要借助跳波束技术应用,灵活分配星上功率和宽带资源等。跳波束技术中的关键部件复杂,值得业内人士不断的深入探索其技术特点,推动宽带卫星通信的长足发展。本文对宽带卫星通信系统现状进行了探讨,结合发展宽带卫星通信需要注意的问题,详细分析了跳波束技术使用的关键部件及跳波束系统建模的相关研究。

关键词：宽带卫星通信系统跳波束技术

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基于业务公平性和干扰消除的波束调度

国外电子测量技术 2023年第7期42卷 132-139页

作者：张新澳杨巧丽南京信息工程大学电子与信息工程学院南京210044 国防科技大学第六十三研究所南京210007

传统的多波束卫星通信系统采用固定的资源分配方式导致资源利用率较低,跳波束技术可以使卫星波束根据业务需求灵活的分配卫星资源,然而在整个卫星系统中随着波束的增加,波束选择的计算复杂度随之增加,而且系统并没有考虑业务公平性、波... 详细信息

传统的多波束卫星通信系统采用固定的资源分配方式导致资源利用率较低,跳波束技术可以使卫星波束根据业务需求灵活的分配卫星资源,然而在整个卫星系统中随着波束的增加,波束选择的计算复杂度随之增加,而且系统并没有考虑业务公平性、波束干扰等问题。针对上述问题,提出了基于业务实时占比的卫星波束调度方法,以最小化波束提供量与需求量差值为目标,将波束调度分为3个子问题,首先通过时隙分配降低计算复杂度,其次通过最小化业务延迟,降低了业务时延,最后通过空间隔离的方式抑制了波束间的同频干扰,提高同频复用率。仿真结果表明,该方法能够有效提高业务公平性和资源利用率。

关键词：卫星通信跳波束干扰消除波束调度

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低轨卫星通信系统的资源调度策略研究

低轨卫星通信系统的资源调度策略研究

作者：陈国良中国科学技术大学

学位级别：硕士

随着天地一体化网络的不断发展,低轨(Lower Earth Orbiting,LEO)卫星通信系统以传播延迟小、覆盖范围广和建设成本低等特点,在空间通信和应急通信等领域有着广泛的应用前景。然而,LEO卫星的业务需求迅速增加,导致通信容量不足。此外,LE... 详细信息

随着天地一体化网络的不断发展,低轨(Lower Earth Orbiting,LEO)卫星通信系统以传播延迟小、覆盖范围广和建设成本低等特点,在空间通信和应急通信等领域有着广泛的应用前景。然而,LEO卫星的业务需求迅速增加,导致通信容量不足。此外,LEO卫星的业务需求在时间和空间分布高度不均,LEO卫星采用固定资源分配方式容易造成卫星提供通信容量与业务需求不匹配,从而降低了系统的资源利用率。针对上述问题,本文致力于提升LEO卫星通信系统的通信容量和服务能力,开展LEO卫星通信系统的高效资源调度策略研究,论文的主要工作包括:(1)针对现有LEO卫星的业务需求迅速增加而导致通信容量不足的问题,基于非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术,提出了改进的用户分组和功率分配的资源调度策略。首先,提出了基于信道增益排序的用户分组算法,使得每个分组中用户的信道增益均有较大差异,提升了NOMA的性能增益。其次,提出了改进的遗传算法,从整体上为用户分配功率,该算法收敛速度快。分析与仿真结果表明,本文所提基于信道增益排序的用户分组算法和改进的遗传算法均有效提升了系统的通信容量。(2)针对现有LEO卫星难以解决业务需求在时间和空间上分布高度不均匀的问题,面向未来的跳波束卫星,提出了基于NOMA的跳波束(Beam Hopping,BH)动态资源调度策略。所提调度策略利用干扰约束条件筛选有效快照,减少了波束间的同频干扰。此外,所提调度策略按需分配系统资源,设计了跳波束传输计划,实现波束级动态资源分配,进而在点亮波束内基于NOMA技术实现用户级动态资源分配。分析与仿真结果表明,相比于现有的基于NOMA技术的四色复用资源调度策略,本文提出的基于NOMA的跳波束动态资源调度策略,不仅完成了系统资源按需灵活分配,有效提升了系统满意度指数,还减少了 LEO卫星发射总功率,符合LEO卫星小型化和节能化的趋势。经过对LEO卫星通信系统的资源调度策略的研究,提高了系统的通信容量,完成了系统资源按需灵活分配,为LEO卫星通信系统的资源调度策略设计提供了重要的参考价值。

关键词：低轨卫星通信系统资源调度非正交多址接入跳波束

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低轨卫星互联网技术架构及地面验证方法

南京航空航天大学学报 2021年第S01期53卷 57-61页

作者：王崇郝珊珊康国栋徐良周洪刚航天科工集团第二研究院航天科工空间工程发展有限公司北京100854

为了满足全时段全地域高速数据速率需求以及应对各国对空间资源日益激烈的竞争,被列入新基建范畴的低轨(Low earth orbit,LEO)卫星互联网已成为最具前景的解决方案之一。基于"通导遥一体化设计"理念,本文提出一种以"星间组网+星上处理+... 详细信息

为了满足全时段全地域高速数据速率需求以及应对各国对空间资源日益激烈的竞争,被列入新基建范畴的低轨(Low earth orbit,LEO)卫星互联网已成为最具前景的解决方案之一。基于"通导遥一体化设计"理念,本文提出一种以"星间组网+星上处理+跳波束"为主要特征的系统技术架构。该架构对星间激光通信、高速星上路由处理、宽带跳波束等各项关键技术进行分析,并给出一种针对包含首颗发射卫星的低轨卫星互联网的地面试验验证方法。本文提出的卫星网络体系结构、关键技术解决方案和在轨验证结果,对我国卫星互联网的建设和发展具有有益的探索和借鉴意义。

关键词：低轨卫星互联网通导遥一体化跳波束地面验证卫星网络体系架构

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低轨卫星系统的动态资源调度策略研究

低轨卫星系统的动态资源调度策略研究

作者：王诗琪中国科学技术大学

学位级别：硕士

作为地面通信系统的补充与扩展,卫星通信系统在空天地一体化网络中扮演着关键角色。其中,低轨（Low Earth Orbit,LEO）卫星系统作为全时空覆盖的接入网络,在全球物联网和应急通信等领域具有突出优势。由于LEO卫星的快速移动性和多波束... 详细信息

作为地面通信系统的补充与扩展,卫星通信系统在空天地一体化网络中扮演着关键角色。其中,低轨（Low Earth Orbit,LEO）卫星系统作为全时空覆盖的接入网络,在全球物联网和应急通信等领域具有突出优势。由于LEO卫星的快速移动性和多波束结构的特点,其覆盖范围内各波束间流量需求极为不均衡且具有时变性,而采用传统的固定资源分配方式会存在负载高的波束通信容量不足,负载低的波束资源过剩的问题,导致系统资源利用率低下。针对前述问题,本文致力于研究提高LEO卫星系统接入容量的机制与高效的无线资源管理策略,具体的研究工作如下:（1）针对现有配备常规频率复用有效载荷的LEO卫星系统存在覆盖热点区域的波束通信资源不足的问题。考虑对现有LEO卫星系统的补充,本文部署高空平台（High Altitude Platform,HAP）来覆盖热点区域,提出LEO-HAP频谱共享方案,并设计分层资源分配框架。本文分别对LEO卫星与HAP构建了以最大化下行链路容量为目标的优化问题。首先,为LEO卫星优先设计多星多波束联合资源分配方案,采用对偶方法和卡罗需-库恩-塔克（KKT）条件求解非凸优化问题,并设计次梯度下降法进行迭代求解。然后,基于干扰分析模型,为HAP设计资源分配方案,并设计迭代算法求解凸优化问题。仿真结果表明,本文所提出的策略可以有效解决热点区域通信资源不足问题,具有稳定的性能增益。（2）针对现有LEO卫星系统星上资源利用率低下的问题,本文面向未来配备跳波束（Beam Hopping,BH）有效载荷的LEO卫星系统,提出基于BH的动态资源调度方案。首先,根据有效载荷限制和干扰控制的要求,提出跳波束图案快照预处理算法,避免了执行跳波束传输计划设计过程中面临的小区选择维度灾难问题。进而,设计了多星联合动态跳波束传输计划。为保证调度的公平性,以最大化性能最差小区的容量与该小区业务需求的比值为目标建立优化问题,然后,将优化问题转化为线性规划问题,并利用凸优化工具箱（Convex Optimization Toolbox,CVX）求解。最后,基于跳波束传输计划提出了波束内的用户级资源优化方法。仿真结果表明,本文所提出的策略对各小区业务需求不均衡场景具有较好的适应性。

关键词：低轨卫星通信系统多波束频率复用频谱共享跳波束资源分配

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基于干扰控制的LEO和GEO频谱共享方法

基于干扰控制的LEO和GEO频谱共享方法

作者：李壮哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着全球信息化的快速发展,人们对高通信质量、高速率的通信服务的需求越来越显著。由于地面蜂窝通信的局限性,使得处于边远地区的用户无法接受服务。卫星通信以其通信距离远、通信质量稳定的特点可以作为地面通信的补充为用户提供服务... 详细信息

随着全球信息化的快速发展,人们对高通信质量、高速率的通信服务的需求越来越显著。由于地面蜂窝通信的局限性,使得处于边远地区的用户无法接受服务。卫星通信以其通信距离远、通信质量稳定的特点可以作为地面通信的补充为用户提供服务,近地轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星的轨道高度低,通信时延小,相对于对地静止轨道(Geostationary Orbit,GEO)卫星更适合传输话音和数据业务。LEO卫星的覆盖范围小,需要大规模组网,随着空间中的卫星数量的不断增加,空间中的频谱资源短缺问题日益严重,频谱资源短缺限制了卫星通信的发展。本文研究LEO卫星和GEO卫星的频谱共享,解决频谱稀缺问题提升频谱效率,然而LEO和GEO频谱共享存在同频干扰的问题,导致LEO卫星和GEO卫星的通信质量下降。因此,研究一种基于干扰控制的LEO和GEO卫星的频谱共享方法是当前研究的热点。本文首先对LEO和GEO频谱共享的研究现状进行梳理,分析了当前LEO和GEO频谱共享的主要研究方向和优缺点。建立星间频谱共享场景下的干扰模型,分析频谱共享时的上下行链路同频干扰,分析结果显示干扰的主要影响因素为天线增益和自由空间损耗。在干扰分析的基础上,研究了依赖地面站隔离角的静态频谱共享方法,当卫星进入隔离区域后采取关闭部分波束的方式实现频谱共享。静态频谱共享存在吞吐量损失较大问题,进一步提出了基于干扰避免的跳波束频谱共享方法,LEO卫星采用跳波束载荷,通过优化跳波束图案实现时域上的干扰避免。之后本文提出了基于干扰控制的LEO和GEO联合功率优化算法,结合功率控制的思想,首先提出LEO多波束功率控制算法,采用分式规划中的二次变换的方法将非凸问题转换成可求解的凸优化问题,同时引入空间隔离的隔离区域的思想提升算法的执行效率。针对LEO多波束功率控制算法LEO系统性能损失较大的问题,提出LEO和GEO联合功率优化算法,联合优化LEO和GEO的波束发射功率,在保证GEO卫星通信质量的前提下,提升系统容量和系统频谱效率,实现LEO和GEO的频谱共享。

关键词：频谱共享 LEO GEO 同频干扰跳波束功率控制

GEO/LEO双层卫星通信网络同频干扰避免技术研究

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GEO/LEO双层卫星通信网络同频干扰避免技术研究

作者：魏文秋哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着通信系统的飞速发展,人们对高数据速率通信的要求逐渐显著,由于地面网络在偏远覆盖区域等的局限性,卫星网络系统作为补充与地面网络系统一起为人们提供高效、便捷的通信服务。LEO（Low Earth Orbit,地球低轨道）卫星通信系统有着通... 详细信息

随着通信系统的飞速发展,人们对高数据速率通信的要求逐渐显著,由于地面网络在偏远覆盖区域等的局限性,卫星网络系统作为补充与地面网络系统一起为人们提供高效、便捷的通信服务。LEO（Low Earth Orbit,地球低轨道）卫星通信系统有着通信距离短、路径损耗低等优点弥补了GEO（Geostationary Orbit,地球静止卫星轨道）卫星的不足而得到更多的应用。由于频谱资源的有限性,LEO卫星和GEO卫星需要共享相同的频谱资源,因此双层卫星通信网络需要通过频谱共享来解决频谱稀缺问题,扩展卫星宽带业务,最终提高频谱利用率。本文对GEO/LEO双层卫星通信网络下行链路进行同频干扰分析和干扰避免技术的研究。首先,对双层卫星通信网络的发展和同频干扰避免的国内外研究现状进行了综述。针对目前频谱资源的利用情况以及国际上针对双层卫星通信网络频谱共享的规格标准与建议,将共享频段的研究确定在Ka频段。然后分析了几种干扰避免技术并针对它们的优缺点进行分析与比较,为后文研究功率控制算法和认知跳波束算法提供了理论依据。然后,详细研究了在双层卫星通信网络中同频干扰的影响因素。将从时间、空间和频率三维模型进行通信节点共存分析,然后在同频干扰条件下,用时间变化来表示LEO卫星运行过程中的空间坐标来进行干扰分析。根据干扰特性提出使用波束功率控制技术来避免同频干扰,但由于波束功率控制算法模型的非凸性,所以只能得到局部最优解,因此针对波束功率控制模型的特点提出优化功率控制算法,利用分式规划将多比值和的问题进行优化,在避免对GEO网络干扰的同时,提高LEO通信网络的性能。最后,由于功率控制技术在提高LEO系统性能方面具有一定的局限性,以更多可用资源灵活分配为启发,提出了使用认知跳波束算法来进行干扰避免。首先提出使用基于动态频率复用的认知跳波束算法,该算法通过合理的分配LEO卫星跳波束的跳频序列,并对跳波束序列进行动态频率复用,在避免对GEO系统干扰的同时,减小LEO卫星多波束间干扰。动态频率复用的认知跳波束算法虽然能减小对GEO卫星系统的干扰,但是在针对LEO用户请求合理分配波束容量方面仍然不够灵活。然后提出了基于距离门限的认知跳波束算法,在设置距离门限的基础上设计跳波束序列,在避免对GEO网络干扰的同时,提高LEO系统波束容量分配的灵活性。

关键词： GEO/LEO双层卫星通信网络频谱共享同频干扰功率控制跳波束

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低轨卫星网络资源动态分配策略设计

信息化研究 2022年第3期48卷 18-22页

作者：左云鹏万扬洋苟亮聂宇雷王宇王俊彬南京融星智联信息技术有限公司南京211135

传统卫星跳波束资源分配通常以固定的资源分配方式,易造成资源浪费,且固定的资源分配多通过地面控制中心发起,无法做到实时动态地根据地面不均匀业务分布情况进行分配。根据多用户需求,文章提出一种星上动态分配时隙资源、调度天线进行... 详细信息

传统卫星跳波束资源分配通常以固定的资源分配方式,易造成资源浪费,且固定的资源分配多通过地面控制中心发起,无法做到实时动态地根据地面不均匀业务分布情况进行分配。根据多用户需求,文章提出一种星上动态分配时隙资源、调度天线进行跳波束通信的方法,并已在某低轨宽带多波束实验卫星通信载荷上进行地面有线和无线通信实验以及在轨单星跳波束通信实验的验证。

关键词：低轨宽带卫星跳波束时隙分配波束调度

基于VXWorks的低轨宽带通信载荷管理软件多任务实时性调度设计

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信息化研究 2022年第2期48卷 51-55页

作者：左云鹏万扬洋刘进进张亚慧陈翔朱明强南京融星智联信息技术有限公司南京210008

针对传统卫星通信系统中跳波束时隙资源以固定预分配的方式由地面控制中心上注,缺乏实时性和灵活性。本文基于VXWorks操作系统设计了低轨宽带星载管理软件,根据功能需求对软件应用层进行设计,并根据功能模块划分多个任务。多任务协同工... 详细信息

针对传统卫星通信系统中跳波束时隙资源以固定预分配的方式由地面控制中心上注,缺乏实时性和灵活性。本文基于VXWorks操作系统设计了低轨宽带星载管理软件,根据功能需求对软件应用层进行设计,并根据功能模块划分多个任务。多任务协同工作,实现根据用户申请资源实时按需进行时隙分配并进行跳波束通信。最终进行在轨通信测试,实验结果满足设计要求。

关键词： VXWorks 低轨通信卫星跳波束多任务