王亞昕,邊東明,胡 婧,唐璟宇,王 闖

(陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院,南京 210007)

0 概述

近年來(lái),隨著衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的不斷提升,對(duì)該業(yè)務(wù)的需求量逐步增加,但承載業(yè)務(wù)的功率資源和轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬資源卻愈發(fā)緊張,從而使得衛(wèi)星通信資源供需不平衡的問(wèn)題日益突出[1]。為解決該問(wèn)題,研究人員設(shè)計(jì)高吞吐量衛(wèi)星(High Throughput Satellite,HTS)。HTS通過(guò)引入多端口放大器,使得功率和帶寬資源能夠靈活分配,大幅提升了系統(tǒng)可用容量[2]。跳波束(Beam Hopping,BH)即為在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種能夠靈活分配資源的新技術(shù)。跳波束技術(shù)旨在利用較少波束的跳變來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)的覆蓋,其基本設(shè)計(jì)思想是基于時(shí)間分片技術(shù)[3],在某一特定時(shí)刻,衛(wèi)星上只有部分點(diǎn)波束處于工作狀態(tài)。因此,相較于傳統(tǒng)的多波束技術(shù),跳波束技術(shù)更能適應(yīng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)需求不均衡的場(chǎng)景,成為未來(lái)HTS衛(wèi)星系統(tǒng)規(guī)劃中可選用的技術(shù)之一。

MOKHTAR A等人于2000年研究了跳波束技術(shù)在LEO寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)下行鏈路中的應(yīng)用,對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了評(píng)估,并給出了覆蓋區(qū)域、波束數(shù)目、干擾條件等因素對(duì)系統(tǒng)吞吐量的影響結(jié)果,此外還提出了歸一化下行鏈路吞吐量的上界與下界[4]。文獻(xiàn)[5]針對(duì)多波束衛(wèi)星系統(tǒng)為用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入的前向鏈路場(chǎng)景,在DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)下結(jié)合跳波束技術(shù)與自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)(Adaptive Coding and Modulation,ACM),利用遺傳算法的全局優(yōu)化特性設(shè)計(jì)了波束跳變傳輸方案,使得系統(tǒng)吞吐量相較于傳統(tǒng)功率和帶寬的分配方式提升了30%。文獻(xiàn)[6-7]根據(jù)Ka波段跳波束系統(tǒng)的性能,并以DDSO(Digital Divide:the Satellite Offer)研究預(yù)測(cè)的歐洲地區(qū)Ka波段多波束衛(wèi)星系統(tǒng)中互聯(lián)網(wǎng)接入需求分布為標(biāo)準(zhǔn),評(píng)估了跳波束系統(tǒng)與非跳波束系統(tǒng)的性能差異,由于跳波束技術(shù)具備更好的靈活性,相比于傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)性能提升明顯。巴塞羅那自治大學(xué)的M.A.Vázquez Castro團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了跳波束系統(tǒng)前向下行鏈路中資源動(dòng)態(tài)分配的優(yōu)化算法,基于各波束的流量請(qǐng)求,以單波束業(yè)務(wù)需求最大滿足度為目標(biāo),提出了兩種啟發(fā)式算法,仿真結(jié)果表明系統(tǒng)容量相比于傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)提升了15%[8-9]。然而,上述對(duì)資源分配問(wèn)題的研究不能得到閉式解,為此,文獻(xiàn)[10-12]建立了跳波束系統(tǒng)資源分配的數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)出了時(shí)隙分配問(wèn)題的閉式解,并進(jìn)一步將研究成果推廣到移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景。

傳統(tǒng)的多波束衛(wèi)星系統(tǒng)通常將可用頻帶劃分為多個(gè)相同大小的子頻帶[13],通過(guò)頻率復(fù)用的方式完成波束覆蓋,但無(wú)法適應(yīng)地面用戶業(yè)務(wù)需求分布不均衡的場(chǎng)景。而跳波束技術(shù)以其波束靈活跳變的運(yùn)作機(jī)制能夠解決這一問(wèn)題。在同一時(shí)刻,星上部分跳變波束工作使用全部帶寬,工作波束之間采用空間隔離的方式以減小共信道干擾。但是,空間隔離并不能完全解決干擾問(wèn)題,如果跳變波束距離較近,它們之間的干擾將會(huì)影響到信號(hào)質(zhì)量。本文基于對(duì)波束間干擾加以控制的設(shè)計(jì)思想,提出一種跳波束資源分配算法,避免干擾對(duì)通信質(zhì)量造成影響,以提升系統(tǒng)總吞吐量。

1 跳波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)建模

1.1 下行鏈路模型

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的前向鏈路,是指信息由網(wǎng)關(guān)上傳至衛(wèi)星再發(fā)送到地面用戶的過(guò)程。對(duì)于用戶而言,由于大部分的通信需求都在前向鏈路[14],且前向鏈路的資源管控集中在星上統(tǒng)一執(zhí)行,所以本文的研究主要針對(duì)前向鏈路下行段。

假設(shè)某地區(qū)被K個(gè)點(diǎn)波束區(qū)域所覆蓋,如圖1所示,每個(gè)點(diǎn)波束區(qū)域稱為小區(qū)(cell)。小區(qū)內(nèi)用戶的通信業(yè)務(wù)流由網(wǎng)關(guān)站上傳至衛(wèi)星,再由衛(wèi)星通過(guò)跳波束下行鏈路發(fā)送到各用戶。將每Nb個(gè)點(diǎn)波束歸為一個(gè)分組,稱為一個(gè)波束簇(cluster),共分為Nc個(gè)波束簇,顯然,K=Nb·Nc。在傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)中,所有點(diǎn)波束同時(shí)工作,但并不是所有區(qū)域都時(shí)刻有業(yè)務(wù)需求,這就造成了一定的資源浪費(fèi)。而跳波束系統(tǒng)中星上僅有Nc個(gè)跳變波束同時(shí)工作,即任一指定時(shí)刻,每簇僅有一個(gè)點(diǎn)波束區(qū)域被點(diǎn)亮而處于工作狀態(tài)。在每個(gè)波束簇中,系統(tǒng)按需跳變到有業(yè)務(wù)請(qǐng)求的小區(qū),為其提供服務(wù),大大減少了因信道空閑而造成的資源浪費(fèi)。此外,工作波束能夠使用該簇的全部帶寬和功率,實(shí)現(xiàn)了星上頻率資源和功率資源的池化。

圖1 跳波束衛(wèi)星系統(tǒng)下行鏈路模型Fig.1 Downlink model of BH satellite system

從圖1可以看出,跳波束技術(shù)通過(guò)改變跳變波束在每個(gè)小區(qū)的駐留時(shí)間,即分配不同的時(shí)隙數(shù)目,實(shí)現(xiàn)了星上帶寬資源的池化。如果沒(méi)有特殊說(shuō)明,本文所討論的資源分配即為時(shí)隙個(gè)數(shù)分配。在跳波束衛(wèi)星系統(tǒng)的下行鏈路中,設(shè)工作波束帶寬為B,時(shí)隙的最小分配單元為Ts。如圖2所示,在總時(shí)隙個(gè)數(shù)為W的一個(gè)時(shí)間窗口中,衛(wèi)星根據(jù)各波束上報(bào)的業(yè)務(wù)需求合理地為它們分配不同數(shù)目的時(shí)隙資源。

圖2 跳波束時(shí)隙分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of BH timeslot distribution

(1)

設(shè)系統(tǒng)采用高斯編碼,則波束i分得的容量為:

(2)

其中,γi表示波束i的信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR):

(3)

其中,波束i的發(fā)射功率Pi=Ptot/Nc,Gi表示波束i的信道增益,N0為噪聲功率,Ψcc是除了波束i之外的其他與之同時(shí)工作的波束集合,因?yàn)樗鼈儠?huì)對(duì)波束i產(chǎn)生干擾。

由于采用GEO衛(wèi)星,可以假設(shè)所有波束的傳播鏈路距離相等,系統(tǒng)采用全頻復(fù)用的方式,因此可以假設(shè)所有波束的自由空間傳播損耗相同,為L(zhǎng)SL;而第i個(gè)波束的鏈路表示為L(zhǎng)ri,則第i個(gè)點(diǎn)波束的信道增益Gi可以寫為:

(4)

(5)

(6)

其中,φi表示指向第i個(gè)波束與衛(wèi)星接收天線波束中心的夾角,φ3 dB表示衛(wèi)星接收天線的半功率角。從式(6)層層回代到式(2),便能夠計(jì)算出分配給波束i的容量。

1.2 衛(wèi)星波束間干擾分析

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,為充分利用頻率資源,常采用空間頻率復(fù)用技術(shù),分別指向不同區(qū)域的不同波束同時(shí)工作,但采用相同頻帶通過(guò)天線方向性來(lái)實(shí)現(xiàn)不同波束的隔離。由于天線輻射方向圖的旁瓣效應(yīng),波束間會(huì)產(chǎn)生共信道干擾(Co-Channel Interference,CCI),干擾的強(qiáng)度由用戶到衛(wèi)星間的連線與波束瞄準(zhǔn)線之間的夾角來(lái)確定[16]。所以,在對(duì)干擾進(jìn)行建模之前,首先要計(jì)算出該方向夾角。

圖3 波束間干擾計(jì)算示意圖Fig.3 Schematic diagram of inter-beam interference calculation

設(shè)GEO衛(wèi)星軌道高度為h,由于高度較高,因此本文不考慮斜投影問(wèn)題,設(shè)小區(qū)的中心為衛(wèi)星的正投影點(diǎn)。在圖3中,設(shè)小區(qū)n的中心位于衛(wèi)星星下點(diǎn)處,衛(wèi)星、小區(qū)中心(星下點(diǎn))和地心共線,地球半徑為R,則由余弦定理可以得到:

(7)

進(jìn)一步化簡(jiǎn)得:

(8)

設(shè)干擾用戶為小區(qū)c中的用戶u,被干擾用戶為小區(qū)n中的用戶m,則下行鏈路小區(qū)間的干擾為:

(9)

若以系統(tǒng)中CCI最小為目標(biāo)構(gòu)建優(yōu)化問(wèn)題,即可轉(zhuǎn)化為工作波束之間距離最短問(wèn)題。參考圖論中的相關(guān)優(yōu)化問(wèn)題可知,這是一個(gè)NP-hard問(wèn)題,需要巨大的計(jì)算量才能搜索到全局最優(yōu),而這對(duì)能力有限的衛(wèi)星而言并不可行。本文研究的資源分配算法旨在通過(guò)控制干擾,最終達(dá)到提升系統(tǒng)容量的目的。所以,只需要干擾控制在一定門限值以下,不會(huì)對(duì)信號(hào)質(zhì)量造成影響進(jìn)而影響到系統(tǒng)容量,才能滿足算法設(shè)計(jì)初衷。為了確定使干擾對(duì)信號(hào)不構(gòu)成影響的門限值的大小,本文對(duì)系統(tǒng)的SINR隨波束間距離的變化做定量分析。由于在DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)中,調(diào)制方式為QPSK 5/6所對(duì)應(yīng)的信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)門限值為5.18 dB,調(diào)制方式為8PSK 3/5所對(duì)應(yīng)的SNR門限值為5.5 dB。結(jié)合該性能并參考現(xiàn)有的衛(wèi)星通信系統(tǒng),本文設(shè)置一個(gè)合理的系統(tǒng),SNR參考值為6.6 dB。結(jié)合式(8)、式(9)算出不同距離下的干擾功率,再根據(jù)式(3)進(jìn)一步算出SINR,仿真結(jié)果如圖4所示,其中,橫軸的r指波束半徑。

圖4 同時(shí)工作的波束間距離對(duì)SINR的影響Fig.4 Influence of simultaneous inter-beamdistance on SINR

從圖4可以看到,當(dāng)波束間距離大于4倍的波束半徑時(shí),SINR與SNR大致相等,即干擾功率相較于噪聲功率而言比較小,干擾對(duì)于信號(hào)質(zhì)量的影響可以忽略。所以,本文設(shè)置距離門限dth值為波束半徑的4倍。

2 多簇聯(lián)合的跳波束圖案優(yōu)化

跳波束圖案是指跳變波束不同的組合狀態(tài)——即哪些波束工作時(shí)間長(zhǎng)、哪些波束工作時(shí)間短、哪幾個(gè)波束又會(huì)同時(shí)工作,是指系統(tǒng)不同的時(shí)隙分配結(jié)果。在采用全頻復(fù)用的跳波束系統(tǒng)中,單個(gè)波束可用帶寬大大增加,然而多個(gè)工作波束同時(shí)使用全部帶寬,將會(huì)產(chǎn)生一定的干擾,影響系統(tǒng)性能。雖然跳波束機(jī)制中利用空間隔離盡量降低干擾的影響,但如果工作波束相距較近,則它們之間的干擾不能夠忽略不計(jì)。所以,需要聯(lián)合多個(gè)波束簇進(jìn)行跳波束圖案協(xié)調(diào),盡可能降低干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

2.1 時(shí)隙資源與容量資源

(10)

(11)

以單個(gè)時(shí)隙作為資源分配的最小單位,符合跳波束隨時(shí)間推移而跳變的特性,并且能夠在算法中通過(guò)不同波束的時(shí)隙數(shù)量分配與位置安排優(yōu)化跳波束圖案,提升系統(tǒng)性能。

2.2 考慮干擾規(guī)避的時(shí)隙分配算法

跳波束系統(tǒng)以一個(gè)時(shí)間窗口為周期完成一次時(shí)隙分配,給每簇內(nèi)的所有波束都分配一定數(shù)目的時(shí)隙。所以,跳波束圖案的協(xié)調(diào)也應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。為了在滿足波束間相對(duì)公平的前提下提高系統(tǒng)容量,以最小化二階差分系統(tǒng)容量(Differential System Capacity,DSC)為優(yōu)化目標(biāo)[17],則該優(yōu)化問(wèn)題可以描述為:

(12)

(13)

(14)

系統(tǒng)共有K個(gè)點(diǎn)波束,分為Nc個(gè)波束簇。由式(14)給出的容量資源和時(shí)隙資源的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可以將該問(wèn)題轉(zhuǎn)化為時(shí)隙資源優(yōu)化分配問(wèn)題:

(15)

(16)

(17)

約束條件式(16)限制了分配給波束的容量不能大于該波束的請(qǐng)求容量,從而減少了有限的資源的浪費(fèi)。約束條件式(17)表示同一時(shí)刻工作的波束數(shù)目不得超過(guò)波束簇?cái)?shù)目。

為降低波束簇間干擾的影響,本文提出一種啟發(fā)式算法,在動(dòng)態(tài)分配時(shí)隙資源的同時(shí)盡可能規(guī)避或減小干擾,從而完成跳波束圖案的優(yōu)化。

由于在傳統(tǒng)的資源平均分配模式下,需求大的波束常常未能被滿足,需求小的波束卻會(huì)因分配到超過(guò)其請(qǐng)求的資源而造成浪費(fèi)[18],因此應(yīng)當(dāng)使得需求大的波束被點(diǎn)亮的更頻繁。本文在每次迭代中都優(yōu)先選擇需求大的波束分配資源,提出一種最大波束優(yōu)先(Highest-Beam First,HBF)算法。對(duì)于波束間的干擾問(wèn)題,由1.2節(jié)所述,推算出一個(gè)距離門限dth用來(lái)簡(jiǎn)化波束之間的同頻干擾表示:若波束間距離大于dth,則認(rèn)為它們之間的干擾很小,可以忽略不計(jì)。

已有的跳波束時(shí)隙分配算法思路大多是將資源分配給用戶,并采用波束串行分配方式[8],使得跳波束圖案中時(shí)隙離散化程度較高。而本文算法考慮將用戶(即波束)分給資源(即每個(gè)時(shí)隙),采用波束并行分配方式,能夠使跳波束圖案中的時(shí)隙更連續(xù)。在分配過(guò)程中,首先確定起始波束及其所在的波束簇,而后基于各簇的位置幾何關(guān)系依次確定其他簇中與已選波束同時(shí)工作的其余波束。原則是在距離大于dth的波束中選擇時(shí)隙請(qǐng)求最大的波束,如果dth之外無(wú)波束可選,則選擇與已選波束距離最遠(yuǎn)的,以盡量減小干擾。

由于系統(tǒng)資源有限,波束覆蓋區(qū)域內(nèi)的請(qǐng)求容量往往大于衛(wèi)星能夠提供的容量,為了保證一定的用戶公平性,避免資源過(guò)多地被請(qǐng)求量非常大的波束占用,導(dǎo)致某些請(qǐng)求量特別小的波束得不到服務(wù)的情況發(fā)生,首先對(duì)所有波束預(yù)分配一個(gè)時(shí)隙,以保證每個(gè)波束都能夠至少被點(diǎn)亮一次。

算法1預(yù)分配算法

2.循環(huán) j=1:Nb

循環(huán) i∈Γ1

c←1

Ncj(c,j)←i

Tleft(i)=Tleft(i)-1

Ttotal(c)=Ttotal(c)-1

3.循環(huán) c=2:C

循環(huán) k∈Γc

如果dkl>dth對(duì)所有l(wèi)∈Ncj(:,j)

Ncj(c,j)←k

Tleft(k)=Tleft(k)-1

Ttotal(c)=Ttotal(c)-1

轉(zhuǎn)向步驟3

結(jié)束判斷

結(jié)束循環(huán)

結(jié)束循環(huán)

結(jié)束循環(huán)

結(jié)束循環(huán)

在算法1中,Nb表示每簇中的波束個(gè)數(shù),Γc是波束簇集合,其中的元素為波束編號(hào),集合Ttotal中有C個(gè)元素,用來(lái)表示每簇總的剩余可提供的時(shí)隙個(gè)數(shù),并隨每次分配實(shí)時(shí)更新,Tleft用來(lái)在分配過(guò)程中記錄每個(gè)波束的剩余請(qǐng)求時(shí)隙個(gè)數(shù)。時(shí)隙分配矩陣Ncj是一個(gè)C行W列的矩陣,橫軸為時(shí)隙編號(hào),縱軸為波束簇編號(hào),矩陣內(nèi)的元素為波束編號(hào)。例如,Ncj(3,55)為3號(hào)波束簇中分配到第55時(shí)隙的波束編號(hào),l是所有已選波束集合中的元素,dkl表示待選波束k到l的距離。由于預(yù)分配是給每個(gè)波束都分一個(gè)時(shí)隙,因此從哪個(gè)波束作為開始并不影響。

以單個(gè)時(shí)隙為一個(gè)分配單元,依次選擇該時(shí)隙點(diǎn)亮的波束。每次迭代以當(dāng)前系統(tǒng)中剩余請(qǐng)求最大的波束來(lái)作為起始點(diǎn),然后按照前文描述的基于各個(gè)簇的位置幾何關(guān)系來(lái)確定其他簇中與已選波束同時(shí)工作的其余波束。

算法2HBF 算法

1.對(duì)?k∈Γc,計(jì)算:

2.循環(huán) j=(Nb+1):W

在所有波束中搜索到Tallot最大的波束i,并獲得它的簇編號(hào)n

Ncj(n,j)←i

Tallot(i)=Tallot(i)-1

Ttotal(n)=Ttotal(n)-1

3.循環(huán) c=1,2,…,C|c≠n

循環(huán) k∈Γc

對(duì)?l∈Ncj(:,j),記錄所有dkl>dth的波束k

在上述波束集合中,找到Tallot(k)最大的波束i

如果 Tallot(i)≠0

Ncj(c,j)←i

Tallot(i)=Tallot(i)-1

Ttotal(c)=Ttotal(c)-1

否則

記錄所有Tallot(k)>0的波束編號(hào)k

對(duì)?l∈Ncj(:,j),找到dkl最大的波束i

Ncj(c,j)←i

Icj(c,j)←i

Tallot(i)=Tallot(i)-1

Ttotal(c)=Ttotal(c)-1

結(jié)束判斷

結(jié)束循環(huán)

結(jié)束循環(huán)

結(jié)束循環(huán)

在算法2中,按照各波束剩余請(qǐng)求時(shí)隙占該簇總的剩余可分時(shí)隙的比例,計(jì)算出每個(gè)波束應(yīng)當(dāng)被分配的時(shí)隙個(gè)數(shù)Tallot(Tallot會(huì)隨每次分配實(shí)時(shí)更新)。由于時(shí)隙個(gè)數(shù)應(yīng)當(dāng)為整數(shù),因此需要對(duì)計(jì)算結(jié)果向上取整。而取整后的結(jié)果又有可能超過(guò)該波束的剩余請(qǐng)求量Tleft,所以兩者應(yīng)當(dāng)取較小值。算法的每次迭代都以當(dāng)前Tallot最大的波束為起點(diǎn),給該波束分配當(dāng)前時(shí)隙,然后向外輻射,搜索該時(shí)隙與之同時(shí)點(diǎn)亮的其余波束。搜索方法是以該波束為圓心,dth為半徑作圓,對(duì)于除該波束所在簇之外的其余所有波束簇,優(yōu)先選擇圓外Tallot最大的波束。如果圓外無(wú)波束可選(即該簇位于圓外的所有波束Tallot都為零),則選擇該簇內(nèi)距離其他已選波束最遠(yuǎn)的。這樣波束間會(huì)產(chǎn)生干擾,將產(chǎn)生干擾的波束編號(hào)記錄在與時(shí)隙分配矩陣Ncj同維的矩陣Tcj中,以便后續(xù)分析處理。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)模型與業(yè)務(wù)模型

為了使研究更貼合實(shí)際,本文參考文獻(xiàn)[19]中擴(kuò)展EU25區(qū)域的波束覆蓋模型。該模型以70個(gè)波束覆蓋歐洲地區(qū)和加那利群島,如圖5所示。業(yè)務(wù)模型來(lái)自于一項(xiàng)DDSO研究,該研究是Astrium在歐洲航天局的電信系統(tǒng)高級(jí)研究1(ESA ARTES 1)框架下提出的[20],評(píng)估了Ka波段多波束衛(wèi)星系統(tǒng)中互聯(lián)網(wǎng)接入的通信量請(qǐng)求分布,并預(yù)測(cè)了擴(kuò)展歐盟地區(qū)2020年的網(wǎng)絡(luò)接入流量需求分布,如圖6所示。

圖5 歐洲波束覆蓋模型Fig.5 European beam coverage model

圖6 歐洲Ka波段多波束衛(wèi)星系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)接入流量需求Fig.6 Network access traffic requirements in EuropeanKa-band multibeam satellite system

可以看出,地區(qū)流量需求分布呈現(xiàn)極度不均勻,某幾個(gè)波束覆蓋下的區(qū)域流量需求非常大,而又存在一些區(qū)域的流量需求甚至接近于零。這與該地區(qū)的人口分布有直接關(guān)系,人口密度小的地區(qū),通信量需求自然較小;人口爆炸的發(fā)達(dá)地區(qū),通信量需求十分龐大。而一個(gè)地區(qū)的人口密度,又由當(dāng)?shù)氐牡匦?、氣候、海拔、政治以及?guó)家政策等多種因素綜合決定。正是由于當(dāng)今社會(huì)人口的分布不均、流動(dòng)性強(qiáng),帶來(lái)通信量的需求分布不均、變化量大,使得傳統(tǒng)的多波束衛(wèi)星系統(tǒng)逐漸不能夠滿足這樣不均勻的流量業(yè)務(wù)場(chǎng)景。而跳波束技術(shù)以其靈活多變的波束覆蓋方案,迎合了不平衡的流量分布需求,成為構(gòu)建衛(wèi)星通信系統(tǒng)中越來(lái)越被關(guān)注、采用的一項(xiàng)新技術(shù)。

3.2 模型參數(shù)

將70個(gè)波束劃分波束簇,考慮地理位置、國(guó)家區(qū)域等因素,以每14個(gè)點(diǎn)波束為一簇,共分為5簇:

簇1:{1,10,11,20,21,22,23,24,31,32,33,34,35,70}。

簇2:{2,3,4,5,12,13,14,15,25,26,27,36,37,38}。

簇3:{6,7,8,9,16,17,18,19,28,29,30,39,40,41}。

簇4:{42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,55,56}。

簇5:{54,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,68,69}。

表1給出了仿真采用的參數(shù)。根據(jù)業(yè)務(wù)模型,下行鏈路采用20 GHz的Ka波段來(lái)進(jìn)行傳輸。由歐洲地圖按比例估測(cè)波束覆蓋區(qū)域的半徑約為240 km,dth即為960 km。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

3.3 結(jié)果分析

為了直觀展示出在需求分布不均的場(chǎng)景下跳波束技術(shù)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)多波束技術(shù)的特點(diǎn),本文給出傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)中資源平均分配的場(chǎng)景作為比較,如圖7所示。在相同的系統(tǒng)參數(shù)下,用HBF算法指導(dǎo)時(shí)隙分配,得到仿真結(jié)果如圖8所示。

圖7 傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)資源分配結(jié)果Fig.7 Resource allocation results of traditionalmulti-beam system

圖8 跳波束系統(tǒng)HBF算法資源分配結(jié)果Fig.8 Resource allocation results of HBF algorithmin BH system

從圖7、圖8可以看出,本文提出的HBF算法資源分配結(jié)果更貼合各波束不同的請(qǐng)求。定量比較2種分配算法的性能,平均分配方法的DSC為4.407 2×1019,HBF算法指導(dǎo)分配的DSC為1.752 6×1019,明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的平均分配方式,系統(tǒng)分配的資源與波束請(qǐng)求資源匹配度更高,提高了資源利用效率。經(jīng)計(jì)算,傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)的總吞吐量為27.004 Gb/s,采用HBF算法的跳波束系統(tǒng)的總吞吐量為33.654 Gb/s,提升了24.6%?？梢?jiàn),跳波束系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)總的容量。

對(duì)于干擾控制方面,當(dāng)dth為4倍的波束覆蓋半徑時(shí),HBF算法仿真結(jié)果顯示無(wú)干擾。為進(jìn)一步分析dth的取值對(duì)系統(tǒng)干擾的影響,對(duì)取不同dth值的系統(tǒng)計(jì)算總干擾值,得到的結(jié)果如表2所示。

表2 距離門限對(duì)系統(tǒng)干擾的影響Table 2 Influence of distance threshold on system interference

每次仿真都是在時(shí)間窗口為100個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度的條件下進(jìn)行的?？偢蓴_次數(shù)是指兩兩波束在某一個(gè)時(shí)隙內(nèi)存在干擾,則算作一次。由表2可以看出,隨著dth的增大,系統(tǒng)總干擾值增加。經(jīng)計(jì)算,系統(tǒng)中的各種噪聲達(dá)-120.847 5 dBW,所以即使在系統(tǒng)條件最差的情況下,當(dāng)干擾為-136.644 5 dBW時(shí),干擾功率相比于噪聲功率也可以忽略不計(jì),不會(huì)對(duì)原信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。由此可見(jiàn),本文提出的HBF算法能夠合理控制系統(tǒng)干擾。

現(xiàn)有的跳波束時(shí)隙分配算法中一個(gè)比較典型的、考慮了波束間干擾的啟發(fā)式算法,為文獻(xiàn)[8]提出的minCCI算法。minCCI算法采用波束串行分配的方式,讓“波束去找時(shí)隙”,每個(gè)波束都優(yōu)先搜索到對(duì)它而言干擾最小的時(shí)隙,某時(shí)隙安排的波束與下一個(gè)時(shí)隙安排的波束之間沒(méi)有關(guān)聯(lián)性;HBF算法采用波束并行分配的方式,讓“時(shí)隙去找波束”,當(dāng)前時(shí)隙所有跳變波束分配完畢再進(jìn)行下一時(shí)隙的分配,并且每次迭代都是以需求大的波束為起點(diǎn),所以前一時(shí)隙與后一時(shí)隙安排的波束往往是同一個(gè)需求較大的波束。2種算法的時(shí)隙分配結(jié)果(部分)如圖9所示。圖9給出的是100個(gè)時(shí)隙中編號(hào)為15～24的10個(gè)時(shí)隙的分配結(jié)果,單元格中的標(biāo)號(hào)為波束編號(hào)?？梢钥闯?與前文分析一致,采用HBF算法分配的時(shí)隙較為連續(xù),而minCCI算法分配的時(shí)隙離散化程度比較高。時(shí)隙連續(xù)的優(yōu)勢(shì),首先是對(duì)于用戶而言更好接收,不需要頻繁地產(chǎn)生突發(fā)(burst);其次如果時(shí)隙比較離散,那么每一次發(fā)送都需要一段同步頭字節(jié)(在DVB-S2中該長(zhǎng)度為720 Byte),而若時(shí)隙較為連續(xù),則可以減少發(fā)送次數(shù),相應(yīng)地節(jié)省一些同步頭字節(jié),把有限的幀長(zhǎng)更大程度地用以有用信息的傳輸,提高資源利用效率,更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖9 HBF算法與minCCI算法時(shí)隙分配結(jié)果比較Fig.9 Comparison of timeslot allocation results of HBFalgorithm and minCCI algorithm

4 結(jié)束語(yǔ)

由于傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)無(wú)法適應(yīng)不均勻的業(yè)務(wù)分布場(chǎng)景,本文通過(guò)使用跳波束技術(shù)提高系統(tǒng)總吞吐量,提出一種啟發(fā)式的資源分配算法HBF,并在算法設(shè)計(jì)中對(duì)波束間干擾進(jìn)行控制,使系統(tǒng)總吞吐量明顯提升,且系統(tǒng)總干擾值遠(yuǎn)小于系統(tǒng)噪聲,對(duì)于信號(hào)質(zhì)量的影響可以忽略不計(jì)。仿真結(jié)果表明,與已有傳統(tǒng)算法相比,HBF算法的分配結(jié)果顯示時(shí)隙連續(xù)性較好,更適合前向鏈路的場(chǎng)景機(jī)制。基于天線技術(shù)的發(fā)展與波束捷變?cè)谛l(wèi)星中的廣泛應(yīng)用,下一步將考慮無(wú)分簇的波束全局跳變,使系統(tǒng)能夠適應(yīng)更多變的場(chǎng)景,以得到更高的資源分配效率。同時(shí)考慮到衛(wèi)星平臺(tái)的局限性,設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜度較低的全局優(yōu)化算法,也是需要研究的問(wèn)題。