葉 磊

（中國(guó)電子科技集團(tuán)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(shí)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(gè)區(qū)域內(nèi)會(huì)形成K個(gè)點(diǎn)波束，Btot為總帶寬，可使用跳波束將系統(tǒng)總帶寬以實(shí)際作為單位均勻分配給各波束，總長(zhǎng)度為W，Ts為最小時(shí)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(duì)應(yīng)的時(shí)隙。通用跳波束允許Nmax個(gè)波束在同一時(shí)隙內(nèi)工作。為簡(jiǎn)化該系統(tǒng)需要均勻進(jìn)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(shí)際分配矩陣T能夠用于表示波束與時(shí)隙之間的關(guān)系，在該公式中T（i，j）=1可表示時(shí)隙j分配給波束i，而T（i，j）=0則表示時(shí)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(guò)程中，衛(wèi)星總帶寬能夠被分段，每個(gè)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(jià)，進(jìn)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(gè)簇處于工作狀態(tài)的用戶波束可使用衛(wèi)星整個(gè)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(duì)于較遠(yuǎn)距離波束可使用空間隔離的方式實(shí)現(xiàn)復(fù)用，對(duì)于較近距離波束可通過(guò)時(shí)間隔離的方式實(shí)現(xiàn)復(fù)用，并引入了左、右旋極化，結(jié)合國(guó)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(duì)應(yīng)相同頻譜效率。

使用相同頻率波束處于工作狀態(tài)時(shí)不可避免會(huì)出現(xiàn)同頻干擾的問(wèn)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(jìn)而計(jì)算同頻復(fù)用距離是切實(shí)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(xiàn)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(lèi)貝塞爾函數(shù)，信號(hào)入射與波束中心指向夾角為R=H為各點(diǎn)波束半徑，λ為信號(hào)波長(zhǎng)，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(guò)對(duì)該公式進(jìn)行計(jì)算可獲得信噪比，從距離較遠(yuǎn)波束增加同極化波束，結(jié)合國(guó)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(shí)增加同極化同頻波束，會(huì)減少頻譜效率。對(duì)于距離較近波束能夠通過(guò)左、右旋極化的方式能夠防止同頻干擾，但無(wú)法避免由于中心波束位置錯(cuò)開(kāi)時(shí)隙分配的干擾。

2 跳波束時(shí)間分片機(jī)制

跳波束時(shí)間分片以及波束駐留，構(gòu)建高效時(shí)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(wèn)題，結(jié)合全局資源實(shí)現(xiàn)高效調(diào)度的目的，并將提出基于時(shí)間分片機(jī)制，可通過(guò)動(dòng)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(shí)隙即BHS，是指波束駐留時(shí)間，是分配給某一波的最小持續(xù)時(shí)間。根據(jù)容量需求以及qos給各波束對(duì)應(yīng)時(shí)間實(shí)際個(gè)數(shù)，跳波束時(shí)隙是物理幀時(shí)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(shí)隙序列需花費(fèi)的時(shí)間，各個(gè)波束所處突簇集合是通過(guò)動(dòng)態(tài)分組策略來(lái)獲取，所分配的各跳波束時(shí)隙個(gè)數(shù)以及周期順序是由波束跳變策略來(lái)獲得的。時(shí)隙切換時(shí)間即SS，是指保護(hù)時(shí)間，從一個(gè)波束切換到另一個(gè)波束需要耗費(fèi)的時(shí)間延遲，可在一個(gè)或多個(gè)跳波束之后開(kāi)展。波束重訪時(shí)間即RVT，是指各波束將所分配的跳波束時(shí)隙資源塊彼此之間的間隔時(shí)間，由于波束重訪的時(shí)間通常比較大，會(huì)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(wú)業(yè)務(wù)需求，但需要在該周期分配一個(gè)跳波束值，并且在該時(shí)隙中進(jìn)行廣播、同步等信令。跳序號(hào)即HN，是指跳波束實(shí)際序號(hào)，其也是跳波束時(shí)隙數(shù)字標(biāo)識(shí)符，通常第一個(gè)跳序號(hào)為1，在每個(gè)波束結(jié)束之后可重新初始化為1。當(dāng)其與波束標(biāo)識(shí)符成對(duì)使用情況下，跳序號(hào)作為惟一標(biāo)識(shí)符。跳波束時(shí)間計(jì)劃即BHTP，是指資源動(dòng)態(tài)分配時(shí)間，分別闡述計(jì)劃包含各部波束所分配的跳序號(hào)以及帶寬、載波頻率等相關(guān)參數(shù)。跳波束時(shí)間計(jì)劃需要結(jié)合用戶的申請(qǐng)業(yè)務(wù)，感知系統(tǒng)資源等多個(gè)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(shí)間優(yōu)化來(lái)看，在整個(gè)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(shí)間中資源調(diào)度最小單位為T(mén)d，波束跳變周期為T(mén)w以及波束駐留時(shí)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(huì)導(dǎo)致時(shí)延增加，Td越小表明系統(tǒng)資源的分配靈活性越強(qiáng)，但由于各波輸出的時(shí)間需同步捕獲時(shí)間，如果Td越小會(huì)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(shí)現(xiàn)對(duì)波束跳變周期以及波束駐留時(shí)間實(shí)現(xiàn)同步優(yōu)化，在滿足系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求前提下，進(jìn)一步實(shí)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(gè)波束通信試驗(yàn)間隔可以用τi表示，第j個(gè)波束分配系統(tǒng)容量用Cj表示。上述兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)能夠分別用于簇內(nèi)波束最大通信時(shí)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(shí)間為T(mén)D，波束同步捕獲時(shí)間為T(mén)s，針對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化的問(wèn)題可采用整數(shù)規(guī)劃、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而確定復(fù)數(shù)跳變周期以及波束駐留時(shí)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(shí)隙個(gè)數(shù)，尤其需要確定簇內(nèi)部波束跳變條件圖案設(shè)計(jì)，該問(wèn)題可轉(zhuǎn)換為跳波束周期中各波束的跳波束時(shí)隙排序問(wèn)題。在處于某個(gè)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(diǎn)和熱點(diǎn)區(qū)域波束，各個(gè)波束跳變策略以及具體流程需要遵循一定準(zhǔn)則：

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

（2）對(duì)于非熱點(diǎn)區(qū)域的波束則需要考慮波束重訪時(shí)間影響，主要是由于重返時(shí)間較大時(shí)會(huì)從一定程度上影響用戶終端同步，即便處于非熱點(diǎn)區(qū)域其波束在特定跳波周期范圍內(nèi)無(wú)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(gè)時(shí)間波束時(shí)隙，且在該時(shí)隙中完成廣播、同步等相關(guān)信令。

（3）對(duì)于熱點(diǎn)區(qū)域的跳波束時(shí)隙以及非熱點(diǎn)區(qū)域的跳波束間隙可實(shí)現(xiàn)交替排序，進(jìn)而能夠使終端用戶同步最大保持時(shí)間與波束重訪時(shí)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(shí)利用N階差分目標(biāo)函數(shù)能夠忽略減少波束，而對(duì)于高業(yè)務(wù)需求波束來(lái)說(shuō)，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(gè)系統(tǒng)的公平性，進(jìn)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(huì)結(jié)合各波束業(yè)務(wù)需求，利用公平性目標(biāo)函數(shù)進(jìn)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(shí)，使用N階差分函數(shù)此時(shí)系統(tǒng)信道條件相對(duì)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(shí)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(yǔ)

總而言之，在本研究中針對(duì)地球同步軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中波束跳變策略進(jìn)行探究，利用該網(wǎng)絡(luò)采用跳波束策略進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用戶控制類(lèi)信息傳輸，應(yīng)用跳波束時(shí)能夠從一定程度上改變過(guò)去信令接入的方式，通過(guò)分析跳波束的運(yùn)行壓力以及跳變策略，以實(shí)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。