[发明专利]一种高通量卫星波束覆盖区灵活调整方法

说明书

本发明公开了一种高通量卫星波束覆盖区灵活调整方法，包括以下步骤：S1.输入每个用户的容量需求、地理位置和优先级；S2.根据用户优先级和地理位置确认波束中心；S3.根据波束中心进行用户聚类。本发明中，通过基于有源波束形成网络的覆盖区调整方法，波束覆盖区随用户需求变化动态调整，针对热点区域，采用窄波束进行覆盖，针对非热点区域，采用宽波束进行覆盖，系统的资源利用率高；通过基于容量匹配的用户分组方法，用户分组过程中实时计算波束宽度和波束容量，考虑用户容量需求的匹配度设计波束宽度；通过高通量卫星波束覆盖区调整方法，通过引入用户的优先级确定波束中心的位置，有效避免了初始输入对最终方案的影响。

技术领域

本发明涉及卫星波束覆盖技术领域，尤其涉及一种高通量卫星波束覆盖区灵活调整方法。

背景技术

下一代高通量卫星的吞吐量将达到数百吉比特每秒甚至太比特每秒，波束数量从几十个发展到上百个，随着机载终端、船载终端、高铁终端等移动终端的增加，高通量卫星面对用户地理位置分布不均、业务时间具有潮汐效应等问题，传统波束覆盖资源平均、固定的高通量卫星存在三个突出的问题，第一，部分波束因为没有业务请求而造成资源浪费；第二，部分波束因为没有资源而造成业务被拒绝；第三，部分终端不在当前波束覆盖区内，无法进行通信。随着灵活载荷特别是有源波束形成网络与相控阵天线的应用，开展波束覆盖区的灵活调整是十分重要的。在覆盖区调整时，需要基于业务时空分布和信道状态，动态优化波束数量、大小、中心位置等参数，资源维度的拓展以及可调参数规模增大使得该类系统资源分配问题的复杂度显著提高，因此，对于下一代高通量卫星系统，需要研究在星上灵活天线的约束下，设计优化算法提升系统资源利用率和用户服务质量。

在文献[1]PUNEETH JUBBA HONNAIAH,NICOLA MATURO,SYMEON CHATZ INOTAS,STEVEN KISSELEFF,AND JENS KRAUSE,Demand-Based Adaptive Multi-Beam Pattern andFootprint Planning for High Throughput GEO Satellite Systems[J],IEEE OpenJournal of the Communications Society,2021,2:1526-1540.

中，面向移动终端业务不断增加，作者提出了一种波束形状和位置的灵活调整算法，通过设置波束数量，考虑负载均衡对用户进行分组，之后设计每个用户组的波束中心与波束宽度。但是作者没有考虑用户需求对波束覆盖的影响，以距离远近进行用户分组，并且椭圆形的波束对星上载荷的能力要求更高。在文献[2]Bingkun Liu,Chunxiao Jiang,Linling Kuang,Jianhua Lu,Joint User Grouping and Beamwidth Optimization forSatellite Multicast with Phased Array Antennas[C],IEEE Global CommunicationsConference,2020.中，针对不同时刻下的用户位置不同，作者提出了一种基于相控阵天线的波束中心、大小灵活调整算法，通过随机性算法确定波束中心，之后按照贪心算法确定用户组，得到每个波束的波束宽度。但是作者设计的场景是广播卫星，各用户的业务需求是一样的，作者没有考虑不同用户的需求不同对波束覆盖区的影响。在文献[3]Flor G.Ortiz-Gomez,Miguel A.Salas-Natera,Ramón Martínez,Salvador Landeros-Ayala,Optimization in VHTS Satellite System Design with Irregular Beam Coverage forNon-Uniform Traffic Distribution[J],Remote Sensing,2021,13,2642.中，面对时间、空间非均匀业务需求，作者提出了一种波束宽度与波束排布角度联合优化的覆盖区调整算法，但是作者考虑的是根据用户需求进行系统设计，覆盖区无缝连接，导致了部分资源的浪费；

在对高通量卫星波束覆盖区进行调整时，传统的方法存在两种重要的缺陷：