技术领域
[0001] 本发明属于空天地海一体化信息网络技术领域，具体涉及一种低轨卫星宽窄带波束协同控制方法。
相关背景技术
[0002] 空天地海一体化信息网络，其核心是卫星通信网络。在星座网络中，卫星网络作为海陆空信息平台联合的枢纽，使信息平台由相对分散变为联合有机整体。低轨卫星系统成为地面移动通信系统的重要补充，弥补了地面移动通信系统自然地理故障和有限覆盖范围的劣势。同时，低轨卫星具有轨道低、时延短、组网灵活、覆盖广等独特优势，其可满足用户的任意时间、任意地点接入需求。
[0003] 低轨卫星通信作为构建全球无缝网络的重要一环，频谱资源有限，难以满足不断发展的卫星通信系统的需求，而多波束卫星通信系统采用多个点波束代替原有的单一大张角波束共同覆盖较大的区域，每一个波束覆盖的地面区域为一个小区。一方面通过空间分集能实现波束之间的频率复用，即不同波束对应的小区可以使用相同的频率以提高对频率的利用率，进而提高系统容量；另一方面，由于点波束的张角更小使得波束能量更加集中，因此能减小地面终端的天线尺寸，提高接收信号的质量。
[0004] 然而，低轨卫星采用宽波束，虽然覆盖区域大，但是能量低，支持的速率低，因此一般支持的是低速率业务，如语音、短信等功能业务，无法支持上网、视频传输等高速业务；而窄波束带宽比较宽，覆盖范围窄，支持高速数据，如视频传输等。
[0005] 为了满足同一小区内不同用户的需求，采用宽窄波束协同方法实现既支持移动低速业务，又支持高速率业务。然而，宽窄波束在同一区域引起严重的干扰，使同频段低速业务和高速业务都无法正常通信。
具体实施方式
[0038] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039] 图1为本发明设计的一种低轨卫星宽窄波束协同控制方法应用场景，支持大规模星座(10000万颗卫星)。
[0040] 图2为本发明设计的一种低轨卫星宽窄波束协同控制方法对宽窄波束协同信道建模应用场景，包括窄波束间的干扰，宽窄波束间的干扰。
[0041] 本发明采用的“估计‑重构‑消除‑赋形”方法，首先，对L频段宽波束和窄波束各自的导频序列进行预编码来估计宽窄波束互干扰信道，使导频序列的长度不依赖于波束数而与用户数有关；然后，根据所估计的宽窄波束互干扰信道在低轨卫星载荷接收端重构该干扰并将其减去，达到消除节点处宽窄波束干扰的效果；最后，在载荷接收端，作为接收波束赋形，减少用户间干扰并降低系统误码率。
[0042] 一种低轨卫星宽窄带波束协同控制方法，该方法包括对大规模低轨卫星星座上的每颗卫星设置导频序列，每颗低轨卫星连续广播自己的导频序列；地面终端接收卫星广播的导频序列，通过导频序列判断终端被哪颗卫星所覆盖；地面终端对导频序列进行预编码处理，并向卫星载荷发送突发信号；卫星载荷突发信号的导频序列响应；卫星载荷对接收到的导频序列响应进行宽窄波束干扰信道估计，根据宽窄波束干扰信道估计结果重建等效宽窄波束干扰信号副本；卫星载荷接收端的每个波束减去重建的宽窄波束干扰信号副本，再对宽窄波束干扰消除后的每个波束信号进行波束形成。
[0043] 一种低轨卫星宽窄带波束协同控制方法的具体实施方式，如图3所示，该方法包括：
[0044] 步骤1：设置大规模低轨卫星星座的每颗卫星有独自的导频序列，同时每颗低轨卫星连续广播独自的导频序列。
[0045] 步骤2：地面终端通过接收的导频序列来判断该终端被哪颗卫星覆盖；然后，覆盖的N个用户采用检测出的导频序列经预编码处理后，轮流向卫星载荷发送突发信号，该突发信号为xi，其中1≤i≤N；发送突发信号的终端中包括M个L频段宽波束移动用户和K个L频段窄波束移动用户，且卫星载荷L频段宽波束覆盖区域包含Ka频段窄波束覆盖区域。
[0046] 步骤3：卫星载荷记录N个用户导频序列的响应，表示为ri,j，1≤i≤N，1≤j≤J，其中J表示卫星载荷波束数。
[0047] 步骤4：卫星载荷采用对N个用户的导频序列响应进行宽窄波束干扰信道估计，表示为P。
[0048] 步骤5：卫星载荷根据估计所得的宽窄波束干扰信道P重建等效宽窄波束干扰信号副本，表示为S。
[0049] 步骤6：卫星载荷接收端每个波束直接减去重建的宽窄波束干扰信号副本，然后再对宽窄波束干扰消除后的每个波束信号进行波束形成。
[0050] 对大规模低轨卫星星座上的每颗卫星设置导频序列的过程包括：
[0051] 步骤11：低轨卫星随机生成m1序列和m2序列；
[0052] 步骤12：分别对m1序列、m2序列以相位差为64截取N组512个序列；
[0053] 步骤13：对N组512长度的m1序列、m2序列分别做异或处理，并进行BPSK调制，得到导频序列。
[0054] 优选的，生成的m1序列和m2序列的长度均为2^42‑1；其中生成m1序列的m序列多项式为：x^42+x^2+x+1；生成m2序列的m序列多项式为x^42+x^41+x^40+x^30+x+1。
[0055] BPSK调制为将模拟信号转换成数据值，利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式，分为绝对移相和相对移相两种类型。BPSK使用基准的正弦波和相位反转的波浪，使一方为0，另一方为1，从而可以同时传送接受2值(1比特)的信息。由于最单纯的键控移相方式虽抗噪音较强但传送效率差，常常使用利用4个相位的QPSK和利用8个相位的8PSK。
[0056] 地面终端通过接收的导频序列来判断被哪颗卫星覆盖的具体过程包括：
[0057] 步骤A：终端本地存储每颗卫星的导频序列，对采集的信号进行相关运算；相关运算的计算公式为：
[0058]
[0059] 其中，yi(n)表示终端接收到的第i颗星信号，ci(n)表示第i颗星导频序列信号，表示终端对接收到第i颗星信号的相关运算值，L表示延迟值，n表示第几个导频符号，τ表示延迟几个导频符号。
[0060] 步骤B：对所有导频序列相关的结果比较，其相关值最大值对应的就是覆盖终端的卫星。
[0061] 地面终端对导频序列进行预编码处理的过程包括：
[0062] 步骤1：卫星在覆盖范围内通过检测每个波束(包括M个宽波束，K个窄波束)接入信道RACH是否有导频信号接入；若有，则通过馈电链路反馈给地面网管系统，并将标志flag设置为1；若无，同样通过馈电链路反馈给地面网管系统，并标志flag设置为0；其中，RACH表示随机接入信道。
[0063] 步骤B：地面网管系统把卫星波束信号和标志flag组成的数据帧通过馈电链路传给卫星；同时，卫星通过广播信道BCCH广播包含卫星波束号和标志flag的数据帧；其中，BCCH表示广播控制信道。
[0064] 步骤C：卫星覆盖范围内的终端通过接收广播信道BCCH，每个要接入卫星的终端根据BCCH信号解析出卫星波束号和标志flag的数据帧。
[0065] 步骤D：终端根据卫星波束号和标志flag构造预编码矩阵，其中，行代表波束，列代表时隙数(本方案隙数为8)，终端得到预编码矩阵为：
[0066]
[0067] J＝K+M
[0068] 其中，K表示窄波束的数量，M表示宽波束的数量，J表示波束的数量，c1，～cM，代表M个宽波束；cM+1，～cN，代表K个窄波束；若该波束对于flag为1，则：
[0069]
[0070] 其中， 表示复数的形式，exp(*)为指数运算；若无用户接入(flag为0)时cn,t＝0。
[0071] 由于筛选出的N个用户轮流向卫星载荷发送突发信号，发送的突发信号到达卫星后的响应为：
[0072] R＝H1·DT·X+H2·DT·X+V·DT·X+n0
[0073] 其中，H1表示L频段宽波束之间的干扰矩阵；H2表示L频段窄波束之间的干扰矩阵；D表示预编码矩阵，X表示用户导频序列矩阵，V表示L频段宽波束和L频段窄波束间的干扰矩阵，T表示转置，n0表示加性高斯白噪声。
[0074] 为了估计简单，统一宽波束的互干扰、宽窄波束间的干扰，其等效宽窄波束干扰信道后的计算表达式如下：
[0075] R＝P·DT·X+n0
[0076] 其中，P为复高斯的独立同分布，均值为0，方差为σD。
[0077] 作为本发明的一种优选技术方案：采用最小均方误差估计等效宽窄波束干扰信道，采用该方法进行等效宽窄波束干扰信道的具体过程包括：
[0078] 步骤A：以宽窄波束干扰最小，卫星系统容量最大为最终优化目标，定义目标函数为：
[0079] L(P)＝E{||(R‑n0)DTP‑C+ηP||2}
[0080] 其中，E{*}为期望均值；C为卫星载荷存储的本地导频序列经BPSK调制后的信号；η为调整因子，保证L(P)存在最优解。
[0081] 步骤B：为了获得P的最优解，对L(P)求偏导，并令值为0，则：
[0082]
[0083] 求解，得到 的表达式为：
[0084]
[0085] 卫星载荷根据估计所得的等效宽窄波束干扰信道重建等效宽窄波束干扰信号副本S，计算表达如下：
[0086]
[0087] 卫星载荷发射宽窄波束协同流程为：
[0088] 步骤A：卫星载荷接收端每个波束直接减去重建的宽窄波束干扰信号副本，其计算表达式为：
[0089] Z＝R‑S
[0090] 步骤B：对等效宽窄波束干扰消除后的每个波束信号进行波束赋形，然后，转发给目的用户，其波束赋形计算表达式为：
[0091] F＝Z·W
[0092] 其中，F为卫星载荷转发的信号，W为波束形成矩阵。
[0093] 低轨卫星载荷相控天线Q(Q1×Q2)个振子构成的波束矩阵为：
[0094]
[0095] 其中， 服从均值为0和方差为 的独立同分布复高斯随机变量；表示在第t个时隙时第n个波束在(Q1，Q2)阵子处的激励值；
[0096]
[0097] 其中，β为信道衰减因子，Ts为系统采样周期，σ为高斯白噪声的方差。
[0098] 将上述所设计一种低轨卫星宽窄波束协同方法应用到实际当中，系统仿真结果如图4所示。从图中可知，在系统功率400W时，窄波束、宽波束、本方案宽窄波束协同的系统容量接近为2.4Gbps，较宽窄波束混合提升0.22Gbps；然而本方案宽窄波束协同方法在同一覆盖区内支持不同用户需求。
[0099] 以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
