南京邮电大学学报(自然科学版)Journal of Nanjing University of Posts and Telecommunications(Natural Science Edition)Vol.39No.3 Jun.2019第39卷第3期2019年6月doi：10.14132/ki.1673-5439.2019.03.004基于多波束卫星系统的跳波束技术研究王琳▽，张晨心，王显煜3,张更新-2(1.南京邮电大学通信与网络国家工程研究中心，江苏南京210003\2.南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京2IOOO3、3.西安空间无线电技术研究所，陕西西安710000,摘要：多波束卫星系统传统的固定资源分配方式缺乏足够的灵活性。
文中在考虑多波束卫星系统各点波束业务需求多样性的基础上，基于全频率复用的“跳波束”技术，提出了一种灵活的资源分配方式。
文中首先提出了两种不同的目标函数对资源进行优化，然后计算同频复用距离并引入新的约束机制以减轻同频干扰带来的性能下降，最后以最小同频率干扰为目标，结合时隙分配算法进行跳波束图案设计。
仿真结果表明，相比于传统的分配方案，该方法能大大提高频谱利用率，使分配更能满足大容量动态需求。
关键词：多波束卫星；跳波束；同频干扰；时隙分配中图分类号:TN927J2文献标志码：A文章编号：1673-5439(2019)03-0025-06Research of beam-hopping technology based onmulti-beam satellite systemWANG Lin''2,ZHANG Chen1'2,WANG Xianyu3,ZHANG Gengxin1'2/1.Telecommunication and Network National Engineering Research Center,Nanjing University of Posts and Telecommunications,\ Nanjing210003,China2.College of Telecommunications&Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing210003,China、3.Xi'an Institute of Space Radio Technology,Xi*an710000,China丿Abstract:Traditional resource allocation methods of multi-beam satellite lack sufficient flexibility to optimize the allocation of satellite resources.Considering the diversity of demand for each spot beam service ina multi-beam satellite system,this paper proposes a flexible resource allocation mechanism based on a fullfrequency reused u beam・hopping”technology.Firstly,two different cost functions are prosed to optimize system resources.Secondly,calculate the same frequency reuse distance and introduce a new constraint mechanism to mitigate the performance degradation caused by co・channel stly,beamhopping pattern design is introduced based on the minimum same frequency interference and time slot allocation pared with the traditional allocation scheme,the results show that the proposed method greatly improves spectrum efficiency and can be better meet the dynamic demand of the beam capacity.Keywords:multi-beam satellite；beam-hopping；co-channel interference；time slot allocation收稿日期：2018-12-l1；修回日期：2019-04-15本刊网址:http：//基金项目：国家自然科学基金(91738201)和南京邮电大学校级科研基金(NY219121)资助项目作者简介：王琳，女，硕士研究生;张晨(通讯作者)，男，博士，高级工程师,zhangchen@引用本文：王琳，张晨，王显煜，等.基于多波束卫星系统的跳波束技术研究[J]•南京邮电大学学报(自然科学版),2019,39(3):25-30.26南京邮电大学学报(自然科学版)2019年随着宽带卫星通信的不断发展，大容量、高速率、大覆盖区域的需求与日俱增，高通量卫星的提出则为卫星超大容量通信理论的研究提供了坚实的基础。
当前宽带卫星系统大都采用多点波束来增加系统容量，而多点波束卫星通信系统多采用固定方式分配星上功率、带宽等资源"，由于业务类型的多样性、业务分布的空间不均匀性和时变性，这种固定的分配方式容易造成卫星性能受限和资源浪费⑵。
因此各国都在致力于寻求更为灵活的资源分配方式，以期获得更好、更灵活的系统可用容量。
为了有效地利用星上资源，国内外许多学者对资源分配""I做了深入的研究，提出了一种从时域对卫星资源进行优化的“跳波束”技术叫⑴,该技术的主要思想是利用时间分片技术，在同一时刻，并不是卫星上所有的波束都工作，而是只有其中的一部分工作，这种新的思想相比于传统的多波束卫星系统更加能够满足业务需求不均衡的应用场景。
其中文献［3-5］在未考虑干扰的环境中假设信噪比固定，对容量需求进行了简单的分配，总结了常见的差分函数和公平函数的优异性，但在时隙存在剩余的情况下，并未对其再次分配，造成资源的浪费。
文献［6］在不考虑干扰的情况下，对功率分配实行二分法，同时使用迭代算法对带宽进行资源分配。
文献［7-8］提出了最小化共信道干扰和最大信干噪比的概念，但文章中并没有给出具体的场景和算法。
文献［9］考虑了下行链路的用户波束业务需求，添加了干扰和功率分配等因素使其更贴近真实的场景。
在每一时隙中只有一个波束处于工作状态，避免了同频率干扰，但是频谱利用率比较低，而且不能同时满足多个用户的需求。
针对以上方法的不足，本文对基于跳波束技术的资源分配做了一些补充,主要包括以下几个方面:(1)为了提高频谱利用效率，本文使用全频率复用，计算同频复用距离并引入约束机制以减轻同频干扰带来的性能下降,。
(2)使用凸优化算法对目标函数初次求解，考虑到目标函数的特性以及时隙分配的整数要求，时隙会存在剩余，以资源约束为限制，使用组合算法完成时隙的再分配，进一步提高时隙资源利用效率。
(3)以最小同频率干扰为目标,结合时隙分配算法进行跳波图案设计以获得完整的分配体系。
1系统模型1.1跳波束时隙模型在多波束卫星系统中，波束赋形天线在覆盖区域内生成K个点波束，总带宽为，采用跳波束技术将系统总带宽以时隙为单位分配给各个波束。
如图1所示窗口总长度为/最小时隙分配单元为T s,系统根据各个波束不同的业务需求为其分配相应数量的时隙,跳波束技术最多允许“叭个波束工作在同一时隙中，为了简化跳波束系统，对其进行均匀地分簇，第i簇的频谱效率为",，则分配给第i个簇的容量为：C,=B m x77,=1,2,---,N(1)采用跳波束技术的系统时隙分配矩阵T表示时隙与波束之间的分配关系。
其中=1表示时隙j分配给了波束=0表示时隙j没有分配给波束to图1跳波束技术时隙分配图1|2|||"111111111-帀£1.2同频复用距离在实际系统中，跳波束技术可以使用部分频率复用或全频率复用。
使用部分频率复用时，卫星总带宽被分段，即每个簇中处于工作状态的波束只能使用部分频带，这种方法实际上是以牺牲频谱利用效率为代价来减轻同频率干扰。
在全频率复用的情况下，每个簇中处于工作状态的用户波束可以使用卫星上的整个可用频带，这有效地提高了频带利用的效率，因此本文采用全频率方案。
为减轻同频干扰,相距较远的波束通过空间隔离来实现复用，相距较近的波束通过时间隔离来实现频率复用，同时引入了左旋极化和右旋极化。
根据欧洲电信标准化协会标准，信噪比与频谱效率的曲线关系图是分段函数，即不同的信噪比可能对应相同的频谱效率，如图2所示。
当使用相同频率的波束同时工作时，同频干扰不可避免，但是在有同频干扰的环境中保证系统的频谱效率不降低，计算同频复用距离是可行的。
假设功率足够可以满足需求，并且各个波束分配的功率相同。
根据文献［12］同频率干扰的增益因子：其中，u-2.07123sin0/sin(^3dB)J和J｝分别是1第3期王琳，等：基于多波束卫星系统的跳波束技术研究27阶和3阶第一类贝塞尔函数[13-'4],3dB夹角漏=70x A/D,信号入射方向与波束中心指向之间的夹角ff^arc sin(/?,///)，每个点波束的半径为R=H•sin(&3<iB/2),A为信号波长，为同频复用波束圆心之间的距离,H为卫星轨道高度。
上行链路和下行链路的SINR分别为SINR””和SINR,。
””，其中八=SINR：+SINR證”(3)SINRg"=总⑷I-P(i')+G T X a+G R-Lfree(5)根据式(3)~式(5),可计算得信噪比r的值;从相距较远的波束开始增加同极化波束，根据欧洲电信标准化协会标准中信噪比与频谱效率的关系曲线图得到，当在距离等于27?处增加同极化同频波束，频谱效率会减小。
距离较近的波束通过使用左旋极化和右旋极化来避免干扰，不可避免的中心波束处通过错开时隙分配来减轻干扰。