面向非静止轨道星座的跳波束调度方法及其系统与流程

1.本技术涉及卫星通信领域，特别涉及面向非静止轨道星座的跳波束调度技术。


背景技术：

2.本部分旨在为权利要求书中陈述的本技术的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是已被公开的现有技术。
3.非静止轨道(ngso)卫星通信是当前的一个热点发展方向。卫星通信系统与最先进的地面网络(如5g nr)的最大区别在于，卫星基站(sbs)通常位于地球轨道上。ngso卫星以数千米每秒的速度在轨道上运行，与卫星信关站(satellite gateway)之间以馈电链路(feeder link)连接，与地面上的用户终端以接入/服务链路连接(access/service link)，为用户终端提供通信服务。用户终端可以是具有有线或者无线通信功能的任何终端，包括但不限于，卫星终端(satellite terminal)、手机、计算机、个人数字助理、游戏机、可穿戴设备、车载通信设备、机器类型通信(mtc)设备、设备到设备(d2d)通信设备、以及传感器等。用户终端也可以被称为ue、移动站、订户站、移动终端、终端设备或无线设备等。
4.对卫星通信带宽的需求具有地理分布不均、随时间分布不均的特点。传统的地球静止轨道通信卫星网络采用固定波束调度方法，即波束在地面上的覆盖区基本固定；铱星网络采用相对于卫星固定的点波束，形成数千个蜂窝小区覆盖全球；teledesic网络采用地球固定小区设计，地球表面被映射成数万个宏蜂窝小区，每个宏蜂窝小区包含9个蜂窝小区，波束以固定周期扫描9个蜂窝小区。这三种方法都将大量的频率、波束或时隙资源分配给无需求区域或时段，资源利用效率低。卫星星座规模受到卫星规模化制造能力和发射能力限制，星上的波束数量有限，可用于通信的频点数有限。在卫星通信带宽需求分布不均、载荷波束频率资源有限的前提下，迫切需要一种高效的分配载荷波束、频率资源的调度方法。
5.ngso卫星相对于地球高速运动，各类卫星终端以不同的相对地球表面的速度移动，对于通信的带宽需求也不尽相同。宽带卫星通信需采用高定向波束，ngso卫星通信载荷和卫星终端的天线指向频繁变化。现有的卫星跳波束专利的研究对象主要是地球静止轨道卫星或固定卫星终端，缺少高效的面向ngso星座下移动卫星终端的跳波束调度方法。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提供一种面向非静止轨道星座的跳波束调度方法及其系统，可以高效实现面向ngso星座下移动卫星终端或固定卫星终端的跳波束调度，资源利用效率高。
7.本技术公开了一种，面向非静止轨道星座的跳波束调度方法，包括：
8.b：当存在已分配波束时，根据卫星终端时隙需求和已分配波束的剩余时隙数判决是否存在足够未分配时隙，如果是则进入步骤c，否则进入步骤e；
9.c：判决是否存在未同频复用的波束，如果是则为所述卫星终端分配波位，否则进
入步骤d；
10.d：判决是否存在能够同频复用的波束，如果是则为所述卫星终端分配波位，否则进入步骤e；
11.e：判决是否存在未分配波束，如果是进入步骤f，否则确定分配失败；
12.f：判决是否存在与已分配时隙编号相同的满足同频复用条件的时隙，如果是则将与已分配波束相同的频率分配给新波束，并为所述卫星终端分配波位。
13.在一个优选例中，如果所述步骤f判定不存在与已分配时隙编号相同的满足同频复用条件的时隙，则进一步判决是否存在未分配频率，如果是则将与已分配波束不同的频率分配给新波束，并为卫星终端分配波位，否则确定分配失败。
14.在一个优选例中，还包括：
15.a：判决是否有已分配波束，如果是则进入步骤b，否则进入步骤g；
16.g：判决是否存在未分配频率，如果是则将为新波束分配频率，并为卫星终端分配波位。
17.在一个优选例中，所述波位是固定波位。
18.在一个优选例中，还包括：
19.为所述卫星终端分配固定波位后，根据上报的卫星终端位置、卫星位置，计算该固定波位在下一跳波束周期的角度坐标。
20.在一个优选例中，所述波位是接力波位。
21.在一个优选例中，为所述卫星终端分配接力波位后，根据上报的卫星终端位置、速度以及卫星位置计算该接力波位在下一跳波束周期的角度坐标。
22.在一个优选例中，所述根据上报的卫星终端位置、速度以及卫星位置计算该波位在下一跳波束周期的角度坐标，进一步包括：
23.根据上报的卫星终端位置和速度计算所述卫星终端在下一跳波束周期的预期运动范围；
24.根据所述预期运动范围，计算所述接力波位在下一跳波束周期的角度坐标，使得所述接力波位在下一跳波束周期内的覆盖区域涵盖所述预期运动范围；
25.其中，接力波位的波束指向发生变化时,该接力波位对应的时隙编号保持不变，该接力波位不需要额外分配时隙或进行时隙预留，为所述卫星终端分配的时频资源不变。
26.本技术还公开了一种面向非静止轨道星座的跳波束调度系统，包括：
27.存储器，用于存储计算机可执行指令；以及，
28.处理器，与所述存储器耦合，用于在执行所述计算机可执行指令时实现如前文描述的方法中的步骤。
29.本技术还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时实现如前文描述的方法中的步骤。
30.本技术的实施方式中，为ngso系统中的卫星终端按需分配接力波位或固定波位，避免了载荷波束、频率资源在无需求区域、无需求时段的浪费；在高效利用资源的同时也降低了对通信载荷波束数的要求。接力波位的分配方法实现了针对高速移动卫星终端的高效资源分配。同时，本技术规避了卫星终端的波束间切换，减少了相应的信令开销；卫星终端
不需要跳频，降低了对卫星终端硬件的要求。
31.上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均应该视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征a b c，在另一个例子中公开了特征a b d e，而特征c和d是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征e技术上可以与特征c相组合，则，a b c d的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而a b c e的方案应当视为已经被记载。
附图说明
32.图1是根据本技术一个实施例的载荷资源调度模块结构示意图；
33.图2是根据本技术一个实施例的卫星终端资源分配主流程示意图；
34.图3是根据本技术一个实施例的高速移动卫星终端跳波束调度方法流程示意图；
35.图4是根据本技术一个实施例的中低速移动卫星终端或固定卫星终端跳波束调度方法流程示意图；
36.图5是根据本技术一个实施例的接力波位示意图。
具体实施方式
37.在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本技术所要求保护的技术方案。
38.部分概念的说明：
39.ngso：非静止轨道，non-geostationary orbit。
40.跳波束图案：指在一个跳波束周期内的不同时隙，载荷波束在不同波位驻留，即各时隙与不同波位映射关系的集合。同一载荷波束的各时隙均采用相同频率。
41.角度坐标：指卫星本体坐标系(以卫星本体为参考点，卫星指向地心的方向设为 z方向，卫星飞行的方向设为 x方向)中卫星视场中某一点的离轴角θ、方位角φ。
42.时隙编号：跳波束周期中各时隙的序号。
43.可视时长：指卫星终端可以与同一通信载荷保持通信的时长。
44.凝视：指通信载荷在可视时长内凝视卫星终端，即随着卫星运动，保持点波束持续(在相应跳波束时隙内)覆盖卫星终端。
45.固定波位：指在可视时长内其中心相对于地面固定的波位，可与其他波位同频复用。固定波位用于服务中低速卫星终端或固定卫星终端，这两类终端在可视时长内的位移小于或等于波位覆盖范围。中低速卫星终端或固定卫星终端上报的位置设为固定波位的中心。
46.接力波位：指其中心在一段时间内相对于地面固定，在单颗卫星的可视时长内做有限次调整的波位，可与其他波位同频复用。接力波位用于服务高速移动卫星终端，此类终端在可视时长内的位移大于波位覆盖范围。依据高速移动卫星终端上报的位置、速度，计算可视时长内的轨迹等分点，设为各接力波位的中心。在单颗卫星的可视时长内，接力波位的
波束指向发生若干次变化，对应的多个波位形成的总覆盖区域涵盖了高速移动卫星终端的运动轨迹。接力波位的波束指向发生变化，但接力波位对应的时隙编号保持不变，即接力波位不需要额外分配时隙或进行时隙预留，为终端分配的时频资源不变，避免了相应的信令开销。
47.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术的实施方式作进一步地详细描述。
48.本技术的第一实施方式涉及一种面向非静止轨道星座的跳波束调度方法。
49.在一个实施例中，该方法在载荷资源调度模块中应用。载荷资源调度模块是通信载荷中负责为卫星终端分配频率、波束(含指向)、时隙的模块，是执行跳波束调度方法、产生跳波束图案的主体。该模块包括资源配置单元、资源管理单元、同频复用计算单元、资源分配单元和波束指向计算单元，参见图1。
50.资源配置单元负责配置可分配频率表和载荷波束数。
51.资源管理单元管理已分配和未分配频率、已分配和未分配载荷波束、已分配和未分配时隙的实时情况。
52.同频复用计算单元计算两个波位之间是否满足空间隔离要求。
53.资源分配单元，根据资源管理单元反馈的实时资源情况和/或同频复用计算单元的计算结果，为卫星终端分配频率、波束、时隙。
54.波束指向计算单元，根据卫星、卫星终端位置，计算载荷波束在待分配或已分配时隙的指向。该指向为卫星本体坐标系中的角度坐标。
55.通信载荷在可视时长内凝视卫星终端；载荷资源调度模块为卫星终端分配在可视时长内时隙编号不变的波位；卫星终端不跳频。
56.卫星终端资源分配主流程如图2所示。
57.在步骤201中，载荷资源调度模块根据卫星终端的移动速度等级信息，判断是否为高速移动卫星终端，如果是则进入步骤202，否则进入步骤203。例如安装在飞机上的卫星终端就属于高速移动卫星终端，其移动速度等级较高。而安装在船舶上的就属于中低速移动卫星终端，其移动速度等级较低。
58.在步骤202中，载荷资源调度模块为高速移动卫星终端分配资源。此后进入步骤204。
59.在步骤203中，载荷资源调度模块为中低速移动卫星终端或固定卫星终端分配资源。此后进入步骤204。
60.在步骤204中，判断本周期是否还有未处理的资源请求，如果是则回到步骤201，否则进入步骤205。
61.在步骤205中，生成或更新(即更新已有波位在下一跳波束周期内的角度坐标)跳波束图案。
62.在一个实施例中，可以通过以下方法为高速移动卫星终端分配资源(步骤202)，实现面向非静止轨道星座的跳波束调度。该方法的流程如图3所示。
63.在步骤301中，载荷资源调度模块判决是否有已分配波束，如果是则进入步骤302，否则进入步骤309。
64.在步骤302中，如果有已分配波束，由资源管理单元根据卫星终端时隙需求和已分
配波束的剩余时隙数判决是否存在足够未分配时隙，如果是则进入步骤303，否则进入步骤305。
65.在步骤303中，由资源管理单元判决是否存在未同频复用的波束，如果是则进入步骤311，否则进入步骤304。
66.在步骤304中，由资源管理单元判决是否存在能够同频复用的波束，如果是则进入步骤312，否则进入步骤305。
67.在步骤305中，由资源管理单元判决是否存在未分配波束，如果是进入步骤306，否则进入步骤308。
68.在步骤306中，由同频复用计算单元判决是否存在与已分配时隙编号相同的满足同频复用条件的时隙，如果是则进入步骤313，否则进入步骤307。
69.在步骤307中，由资源管理单元判决是否存在未分配频率，如果是则进进入步骤314，否则进入步骤308。
70.在步骤308中，确定分配失败，进入步骤315。
71.在步骤309中，由资源管理单元判决是否存在未分配频率，如果是则进入步骤310，否则进入步骤308。
72.在步骤310中，由资源分配单元将频率分配给新波束，为卫星终端分配接力波位。此后进入步骤315。
73.在步骤311中，由资源分配单元为卫星终端分配接力波位，此后进入步骤315。
74.在步骤312中，由资源分配单元为卫星终端分配接力波位，此后进入步骤315。
75.在步骤313中，由资源分配单元将与已分配波束相同的频率分配给新波束，并为卫星终端分配接力波位。此后进入步骤315。
76.在步骤314中，由资源分配单元将与已分配波束不同的频率分配给新波束，并为卫星终端分配接力波位。此后进入步骤315。
77.在步骤315中，判决本周期是否还有未处理的资源请求。该步骤对应于图2主流程的步骤204。
78.在上述步骤中，当资源分配单元为卫星终端分配接力波位后，波束指向计算单元根据上报的卫星终端位置、速度以及卫星位置，计算该波位在下一跳波束周期的角度坐标。资源管理单元需更新已分配时隙、已分配波束或已分配频率。
79.可选的，在一个实施例中，可以通过以下方式根据上报的卫星终端位置、速度以及卫星位置计算该波位在下一跳波束周期的角度坐标：根据上报的卫星终端位置和速度计算卫星终端在下一跳波束周期的预期运动范围。根据预期运动范围，计算接力波位在下一跳波束周期的角度坐标，使得接力波位在下一跳波束周期内的覆盖区域涵盖预期运动范围。其中，接力波位的波束指向发生变化时,该接力波位对应的时隙编号保持不变，该接力波位不需要额外分配时隙或进行时隙预留，为卫星终端分配的时频资源不变。图5是接力波位的示意图。
80.在一个实施例中，可以通过以下方法为中低速移动卫星终端或固定卫星终端分配资源(步骤203)，实现面向非静止轨道星座的跳波束调度。该方法的流程如图4所示。
81.在步骤401中，载荷资源调度模块判决是否有已分配波束，如果是则进入步骤402，否则进入步骤409。
82.在步骤402中，如果有已分配波束，由资源管理单元根据卫星终端时隙需求和已分配波束的剩余时隙数判决是否存在足够未分配时隙，如果是则进入步骤403，否则进入步骤405。
83.在步骤403中，由资源管理单元判决是否存在未同频复用的波束，如果是则进入步骤411，否则进入步骤404。
84.在步骤404中，由资源管理单元判决是否存在能够同频复用的波束，如果是则进入步骤412，否则进入步骤405。
85.在步骤405中，由资源管理单元判决是否存在未分配波束，如果是进入步骤406，否则进入步骤408确定分配失败。
86.在步骤406中，由同频复用计算单元判决是否存在与已分配时隙编号相同的满足同频复用条件的时隙，如果是则进入步骤413，否则进入步骤407。
87.在步骤407中，由资源管理单元判决是否存在未分配频率，如果是则进进入步骤414，否则进入步骤408。
88.在步骤408中，确定分配失败，进入步骤415。
89.在步骤409中，由资源管理单元判决是否存在未分配频率，如果是则进入步骤410，否则进入步骤408。
90.在步骤410中，由资源分配单元将频率分配给新波束，为卫星终端分配固定波位。此后进入步骤415。
91.在步骤411中，由资源分配单元为卫星终端分配固定波位，此后进入步骤415。
92.在步骤412中，由资源分配单元为卫星终端分配固定波位，此后进入步骤415。
93.在步骤413中，由资源分配单元将与已分配波束相同的频率分配给新波束，并为卫星终端分配固定波位。此后进入步骤415。
94.在步骤414中，由资源分配单元将与已分配波束不同的频率分配给新波束，并为卫星终端分配固定波位。此后进入步骤415。
95.在步骤415中，判决本周期是否还有未处理的资源请求。该步骤对应于图2主流程的步骤204。
96.在上述步骤中，资源分配单元为卫星终端分配固定波位后，波束指向计算单元根据上报的卫星终端位置、卫星位置，计算该波位在下一跳波束周期的角度坐标。资源管理单元需更新已分配时隙、已分配波束或已分配频率。
97.本技术的第二实施方式涉及一种面向非静止轨道星座的跳波束调度系统，该系统包括第一实施方式中描述的载荷资源调度模块，其结构如图1所示。载荷资源调度模块进一步包括资源配置单元、资源管理单元、同频复用计算单元、资源分配单元和波束指向计算单元。该载荷资源调度模块被配置为执行第一实施方式中所述的方法。
98.需要说明的是，本领域技术人员应当理解，上述面向非静止轨道星座的跳波束调度系统的实施方式中所示的各模块的实现功能可参照前述面向非静止轨道星座的跳波束调度方法的相关描述而理解。上述面向非静止轨道星座的跳波束调度系统的实施方式中所示的各模块的功能可通过运行于处理器上的程序(可执行指令)而实现，也可通过具体的逻辑电路而实现。本技术的实施例上述面向非静止轨道星座的跳波束调度系统如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储
介质中。基于这样的理解，本技术的实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本技术的各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read only memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。这样，本技术的实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。
99.相应地，本技术的实施方式还提供一种计算机可读存储介质，其中存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现本技术的各方法实施方式。计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括但不限于，相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读存储介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
100.此外，本技术的实施方式还提供一种面向非静止轨道星座的跳波束调度系统，其中包括用于存储计算机可执行指令的存储器，以及，处理器；该处理器用于在执行该存储器中的计算机可执行指令时实现上述各方法实施方式中的步骤。其中，该处理器可以是中央处理单元(central processing unit，简称“cpu”)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，简称“dsp”)、专用集成电路(application specific integrated circuit，简称“asic”)等。前述的存储器可以是只读存储器(read-only memory，简称“rom”)、随机存取存储器(random access memory，简称“ram”)、快闪存储器(flash)、硬盘或者固态硬盘等。本发明各实施方式所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。
101.需要说明的是，在本技术中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本技术中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。
102.在描述方法的步骤时使用的序号本身并不对这些步骤的顺序构成任何的限定。例如，序号大的步骤并非一定要在序号小的步骤之后执行，也可以是先执行序号大的步骤再执行序号小的步骤，还可以是并行执行，只要这种执行顺序对于本领域技术人员来说是合理的即可。又如，拥有连续编号序号的多个步骤(例如步骤301，步骤302，步骤303等)并不限
制其他步骤可以在其间执行，例如步骤301和步骤302之间可以有其他的步骤。
103.本说明书包括本文所描述的各种实施例的组合。对实施例的单独提及(例如“一个实施例”或“一些实施例”或“优选实施例”)；然而，除非指示为是互斥的或者本领域技术人员很清楚是互斥的，否则这些实施例并不互斥。应当注意的是，除非上下文另外明确指示或者要求，否则在本说明书中以非排他性的意义使用“或者”一词。
104.在本说明书提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本技术的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，以上所述仅为本说明书的较佳实施例而已，并非用于限定本说明书的保护范围。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的保护范围之内。
105.在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。