高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

低轨卫星通信系统跳波束图案设计算法

石会鹏 郭丁 牟瑞硕 钟奇 李方圆

石会鹏, 郭丁, 牟瑞硕, 钟奇, 李方圆. 低轨卫星通信系统跳波束图案设计算法[J]. 电子与信息学报, 2025, 47(3): 612-622. doi: 10.11999/JEIT240596
引用本文: 石会鹏, 郭丁, 牟瑞硕, 钟奇, 李方圆. 低轨卫星通信系统跳波束图案设计算法[J]. 电子与信息学报, 2025, 47(3): 612-622. doi: 10.11999/JEIT240596
SHI Huipeng, GUO Ding, MU Ruishuo, ZHONG Qi, LI Fangyuan. The Beam Hopping Pattern Design Algorithm of Low Earth Orbit Satellite Communication System[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(3): 612-622. doi: 10.11999/JEIT240596
Citation: SHI Huipeng, GUO Ding, MU Ruishuo, ZHONG Qi, LI Fangyuan. The Beam Hopping Pattern Design Algorithm of Low Earth Orbit Satellite Communication System[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(3): 612-622. doi: 10.11999/JEIT240596

低轨卫星通信系统跳波束图案设计算法

doi: 10.11999/JEIT240596
基金项目: 国家重点研发计划(2020YFB1807900)
详细信息
    作者简介:

    石会鹏:男,高级工程师,研究方向为卫星无线电频率资源技术管理

    郭丁:男,高级工程师,研究方向为卫星工程星地一体化攻关

    牟瑞硕:男,硕士生,研究方向为低轨卫星通信

    钟奇:男,高级工程师,研究方向为无线电监测技术

    李方圆:女,高级工程师,研究方向为无线电技术管理与无线电设备检测技术

    通讯作者:

    李方圆 lifangyuan@srtc.org.cn

  • 中图分类号: TN927.2

The Beam Hopping Pattern Design Algorithm of Low Earth Orbit Satellite Communication System

Funds: The National Key Research and Development Program of China (2020YFB1807900)
  • 摘要: 低轨卫星资源调度是长时间的连续资源分配过程,这一过程中低轨卫星保持高速移动,跳波束图案的设计需要考虑星地链路的切换。针对这种切换,即卫星覆盖区域间的服务目标迁移,所导致的多星资源联合调度需求,该文提出一种资源自适应权衡分配的多星联合跳波束图案设计算法。该算法通过设计星间联合调度框架和多星联合调度权重,将多星资源联合分配问题转化为星座内单星资源调度问题,轻量化设计跳波束图案。经过与多种权重设计方法的对比验证,仿真结果表明,所提算法的轻量化设计思路合理,并且可以有效地保障受迁移影响区域内小区的服务质量,可为低轨卫星系统长时资源调度设计提供参考。
  • 图  1  低轨卫星跳波束系统模型

    图  2  星间联合调度区

    图  3  中心卫星不同负载率下的仿真结果

    图  4  迁入卫星不同负载率下的仿真结果

    图  5  迁出卫星不同负载率下的仿真结果

    1  RATMJ-BHP算法

     1 输入:$ {G_{\rm{th}}} $
     2 初始化:$ \forall s \in \mathcal{S},{{\boldsymbol{X}}_s} = \varnothing $,$ \forall k \in (1,K),{{\mathcal{N}}}_{{\mathrm{sort}}}^{(k)} = \varnothing $
     3 For $ t = 1,2, \cdots ,T $
     4  If $ \forall s \in \mathcal{S},{\text{ }}\exists {t^{'}} \in \iota _s^{({\mathrm{in}})},{\text{ }}{\mathrm{s.t}}.{\text{ }}{t^{'}} = = t{\text{ or }}\exists {t^{''}} \in \iota _s^{({\mathrm{out}})} $,
       ${\mathrm{s.t.}}{\text{ }}{t^{''}} = = t{\text{ }} $
     5   $ {{\mathcal{N}}}_s^{(t)} = {{\mathcal{N}}}_s^{(t)} + {{\mathcal{N}}}_s^{({t^{'}})} - {{\mathcal{N}}}_s^{({t^{''}})} $, $ {{\mathcal{N}}}_{{\mathrm{set}}}^{(s)} = {{\mathcal{N}}}_s^{(t)} $
     6   根据式(11)和式(12)更新$ \sigma _{s,t}^{({\mathrm{out}})} $, $ \sigma _{s,t}^{({\mathrm{in}})} $
     7  End If
     8  $ \forall {n_s} \in {{\mathcal{N}}}_s^{(t)} $,根据式(20)和式(21)计算$ \overline \beta _{{n_s}}^{(t)} $,式(23)和
       式(24)计算$ \overline D _{{n_s}}^{(t)} $
     9  For $ k = 1,2, \cdots ,K $
     10   For $ s = 1,2, \cdots ,S $
     11    If $ D_{{\mathrm{now}},{n_s}}^{(t)} > R_{{\mathrm{unit}}}^{({n_s})} $
     12     依据策略(3)和(4)计算$ \varpi _{{n_s}}^{(t)} $,选择候选服务小区$ n_s^{'} $
     13     $ n_s^{'} \leftarrow {{\mathcal{N}}}_{{\mathrm{set}}}^{(s)} $;$ {{\mathcal{N}}}_{{\mathrm{sort}}}^{(k)} \leftarrow n_s^{'} $
     14    Else
     15     依据策略(1)和(2)计算$ \varpi _{{n_s}}^{(t)} $,并选择候选服务小区$ n_s^{'} $
     16     $ n_s^{'} \leftarrow {{\mathcal{N}}}_{{\mathrm{set}}}^{(s)} $;$ {{\mathcal{N}}}_{{\mathrm{sort}}}^{(k)} \leftarrow n_s^{'} $
     17    End If
     18   End For
     19   依据4种策略对$ {{\mathcal{N}}}_{{\mathrm{sort}}}^{(k)} $中的小区排序
     20   While $ {{\mathcal{N}}}_{{\mathrm{sort}}}^{(k)} \ne \varnothing $
     21    选择$ {{\mathcal{N}}}_{{\mathrm{sort}}}^{(k)} $中的第一个小区$ n_s^{'} $。
     22    If $ \exists {n_{{s_1}}},\max \left\{ {G_{k_s^{'},{k_{{s_1}}}}^{({\rm{tx}})},G_{{k_{{s_1}}},k_s^{'}}^{({\rm{tx}})}} \right\} \ge {G_{\rm{th}}} $,
         $ {s_1} \in \mathcal{S},{n_{{s_1}}} \in {{\boldsymbol{X}}_{{s_1}}},{k_s} \ne {k_{{s_1}}} $
     23     $ n_s^{'} \leftarrow {{\mathcal{N}}}_{{\mathrm{sort}}}^{(k)} $
     24     对于卫星$ s $,转至步骤11,
     25    Else
     26     $ x_{k_s^{'}}^{(t)} = n_s^{'} $
     27     $ n_s^{'} \leftarrow {{\mathcal{N}}}_{{\mathrm{sort}}}^{(k)} $
     28    End If
     29   End While
     30 End For
     31 End For
     32 输出跳波束图案$ {{\boldsymbol{X}}_1},{{\boldsymbol{X}}_2}, \cdots ,{{\boldsymbol{X}}_s},s \in \mathcal{S} $
    下载: 导出CSV

    表  1  仿真参数

    参数
    卫星数目 3
    高度(km) 508
    卫星初始经度(°) [–3.81, 0.65, 5.55]
    卫星初始纬度(°) [26.45, 31.01, 35.39]
    初始小区数目 [38, 37, 40]
    卫星迁出、迁入小区数目 [3, 4, 4, 4, 4, 3]
    载波频率(MHz) 1 990
    带宽(MHz) 40
    星上总功率(dBW) 14
    接收机天线模型 全向天线
    极化方式 圆极化
    业务包大小(MHz) 2
    波束数目 8
    跳波束时隙长度(ms) 30
    跳波束周期长度(时隙) 35
    时延门限(时隙) 5
    干扰增益门限(dBi) 10
    下载: 导出CSV

    表  2  相控阵天线参数

    参数 参数值
    最大阵元增益(dBi) 5
    阵元水平方向3 dB波束宽度(°) 65
    阵元垂直方向3 dB波束宽度(°) 65
    前后比(dB) 30
    阵元水平方向间隔 0.5
    阵元垂直方向间隔 0.5
    水平方向阵元数目 32
    垂直方向阵元数目 32
    下载: 导出CSV

    表  3  迭代次数

    卫星数目 1 2 3
    平均迭代次数 28.1 32.29 36.95
    最大迭代次数 31.58 35.71 39.05
    枚举法 $ {\mathrm{C}}_{{\text{38}}}^{\text{8}} $ $ {\mathrm{C}}_{{\text{38}}}^{\text{8}} \cdot {\mathrm{C}}_{{\text{37}}}^{\text{8}} $ $ {\mathrm{C}}_{{\text{38}}}^{\text{8}} \cdot {\mathrm{C}}_{{\text{37}}}^{\text{8}} \cdot {\mathrm{C}}_{{\text{40}}}^{\text{8}} $
    下载: 导出CSV
  • [1] FARREA K A, BAIG Z, DOSS R, et al. Low earth orbit (LEO) satellites role in shaping 6G networks amidst emerging threats[C]. 2023 IEEE Future Networks World Forum, Baltimore, USA, 2023: 1–8. doi: 10.1109/FNWF58287.2023.10520636.
    [2] MENG Entong, YU Jihong, JIN Song, et al. Resource allocation for MC-DS-CDMA in beam-hopping LEO satellite networks[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2024, 60(3): 3611–3624. doi: 10.1109/TAES.2024.3367796.
    [3] YANG Haowen, YANG Dewei, LI Yuanjun, et al. Cluster-Based beam hopping for energy efficiency maximization in flexible multibeam satellite systems[J]. IEEE Communications Letters, 2023, 27(12): 3300–3304. doi: 10.1109/LCOMM.2023.3314671.
    [4] NADERI F and CAMPANELLA S. NASA’s Advanced Communications Technology Satellite (ACTS)-An overview of the satellite, the network, and the underlying technologies[C]. The 12th International Communication Satellite Systems Conference, Arlington, USA, 1988: 797. doi: 10.2514/6.1988-797.
    [5] ANGELETTI P, FERNANDEZ PRIM D, and RINALDO R. Beam hopping in multi-beam broadband satellite systems: System performance and payload architecture analysis[C]. The 24th AIAA International Communications Satellite Systems Conference, San Diego, USA, 2006: 5376. doi: 10.2514/6.2006-5376.
    [6] 唐璟宇, 李广侠, 边东明, 等. 卫星跳波束资源分配综述[J]. 移动通信, 2019, 43(5): 21–26. doi: 10.3969/j.issn.1006-1010.2019.05.004.

    TANG Jingyu, LI Guangxia, BIAN Dongming, et al. Review on resource allocation for beam-hopping satellite[J]. Mobile Communications, 2019, 43(5): 21–26. doi: 10.3969/j.issn.1006-1010.2019.05.004.
    [7] WANG Yaxin, BIAN Dongming, HU Jing, et al. A flexible resource allocation algorithm in full bandwidth beam hopping satellite systems[C]. 2019 IEEE 3rd Advanced Information Management, Communicates, Electronic and Automation Control Conference, Chongqing, China, 2019: 920–927. doi: 10.1109/IMCEC46724.2019.8984132.
    [8] LIN Zhiyuan, NI Zuyao, KUANG Linling, et al. NGSO satellites beam hopping strategy based on load balancing and interference avoidance for coexistence with GSO systems[J]. IEEE Communications Letters, 2023, 27(1): 278–282. doi: 10.1109/LCOMM.2022.3213912.
    [9] LI Weibiao, ZENG Ming, WANG Xinyao, et al. Dynamic beam hopping of double LEO multi-beam satellite based on determinant point process[C]. 2022 14th International Conference on Wireless Communications and Signal Processing, Nanjing, China, 2022: 713–718. doi: 10.1109/WCSP55476.2022.10039244.
    [10] 刘子祎, 张校宁, 费泽松. 面向低轨卫星的长时多星跳波束功率分配技术[J]. 天地一体化信息网络, 2023, 4(4): 38–48. doi: 10.11959/j.issn.2096-8930.2023041.

    LIU Ziyi, ZHANG Xiaoning, and FEI Zesong. Power allocation technology of long time multi-star hopping beam for LEO satellite[J]. Space-Integrated-Ground Information Networks, 2023, 4(4): 38–48. doi: 10.11959/j.issn.2096-8930.2023041.
    [11] GINESI A, RE E, and ARAPOGLOU P D. Joint beam hopping and precoding in HTS systems[C]. The 9th International Conference on Wireless and Satellite Systems, Oxford, UK, 2018: 43–51. doi: 10.1007/978-3-319-76571-6_5.
    [12] TANG Jingyu, BIAN Dongming, LI Guangxia, et al. Optimization method of dynamic beam position for LEO beam-hopping satellite communication systems[J]. IEEE Access, 2021, 9: 57578–57588. doi: 10.1109/ACCESS.2021.3072104.
    [13] ITU. ITU-R M. 618-14 Propagation data and prediction methods required for the design of Earth-space telecommunication systems[S]. Geneva: ITU, 2023.
    [14] 卢月. 基于跳波束干扰规避的LEO卫星多域资源联合优化[D]. [硕士论文], 哈尔滨工业大学, 2023.

    LU Yue. Joint optimization of LEO satellites multi-domain resources based on beam hopping interference avoidance[D]. [Master dissertation], Harbin Institute of Technology, 2023.
    [15] ITU. ITU-R M. 2101-0 Modelling and simulation of IMT networks and systems for use in sharing and compatibility studies: Recommendation[S]. Geneva: ITU, 2017.
    [16] PANDA S K and JANA P K. Efficient task scheduling algorithms for heterogeneous multi-cloud environment[J]. The Journal of Supercomputing, 2015, 71(4): 1505–1533. doi: 10.1007/s11227-014-1376-6.
    [17] Space radiocommunications stations database (the 3001st edition)[DB/CD]. Geneva: ITU, 2024.
    [18] 蔡辉. 基于卫星跳波束技术的资源分配方法研究[D]. [硕士论文], 中国航天科技集团公司第五研究院西安分院, 2023.

    CAI Hui. Research on resource allocation method based on satellite beam hopping technology[D]. [Master dissertation], China Academy of Space Technology, 2023.
    [19] 丁祥, 续欣, 张森柏, 等. 业务自适应的卫星跳波束系统资源分配方法[J]. 陆军工程大学学报, 2022, 1(3): 29–35. doi: 10.12018/j.issn.2097-0730.20210121001.

    DING Xiang, XU Xin, ZHANG Senbai, et al. Service-adaptive resource allocation method for satellite beam-hopping systems[J]. Journal of Army Engineering University of PLA, 2022, 1(3): 29–35. doi: 10.12018/j.issn.2097-0730.20210121001.
  • 加载中
图(5) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  198
  • HTML全文浏览量:  66
  • PDF下载量:  40
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-15
  • 修回日期:  2025-02-24
  • 网络出版日期:  2025-03-04
  • 刊出日期:  2025-03-01

目录

    /

    返回文章
    返回