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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

崔铁军, 梁昌洪. 在1/R居中Cantor集合介质填充波导中波的反射[J]. 电子与信息学报, 1993, 15(3): 274-278.
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
Cui Tiejun, Liang Changhong. REFLECTION FROM A WAVEGUIDE FILLED WITH FRACTAL CANTOR LAYERS[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 1993, 15(3): 274-278.
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:Gth
     2 初始化:sS,Xs=,k(1,K),N(k)sort=
     3 For t=1,2,,T
     4  If sS, tι(in)s, s.t. t==t or tι(out)s,
       s.t. t==t 
     5   N(t)s=N(t)s+N(t)sN(t)s, N(s)set=N(t)s
     6   根据式(11)和式(12)更新σ(out)s,t, σ(in)s,t
     7  End If
     8  nsN(t)s,根据式(20)和式(21)计算¯β(t)ns,式(23)和
       式(24)计算¯D(t)ns
     9  For k=1,2,,K
     10   For s=1,2,,S
     11    If D(t)now,ns>R(ns)unit
     12     依据策略(3)和(4)计算ϖ(t)ns,选择候选服务小区ns
     13     nsN(s)setN(k)sortns
     14    Else
     15     依据策略(1)和(2)计算ϖ(t)ns,并选择候选服务小区ns
     16     nsN(s)setN(k)sortns
     17    End If
     18   End For
     19   依据4种策略对N(k)sort中的小区排序
     20   While N(k)sort
     21    选择N(k)sort中的第一个小区ns
     22    If ns1,max,
          {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
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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

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