低轨卫星跳波束多维资源分配方法研究.pdf

哈尔滨工业大学硕士学位论文

摘要

卫星通信在现代化的日常生活中有着广泛的应用，也是通信系统不可或缺

的组成部分。随着运载火箭能力的提升，越来越多的低轨卫星通过“一箭多星”

的发射技术进入太空，而低轨卫星可以通过星间链路进行组网对全球进行覆盖，

其通信时延短，发射成本低，已经成为了下一代无线通信中的研究重点对象。

针对星地的相对位置实时变化的场景特点，多波束卫星采用凝视波束的方

案对覆盖区域持续提供服务。然而由于卫星载荷的限制，星上发射机所能提供

的最大波束数量仍然小于地面小区数量，因此需要对波束资源进行调度从而实

现全域覆盖。此外，低轨卫星是一种典型的资源受限系统，而传统方案采用固

定的资源分配方式，不能高效地满足地面不均匀的业务需求，造成了星上资源

的大量浪费。因此本文针对多波束低轨卫星的场景，采用全频率复用方案完成

频率资源的分配，并进一步进行时隙和波束维度的资源分配方案设计。

本文首先对多波束卫星系统进行了建模，设计了覆盖区域内波位位置的划

分方案，给出地面业务分布方式，建立了多维资源中时隙，频率，波束的资源

模型。根据以上模型，给出了下行链路无干扰的情况下基于最大化吞吐量和不

同小区权值两种目标函数的优化问题模型，采用拉格朗日乘子法得到了时隙资

源分配结果，给出两种地面业务需求情况下的小区吞吐量的结果，并对跳波束

方案和均匀分配方案进行了比较分析，结果表明通过波束调度，跳波束可以显

著提高不均匀业务分布的区域的系统总吞吐量。

接着针对全频率复用方案下的波束间干扰，设计了基于预编码和波束空间

隔离的干扰避免方案，再对跳波束图案进行设计。首先建立下行链路的信道模

型得到信道矩阵，并参考奇异值分解使得均方误差矩阵的迹的上界最小化，基

于min-max原则计算得出本文的预编码矩阵等价于信道矩阵平均值的奇异值分

解的左酉矩阵，该方案可以显著减小反馈链路的传输开销。接着根据小区的实

际地理位置，设计波位点亮原则使得相邻的小区不能同时被波束覆盖。跳波束

图案设计的目标函数为业务满意度，定义为提供容量和需求容量的比值，最终

将其建模为混合整数线性规划问题并采用分支定界法进行求解，仿真结果表明

本文的跳波束算法的平均业务满意度高达93.42%，提高系统总吞吐量的同时

大幅度提高了业务满意度和资源利用率。

关键词:多波束卫星；资源分配；干扰避免；跳波束图案设计

-I-

哈尔滨工业大学硕士学位论文

Abstract

Asanindispensablepartofmoderncommunicationsystem,thewidespread

adoptionofsatellitecommunicationappearsinourdailylife.Alongwiththe

developmentofthecapabilityofcarrierrocket,moreandmorelow-orbitsatellites

arelaunchedintothespacethroughtheadvancedtechnologycalledonerocket

withmultiplesatellites.Besides,thelow-earth-orbit(LEO)satellitesystemcould

achieveglobalcoveragethroughnetworkingmodebetweeninter-satellitelinks.

Becauseoftheshortcommunicationdelayandthelowlaunchcost,LEOsatellite

systemhasbecomeoneofthemainresearchpointsinthenextgenerationwireless

communication.

Inviewofthereal-timevariationofthe