卫星通信系统中抑制邻星干扰的方法

摘要

本发明公布了一种卫星通信系统中抑制邻星干扰的方法，当通信网络系统中存在相互通信的地面站时，将系统中两个互相通信的通信双方分别记为地面站1和地面站2；通过使地面站1和地面站2占用完全相同的时隙和频率资源，形成非正交多址，进行资源优化分配；包括：根据通信双方的传输速率、分别计算得到调制编码方案阶数、扩频比、通信带宽和时隙数，再分配空闲的载波和时隙资源，使得地面站1和2占用相同的载波和时隙进行发送，达到节省时频信道资源的目的；通过调制编码方式和扩频比选取方法降低偏轴辐射强度；从而达到既满足邻星干扰要求，又比直接扩频节省时频资源的效果。

权利要求

1.一种卫星通信系统中抑制邻星干扰的方法，当通信网络系统中存在相互通信的地面站时，将系统中两个互相通信的通信双方分别记为第一地面站和第二地面站；通过使第一地面站和第二地面站占用完全相同的时隙和频率资源，形成非正交多址；通过调制编码方式和扩频比选取方法抑制邻星干扰；具体包括如下步骤：

1)由通信双方的传输速率分别得到所述通信双方的调制编码方案阶数，记为η1和η2；

2)通过方程组式5计算，分别得到所述通信双方的扩频比k1和k2，使得总邻星干扰满足ITU约束；

式5中，k1和k2分别为第一地面站和第二地面站的扩频比；η1和η2分别为第一地面站和第二地面站采用的调制编码方案阶数；PSDη,1、PSDη,2分别为第一地面站和第二地面站采用η阶数的调制编码方案MCS时，维持通信所需要的主轴功率谱密度；Gnorm,1(θ)、Gnorm,2(θ)分别为第一地面站和第二地面站的天线在离轴θ方位的归一化增益；ITU(θ)为离轴θ方位的ITU约束；R1、R2分别为第一地面站和第二地面站的传输速率；

3)通过计算得到通信带宽和时隙数；具体通过式6和式7分别计算得到带宽和时隙数：

式6～式7中，w为带宽占用量；n为需要分配的时隙数；T为传输时间；Δ为时隙长度；R1为第一地面站的传输速率；η1为第一地面站采用的调制编码方案阶数；k1为第一地面站的扩频比；

4)根据步骤3)计算得到通信带宽和时隙数结果，分配空闲的载波和时隙资源，使得第一地面站和第二地面站占用相同的载波和时隙进行发送。

2.如权利要求1所述卫星通信系统中抑制邻星干扰的方法，其特征是，步骤1)通过式3和式4分别计算得到通信双方的调制编码方案阶数η1和η2：η1＝max{η|PSDη,1Gnorm,1(θ)≤ITU(θ)}            式3η2＝max{η|PSDη,2Gnorm,2(θ)≤ITU(θ)}            式4式3～式4中，η1和η2分别为第一地面站和第二地面站采用的调制编码方案阶数；PSDη,1，PSDη,2分别为第一地面站和第二地面站采用η阶数的调制编码方案MCS时，维持通信所需要的主轴功率谱密度；Gnorm,1(θ)，Gnorm,2(θ)分别为第一地面站和第二地面站的天线在离轴θ方位的归一化增益；ITU(θ)为离轴θ方位的ITU约束。

3.如权利要求1所述卫星通信系统中抑制邻星干扰的方法，其特征是，步骤4)所述分配空闲的载波和时隙资源的方法采用伙伴算法或基于二叉树的分配算法。

说明书

卫星通信系统中抑制邻星干扰的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种卫星通信系统中抑制邻星干扰的方法，提供一种MF-TDMA(Multi-Frequency Time Division Multiple Access，多频时分多址)系统中的资源优化分配方法，既使得邻星干扰满足规范要求，又达到节省信道资源的目的。

背景技术

[0002] 多频时分多址(MF-TDMA)体制是一种结合了FDMA(Frequency Division Multiple Access，频分多址)和TDMA(Time Division Multiple Access，时分多址)两种技术的优点的多址方式，它在时域和频域二维空间划分用户，为每个用户分配时隙以及载波频点，具有组网灵活、系统容量大、扩容方便等诸多优点，逐渐成为国内外军用和民用卫星通信系统主流的传输体制。近年来，为满足军用/民用应急通信和移动条件下卫星多媒体通信的旺盛需求，国内外都大力发展基于MF-TDMA体制的卫星通信应用。

[0003] 当前，我国基于MF-TDMA体制的卫星通信系统已经走向成熟并投入使用。在现有的较大口径终端卫星通信系统(天线口径为一米以上)中，天线主瓣宽度较窄，且旁瓣电平较低，具有很好的方向性，此时系统终端对邻星产生的干扰功率很小，对邻星系统的性能不造成关键影响。但在在一些卫星通信系统中(如动中通系统)，存在大量的甚小口径终端(Very Small Aperture Terminal,VSAT)，其天线主瓣较宽，偏轴增益差较小，方向性较弱。在地面天线主轴对准己星时，偏轴方向上会向邻星辐射出较强的干扰功率。尤其是随着地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit，GEO)卫星通信系统的发展，同步轨道环日益拥挤，邻星干扰问题愈加严峻。

[0004] 为限制邻星干扰，ITU(International Telecommunication Union，国际电信联盟)国际无线电规则规定，工作于14GHz频段的GEO卫星通信系统，VSAT地面站天线在偏轴方向上的有效全向辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power,EIRP)密度应低于一定的约束值。

[0005] 采用扩频技术可以有效地降低地面站天线的偏轴EIRP密度，然而，系统容量也随之降低。因此，现有方法中，在不对现有MF-TDMA体制进行重大调整且不过多牺牲系统容量的前提下，难以达到对卫星通信系统的邻星干扰进行抑制的效果。

发明内容

[0006] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种卫星通信系统中抑制邻星干扰的方法，通过该方法为MF-TDMA(Multi-Frequency Time Division Multiple Access，多频时分多址)系统进行资源优化分配，既使得邻星干扰满足规范要求，又达到节省信道资源的目的。

[0007] 本发明的原理是：当通信网络系统中存在相互通信的地面站时，将系统中两个互相通信的地面站分别记为地面站1和地面站2；地面站1和地面站2同频同时发送信号，使得相互通信的双方占用完全相同的时隙和频率资源，形成非正交多址，节省时频信道资源。当存在偏轴辐射强度之和超出邻星干扰的情况时，针对这种情况，通过调制编码方式和扩频比选取方法将辐射强度降下来，最终达到既满足邻星干扰要求，又比直接扩频占用更少的时频资源的效果。

[0008] 本发明提供的技术方案是：

[0009] 一种卫星通信系统中抑制邻星干扰的方法，当通信网络系统中存在相互通信的地面站时，将系统中两个互相通信的通信双方分别记为地面站1和地面站2；通过使地面站1和地面站2占用完全相同的时隙和频率资源，形成非正交多址，进行资源优化分配，达到节省时频信道资源的目的；通过调制编码方式和扩频比选取方法降低偏轴辐射强度；从而达到既满足邻星干扰要求，又比直接扩频节省时频资源的效果；具体包括如下步骤：

[0010] 1)将通信双方的信息速率分别记为R1和R2，根据R1和R2分别得到通信双方的调制编码方案阶数，记为η1和η2；

[0011] 2)通过方程组式5计算，分别得到通信双方的扩频比k1和k2，使得总邻星干扰满足ITU约束；

[0012]

[0013] 式5中，k1和k2分别为地面站1和地面站2的扩频比；η1和η2分别为地面站1和地面站2采用的调制编码方案阶数；PSDη,1、PSDη,2分别为地面站1和地面站2采用η阶数的MCS时，维持通信所需要的主轴功率谱密度；Gnorm,1(θ)、Gnorm,2(θ)分别为地面站1和地面站2的天线在离轴θ方位的归一化增益；ITU(θ)为离轴θ方位的ITU约束；R1、R2分别为地面站1和地面站2的信息传输速率；

[0014] 3)通过计算得到通信带宽和时隙数；

[0015] 4)根据步骤3)计算得到通信带宽和时隙数结果，分配空闲的载波和时隙资源，使得地面站1和2占用相同的载波和时隙进行发送。

[0016] 针对上述卫星通信系统中抑制邻星干扰的方法，进一步地，步骤1)通过式3和式4分别计算得到通信双方的调制编码方案阶数η1和η2：

[0017] η1＝max{η|PSDη,1Gnorm,1(θ)≤ITU(θ)}  (式3)

[0018] η2＝max{η|PSDη,2Gnorm,2(θ)≤ITU(θ)}  (式4)

[0019] 式3～式4中，η1和η2分别为地面站1和地面站2采用的调制编码方案阶数；PSDη,1，PSDη,2分别为地面站1和地面站2采用η阶数的MCS时，维持通信所需要的主轴功率谱密度；Gnorm,1(θ)，Gnorm,2(θ)分别为地面站1和地面站2的天线在离轴θ方位的归一化增益；ITU(θ)为离轴θ方位的ITU约束。

[0020] 针对上述卫星通信系统中抑制邻星干扰的方法，进一步地，步骤3)通过式6和式7分别计算得到带宽和时隙数：

[0021]

[0022]

[0023] 式6～式7中，w为带宽占用量；n为需要分配的时隙数；T为传输时间；Δ为时隙长度；R1为地面站1的传输速率；η1为地面站1采用的调制编码方案阶数；k1为地面站1的扩频比。

[0024] 针对上述卫星通信系统中抑制邻星干扰的方法，进一步地，在本发明实施例中，步骤4)所述分配空闲的载波和时隙资源的方法采用伙伴算法或基于二叉树的分配算法。

[0025] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0026] MF-TDMA体制正在获得越来越广泛的应用，但是邻星干扰的存在成为限制其大规模应用的瓶颈。本发明提供一种卫星通信系统中抑制邻星干扰的方法，本发明通过将非正交多址技术应用于MF-TDMA系统中，通过该方法为MF-TDMA(Multi-Frequency Time Division Multiple Access，多频时分多址)系统进行资源优化分配，为改善系统的邻星干扰提供了一种有效的解决方案，同时又节省信道资源，达到既使得邻星干扰满足规范要求，又能实现节省信道资源的效果。

附图说明

[0027] 图1为本发明提供的抑制邻星干扰方法的流程框图。

[0028] 图2为本发明实施例一和实施例二中通信双方采用非正交多址节省信道资源的示意图；

[0029] 其中，(a)为不采用非正交多址技术时，地面站1和2占用的时隙、频率资源和在偏轴方向辐射出的邻星干扰，w1和w2为双方占用的频带宽度；

[0030] (b)为采用非正交多址时，地面站1和2占用的时隙、频率资源和在偏轴方向辐射出的邻星干扰，w为占用的频带宽度；

[0031] 图中虚线为ITU规定的邻星干扰上限，T为传输时间，Δ为时隙长度。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

[0033] 本发明提供一种卫星通信系统中抑制邻星干扰的方法，通过该方法为MF-TDMA(Multi-Frequency Time Division Multiple Access，多频时分多址)系统进行资源优化分配，既使得邻星干扰满足规范要求，又达到节省信道资源的目的。

[0034] 具体地，本发明将非正交多址技术应用于MF-TDMA系统中，并为采用非正交多址通信的双方选择合适的调制编码方案(Modulation and Coding Scheme,MCS)和扩频比，使得在总邻星干扰满足ITU约束的前提下，达到节省频率和时隙资源的效果。当通信网络系统中存在相互通信的地面站时，将系统中两个互相通信的地面站分别记为地面站1和地面站2，图1为本发明提供的抑制邻星干扰方法的流程框图，具体包含以下步骤；

[0035] 1)计算得到通信双方的MCS阶数；

[0036] η1＝max{η|PSDη,1Gnorm,1(θ)≤ITU(θ)}  (式3)

[0037] η2＝max{η|PSDη,2Gnorm,2(θ)≤ITU(θ)}  (式4)

[0038] 式3～式4中，η1和η2分别为地面站1和地面站2采用的MCS阶数(调制阶数与码率之积)；PSDη,1，PSDη,2分别为地面站1和地面站2采用η阶数的MCS时，维持通信所需要的主轴功率谱密度；Gnorm,1(θ)，Gnorm,2(θ)分别为地面站1和地面站2的天线在离轴θ方位的归一化增益；ITU(θ)为离轴θ方位的ITU约束；

[0039] 2)计算通信双方的扩频比，使总邻星干扰满足ITU约束；

[0040] 地面站1和地面站2的扩频比k1，k2由以下方程组(式5)求得：

[0041]

[0042] 式中各参数的含义与以上公式相同；

[0043] 3)计算带宽和时隙数；

[0044]

[0045]

[0046] 式中，w为带宽占用量，n为需要分配的时隙数，T为传输时间，Δ为时隙长度；其余参数的含义与以上公式相同；

[0047] 4)根据步骤3)的计算结果，分配空闲的载波和时隙资源，令地面站1和2占用相同的载波和时隙进行发送。

[0048] 其中，时隙和频率分配方法具体可以采用伙伴算法、基于二叉树的分配算法等成熟方法。

[0049] 本发明的核心是：让地面站1和地面站2同频同时发送，让相互通信的双方占用完全相同的时隙和频率资源，形成非正交多址，节省时频信道资源。针对偏轴辐射强度之和超出邻星干扰的情况，通过调制编码方式和扩频比选取方法将辐射强度降下来。其中，通过步骤2)和步骤3)抑制邻星干扰，通过步骤5)达到节省时频资源的目的；最终实现既满足了邻星干扰，比直接扩频占用更少的时频资源的效果。

[0050] 实施例一：

[0051] 本实施例中，地面站1和地面站2的天线口径分别为D1＝1.2m，D2＝0.8m，双方的传输速率为R1＝R2＝9.6Kbps，传输时间T＝1.25s.系统上行频率fu＝14.2GHz，下行频率fd＝11.9GHz，时隙长度Δ＝0.5ms；

[0052] 计算双方的MCS阶数；

[0053] η1＝2.00，η2＝1.00

[0054] 因而，不引入非正交多址时，双方占用带宽分别为

[0055]

[0056]

[0057] 利用本发明提供的抑制邻星干扰的方法，步骤如图1所示；计算双方的扩频比为：

[0058] k1＝2，k2＝1

[0059] 计算双方的带宽和时隙需求，分别为：

[0060] w＝9.6kHz，n＝2500

[0061] 非正交多址时，双方占用的带宽和时隙需求一样，带宽为9.6kHz，时隙为2500s。

[0062] 因此，本发明所述方案不仅使得邻星干扰满足规范，而且相比于不引入非正交多址时，双方的总带宽(14.4kHz)，节省了33％的信道资源。

[0063] 实施例二：

[0064] 本实施例中，地面站1和地面站2的天线口径分别为D1＝0.6m，D2＝2.4m，传输速率分别为R1＝64Kbps，R2＝512Kbps，传输时间T＝23.5ms.系统上行频率fu＝14.2GHz，下行频率fd＝11.9GHz，时隙长度Δ＝0.5ms；

[0065] 计算双方的MCS阶数：

[0066] η1＝0.67，η2＝2.25

[0067] 不引入非正交多址时，地面站1为了满足ITU约束需要2倍扩频，因而双方占用带宽分别为：

[0068]

[0069] 利用本发明提供的抑制邻星干扰的方法，步骤如图1所示；计算双方的扩频比为：

[0070] k1＝3，k2＝1

[0071] 计算双方的带宽和时隙需求为

[0072] w＝288kHz，n＝47

[0073] 图2为本发明实施例一和实施例二中通信双方采用非正交多址节省信道资源的示意图；其中，(a)为不采用非正交多址技术时，地面站1和2占用的时隙、频率资源和在偏轴方向辐射出的邻星干扰，w1和w2为双方占用的频带宽度；(b)为采用非正交多址时，地面站1和2占用的时隙、频率资源和在偏轴方向辐射出的邻星干扰，w为占用的频带宽度；图中虚线为ITU规定的邻星干扰上限，T为传输时间，Δ为时隙长度。如附图2所示，本发明所述方案不仅使得邻星干扰满足规范，而且相比于不引入非正交多址时双方总带宽(420kHz)，节省频率资源31.4％。

[0074] 需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。