本发明提供了一种频谱共享系统的频谱共享方法、装置和电子设备，涉及卫星通信的技术领域，包括：确定频谱共享系统的网络模型、传输模式以及天线类型；构建频谱共享系统的三维空间模型；基于网络模型、传输模式、天线类型和三维空间模型，构建目标函数；基于网络模型，构建约束条件；在约束条件下，对目标函数进行求解，以基于求解结果，在保证GEO卫星通信系统通信正常情况下，使GEO卫星通信系统和所述NGEO卫星通信系统能够实现共享频谱。本发明可以保证GEO卫星通信系统正常工作的情况下提高了频谱的利用率。
频谱共享方法、相关装置、通信方法和计算机可读介质
技术领域
[0001] 本发明涉及卫星通信技术领域，尤其是涉及一种频谱共享系统的频谱共享方法、装置和电子设备。
背景技术
[0002] 随着卫星通信的飞速发展，GEO卫星(地球同步卫星)轨位资源趋于饱和，为满足全球不断增长的卫星宽带接入需求，大多数方法是发射NGEO 卫星，然而，在轨的NGEO卫星数量可能越来越多，卫星通信使用的频谱数量有限，所以非静止轨道卫星与静止轨道卫星呈现共存共用频谱的趋势。
[0003] 在相关技术中，地面场景或者卫星和地面频谱共存场景的研究主要是： Mai Vu的相关文献针对地面场景提出主用户排斥区的概念(Primary Exclusive Region,PER)，为保证主用户的通信质量，在主用户周围设置保护区域，次用户不能在该区域内工作；随后结合不同的地面场景、干扰限制条件、系统要求等等，对排斥区进行了不同程度的研究；ECC(Electronic Communications Committe)具体针对频段3600-3800MHz，次用户MFCNs (Mobile/Fixed Communication Networks)与主用户FSS以及FS业务频谱共存的场景，给出了对于保护区、排斥区和限制区的操作指导。
[0004] 上述文献涉及的干扰场景较为简单，仅仅考虑了基站间或者基站与地球站之间的干扰都是基于二维平面，然而，在NGEO卫星通信系统与GEO 卫星通信系统频谱共存是存在在三维空间内的，如果仅按照目前的算法，可能会导致频谱的利用率不高。
发明内容
[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供频谱共享系统的频谱共享方法、装置和电子设备，可以保证GEO卫星通信系统正常工作的情况下提高了频谱的利用率。
[0006] 第一方面，本发明实施例提供了一种频谱共享系统的频谱共享方法，所述频谱共享系统包括：GEO卫星通信系统和NGEO卫星通信系统；所述 GEO卫星通信系统包括GEO卫星和GEO地球站，所述NGEO卫星通信系统包括NGEO卫星和至少一个NGEO地球站，所述方法包括：
[0007] 确定频谱共享系统的网络模型、传输模式以及天线类型；所述网络模型以所述GEO地球站为中心划分出保护区和排斥区的模型；其中，所述至少一个NGEO地球站分布在所述保护区和/或者排斥区内；
[0008] 构建频谱共享系统的三维空间模型；
[0009] 基于所述网络模型、所述传输模式、所述天线类型和所述三维空间模型，构建目标函数；
[0010] 基于所述网络模型，构建约束条件；
[0011] 在所述约束条件下，对所述目标函数进行求解，以基于求解结果，在保证GEO卫星通信系统通信正常情况下，使所述GEO卫星通信系统和所述NGEO卫星通信系统能够实现共享频谱。
[0012] 结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，当所述传输模式为正常模式下的下行链路时，构建第一干扰子函数；
[0013] 当所述传输模式为正常模式下的上行链路时，构建第二干扰子函数；
[0014] 根据天线标准，构建GEO地球站天线增益函数、NGEO卫星天线增益函数、NGEO地球站天线增益函数、GEO卫星天线增益函数；
[0015] 当所述传输模式为正常模式下的下行链路时，基于三维空间模型，构建第一距离子函数；
[0016] 当所述传输模式为正常模式下的上行链路时，基于三维空间模型，构建第二距离子函数；
[0017] 当所述传输模式为正常模式下的下行链路或者正常模式下的上行链路时，基于所述网络模型，构建分布子函数；
[0018] 基于所述第一干扰子函数、所述分布子函数、GEO地球站天线增益函数、NGEO卫星天线增益函数、第一距离子函数，建立第一目标函数；
[0019] 基于所述第二干扰子函数、所述分布子函数、NGEO地球站天线增益函数、GEO卫星天线增益函数、第二距离子函数，建立第二目标函数。
[0020] 结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，基于所述第一干扰子函数、所述分布子函数、GEO地球站天线增益函数、NGEO卫星天线增益函数、第一距离子函数，建立第一目标函数，包括：
[0021] 通过以下算式(1)、算式(2)、算式(3)、算式(4)和算式(5) 构建的第一目标函数；
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
[0027] 其中，算式(1)是第一干扰子函数，Pnst是NGEO卫星的发射功率；θ1和θ2分别表示GEO地球站在NGEO卫星方向上的离轴角以及 NGEO卫星在GEO地球站方向上的离轴角；Gnst(θ2)和Gger(θ1)分别为 NGEO卫星天线增益函数(算式(3))和GEO地球站天线增益函数(算式 (4))；c是光速(c＝3×105Km/s)；f表示下行链路的中心频率，算式(2) 是分布子函数，r是GEO地球站到NGEO地球站的距离，并且R0≤r≤R， R0是任一NGEO地球站与GEO地球站的最小距离，R是任一NGEO 地球站与GEO地球站的最大距离， Gnst,max＝log(D/λ)dBi是NGEO卫星天线的最大增益，Ls是离峰值最近的旁瓣增益，LF＝0dBi是离峰值最远的旁瓣增益，对于MEO卫星， Ls＝-12，Y＝2θnst,bdeg，θnst,b是3dB波束宽度的一半，Gger,max＝log(D/λ)dBi 是GEO地球站天线的最大增益，θger,b是3dB波束宽度的一半，算式 (5)是第一距离子函数，c1＝Re(hngeo+Re)， ψ为所述 GEO卫星和所述
NGEO卫星间的地心角，hngeo为所述NGEO卫星的高度，Re表示地球半径。
[0028] 结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，基于所述第二干扰子函数、所述分布子函数、NGEO地球站天线增益函数、GEO卫星天线增益函数、第二距离子函数，建立第二目标函数，包括：
[0029] 通过以下算式(6)、算式(2)、算式(7)、算式(8)和算式(9) 构建的第二目标函数；
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035] 其中，算式(6)是第二干扰子函数，Pnet表示NGEO地球站的发射功率，θ3和θ4分别表示NGEO地球站在GEO卫星方向上的离轴角以及GEO卫星在NGEO地球站方向的离轴角；Gnet(θ3)和Ggsr(θ4)分别为 NGEO地球站天线增益函数(算式(7))和GEO卫星天线增益函数(算式(8))；f表示上行链路的中心频率；fr(r)是分布子函数，r是GEO地球站到NGEO地球站的距离，并且R0≤r≤R，R0是任一NGEO地球站与GEO地球站的最小距离，R是任一NGEO地球站与GEO地球站的最大距离， Gnet,max＝log(Dλ)dBi是NGEO 地球站天线的最大增益，Ls是离峰值最近的旁瓣增益，LF＝0dBi是离峰值最远的旁瓣增益，对于MEO卫星，Ls＝-12，Y＝2θnet,bdeg，θnet,b是 3dB波束宽度的一半，Ggsr,max＝log(Dλ)dBi是GEO卫星天线的最大增益，θgsr,b是3dB波束宽度的一半，c3＝Re2+(Re+35786)2，c4＝2Re(Re+35786)，ψ为所述GEO卫星和所述NGEO卫星间的地心角，hngeo为所述NGEO卫星的高度，Re表示
地球半径，r为所述GEO地球站和所述NGEO地球站之间的距离。
[0036] 结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，基于所述网络模型，构建约束条件，包括：
[0037] 基于所述网络模型中的保护区的中断概率，构建约束条件；其中，所述至少一个NGEO地球站分布在所述保护区和排斥区内；所述约束条件为 η是中断概率(0≤η≤1)，I表示GEO卫星子系统的接收端所受的集总干扰，Pgr表示GEO卫星子系统的接收功率，C0为 GEO卫星子系统的传输速率，N是GEO卫星子系统接收端的噪声功率，可表示为N＝KTW，K是波尔兹曼常数，其值为1.38*10-23J/K，T是 GEO系统的噪声温度，W为带宽。
[0038] 第二方面，本发明实施例还提供一种频谱共享系统的频谱共享装置，所述频谱共享系统包括：GEO卫星通信系统和NGEO卫星通信系统；所述 GEO卫星通信系统包括GEO卫星和GEO地球站，所述NGEO卫星通信系统包括NGEO卫星和至少一个NGEO地球站，所述装置包括：
[0039] 确定模块，用于确定频谱共享系统的网络模型、传输模式以及天线类型；所述网络模型以所述GEO地球站为中心划分出保护区和排斥区的模型；其中，所述至少一个NGEO地球站分布在所述保护区和/或者排斥区内；
[0040] 第一构建模块，用于构建频谱共享系统的三维空间模型；
[0041] 第二构建模块，用于基于所述网络模型、所述传输模式、所述天线类型和所述三维空间模型，构建目标函数；
[0042] 第三构建模块，用于基于所述网络模型，构建约束条件；
[0043] 求解模块，用于在所述约束条件下，对所述目标函数进行求解，以基于求解结果，在保证GEO卫星通信系统通信正常情况下，使所述GEO卫星通信系统和所述NGEO卫星通信系统能够实现共享频谱。
[0044] 结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述第二构建模块，具体用于：
[0045] 当所述传输模式为正常模式下的下行链路时，构建第一干扰子函数；
[0046] 当所述传输模式为正常模式下的上行链路时，构建第二干扰子函数；
[0047] 根据天线标准，构建GEO地球站天线增益函数、NGEO卫星天线增益函数、NGEO地球站天线增益函数、GEO卫星天线增益函数；
[0048] 当所述传输模式为正常模式下的下行链路时，基于三维空间模型，构建第一距离子函数；
[0049] 当所述传输模式为正常模式下的上行链路时，基于三维空间模型，构建第二距离子函数；
[0050] 当所述传输模式为正常模式下的下行链路或者正常模式下的上行链路时，基于所述网络模型，构建分布子函数；
[0051] 基于所述第一干扰子函数、所述分布子函数、GEO地球站天线增益函数、NGEO卫星天线增益函数、第一距离子函数，建立第一目标函数；
[0052] 基于所述第二干扰子函数、所述分布子函数、NGEO地球站天线增益函数、GEO卫星天线增益函数、第二距离子函数，建立第二目标函数。
[0053] 第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例任一项所述的方法的步骤。
[0054] 第四方面，本发明实施例还提供一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，其特征在于，所述程序代码使所述处理器执行所述实施例任一所述方法。
[0055] 第五方面，本发明实施例还提供一种卫星系统通信方法，所述通信方法包括：
[0056] 获取GEO卫星通信系统周围的NGEO卫星通信系统的空间信息；
[0057] 判断所述空间信息是否符合授权频谱条件；所述授权频谱条件是根据上述实施例任一项所述的基于距离隔离的卫星通信频谱共享方法中的求解结果得到的；
[0058] 如果符合，则授权所述NGEO卫星通信系统频谱，以使所述GEO卫星通信系统和所述NGEO卫星通信系统能够实现共享频谱。
[0059] 本发明实施例带来了以下有益效果：首先通过确定频谱共享系统的网络模型、传输模式以及天线类型，然后，构建频谱共享系统的三维空间模型，基于网络模型、传输模式、天线类型和三维空间模型，构建目标函数，基于网络模型，构建约束条件，在约束条件下，对目标函数进行求解，可以基于求解结果，在GEO卫星通信系统通信正常情况下，使GEO卫星通信系统和所述NGEO卫星通信系统能够实现共享频谱，本发明建立在频谱共享系统的三维空间模型上，同时充分考虑了频谱共享系统的网络模型、传输模式以及天线类型，进行构建目标函数和约束条件，可以保证GEO卫星通信系统正常工作的情况下提高了频谱的利用率。
[0060] 本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
[0061] 为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0062] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以基于这些附图获得其他的附图。
[0063] 图1为本发明实施例提供的频谱共享系统的频谱共享方法的流程图；
[0064] 图2为本发明实施例提供的网络模式的频谱共享系统的示意图；
[0065] 图3为本发明实施例提供的NGEO卫星通信系统和GEO卫星通信系统同频干扰场景的示意图；
[0066] 图4为本发明实施例提供的在直角坐标系下NGEO卫星通信系统和 GEO卫星通信系统同频干扰场景的示意图；
[0067] 图5为本发明实施例提供的频谱共享系统的频谱共享装置的结构图；
[0068] 图6为本发明实施例提供的卫星系统通信方法的流程图；
[0069] 图7为本发明实施例提供的下行链路中干扰期望随保护半径的变化曲线示意图；
[0070] 图8为本发明实施例提供的上行链路中干扰期望随保护半径的变化曲线示意图。
具体实施方式
[0071] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0072] 随着卫星通信的飞速发展，GEO卫星(静止轨道卫星)轨位资源趋于饱和，为满足全球不断增长的卫星宽带接入需求，大多数方法是发射NGEO 卫星，然而，在轨的NGEO卫星(非静止轨道卫星)数量可能越来越多，卫星通信使用的频谱数量有限，所以非静止轨道卫星与静止轨道卫星呈现共存共用频谱的趋势。
[0073] 在相关技术中，地面场景或者卫星和地面频谱共存场景的研究主要是：Mai Vu的相关文献针对地面场景提出主用户排斥区的概念 (Primary Exclusive Region,PER)，为保证主用户的通信质量，在主用户周围设置保护区域，次用户不能在该区域内工作；随后结合不同的地面场景、干扰限制条件、系统要求等等，对排斥区进行了不同程度的研究；ECC(Electronic Communications Committe)具体针对频段 3600-3800MHz，次用户MFCNs(Mobile/Fixed Communication Networks)与主用户FSS以及FS业务频谱共存的场景，给出了对于保护区、排斥区和限制区的操作指导。
[0074] 上述文献涉及的干扰场景较为简单，仅仅考虑了基站间或者基站与地球站之间的干扰都是基于二维平面，然而，在NGEO卫星通信系统与GEO卫星通信系统频谱共存是存在在三维空间内的，如果仅按照目前的二维平面算法，可能会导致频谱的利用率不高。
[0075] 基于此，本发明实施例提供的一种频谱共享系统的频谱共享方法、装置和电子设备，可以首先通过确定频谱共享系统的网络模型、传输模式以及天线类型，然后，构建频谱共享系统的三维空间模型，基于网络模型、传输模式、天线类型和三维空间模型，构建目标函数，基于网络模型，构建约束条件，在约束条件下，对目标函数进行求解，可以基于求解结果，在GEO卫星通信系统通信正常情况下，使GEO卫星通信系统和所述NGEO 卫星通信系统能够实现共享频谱，本发明建立在频谱共享系统的三维空间模型上，同时充分考虑了频谱共享系统的网络模型、传输模式以及天线类型，进行构建目标函数和约束条件，可以保证GEO卫星通信系统正常工作的情况下提高了频谱的利用率。
[0076] 本发明实施例提供了一种频谱共享系统的频谱共享方法，所述频谱共享系统包括：GEO卫星通信系统和NGEO卫星通信系统；所述GEO卫星通信系统包括GEO卫星和GEO地球站，所述NGEO卫星通信系统包括 NGEO卫星和至少一个NGEO地球站，结合图1所示，所述方法包括：
[0077] S110：确定频谱共享系统的网络模型、传输模式以及天线类型；所述网络模型以所述GEO地球站为中心划分出保护区和排斥区的模型；其中，所述至少一个NGEO地球站分布在所述保护区和/或者排斥区内；
[0078] 对于网络模型，结合图2所示，示出了网络模型的结构图，以GEO地球站(黑色圆形标记)为中心划分出保护区和排斥区，其中，至少一个NGEO 地球站(黑色方形标记)可以分布在保护区C1或者排斥区C2中。可以理解为，将GEO卫星通信系统视为主用户，NGEO卫星通信系统为认知用户，该网络模型是以GEO卫星通信系统在保护区C1内能够保持通信的情况下，即在保护区内NGEO卫星通信系统不能与GEO卫星通信系统同频，在排斥区C2内GEO卫星通信系统和NGEO卫星通信系统能够实现频谱共享。
[0079] 结合图3所示，示出了GEO卫星通信系统和NGEO卫星通信系统同频干扰的场景示意图，在此场景下，按照ITU-R(International Telecommunication Union-Radiocommunication)的规定，NGEO卫星通信系统和GEO卫星通信系统在FSS链路的频谱共享通常采用正常模式。正常模式是指NGEO卫星通信系统和GEO卫星通信系统的上行链路和下行链路分别使用相同的频率。如图3所示，下行链路，GEO 地球站和NGEO地球站分别受到NGEO卫星和GEO卫星的干扰；上行链路，GEO卫星和NGEO卫星分别受到NGEO地球站和GEO 地球站的干扰。所以，本申请中所述的传输类型为正常模式的下行链路和正常模式下的上行链路。
[0080] 对于本发明中天线类型，GEO卫星通信系统和NGEO卫星通信系统均采用相同类型的天线。
[0081] S120：构建频谱共享系统的三维空间模型。
[0082] 三维空间模型，即将频谱共享系统包括的GEO卫星通信系统和NGEO 卫星通信系统，GEO卫星通信系统的GEO卫星和GEO地球站，NGEO卫星通信系统的NGEO卫星和至少一个NGEO地球站，存在在三维空间中，也可以理解为：在三维坐标系中，GEO卫星、GEO地球站、NGEO卫星和至少一个NGEO地球站均可以有三个量来表示。
[0083] 作为一个示例，结合图4所示，示出了在直角坐标系下，GEO卫星通信系统和NGEO卫星通信系统频谱共享场景的示意图。具体的，以地心O 为原点，在图3中建立直角坐标系，得到图4。为方便计算，假设 GEO地球站位于GEO卫星的星下点位置。图4中，ψ和ν分别表示 NGEO卫星和GEO卫星之间的地心角以及NGEO地球站与GEO地球站之间的地心角，r表示GEO地球站与NGEO地球站之间的距离。显然，地心角ψ直接反映了NGEO卫星和GEO卫星之间的相对位置，随NGEO卫星移动而变化。
[0084] S130：基于网络模型、传输模式、天线类型和三维空间模型，构建目标函数。
[0085] 当所述传输模式为正常模式下的下行链路时，构建第一干扰子函数；
[0086] 当所述传输模式为正常模式下的上行链路时，构建第二干扰子函数；
[0087] 根据天线标准，构建GEO地球站天线增益函数、NGEO卫星天线增益函数、NGEO地球站天线增益函数、GEO卫星天线增益函数；
[0088] 当所述传输模式为正常模式下的下行链路时，基于三维空间模型，构建第一距离子函数；
[0089] 当所述传输模式为正常模式下的上行链路时，基于三维空间模型，构建第二距离子函数；
[0090] 当所述传输模式为正常模式下的下行链路或者正常模式下的上行链路时，基于所述网络模型，构建分布子函数；
[0091] 基于所述第一干扰子函数、所述分布子函数、GEO地球站天线增益函数、NGEO卫星天线增益函数、第一距离子函数，建立第一目标函数；
[0092] 基于所述第二干扰子函数、所述分布子函数、NGEO地球站天线增益函数、GEO卫星天线增益函数、第二距离子函数，建立第二目标函数。
[0093] 第一目标函数是在所述传输模式为正常模式下的下行链路时建立的，基于所述第一干扰子函数、所述分布子函数、GEO地球站天线增益函数、 NGEO卫星天线增益函数、第一距离子函数，建立第一目标函数，具体来说：
[0094] 通过以下算式(1)、算式(2)、算式(3)、算式(4)和算式(5) 构建的第一目标函数；
[0095]
[0096]
[0097]
[0098]
[0099]
[0100] 其中，算式(1)是第一干扰子函数，Pnst是NGEO卫星的发射功率；θ1和θ2分别表示GEO地球站在NGEO卫星方向上的离轴角以及 NGEO卫星在GEO地球站方向上的离轴角；Gnst(θ2)和Gger(θ1)分别为 NGEO卫星天线增益函数(算式(3))和GEO地球站天线增益函数(算式 (4))；c是光速(c＝3×105Km/s)；f表示下行链路的中心频率，算式(2) 是分布子函数，r是GEO地球站到NGEO地球站的距离，并且R0≤r≤R， R0是任一NGEO地球站与GEO地球站的最小距离，R是任一NGEO 地球站与GEO地球站的最大距离， Gnst,max＝log(D/λ)dBi是NGEO卫星天线的最大增益，Ls是离峰值最近的旁瓣增益，LF＝0dBi是离峰值最远的旁瓣增益，对于MEO卫星， Ls＝-12，Y＝2θnst,bdeg，θnst,b是3dB波束宽度的一半，Gger,max＝log(D/λ)dBi 是GEO地球站天线的最大增益，θger,b是3dB波束宽度的一半，算式 (5)是第一距离子函数，c1＝Re(hngeo+Re)， ψ为所述GEO卫星和所述
NGEO卫星间的地心角，hngeo为所述NGEO卫星的高度，Re表示地球半径。
[0101] 当所述传输模式为正常模式下的上行链路时，基于所述第二干扰子函数、所述分布子函数、NGEO地球站天线增益函数、GEO卫星天线增益函数、第二距离子函数，建立第二目标函数，包括：
[0102] 通过以下算式(6)、算式(2)、算式(7)、算式(8)和算式(9) 构建的第二目标函数；
[0103]
[0104]
[0105]
[0106]
[0107]
[0108] 其中，算式(6)是第二干扰子函数，Pnet表示NGEO地球站的发射功率，θ3和θ4分别表示NGEO地球站在GEO卫星方向上的离轴角以及GEO卫星在NGEO地球站方向的离轴角；Gnet(θ3)和Ggsr(θ4)分别为NGEO地球站天线增益函数(算式(7))和GEO卫星天线增益函数(算式 (8))；f表示上行链路的中心频率；fr(r)是分布子函数，r是GEO地球站到NGEO地球站的距离，并且R0≤r≤R，R0是任一NGEO地球站与GEO地球站的最小距离，R是任一NGEO地球站与GEO地球站的最大距离， Gnet,max＝log(D/λ)dBi是NGEO 地球站天线的最大增益，Ls是离峰值最近的旁瓣增益，LF＝0dBi是离峰值最远的旁瓣增益，对于MEO卫星，Ls＝-12，Y＝2θnet,bdeg，θnet,b是 3dB波束宽度的一半，Ggsr,max＝log(D/λ)dBi是GEO卫星天线的最大增益，θgsr,b是3dB波束宽度的一半，c3＝Re2+(Re+35786)2，c4＝2Re(Re+35786)，ψ为所述GEO卫星和所述NGEO卫星间的地心角，hngeo为所述NGEO卫星的高度，Re表示
地球半径，r为所述GEO地球站和所述NGEO地球站之间的距离。
[0109] 另外，算式(2)为网络模型为以GEO地球站为中心的模式和传输模式为正常模式下建立的，具体的，再结合图2所示，假设，具有任何NGEO地球站距离GEO地球站至少为R0。n个NGEO地球站随机均匀分布，密度为ρ，位于半径R0和R之间的圆圈内，其算式可以为即算式(1)。
[0110] 对于算式(3)、算式(4)、算式(7)和算式(8)来说，由于本发明所涉及的NGEO卫星、GEO卫星、NGEO地球站、GEO地球站的天线类型均是参照ITU-R相关建议书中的天线标准。以NGEO卫星天线增益Gnst为例，按照建议书ITU-R S.1528，当NGEO卫星天线半径D与波长λ的比值满足D/λ≤35，NGEO卫星在θ2方向上的天线增益Gnst(θ2)可以表示为：
[0111]
[0112] 由上可知，Gnst(θ2)为θ2的分段函数，同理，Ggst(θ4)、Gner(θ3)、Gger(θ1) 分别为θ4、θ3和θ1的函数。
[0113] 对于算式(5)第一距离子函数、算式(9)第二距离子函数来说，再结合图4所示，按照图4所示的几何关系，A为GEO地球站，B 为NGEO地球站，C为GEO卫星，D为NGEO卫星。
[0114] 矢量 和 可以表示为：
[0115]
[0116]
[0117]
[0118]
[0119] 其中， Re表示地球半径6378Km，hngeo代表NGEO卫星到地面的高度，hgeo代表GEO卫星到地面的高度35786Km。通过推导，角度θ1到θ4，距离dne→gs和dge→ns可以表示为：
[0120]
[0121]
[0122]
[0123]
[0124] 根据算式(11)～算式(18)可以得到算式(5)和算式(9)：
[0125]
[0126]
[0127] 其中，c1＝Re(hngeo+Re)， 和 c4＝2Re(Re+35786)。梳理上述表达式可知，角度θ1至θ4，距离dne→gs和dge→ns与三个参数相关，即GEO卫星和NGEO卫星间的地心角ψ、GEO地球站和 NGEO地球站之间的距离r以及NGEO卫星的高度hngeo。
[0128] S140：基于所述网络模型，构建约束条件。
[0129] 基于所述网络模型中的保护区的中断概率，构建约束条件；其中，所述至少一个NGEO地球站分布在所述保护区和排斥区内；
[0130] GEO卫星通信系统的中断概率可表示为：
[0131] Pr[T0≤C0]≤η (21)
[0132] 其中T0是GEO卫星通信系统的传输速率，η是中断概率(0≤η≤1)，C0是保证GEO卫星通信系统正常工作的最小传输速率。这个约束确保除了η外，GEO卫星通信系统的传输速率至少为C0。根据香农定理，GEO系统的传输速率为：
[0133]
[0134] 其中，I是GEO卫星通信系统接收端所受的集总干扰，Pgr是GEO卫星通信系统的接收功率，N是GEO卫星通信系统接收端的噪声功率，可表示为N＝KTW，K是波尔兹曼常数，其值为1.38*10-23J/K，T是GEO卫星通信系统的噪声温度，W为带宽。将算式(22)带入到(21)中，得到约束条件为：
[0135]
[0136] S150：在约束条件下，对目标函数进行求解，以基于求解结果，在保证GEO卫星通信系统通信正常情况下，使GEO卫星通信系统和NGEO卫星通信系统能够实现共享频谱。
[0137] 步骤S150可以理解为：GEO卫星通信系统受到的干扰来自 个NGEO发射端(NGEO发射端可以为NGEO卫星或者NGEO 地球站)，NGEO发射端集总干扰对GEO卫星通信系统的影响。基于上述的分析，干扰Ins→es和Int→sa是距离r、角度ψ和高度hngeo的函数，ψ随着NGEO 卫星移动在[0,2π]的角度范围内变化，r∈[R0,R]，通过算式(1)、算式(2)、算式(3)、算式(4)、算式(5)，构建的第一目标函数，即正常模式下的下行链路中的干扰期望表达式为：
[0138]
[0139] 显然，当NGEO卫星高度给定时，下行链路的干扰期望E[Ins→es]为R0和 R的函数，通常将R设定为较大的值或者趋于无穷。
[0140] 排斥区C2的范围由GEO卫星通信系统的中断概率决定，即得到约束条件。利用马尔可夫不等式，GEO卫星通信系统在下行链路的中断概率可以表示为：
[0141]
[0142] 其中，Pgre是GEO地球站的接收功率，Ne为GEO地球站的噪声功率。因此，可以得到下行链路干扰期望E[Ins→es]的上限：
[0143]
[0144] 将算式(31)代入算式(33)，即可得到保护半径R0所需的最小值。
[0145] 通过算式(6)、算式(2)、算式(7)、算式(8)、算式(9)，构建的第二目标函数，即正常模式下的上行链路中的干扰期望表达式为：
[0146]
[0147] 同样的，由于第二目标函数和第一目标函数中均处于相同的传输模式即正常模式下，所以，可以将第二目标函数代入第一目标函数的介绍的中算式(33)中，得到保护半径的最小值。
[0148]
[0149] 其中，Pgrs是GEO卫星的接收功率，Ns为GEO卫星的噪声功率。也就是说，当NGEO地球站与GEO地球站的距离不小于所需保护半径的最小值，无需采用任何频谱感知手段，两个系统可以频谱共享。
[0150] 基于上述的计算结果，列举一个本发明的仿真实例，NGEO卫星通信系统参照O3b卫星系统，具体仿真参数见表1和表2。
[0151] 表1下行链路仿真参数
[0152]
[0153] 表2上行链路仿真参数
[0154]
[0155] 在下行链路和上行链路中，不同NGEO卫星高度下保护半径R0随干扰期望变化曲线分别如图7和图8所示，图中NGEO卫星的高度分别设为6000Km、8062Km和10000Km。为了保证NGEO卫星通信系统的通信能力，NGEO卫星高度越高，发射功率越大。从图8 可以看出，在下行链路中，NGEO卫星的高度越高，GEO地球站受到的干扰越大。这是因为，随着NGEO卫星高度的增加，NGEO卫星发射功率的增长速度快于NGEO卫星与GEO地球站之间距离的增长速度。如图8所示，在上行链路中，NGEO卫星的高度越高，GEO 卫星接收到NGEO地球站的干扰越大，因此，所需保护半径越大。这是因为，NGEO高度越高，NGEO地球站的发射功率越大，而NGEO 地球站和GEO卫星间的距离保持不变。
[0156] 基于上述频谱共享系统的频谱共享方法，本发明实施例还提供一种频谱共享系统的频谱共享装置，所述频谱共享系统包括：GEO卫星通信系统和NGEO卫星通信系统；所述GEO卫星通信系统包括GEO卫星和GEO 地球站，所述NGEO卫星通信系统包括NGEO卫星和至少一个NGEO地球站，结合图5所示，所述装置包括：
[0157] 确定模块510，用于确定频谱共享系统的网络模型、传输模式以及天线类型；所述网络模型以所述GEO地球站为中心划分出保护区和排斥区的模型；其中，所述至少一个NGEO地球站分布在所述保护区和/或者排斥区内；
[0158] 第一构建模块520，用于构建频谱共享系统的三维空间模型；
[0159] 第二构建模块530，用于基于所述网络模型、所述传输模式、所述天线类型和所述三维空间模型，构建目标函数；
[0160] 第三构建模块540，用于基于所述网络模型，构建约束条件；
[0161] 求解模块550，用于在所述约束条件下，对所述目标函数进行求解，以基于求解结果，在保证GEO卫星通信系统通信正常情况下，使所述GEO 卫星通信系统和所述NGEO卫星通信系统能够实现共享频谱。
[0162] 可选的，所述第二构建模块530，具体用于：当所述传输模式为正常模式下的下行链路时，构建第一干扰子函数；
[0163] 当所述传输模式为正常模式下的上行链路时，构建第二干扰子函数；
[0164] 根据天线标准，构建GEO地球站天线增益函数、NGEO卫星天线增益函数、NGEO地球站天线增益函数、GEO卫星天线增益函数；
[0165] 当所述传输模式为正常模式下的下行链路时，基于三维空间模型，构建第一距离子函数；
[0166] 当所述传输模式为正常模式下的上行链路时，基于三维空间模型，构建第二距离子函数；
[0167] 当所述传输模式为正常模式下的下行链路或者正常模式下的上行链路时，基于所述网络模型，构建分布子函数；
[0168] 基于所述第一干扰子函数、所述分布子函数、GEO地球站天线增益函数、NGEO卫星天线增益函数、第一距离子函数，建立第一目标函数；
[0169] 基于所述第二干扰子函数、所述分布子函数、NGEO地球站天线增益函数、GEO卫星天线增益函数、第二距离子函数，建立第二目标函数。
[0170] 可选的，所述第二构建模块530中的基于所述第一干扰子函数、所述分布子函数、GEO地球站天线增益函数、NGEO卫星天线增益函数、第一距离子函数，建立第一目标函数，具体包括
[0171] 通过以下算式(1)、算式(2)、算式(3)、算式(4)和算式(5) 构建的第一目标函数；
[0172]
[0173]
[0174]
[0175]
[0176]
[0177] 其中，算式(1)是第一干扰子函数，Pnst是NGEO卫星的发射功率；θ1和θ2分别表示GEO地球站在NGEO卫星方向上的离轴角以及 NGEO卫星在GEO地球站方向上的离轴角；Gnst(θ2)和Gger(θ1)分别为 NGEO卫星天线增益函数(算式(3))和GEO地球站天线增益函数(算式(4))；c是光速(c＝3×105Km/s)；f表示下行链路的中心频率，算式(2) 是分布子函数，r是GEO地球站到NGEO地球站的距离，并且R0≤r≤R， R0是任一NGEO地球站与GEO地球站的最小距离，R是任一NGEO 地球站与GEO地球站的最大距离， Gnst,max＝log(D/λ)dBi是NGEO卫星天线的最大增益，Ls是离峰值最近的旁瓣增益，LF＝0dBi是离峰值最远的旁瓣增益，对于MEO卫星， Ls＝-12，Y＝2θnst,bdeg，θnst,b是3dB波束宽度的一半，Gger,max＝log(D/λ)dBi 是GEO地球站天线的最大增益，θger,b是3dB波束宽度的一半，算式 (5)是第一距离子函数，c1＝Re(hngeo+Re)， ψ为所述GEO卫星和所述
NGEO卫星间的地心角，hngeo为所述NGEO卫星的高度，Re表示地球半径。
[0178] 可选的，所述第二构建模块530中的基于所述第二干扰子函数、所述分布子函数、NGEO地球站天线增益函数、GEO卫星天线增益函数、第二距离子函数，建立第二目标函数，包括：
[0179] 通过以下算式(6)、算式(2)、算式(7)、算式(8)和算式(9) 构建的第二目标函数；
[0180]
[0181]
[0182]
[0183]
[0184]
[0185] 其中，算式(6)是第二干扰子函数，Pnet表示NGEO地球站的发射功率，θ3和θ4分别表示NGEO地球站在GEO卫星方向上的离轴角以及GEO卫星在NGEO地球站方向的离轴角；Gnet(θ3)和Ggsr(θ4)分别为 NGEO地球站天线增益函数(算式(7))和GEO卫星天线增益函数(算式(8))；f表示上行链路的中心频率；fr(r)是分布子函数，r是GEO地球站到NGEO地球站的距离，并且R0≤r≤R，R0是任一NGEO地球站与GEO地球站的最小距离，R是任一NGEO地球站与GEO地球站的最大距离， Gnet,max＝log(D/λ)dBi是NGEO 地球站天线的最大增益，Ls是离峰值最近的旁瓣增益，LF＝0dBi是离峰值最远的旁瓣增益，对于MEO卫星，Ls＝-12，Y＝2θnet,bdeg，θnet,b是 3dB波束宽度的一半，Ggsr,max＝log(D/λ)dBi是GEO卫星天线的最大增益，θgsr,b是3dB波束宽度的一半，c3＝Re2+(Re+35786)2，c4＝2Re(Re+35786)，ψ为所述GEO卫星和所述NGEO卫星间的地心角，hngeo为所述NGEO卫星的高度，Re表示
地球半径，r为所述GEO地球站和所述NGEO地球站之间的距离。
[0186] 可选的，第三构建模块540具体用于：
[0187] 基于所述网络模型中的保护区的中断概率，构建约束条件；其中，所述至少一个NGEO地球站分布在所述保护区和排斥区内；所述约束条件为 η是中断概率(0≤η≤1)，I表示GEO卫星子系统的接收端所受的集总干扰，Pgr表示GEO卫星子系统的接收功率，C0为 GEO卫星子系统的传输速率，N是GEO卫星子系统接收端的噪声功率，可表示为N＝KTW，K是波尔兹曼常数，其值为1.38*10-23J/K，T是 GEO系统的噪声温度，W为带宽。
[0188] 本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。
[0189] 本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例任一项所述的方法的步骤。
[0190] 其中，存储器可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
[0191] 其中，存储器用于存储程序，所述处理器在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。
[0192] 处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
[0193] 本发明实施例还提供一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，其特征在于，所述程序代码使所述处理器执行上述实施例任一所述方法。
[0194] 基于上述介绍的频谱共享系统的频谱共享方法、装置和电子设备，本发明还提供了一种卫星系统通信方法，即上述实施例中的使用方法，结合图6所示，所述通信方法包括：
[0195] S710：获取GEO卫星通信系统周围的NGEO卫星通信系统的空间信息；
[0196] S720：判断空间信息是否符合授权频谱条件；授权频谱条件是根据上述实施例任一项所述的基于距离隔离的卫星通信频谱共享方法中的求解结果得到的；根据上述实施例介绍的，授权频谱条件为最小保护半径，即，如果小于保护半径，则说明NGEO卫星通信系统在保护区内，则根据保护原则，则不能使GEO卫星通信系统和所述NGEO卫星通信系统共享频谱，应该以GEO卫星通信系统优先使用，如果大于保护半径，则说明NGEO卫星通信系统在排斥区内，则根据保护原则，则可以使GEO卫星通信系统和所述NGEO卫星通信系统共享频谱，即：如果是，则执行步骤S730，如果否，则执行步骤S740。
[0197] S730：授权NGEO卫星通信系统频谱，以使GEO卫星通信系统和NGEO 卫星通信系统能够实现共享频谱。
[0198] S740：禁止授权NGEO卫星通信系统频谱。
[0199] 除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。
[0200] 在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
[0201] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0202] 附图中的流程图和框图显示了基于本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/ 或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0203] 另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0204] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0205] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0206] 在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0207] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以基于实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0208] 另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
[0209] 所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案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)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。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)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0210] 最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
