[发明专利]一种适用于大规模多层低轨卫星星座的协作跳波束方法

说明书

本发明公开了一种适用于大规模多层低轨卫星星座的协作跳波束方法，属于低轨卫星领域；具体为：首先，将地球表面均匀等分，将每块区域内的通信资源请求通过阈值进行分区；然后，根据卫星星下点的映射关系得到每个分区的卫星集合，作为初始星簇；并计算每个分区中，各自卫星数与业务密度的比值Δ，根据Δ借调相邻区域的边缘卫星，直至达到负载均衡，形成最终的服务星簇；接着，根据小区的业务分级情况，为每个小区分别选择各自的服务卫星。最后，使用深度DQN网络学习对星簇内卫星进行跳波束资源的协同调度，最终选出满足不同用户QoS需求且规避波束间干扰的跳波束方案。本发明缓解了多星跳波束面临的波束间干扰与业务量差异大问题。

技术领域

本发明属于低轨卫星领域，具体涉及一种适用于大规模多层低轨卫星星座的协作跳波束方法。

背景技术

低轨卫星的低延时、低成本以及组网灵活等优势，使其具有广阔的应用前景。由于单颗低轨卫星的星载资源有限且服务区域随卫星快速移动，难以实现地面某一区域的无间断通信，无法较好地满足地面用户的Qos需求。由此，当前的低轨卫星通信系统通常采用低轨卫星星座以增加对地覆盖面积、扩充系统容量并协作完成通信任务。

低轨卫星星座由一定规模的低轨卫星组成，具有相对稳定的空间几何构型；现阶段，由单层到多层、由小规模到大规模是低轨卫星星座的发展趋势，如第一代卫星星座的铱星星座仅采用66颗卫星达到对地覆盖，第二代卫星星座的OneWeb采用720颗低轨卫星组成星座，Starlink的卫星数则由百至千不等。随着低轨卫星星座部署规模的不断扩大、业务需求也向多样化与复杂化发展，将星座划分为若干空间位置相对邻近、功能任务存在协同关系的卫星簇，能够降低卫星网络管理的复杂度及成本，提高星座运维的稳定性。

传统中高轨卫星对地通信通常采用单波束或固定多波束，资源固定分配，易造成资源冗余。跳波束技术能够动态分配星载通信及带宽资源，以时分复用的方式合理调度波束，达成以少量波束服务多小区的目标，具有较高的时效性与灵活性，受到国内外学者广泛关注。

然而，现有的低轨卫星资源分配方法没有考虑卫星间的负载均衡，即由于地面用户业务时变性强且地理位置分布不均匀，业务密集区域面临服务不及时的同时业务稀疏区域出现资源过分冗余；此外，现有的跳波束设计方法大多只考虑星内的波束跳变，对于低轨卫星星座而言，不同卫星的波束资源分配相互影响，不同卫星波束之间的干扰不可忽视，星座整体优化目标亟需考虑。

因此，研究基于地域关联卫星分簇的多星协作跳波束方法能够在实现星间负载均衡的同时灵活快速调度波束资源，隔离干扰，满足不同用户的QOS需求，对卫星通信的发展具有重要意义。

由于低轨卫星的业务空间分布不均匀且卫星通信资源动态时变，存在业务密集区域与业务稀疏区域。对于多层次低轨卫星星座而言，通常存在多星覆盖重叠的区域。若将相邻的热点区域用户接入距离最近卫星，则该卫星出现满负载或负载过重；对于覆盖区域内业务较为稀疏的卫星，其星上资源无法高效利用。由此，仅根据距离因素将地面小区与卫星进行对应并非最优分配方案，卫星在确立其服务小区时需综合星载资源现状，实现负载均衡。

此外，随着卫星部署规模的不断扩大，传统的平面式管理结构存在复杂度高、时延大和负载不均衡等问题，良好的卫星分簇策略为降低卫星网络管理复杂度及均衡星间负载提供了可能。然而，现阶段的分簇策略大多从网络拓扑的角度出发，没有充分考虑实际应用场景中地理区域的业务差异性，有待进一步优化。通过对低轨卫星星座进行分簇来实现星座中卫星数量与关联地域的业务请求的均衡，为热点区域提供较多的卫星资源是负载均衡问题的关键。

同时，现有的跳波束算法大多针对单颗星，缺乏对多星协作场景下波束资源调度方案的深入考虑。相较于传统的单星跳波束策略，多颗卫星的波束资源调度通常要结合星间波束干扰及负载均衡等因素，并通过星间信息交互协作设计波束图样。

传统的卫星波束分配如轮询调度、固定时隙波束分配等，通过采用时分复用技术，能够以较低的运算复杂度在一定程度上解决固定波束分配灵活性低的问题，然而仍难以满足未来通信环境下用户的QoS需求。