适于卫星移动通信系统的双星用户调度方法
阅读说明：本技术 适于卫星移动通信系统的双星用户调度方法 (Double-satellite user scheduling method suitable for satellite mobile communication system ) 是由 翟华 王海红 张大伟 张千 郑瑾 王强 左增宏 于 2021-06-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种适于卫星移动通信系统的双星用户调度方法,包括双星协作传输模式和/或双星协调传输模式,其中所述双星协作传输模式的具体过程为：在双星协作传输模式时,依次遍历通信系统中的每一用户,若当前用户在待选波束集中选择任一波束后,系统的和速率下降,则放弃当前用户,否则选定当前用户,同时选定加入后系统和速率达到最大的波束。(The invention provides a double-satellite user scheduling method suitable for a satellite mobile communication system, which comprises a double-satellite cooperative transmission mode and/or a double-satellite cooperative transmission mode, wherein the specific process of the double-satellite cooperative transmission mode is as follows: in the dual-satellite cooperative transmission mode, each user in the communication system is traversed in sequence, if the sum rate of the system is reduced after the current user selects any beam in the beam set to be selected, the current user is abandoned, otherwise, the current user is selected, and the beam with the maximum sum rate of the system after joining is selected at the same time.)
技术领域
本发明属于卫星移动通信技术领域，具体涉及一种适于卫星移动通信系统的双星用户调度方法。
背景技术
由于下一代卫星移动通信系统高吞吐量的数据速率需求，卫星一般采用多波束系统架构，在广阔的区域内由多个波束为终端提供服务，能极大提高系统的吞吐量，但是由于波束旁瓣难以消除，相邻波束之间往往存在重叠覆盖区域，处在该区域的用户会遭受严重的波束间干扰；与此同时，在卫星移动通信系统演进的过程中，轨道堵塞成为一个日渐突出的问题，新卫星的投入使用不可避免的会和原有卫星存在波束重叠区域，带来星间干扰；针对上述星内波束间干扰和星间干扰，一种高效的物理层解决方法是多星/多波束协作传输技术，通过多星、多波束协作将干扰信号转换为有用信号，从而显著提高边缘用户性能。不同于地面移动通信系统的多区协作传输和接收，卫星移动通信系统不同波束之间的协作可由地面信关站集中控制，波束之间信息共享不受回程链路制约，而不同卫星之间的协作也可以由网关之间通过高速链路链接、传输信息，尤其是对于单网关多星系统，网关之间的数据传输成本可以忽略不计，这些都给多星、多波束协作提供了有利的潜在条件。
图1给出的是双星波束覆盖和用户位置示意图。针对星间干扰，传统的方法是波束分多址(BDMA，Beam Division Multiple Access)，核心思想是通过用户调度，选出一组可在同一时隙与卫星通信的用户，并分配以互不重叠的波束，每个波束只接收/发送单个用户的信号，将未利用的波束关闭，以避免严重的星间干扰，但这并不是最佳的解决方案，类似于地面蜂窝系统的小区间联合处理，多星网关之间同样可以通过联合处理取得更高的系统增益。根据网关间联合程度不同可分为协作与协调，协作下网关之间交换全部用户数据和信道状态信息，此时可将多个卫星视作一个更大的卫星系统，且网关之间的干扰可以忽略；协调下网关之间仅交换信道状态信息，不交换数据，各卫星分别进行预编码。通过选择一定的预编码方法，多星协作可以完全消除星间干扰和星内波束间干扰，但会带来大量的数据交换，增加系统负担；多星协调不能完全消除干扰，但大大降低了网关间交换的数据量。
发明内容
本发明提供一种适于卫星移动通信系统的双星用户调度方法，该方法能够有效消除星内波束间干扰和星间波束干扰，提升双星协作传输和双星协调传输的性能。
实现本发明的技术方案如下：
本申请一实施例：一种适于卫星移动通信系统的双星用户调度方法，具体过程为：
在双星协作传输模式时，依次遍历通信系统中的每一用户，若当前用户在待选波束集中选择任一波束后，系统的和速率下降，则放弃当前用户，否则选定当前用户，同时选定加入后系统和速率达到最大的波束。
进一步地，本发明所述选定加入后系统和速率达到最大的波束的过程为：计算当前用户选定每一待选波束后，系统的和速率，选择系统和速率最大所对应的波束加入选定波束集合中，并将其从待选波束集合中删除。
进一步地，本发明所述通信系统中的用户按照通信优先级进行排列，按照排列顺序进行用户遍历。
进一步地，本发明当所述通信系统中待选波束集为空时，当前用户加入后，系统的和速率不下降，选定当前用户。
进一步地，本发明具体步骤为：
步骤101、初始化用户和波束集合；
设已选用户集合为US，设待选用户集合为U，U＝{1,2,...,Ktot}，设待选波束集合为B，B＝{1,2,...,Ntot}，设初始用户数目KS＝0，设置i＝1，设初始最大系统和速率Rmax＝0；
步骤102、当可选的波束集合不为空时，为待选用户集合U中的第i个用户，在可选波束集合B中挑选波束Bi，使得该用户加入已选用户集合后系统和速率最大；
当可选的波束集合为空时，将该用户加入到已选用户集合后，计算系统的和速率；
步骤103、若系统和速率则该用户被选择，将该用户加入到已选用户集合US中，将挑选的波束Bi从待选波束集合中删除，同时令用户数目KS加1，令i加1，更新最大系统和速率为当前计算出的系统和速率；
若系统和速率则放弃对该用户的选择，将该用户从待选用户集合中删除U＝U\{i}，仅更新i＝i+1；
步骤104、若i≤Ktot，则转至步骤102；否则调度终止。
本申请一另实施例：一种适于卫星移动通信系统的双星用户调度方法，具体过程为：
在双星协调传输模式时，针对卫星一所选定的当前用户，从多个待选波束中选定一波速，使得卫星一的和速率最大，并在当前所选定的波束的情况下，卫星二进行用户与波束的选取；所述卫星二用户与波束的选取过程为：遍历卫星二的每一用户，若卫星二当前用户在待选波束集中选择任一波束后，卫星一和卫星二的和速率下降，则放弃当前用户，否则选定当前用户，同时选定加入后系统和速率达到最大的波束；
在遍历卫星二的所有用户后，若当前计算出的和速率与最大系统和速率相比，降低了，则放弃卫星一当前用户的选择，否则选定卫星一的当前用户及其对应的波束，同时更新最大系统和速率为所述当前计算出的和速率；
按照上述过程遍历卫星一中的所用用户，实现双星用户的调度。
进一步地，本发明所述卫星一和卫星二进行波束挑选的原则为：计算待选波束集合中的每一波束，计算每一波束被选定后所对应的卫星一的和速率，选择和速率最大值所对应的波束作为被选定的波束；
进一步地，本发明所述卫星一和卫星二的用户按照通信优先级进行排列，所述遍历为按照所述排列顺序进行。
进一步地，本发明具体过程为：
步骤201、初始化用户和波束集合；
卫星一：设已选用户集合为设待选用户集合为U1，U1＝{1,2,...,K1}，设待选波束集合为B1，B1＝{1,2,...,N1}，初始用户数目设置i＝1，初始最大系统和速率Rmax＝0；
卫星二：设已选用户集合初始用户数目待选用户集合U2＝{1,2,...,K2}，待选波束集合B2＝{1,2,...,N2}，设置j＝1；
步骤202、双层循环确定卫星一和卫星二覆盖范围内调度的用户组；
(a)当卫星一的用户索引i＜K1时，为U1中的第i个用户在可选波束集合B1中挑选波束Bi1，按照所述挑选的原则选择波束，如果可选波速集合中已经没有波束了，则计算加入第i个用户后卫星一的和速率；
(b)设卫星二新调度的用户集合设置Rmax,i＝0。
(c)当卫星二的用户索引j＜K2时，为U2中的第j个用户在可选波束集合B2中挑选波束Bj1，按照所述挑选的原则选择波束，如果可选波速集合中已经没有波束了，则计算加入第j个用户后卫星二的和速率；
(d)对于当前第i个用户，计算加入U2中第j个用户后的系统和速率
(e)若则更新Utmp＝{j}，j＝j+1；否则，仅更新j＝j+1；
(f)若j≤k2，则转至步骤(c)，否则转入步骤(g)；
(g)若Rmax,i＞Rmax，更新U1＝U1\{i}，B1＝B1\{Bi1}，US2＝US2∪{Utmp}，U2＝U2\{Utmp}，B2＝B2\{Btmp}，Rmax＝Rmax,i更新i＝i+1；否则，仅更新i＝i+1
(h)若i≤k1，则转至步骤(a)，否则终止调度，输出及选择的波束Bi1，输出及选择的波束Bi2。
本申请再一实施例：一种适于卫星移动通信系统的双星用户调度方法，具体过程为：包括双星协作传输模式和双星协调传输模式。
有益效果
本发明提供了一种适用于卫星移动通信系统的双星用户调度方法，采取了基于系统传输用户和速率优化的用户调度策略，可以通过较低的计算复杂度，实现对卫星通信系统内星间干扰和波束间干扰的有效控制，显著改善卫星系统通信链路传输性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为双星波束覆盖和用户位置示意图。
图2为多星协作传输示意图。
图3为多星协调传输示意图。
图4为本发明在全频率复用下的有益效果。
图5为多星系统下行链路用户调度方法选择流程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
本申请实施例一种适于卫星移动通信系统的双星用户调度方法，包括基于双星协作传输和双星协调传输两种用户调度方法。若双星之间可以交换各自覆盖区域内用户的全部信道状态信息和数据，则采用基于双星协作传输的用户调度方法，如图2所示；若双星之间仅可以交换各自覆盖区域内用户的全部信道状态信息，则采用基于双星协调传输的用户调度方法，如图3所示。双星系统下行链路用户调度方法选择流程如图5所示，首先根据网关对信息交换量的要求选择传输模式；
模式一：
若双星之间可以交换各自覆盖区域内用户的全部信道状态信息和数据，则采用双星协作传输模式，设有双星构成的系统中包含Ntot个波束及对应Ktot个用户多星协作传输模式的具体过程为：
步骤101、初始化用户和波束集合；
设已选用户集合为US，由于当前已选用户集合内没有用户，因此多星构成的系统所对应的存在通信需求的用户数量及优先级排序是已知的，因此设待选用户集合为U，U＝{1,2,...,Ktot}，其中待选用户集合中排名第一的是优先权最高的用户，排名第二的次之，依次类推；多星构成的系统的可用波束也是已知的，设待选波束集合为B，B＝{1,2,...,Ntot}，设初始用户数目KS＝0，设置i＝1，设初始最大系统和速率Rmax＝0；
步骤102、当可选的波束集合不为空时，为待选用户集合U中的第i个用户，在可选波束集合B中挑选波束Bi，使得该用户加入已选用户集合后系统和速率最大；
当可选的波束集合为空时，将该用户加入到已选用户集合后，计算系统的和速率。
具体实施时：
假设可选的波束为5个，待选的用户为20个；
在第1次循环迭代时，i＝1，选定第1个用户，针对可选波束集合B中的每一波束，计算该用户加入已选用户集合后系统的和速率，从所计算的Ntot个计算结果中，选定最大的结果所对应的波束作为第1个用户所对应的选定波束，即
其中，US∪{i}表示将第i个用户加入到已选用户集合US中，Bi表示被选中的波束，表示U1中用户选定的波速；，注意需要对上述公式中的每一符号进行解释
第i个用户加入已选用户集合后的系统和速率计算如公式(2)所示：
假设在第7次循环迭代时，选定第7个用户，假设5个波束都已经加入到已选波束集合中，此时的待选波束集合为空，此时直接将该用户加入到已选用户集合中，然后计算系统的和速率。
步骤103、若则该用户被选择，将该用户加入到已选用户集合US中，将挑选的波束Bi从待选波束集合中删除，同时令用户数目KS加1，令i加1，更新最大系统和速率为当前计算出的系统和速率。
具体实施时：
由于在第一次循环迭代时，系统和速率的初始值Rmax＝0，因此第一个用户一定会被选定，在后续循环迭代的过程中，有可能用户的加入会牺牲其他用户的服务，即牺牲系统的和速率，这时候放弃对该用户的选定。具体地：
当选定该用户后不会牺牲系统和速率，此时可以将该用户选定为可以进行当前通信的对象，加入到已选用户集合中，US＝US∪{i}，将该用户从待选用户集合中删除U＝U\{i}，将该波束从待选波束集合中删除B＝B\Bi，再令i＝i+1，令KS＝KS+1，令
当选定该用户后会导致系统的和速率小于当前最大系统和速率，放弃对该用户的选择，将该用户从待选用户集合中删除U＝U\{i}，仅更新i＝i+1。
步骤104、若i≤Ktot，则转至步骤102；否则调度终止，输出已选用户集合US，调度的用户数目KS，各用户选择的波束Bi,i∈US。
本实施例中，以系统合速率是否下降作为判断条件，采取了基于系统传输用户和速率优化的用户调度策略，可以通过较低的计算复杂度，实现对卫星通信系统内星间干扰和波束间干扰的有效控制，显著改善卫星系统通信链路传输性能，如图4所示。
若双星之间仅可以交换各自覆盖区域内用户的全部信道状态信息，则采用双星协调传输模式，其用户调度方法如下：
步骤201、初始化用户和波束集合；
本实施例假设系统包括两个卫星，分别为卫星一和卫星二；
卫星一：设已选用户集合为由于当前已选用户集合内没有用户，因此卫星一存在通信需求的用户数量及优先级排序是已知的，因此设待选用户集合为U1，U1＝{1,2,...,K1}，设待选波束集合为B1，B1＝{1,2,...,N1}，初始用户数目设置i＝1，初始最大系统和速率Rmax＝0；
卫星二：设已选用户集合初始用户数目待选用户集合U2＝{1,2,...,K2}，待选波束集合B2＝{1,2,...,N2}，设置j＝1；
步骤202、双层循环确定卫星一和卫星二覆盖范围内调度的用户组；
(a)当卫星一的用户索引i＜K1时，为U1中的第i个用户在可选波束集合B1中挑选波束Bi1，挑选的原则为：计算待选波束集合中的每一波束，被选定后所对应的卫星一的和速率，选择和速率最大值所对应的波束作为被选定的波束，如果待选波速集合中已经没有波束了，则计算加入第i个用户后卫星一的和速率；波束选择公式如式(3)所示；
其中，Bi1表示卫星一的和速率；表示为U1中用户选定的波速；
(b)设卫星二新调度的用户集合设置Rmax,i＝0。
(c)当卫星二的用户索引j＜K2时，为U2中的第j个用户在可选波束集合B2中挑选波束Bj1，挑选的原则为：计算待选波束集合中的每一波束，被选定后所对应的卫星二的和速率，选择和速率最大值所对应的波束作为被选定的波束，如果待选波速集合中已经没有波束了，则计算加入第j个用户后卫星二的和速率；波束选择公式如式(4)所示；
其中，Bj2表示卫星二的和速率；
(d)对于当前第i个用户，计算加入U2中第j个用户后的系统和速率
其中，表示系统的和速率；
(e)若则更新Utmp＝{j}，j＝j+1；否则，仅更新j＝j+1；
(f)若j≤k2，则转至步骤(c)，否则转入步骤(g)；
(g)若Rmax,i＞Rmax，更新U1＝U1\{i}，B1＝B1\{Bi1}，US2＝US2∪{Utmp}，U2＝U2\{Utmp}，B2＝B2\{Btmp}，Rmax＝Rmax,i更新i＝i+1；否则，仅更新i＝i+1
(h)若i≤k1，则转至步骤(a)，否则终止调度，输出及选择的波束Bi1，输出及选择的波束Bi2。
本实施例中，以系统合速率是否下降作为判断条件，采取了基于系统传输用户和速率优化的用户调度策略，可以通过较低的计算复杂度，实现对卫星通信系统内星间干扰和波束间干扰的有效控制，显著改善卫星系统通信链路传输性能，如图4所示。
本申请一实施例：一种适于卫星移动通信系统的双星用户调度方法，具体过程为：包括双星协作传输模式和书暗星协调传输模式。
可根据网关对信息交换量的要求在两种用户调度方法之间进行选择。若双星之间可以交换各自覆盖区域内用户的全部信道状态信息和数据，则采用基于多星协作传输的用户调度方法，较之基于BDMA的用户得调度方法性能有显著提升；若双星之间仅可以交换各自覆盖区域内用户的全部信道状态信息，则采用基于双星协调传输的用户调度方法，较之基于BDMA的用户得调度方法性能有所改善。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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