本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信，具體的說是涉及一種融合5g的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的初始接入波束管理方法。

背景技術(shù)：

1、5g是地面移動無線通信中性能最為出色的技術(shù)，已在人口密集區(qū)域得到廣泛部署。然而，在人口密度較低的偏遠山區(qū)和邊境地區(qū)，網(wǎng)絡接入數(shù)量極為有限，提供5g網(wǎng)絡覆蓋非常困難，這也增加了設備維護等工作的難度，尤其在海洋、沙漠或其他地形復雜的區(qū)域更為明顯。相比之下，衛(wèi)星通信系統(tǒng)憑借其廣泛的覆蓋范圍和不受地球自然災害影響等優(yōu)點，能夠解決上述場景下移動通信覆蓋難題。在各種衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)因其相對較小的往返時延、較低的路徑損耗和相對較低的發(fā)射成本，且可以通過星座方式對地球?qū)崿F(xiàn)無縫覆蓋的優(yōu)勢成為地面移動通信系統(tǒng)的重要補充。

2、融合5g的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵問題是leo衛(wèi)星如何與地面終端之間建立穩(wěn)定的通信鏈路。地面5g中通過初始接入過程來建立通信鏈路，其中波束管理方法起著至關(guān)重要的作用，地面5g體制采用雙端分層掃描配合波束測量和報告的方式在初始接入階段進行波束對準從而建立鏈路。然而leo衛(wèi)星的自由空間路徑損耗大，若直接參照5g?nr使用寬波束進行信令傳輸，則難以滿足信噪比要求，對此問題雖能夠讓終端使用更窄的波束進行掃描以提高接收信號增益，但此種方法會造成波束測量與報告過程繁瑣，顯著提高接入時延，且由于低軌衛(wèi)星運動速度快，終端與衛(wèi)星的相對位置快速變化，波束測量結(jié)果有過期的風險。然而，若考慮在低軌衛(wèi)星側(cè)改用信號增益更強的窄波束進行信令傳輸，雖能夠解決由于接收端信號功率不足帶來的高接入時延問題，但同時也顯著地縮小了信令波束的覆蓋范圍，造成低軌衛(wèi)星的接入覆蓋能力不足，此時由于信令波束的輪詢機制，窄波束需要更多次的掃描才能完成輪詢，仍存在接入時延高的問題，對此，可考慮分配更多的波束用于信令傳輸。

3、然而，由于leo衛(wèi)星的覆蓋范圍廣以及其有效載荷容量有限，需要在有限的波束數(shù)量下同時兼顧終端接入過程和終端數(shù)據(jù)傳輸過程。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本技術(shù)提供了一種融合5g的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的初始接入波束管理方法，該方法通過結(jié)合5g初始接入波束對準過程以及衛(wèi)星星歷信息輔助，提出面向初始接入的低軌衛(wèi)星與地面終端快速波束對齊流程以及基于通知機制的業(yè)務服務流程；通過將接入與業(yè)務服務機制建立成隊列模型，并以在保證系統(tǒng)隊列穩(wěn)定條件下最大化平均每接入周期的接入終端數(shù)為優(yōu)化目標，并利用李亞普洛夫問題轉(zhuǎn)化以及黃金分割法進行求解形成在線算法，動態(tài)確定最優(yōu)的信令波束數(shù)量分配和指向策略；既實現(xiàn)了低軌衛(wèi)星與地面終端的端到端快速接入，又保證了系統(tǒng)在終端業(yè)務平均等待時長、有限時間內(nèi)總完成業(yè)務量方面有較好的性能表現(xiàn)。

2、為了達到上述目的，本技術(shù)是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

3、本發(fā)明是一種融合5g的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的初始接入波束管理方法，在由地面5g終端、配有控制器的低軌衛(wèi)星組成的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，初始接入波束管理方法通過波束管理系統(tǒng)實現(xiàn)，所述波束管理系統(tǒng)包括隊列模型建模模塊、接入流程控制模塊和波束分配決策模塊，隊列模型建模模塊對地面區(qū)域進行波位劃分并構(gòu)建隊列模型，所述隊列模型建模模塊包括接入等待隊列和業(yè)務等待隊列，低軌衛(wèi)星的控制器按照波束分配決策模塊進行波束分配決策，配有控制器的低軌衛(wèi)星與地面5g終端按照所述接入流程控制模塊所設計的流程進行接入，具體的，所述波束管理方法具體包括如下步驟：

4、步驟1、將地面5g終端的待服務區(qū)域劃分為若干個波位，所述隊列模型建模模塊對若干個波位進行劃分并構(gòu)建隊列模型；

5、步驟2、在每個接入周期，波束分配決策模塊獲取接入等待隊列與業(yè)務等待隊列的狀態(tài)，以接入等待隊列與業(yè)務等待隊列的狀態(tài)為基準建立波束分配決策模型，對波束分配決策模型進行轉(zhuǎn)化和求解，確定信令波束數(shù)量分配與信令波束指向策略；

6、步驟3、在每個接入周期，衛(wèi)星側(cè)根據(jù)步驟2確定的信令波束數(shù)量分配與信令波束指向策略生成下行信令波束，并在隨機接入時機接收地面5g終端前導碼，完成接入檢測與沖突解決，地面5g終端監(jiān)聽下行信令，獲取并解調(diào)星歷信息后形成定向波束，在隨機接入時機(ro)發(fā)起接入并完成接入過程，接入成功后，低軌衛(wèi)星向地面5g終端發(fā)送業(yè)務開始通知并分配波束，啟動業(yè)務服務，直到該組地面5g終端全部完成服務后回收下行信令波束，地面5g終端監(jiān)聽下行信令，接收到后建立通信鏈路并開始傳輸，服務完成后發(fā)送完成通知。

7、本技術(shù)的進一步改進在于：所述隊列模型建模模塊包括接入等待隊列和業(yè)務等待隊列，在每個接入周期，未接入且有業(yè)務需求的地面5g終端進入接入等待隊列，完成接入流程后衛(wèi)星側(cè)將成功接入的地面5g終端按波位分組并加入業(yè)務等待隊列，同時衛(wèi)星側(cè)根據(jù)可用業(yè)務波束數(shù)量，從業(yè)務等待隊列中移出若干地面5g終端組并加入業(yè)務等待隊列，地面5g終端完成服務后轉(zhuǎn)為未接入狀態(tài)。

8、本技術(shù)的進一步改進在于：所述接入等待隊列具體為：

9、將單個接入周期有業(yè)務需求的面5g終端加入面5g終端所在波位對應的接入等待隊列g(shù)i(t)，i＝1,2,...g，gi(t)的遞推關(guān)系表示為：

10、gi(t+1)＝max[gi(t)-li(t),0]+ri(t)

11、其中，gi(t)的值表示波位i在接入周期t有業(yè)務請求的地面5g終端的數(shù)量，初始值gi(0)為0，ri(t)表示波位i在接入周期t新發(fā)起業(yè)務請求的地面5g終端的數(shù)量，li(t)表示在接入周期t波位i能夠接入的最大地面5g終端的數(shù)量，g為地面波位總數(shù)。

12、本技術(shù)的進一步改進在于：所述業(yè)務等待隊列建模具體為：

13、在同一個接入周期通過同一個業(yè)務波束接入的地面5g終端被視為一組，以組為單位被加入業(yè)務等待隊列s(t)，業(yè)務等待隊列s(t)的遞推關(guān)系表示為：

14、s(t+1)＝max[s(t)-z(t),0]+x(t)

15、其中，x(t)為在接入周期t完成接入的地面5g終端的組數(shù)，z(t)為在接入周期t結(jié)束業(yè)務服務的地面5g終端的組數(shù)，表示為：

16、z(t)＝min[s(t),np(t)-h(t)]

17、其中，np(t)表示在接入周期t低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有的業(yè)務波束總數(shù)量，h(t)表示在接入周期t開始時正在進行通信業(yè)務傳輸?shù)挠脩艚M數(shù)，其初始值h(0)為0，h(t)表示如下：

18、h(t+1)＝max[h(t)-f(t),0]+z(t)

19、其中，f(t)表示在接入周期t內(nèi)完成通信業(yè)務傳輸?shù)挠脩艚M數(shù)，h(t)滿足h(t)≤np(t)；

20、在接入周期t完成接入的用戶組數(shù)x(t)表示為：

21、

22、業(yè)務等待隊列的初始值s(0)為0，當滿足下式時，則業(yè)務等待隊列s(t)是平均速率穩(wěn)定的：

23、

24、其中，s(t)為當接入周期t取值為t時的s(t)值，t表示第t個接入周期。

25、本技術(shù)的進一步改進在于：所述波束分配決策模塊用于輸出衛(wèi)星側(cè)信令波束與業(yè)務波束數(shù)量分配與指向策略：將地面5g終端的待服務區(qū)域劃分為若干個波位，在每個接入周期，確定協(xié)作衛(wèi)星集合的總可用波束數(shù)量，獲取接入等待隊列與業(yè)務等待隊列的狀態(tài)，以接入等待隊列與業(yè)務等待隊列的狀態(tài)為基準建立波束分配決策模型，對波束分配決策模型進行轉(zhuǎn)化和求解，確定信令波束和業(yè)務波束的數(shù)量分配與指向策略。

26、本技術(shù)的進一步改進在于：建立波束分配決策模型，對波束分配決策模型進行轉(zhuǎn)化和求解，具體包括如下步驟：

27、步驟2.1、在待服務區(qū)域的地面矩形區(qū)域中均勻選取若干個坐標點，通過星座構(gòu)型獲得所有衛(wèi)星的坐標點，分別判斷選取的各個坐標點可見的衛(wèi)星，依次構(gòu)成集合，即得到區(qū)域總可見衛(wèi)星數(shù)，確定實際所用的衛(wèi)星數(shù)s構(gòu)成協(xié)作衛(wèi)星集合，其中實際所用的衛(wèi)星數(shù)s不超過區(qū)域總可見衛(wèi)星數(shù)，再根據(jù)衛(wèi)星天線規(guī)模確定總可用波束數(shù)ntotal，其中ntotal＝s·n2，n為衛(wèi)星天線每行的陣元數(shù)量，進入步驟2.2；

28、步驟2.2：以單個接入周期t為時間單位，在衛(wèi)星側(cè)獲取接入等待隊列g(shù)i(t)的值、業(yè)務等待隊列s(t)的值，以及在接入周期t開始時正在進行通信業(yè)務傳輸?shù)挠脩艚M數(shù)h(t)的值，進入步驟2.3；

29、步驟2.3：建立波束分配決策模型如下：

30、

31、其中，波束分配決策模型的自變量中nb(t)表示信令波束的數(shù)量分配，w(t)表示信令波束指向策略，在接入周期t低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有的業(yè)務波束總數(shù)量np(t)通過ntotal-nb(t)得到，進入步驟2.4；

32、步驟2.4、信令波束指向策略w(t)的最優(yōu)值w*(t)通過將在nb(t)確定時前nb(t)個最大的gi(t)對應的wi(t)＝1來確定，以此為基礎優(yōu)化所述波束分配決策模型，求解nb(t)的最優(yōu)信令波束數(shù)量nb*(t)轉(zhuǎn)化為能在固定的接入周期t求得使李亞普洛夫價值函數(shù)最小的且為整數(shù)的nb(t)的值，表示為：

33、

34、其中，表示將gi(t)進行降序排序，nb(t)·nssb＝zn+dn，zn表示整數(shù)部分，dn表示小數(shù)部分，使得取最小值的nb*(t)。

35、本技術(shù)的進一步改進在于：求解最優(yōu)信令波束數(shù)量nb*(t)的具體步驟為：

36、步驟2.4.1、輸入準備：接入周期t、隊列函數(shù)gi(t)、s(t)、h(t)、最大迭代步數(shù)

37、步驟2.4.2、初始化：設置黃金比例定義搜索區(qū)[a,b]為和兩個初始采樣點x1＝b-(b-a)gr、x2＝a+(b-a)gr，計算初始點對應目標函數(shù)值設置搜索經(jīng)度ε＝1；

38、步驟2.4.3、邊界檢查：計算如果則如果則

39、步驟3.4.4、黃金分割搜索：當區(qū)間長度|b-a|≥ε時，如果y1＜y2，則更新有邊界b＝x2，更新點x2＝x1、y2＝y(tǒng)1，計算新點x1＝b-(b-a)gr，否則更新左邊界a＝x1，更新點x1＝x2、y1＝y(tǒng)2，計算新點

40、步驟2.4.5、確定最優(yōu)解：計算中點xm＝(x1+x2)/2，如果xm為整數(shù)，則否則比較相鄰整數(shù)點的函數(shù)值，即如果則否則

41、步驟2.4.6、輸出最優(yōu)解：輸出最優(yōu)信令波束數(shù)量

42、本技術(shù)的進一步改進在于：所述接入流程控制模塊的接入流程為：在每個接入周期，衛(wèi)星側(cè)根據(jù)信令波束數(shù)量分配nb(t)與信令波束指向策略w(t)生成下行信令波束，并在隨機接入時機接收地面5g終端前導碼，完成接入檢測與沖突解決，地面5g終端通過全向方式監(jiān)聽下行信令，獲取并解調(diào)星歷信息后形成定向波束，在隨機接入時機(ro)發(fā)起接入并完成接入過程，接入成功后，衛(wèi)星側(cè)向終端側(cè)發(fā)送業(yè)務開始通知并分配波束，啟動業(yè)務服務，直到該組地面5g終端全部完成服務后回收下行信令波束，地面5g終端監(jiān)聽通知，接收到后建立通信鏈路并開始傳輸，服務完成后發(fā)送完成通知。

43、本技術(shù)的進一步改進在于：所述接入流程控制模塊的接入流程為具體包括如下步驟：

44、步驟3.1、信令發(fā)送：在每個接入周期t，衛(wèi)星側(cè)根據(jù)控制器輸出的最優(yōu)信令波束數(shù)量和最優(yōu)信令波束指向策略w*(t)生成若干個指向波位的下行信令波束，通過下行信令波束向波位發(fā)送下行信令信息，有業(yè)務需求的終端監(jiān)聽同步信號塊(ssb)，通過同步信號塊(ssb)進行同步并在物理下行共享信道(pdsch)中解調(diào)出星歷信息，進入步驟3.2；

45、步驟3.2、隨機接入：終端監(jiān)聽并解調(diào)下行信令消息后，在通過步驟3.1解調(diào)出的星歷信息的輔助下產(chǎn)生指向衛(wèi)星的波束即定向波束，并通過定向波束在所選擇的ssb信號對應的隨機接入時機(ro)發(fā)送前導碼以發(fā)起隨機接入，衛(wèi)星處理來自終端側(cè)的隨機接入請求，至此已完成快速波束對齊，完成剩余的隨機接入流程后進入步驟3.3；

46、步驟3.3、開始業(yè)務服務：在每個接入周期t，衛(wèi)星側(cè)根據(jù)獲取當前接入周期可用的業(yè)務波束數(shù)量，并從業(yè)務等待隊列中取出可用的業(yè)務波束數(shù)量的終端組，對終端組中的終端發(fā)送業(yè)務開始通知，進入步驟3.4；

47、步驟3.4：持續(xù)業(yè)務服務：地面5g終端依據(jù)所接入衛(wèi)星的星歷信息形成跟蹤衛(wèi)星的波束，在接入時規(guī)定的時頻資源上監(jiān)聽業(yè)務開始通知，一旦監(jiān)聽到即建立與衛(wèi)星的通信鏈路，持續(xù)進行業(yè)務服務，進入步驟3.5；

48、步驟3.5：結(jié)束業(yè)務服務：地面5g終端完成所需業(yè)務服務后，在相應時頻資源上向衛(wèi)星側(cè)發(fā)送業(yè)務服務結(jié)束通知，衛(wèi)星側(cè)收到后即與地面5g終端斷開通信鏈路，當一個業(yè)務波束服務的地面5g終端組中所有地面5g終端都結(jié)束服務后，衛(wèi)星側(cè)回收此業(yè)務波束。

49、本技術(shù)的有益效果是：本技術(shù)針對融合5g的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中初始接入效率低、波束對齊不及時的問題，提出了一種使用窄波束的借助星歷信息輔助的快速波束對齊方法與波束數(shù)量與指向策略決策方法，提升了衛(wèi)星與地面終端之間的接入效率與業(yè)務承載能力。

50、本技術(shù)引入隊列模型，構(gòu)建了在隊列穩(wěn)定條件下最大化每接入周期內(nèi)接入終端數(shù)的優(yōu)化目標函數(shù)，并通過李亞普洛夫函數(shù)轉(zhuǎn)化與黃金分割法求解形成高效在線算法。該算法可動態(tài)確定信令波束的數(shù)量分配及其指向策略，實現(xiàn)快速波束分配與資源利用。

51、本技術(shù)通過接入流程優(yōu)化設計、隊列數(shù)學模型建立、波束分配策略決策這三個模塊，構(gòu)建了完整的接入波束管理流程。

52、本技術(shù)既實現(xiàn)了低軌衛(wèi)星與地面終端的端到端快速接入，又保證了系統(tǒng)在終端業(yè)務平均等待時長、有限時間內(nèi)總完成業(yè)務量方面有較好的性能表現(xiàn)。