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基于业务优先级的认知卫星网络频谱分配方法

贾敏;敬晓晔;刘晓锋;刘枫;郭庆;顾学迈

【摘要】将认知无线电中的频谱分配技术应用到星地一体化网络中,能够实现卫星

与地面通信网络的频谱共享,提高卫星通信系统的频谱利用率.首先,建立一种星地一

体化频谱资源共享模型,分析认知卫星下行链路使用地面网络空闲频谱的场景.然后,

对干扰模型和信号模型进行推导及分析.最后,考虑卫星地面终端的不同优先级类型,

提出一种基于优先级的频谱分配方案,在保证下行卫星通信总吞吐量的同时,增加高

优先级地面终端的吞吐量.

【期刊名称】《通信学报》

【年(卷),期】2019(040)004

【总页数】9页(P140-148)

【关键词】星地一体化;频谱分配;优先级;认知无线电

【作者】贾敏;敬晓晔;刘晓锋;刘枫;郭庆;顾学迈

【作者单位】哈尔滨工业大学电子与信息工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨

工业大学电子与信息工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学电子与信息

工程学院,黑龙江哈尔滨150001;中国空间技术研究院通信卫星事业部,北京

100094;哈尔滨工业大学电子与信息工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业

大学电子与信息工程学院,黑龙江哈尔滨150001

【正文语种】中文

【中图分类】TN91

1引言

随着通信网络和人们生活方式的变化，卫星通信正在更广泛地应用于宽带通信中。

为了提高频谱效率，卫星通信由C/Ku频段的单波束业务向Ka频段的多波束业务

转移[1-4]。同时，针对下一代通信网络中频谱资源紧张的问题，引入认知无线电

（CR,cognitiveradio）技术，在2个卫星网络之间或者卫星网络和地面网络之间

进行相同频谱的共享，可以有效地提高卫星通信的频谱利用率[2]。认知卫星通信

网络即采用CR技术的卫星通信网络，在不影响授权用户正常通信的前提下，允许

认知卫星通信网络中的认知卫星使用卫星网络或地面网络的授权频谱进行上下行链

路的通信。认知卫星通信网络具有卫星通信的信息交互、多网融合和频谱资源利用

率高等特点。因此，可发展更多认知卫星用户，进而促进卫星通信事业的发展。丰

富这一领域的相关研究工作对改善频谱资源利用率、提高卫星通信服务质量和系统

容量、促进卫星通信的发展有着十分重要的推进作用。

文献[5-7]将认知无线电与卫星通信相结合，进行认知卫星通信的研究。其中，文

献[6-7]提出了一种在卫星和地面一体化的网络中加入认知无线电技术的系统架构，

是认知卫星通信网络较早的研究。在5G通信系统中，用户终端接入数量、通信业

务覆盖范围以及带宽需求将大幅度增加，因此，基于认知的卫星与地面频谱共享的

研究频段由S频段向更高频段（如Ka频段）转移。在Ka频段内，固定卫星业务

（FSS,fixedsatelliteservice）的卫星系统与地面固定业务（FS,fixedservice）

或广播卫星业务（BSS,broadcastsatelliteservice）的通信系统共享频谱资源。

对于认知FSS卫星网络，目前有许多研究[8-17]。文献[8-9]研究在毫米波频段

（mmwave）中卫星业务和蜂窝网共享频谱的场景。其中，文献[8]针对FSS和

5G网络之间的频谱共享进行研究。文献[9]的研究场景是Ka频段的认知宽带卫星

系统和蜂窝网的频谱共享。文献[10]分析了在满足干扰约束条件的情况下，地面网

络作为次级用户，对FSS卫星网络下行链路进行频谱认知的情况，仿真结果表明，

随着卫星QoS（qualityofservice）要求的提高，地面用户有效容量下降。文献

[11]对星地混合网络中的中断概率进行了研究，并给出了一种考虑时延的地面终端

选择方法。文献[12]研究了星地混合网络中的误码率。文献[13]提出了联合波束成

形（beamforming）和资源分配技术，以提高认知FSS卫星下行链路总吞吐量。

文献[14]提出了一种优化频率复用和极化的方法，以最大限度地减少FS地面基站

受到的干扰。文献[15]介绍了一种功率分配方法，在地面网络认知卫星网络的场景

中，在满足地面链路QoS要求的条件下，对地面网络性能进行优化。在认知场景

中，如何消除认知用户和主用户之间的相互干扰是关键问题。波束成形技术通过天

线调整相位阵列的参数，在最大化认知用户信干噪比（SINR,signalto

interferenceplusnoiseratio）的