CN108900237B - 一种多波束卫星通信系统资源分配方法 - Google Patents

一种多波束卫星通信系统资源分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多波束卫星通信系统资源分配方法，属于无线通信技术领域。该方法包括以下步骤：S1：建模控制器‑卫星波束的选择变量；S2：建模用户‑控制器及用户‑卫星波束关联变量；S3：建模多波束卫星系统和速率；S4：建模用户‑控制器‑卫星波束关联限制条件及资源分配限制条件；S5：基于用户和速率最大化确定用户关联及资源分配策略。本发明通过对多波束卫星通信系统进行联合用户关联及功率分配，实现用户和速率最大化。

Description

一种多波束卫星通信系统资源分配方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种多波束卫星通信系统资源分配方法。
背景技术
近年来，卫星通信技术已成为提供用户信息接入的有效途径。然而，卫星通信系统中有限频谱资源与快速发展的用户业务需求已形成突出矛盾，如何采用高效用户关联及资源分配技术，实现卫星通信系统性能增强已成为重要研究课题。
目前，已有研究考虑多波束卫星通信资源分配问题，如专利(申请号201711007962.X)“基于人工鱼群算法的Ka多波束卫星通信资源分配方法”，提出一种人工鱼群算法对各波束内的用户链接申请进行寻优计算，通过获得Ka多波束卫星通信系统中可分配的最大的用户链接申请数目，来减少时隙资源占用及地面站发射功耗，提高系统资源利用率。专利(申请号201710742946.9)“卫星通信信道资源分配方法”，通过综合分析当前通信链路的最大可用信道资源、以及所需信道资源之间关系，选择合适的资源分配策略对其进行分配，来保证信道资源分配的有效性，避免信道资源分配成功但通信失败的问题，提高资源分配效率和系统可靠性。
现有研究多考虑资源分配的成功率或资源利用率，未综合考虑用户和速率及系统各设备功率分配，无法实现系统综合性能优化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多波束卫星通信系统资源分配方法。在该方法中，用户可采用直接传输模式或中继传输模式与卫星进行通信，综合考虑用户、控制器及波束卫星之间关联情况，用户、控制器发送功率，有效实现用户和速率最大化，以提升系统综合性能。本发明通过对多波束卫星通信系统进行联合用户关联及功率分配，可实现用户和速率最大化，从而有效提升系统综合性能。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多波束卫星通信系统资源分配方法，多波束卫星可支持多个波束通信，每个波束最多可连接一个地面控制器(简称控制器)，控制器能够与地面用户(简称用户)进行通信；该方法具体包括以下步骤：
S1：建模控制器-卫星波束关联变量；
S2：建模用户-控制器及用户-卫星波束关联变量；
S3：建模多波束卫星系统和速率；
S4：建模用户-控制器-卫星波束关联限制条件及资源分配限制条件；
S5：基于用户和速率最大化确定用户关联及资源分配策略。
进一步，在该方法中，令多波束卫星支持N个波束，控制器数量为M，用户数量为K；Cm表示第m个控制器，Uk表示第k个用户，卫星带宽资源为Btot，第n个波束所分配的带宽为Bn，多个控制器共享带宽为Bc，假设多个用户及控制器采用频分多址的方式接入某个波束，1≤m≤M，1≤n≤N，1≤k≤K。
进一步，步骤S1中，所述建模控制器-卫星波束关联变量具体包括：令αm,n∈{0,1}为控制器Cm与第n个波束的关联变量，若αm,n＝1，表示将控制器Cm与第n个波束连接，反之，αm,n＝0。
进一步，步骤S2中，所述建模用户-控制器及用户-卫星波束关联变量具体包括：令δk,m∈{0,1}为用户Uk与控制器Cm的关联变量，若δk,m＝1，表示用户Uk与控制器Cm建立关联，反之，δk,m＝0；令βk,n∈{0,1}为用户Uk与第n个波束的关联变量，若βk,n＝1，表示用户Uk与第n个波束建立关联，反之，βk,n＝0。
进一步，步骤S3中，所述建模多波束卫星系统和速率具体包括：每个用户通过直接传输模式或中继传输模式与卫星进行通信，其中，直接传输模式是指用户直接与卫星进行通信，中继传输模式是指用户通过控制器与卫星进行通信；所述控制器相当于中继设备完成数据转发、控制等功能；令用户和速率为
Figure BDA0001703262440000021
其中，Rk表示用户Uk的速率，建模为
Figure BDA0001703262440000022
1)若用户Uk采用直接传输模式，对应传输速率为
Figure BDA0001703262440000023
其中，
Figure BDA0001703262440000024
为用户Uk采用第n个波束传输至卫星对应的传输功率，
Figure BDA0001703262440000025
为用户Uk在第n个波束传输数据至卫星对应的信道增益，σ2为信道噪声功率；
2)若用户Uk采用中继传输模式，经控制器Cm传输至第n个波束的卫星，对应传输速率为
Figure BDA0001703262440000026
其中，用户传输数据至控制器的速率为
Figure BDA0001703262440000031
其中，
Figure BDA0001703262440000032
为用户Uk传输数据至控制器Cm时的传输功率，
Figure BDA0001703262440000033
为用户Uk与控制器Cm之间的链路增益；控制器Cm采用第n个波束传输数据至卫星对应的速率为
Figure BDA0001703262440000034
其中，
Figure BDA0001703262440000035
为控制器Cm传输数据到第n个波束卫星对应的传输功率，
Figure BDA0001703262440000036
为控制器Cm传输数据到第n个波束卫星的信道增益。所述
Figure BDA0001703262440000037
和
Figure BDA0001703262440000038
等链路增益系数，主要包括系统自由空间损耗、天线增益、雨衰等因素。
进一步，步骤S4中，所述建模用户-控制器-卫星波束关联限制条件具体包括：
1)控制器与卫星波束的限制条件为
Figure BDA0001703262440000039
其中，A0为常数；
2)用户与波束卫星的限制条件为
Figure BDA00017032624400000310
其中，A1为常数；
3)用户与控制器的限制条件为
Figure BDA00017032624400000311
其中，A2为常数；
4)用户Uk与控制器及波束卫星需满足
Figure BDA00017032624400000312
所述建模资源分配限制条件具体包括：
1)用户Uk的传输功率限制条件为
Figure BDA00017032624400000313
其中，用户Uk的传输功率为
Figure BDA00017032624400000314
Figure BDA00017032624400000315
为用户Uk的最大传输功率；
2)控制器Cm的传输功率限制条件为
Figure BDA00017032624400000316
其中，控制器Cm的传输功率为
Figure BDA00017032624400000317
Figure BDA00017032624400000318
为控制器Cm的最大传输功率；
3)每个用户均存在最低速率
Figure BDA00017032624400000319
且用户Uk传输速率限制条件为
Figure BDA00017032624400000320
Figure BDA00017032624400000321
为用户Uk的最低速率需求；
4)用户-控制器-波束卫星通信系统带宽满足
Figure BDA00017032624400000322
进一步，所述步骤S5具体包括：在满足用户-控制器-卫星波束关联及资源分配限制条件，以用户和速率最大化为目标，优化确定用户及资源分配策略，即：
Figure BDA0001703262440000041
其中，
Figure BDA0001703262440000042
分别表示优化后的αm,n、βk,n、δk,m、
Figure BDA0001703262440000043
Figure BDA0001703262440000044
本发明的有益效果在于：本发明所述方法可以有效保障用户采用直接传输模式或中继传输模式的情况下，基于用户和速率最大化准则联合用户、控制器及卫星波束资源分配，提高系统综合性能。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为多波束卫星系统场景示意图；
图2为本发明所述方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明所述的一种多波束卫星通信系统资源分配方法，考虑多波束卫星系统中存在多个用户和多个控制器，用户可选择直接传输模式或中继传输模式。两种不同传输模式中，用户-卫星波束及控制器-卫星波束均采用频分多址接入方式，数据传输无干扰；而多个用户-控制器对之间数据传输可采用频率共用方式。优化设计用户-控制器-卫星波束之间关联及功率资源分配策略，以实现用户和速率最大化，提升系统综合性能。
图1为多波束卫星系统场景示意图，多波束卫星系统场景中用户可选择直接传输模式或中继传输模式，即用户直接与卫星波束或通过控制器与卫星波束进行通信，通过优化用户-控制器-卫星波束关联及用户功率分配分配策略，实现用户和速率最大化。如图1所示，令多波束卫星可支持N个波束，控制器数量为M，Cm表示第m个控制器，用户数量为K，Uk表示第k个用户，卫星带宽资源为Btot，第n个波束所分配的带宽为Bn，多个控制器共享带宽Bc，并假设多个用户及控制器可采用频分多址的方式接入某个波束，1≤m≤M，1≤n≤N，1≤k≤K。
图2为本发明所述方法的流程示意图，如图2所示，本发明所述方法具体包括以下步骤：
1、建模控制器-卫星波束的选择变量
令αm,n∈{0,1}为控制器Cm与第n个波束的关联变量，若αm,n＝1，表示将控制器Cm与第n个波束连接，反之，αm,n＝0。
2、建模用户-控制器及用户-卫星波束关联变量
令δk,m∈{0,1}为用户Uk与控制器Cm的关联变量，若δk,m＝1，表示用户Uk与控制器Cm建立关联，反之，δk,m＝0；建模用户-卫星波束关联变量，具体为，令βk,n∈{0,1}为用户Uk与第n个波束的关联变量，若βk,n＝1，表示用户Uk与第n个波束建立关联，反之，βk,n＝0。
3、建模多波束卫星系统和速率
每个用户可以通过直接传输模式或中继传输模式与卫星进行通信，其中，直接传输模式是指用户直接与卫星进行通信，中继传输模式是指用户通过控制器与卫星进行通信；
令用户和速率为
Figure BDA0001703262440000051
其中，Rk表示用户Uk的速率,建模为
Figure BDA0001703262440000052
①若用户Uk采用直接传输模式，对应传输速率为
Figure BDA0001703262440000053
其中，
Figure BDA0001703262440000054
为用户Uk在第n个波束传输至卫星对应的传输功率，
Figure BDA0001703262440000055
为用户Uk在第n个波束传输数据至卫星对应的信道增益，σ2为信道噪声功率；
②若用户Uk采用中继传输模式，经控制器Cm传输至第n个波束的卫星，对应速率为
Figure BDA0001703262440000056
其中，用户传输数据至控制器的速率为
Figure BDA0001703262440000057
其中，
Figure BDA0001703262440000058
为用户Uk传输数据至控制器Cm时的传输功率，
Figure BDA0001703262440000059
为用户Uk与控制器Cm之间的链路增益，控制器Cm采用第n个波束传输数据至卫星对应的速率为
Figure BDA00017032624400000510
其中，
Figure BDA00017032624400000511
为控制器Cm传输数据到第n个波束卫星的传输功率，
Figure BDA00017032624400000512
为控制器Cm传输数据到第n个波束卫星的信道增益。
4、建模用户-控制器-卫星波束关联限制条件及资源分配限制条件
(1)建模用户-控制器-卫星波束关联限制条件包括：
①控制器与卫星波束的限制条件为
Figure BDA00017032624400000513
其中，A0为常数；
②用户与波束卫星的限制条件为其中，A1为常数；
③用户与控制器的限制条件为
Figure BDA0001703262440000062
其中，A2为常数；
④用户Uk与控制器及波束卫星需满足
Figure BDA0001703262440000063
(2)建模资源分配限制条件包括：
①用户Uk的传输功率为
Figure BDA0001703262440000064
用户Uk的传输功率限制条件为
Figure BDA0001703262440000065
其中，
Figure BDA0001703262440000066
为用户Uk的最大传输功率；
②控制器Cm的传输功率为
Figure BDA0001703262440000067
控制器Cm的传输功率限制条件为
Figure BDA0001703262440000068
其中，
Figure BDA0001703262440000069
为控制器Cm的最大传输功率；
③每个用户均存在最低速率
Figure BDA00017032624400000610
且用户Uk传输速率限制条件为
Figure BDA00017032624400000611
Figure BDA00017032624400000612
为用户Uk的最低速率需求；
④用户-控制器-波束卫星通信系统带宽满足
Figure BDA00017032624400000613
5、基于用户和速率最大化确定用户关联及资源分配策略
在满足用户-控制器-卫星波束关联限制条件及资源分配限制条件，以用户和速率最大化为目标，优化确定用户及资源分配策略，即；
Figure BDA00017032624400000614
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种多波束卫星通信系统资源分配方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：令多波束卫星支持N个波束，控制器数量为M，用户数量为K；Cm表示第m个控制器，Uk表示第k个用户，卫星带宽资源为Btot，第n个波束所分配的带宽为Bn，多个控制器共享带宽为Bc，假设多个用户及控制器采用频分多址的方式接入某个波束，1≤m≤M，1≤n≤N，1≤k≤K；
S1：建模控制器-卫星波束关联变量，具体包括：令αm,n∈{0,1}为控制器Cm与第n个波束的关联变量，若αm,n＝1，表示将控制器Cm与第n个波束连接，反之，αm,n＝0；
S2：建模用户-控制器及用户-卫星波束关联变量，具体包括：令δk,m∈{0,1}为用户Uk与控制器Cm的关联变量，若δk,m＝1，表示用户Uk与控制器Cm建立关联，反之，δk,m＝0；令βk,n∈{0,1}为用户Uk与第n个波束的关联变量，若βk,n＝1，表示用户Uk与第n个波束建立关联，反之，βk,n＝0；
S3：建模多波束卫星系统和速率，具体包括：每个用户通过直接传输模式或中继传输模式与卫星进行通信，其中，直接传输模式是指用户直接与卫星进行通信，中继传输模式是指用户通过控制器与卫星进行通信；令用户和速率为
Figure FDA0002635627360000011
其中，Rk表示用户Uk的速率，建模为
Figure FDA0002635627360000012
1)若用户Uk采用直接传输模式，对应传输速率为
Figure FDA0002635627360000013
其中，
Figure FDA0002635627360000014
为用户Uk采用第n个波束传输至卫星对应的传输功率，
Figure FDA0002635627360000015
为用户Uk在第n个波束传输数据至卫星对应的信道增益，σ2为信道噪声功率；
2)若用户Uk采用中继传输模式，经控制器Cm传输至第n个波束的卫星，对应传输速率为
Figure FDA0002635627360000016
其中，用户传输数据至控制器的速率为
Figure FDA0002635627360000017
其中，
Figure FDA0002635627360000018
为用户Uk传输数据至控制器Cm时的传输功率，
Figure FDA0002635627360000019
为用户Uk与控制器Cm之间的链路增益；控制器Cm采用第n个波束传输数据至卫星对应的速率为
Figure FDA0002635627360000021
其中，
Figure FDA0002635627360000022
为控制器Cm传输数据到第n个波束卫星对应的传输功率，
Figure FDA0002635627360000023
为控制器Cm传输数据到第n个波束卫星的信道增益；
S4：建模用户-控制器-卫星波束关联限制条件及资源分配限制条件；
S5：基于用户和速率最大化确定用户关联及资源分配策略。
2.根据权利要求1所述的一种多波束卫星通信系统资源分配方法，其特征在于，步骤S4中，所述建模用户-控制器-卫星波束关联限制条件具体包括：
1)控制器与卫星波束的限制条件为
Figure FDA0002635627360000024
其中，A0为常数；
2)用户与波束卫星的限制条件为
Figure FDA0002635627360000025
其中，A1为常数；
3)用户与控制器的限制条件为
Figure FDA0002635627360000026
其中，A2为常数；
4)用户Uk与控制器及波束卫星需满足
Figure FDA0002635627360000027
所述建模资源分配限制条件具体包括：
1)用户Uk的传输功率限制条件为
Figure FDA0002635627360000028
其中，用户Uk的传输功率为
Figure FDA0002635627360000029
Figure FDA00026356273600000210
为用户Uk的最大传输功率；
2)控制器Cm的传输功率限制条件为
Figure FDA00026356273600000211
其中，控制器Cm的传输功率为
Figure FDA00026356273600000212
Figure FDA00026356273600000213
为控制器Cm的最大传输功率；
3)每个用户均存在最低速率
Figure FDA00026356273600000214
且用户Uk传输速率限制条件为
Figure FDA00026356273600000215
Figure FDA00026356273600000216
为用户Uk的最低速率需求；
4)用户-控制器-波束卫星通信系统带宽满足
Figure FDA00026356273600000217
3.根据权利要求2所述的一种多波束卫星通信系统资源分配方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：在满足用户-控制器-卫星波束关联及资源分配限制条件，以用户和速率最大化为目标，优化确定用户及资源分配策略，即：
Figure FDA0002635627360000031
其中，
Figure FDA0002635627360000032
分别表示优化后的αm,n、βk,n、δk,m、
Figure FDA0002635627360000033
Figure FDA0002635627360000034
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