CN109862584B - 功率资源分配方法及应用该方法的多波束卫星通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率资源分配方法，该方法通过将卫星功率单元与各波束传输速率需求建模为供求买卖双方的分配博弈模型，对多波束卫星系统中的功率单元进行分配，以满足各波束传输速率需求，所述方法包括如下步骤：步骤一、分配博弈建模；步骤二、分配博弈买方决策阶段；步骤三、分配博弈卖方决策阶段；步骤四、对分配博弈进行迭代，以确定功率资源分配方案。本发明能够抑制同频波束间同时获得较大功率而导致相互干扰较大的问题，提升了单位功率上的可达传输速率，能有效提升卫星网络性能。

Description

功率资源分配方法及应用该方法的多波束卫星通信系统

技术领域

本发明涉及卫星通信系统中的资源分配技术，尤其是涉及一种用于多波束卫星通信系统中的功率资源分配方法。

背景技术

为了满足人们对卫星提供的高质量与低资费服务的迫切需求，卫星通信系统通过星载多波束配置实现高频谱效率及终端尺寸小型化。而星上灵活载荷与多波束配置方案则进一步提升了多波束卫星系统的频谱利用率。然而，卫星属于典型的资源受限系统，太阳能帆板尺寸等约束使得星上功率极为稀缺，如何在覆盖区域内的多个波束之间对有限的功率资源进行分配是本领域技术人员的研究重点。

现有的动态功率分配方案大多考虑当前各波束业务量及用户分布，且采用诸如蚁群算法、模拟退火算法等群智能优化方法。尽管这些方法在提升系统吞吐量方面性能比较好，但其存在的问题也不可忽视，即上述方法通常需要大量的迭代计算，且算法性能受初始解选取的影响。并且，在卫星多波束场景下，业务量与各波束信道质量的时变特性要求功率分配算法应当具有更快的收敛特性，上述方法在这方面也难以满足需求。

分配博弈方法作为博弈论的一种，由于具有收敛快速与性能较优的特点，已经被应用在例如功率分配等工程领域中。中国专利文献CN104869624B公开了一种基于博弈论的多用户多天线认知无线电系统功率分配方法，该方法采用博弈论算法来优化分配在多用户多天线系统中各个用户节点的发送功率，其首先将每个中继节点的所有天线作为一个整体参与博弈，采用非合作博弈，挑选出其中能够参与通信的中继节点并分配功率，达到纳什均衡后每个节点获得的功率作为它们自身的总功率；然后将每个节点内部的各根天线作为博弈的参与者，在总功率一定的约束条件下进行非合作博弈，得到每个节点内每根天线的实际发送功率。中国专利文献CN104581918B公开了一种基于非合作博弈的卫星跨层联合优化功率分配方法。该方法根据物理层提供的信道状态反馈信息，并考虑不同业务的QoS需要，将业务功率分配问题建模为多业务静态非合作博弈模型，同时根据不同的跨层解决方案在应用层针对不同业务采用相应的编码方式，可以综合提高移动通信系统中用户的通信质量，提升系统性能。

然而，一方面上述方法均包含复杂计算，导致整个过程计算量大，增加了卫星系统计算负担；另一方面，多波束卫星系统中由于波束间同频干扰对功率分配带来的相互耦合关系求解困难，波束可获得传输速率不仅取决于卫星系统为之分配的功率资源，还受到其他同频波束所分配的功率资源的影响，而上述方法由于面对的场景不同，因此难以应用于多波束卫星系统的功率资源分配。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种多波束卫星通信系统中功率资源分配方法，该方法基于分配博弈模型确定波束与功率间的匹配关系，抑制了同频波束间同时获得较大功率而导致相互干扰较大的问题，提升了单位功率上的可达传输速率，提升了卫星系统性能。

本发明的技术方案如下：

一种功率资源分配方法，该方法通过将卫星功率单元与各波束传输速率需求建模为供求买卖双方的分配博弈模型，对多波束卫星系统中的功率单元进行分配，以满足各波束传输速率需求，所述方法包括如下步骤：

步骤一、分配博弈建模，建立以波束为买方、功率单元为卖方且满足预定约束条件的分配博弈模型；

步骤二、分配博弈买方决策阶段，波束根据功率单元的售价以及在选择功率单元后自身可以获得的边界收益，确定待申请的功率单元；

步骤三、分配博弈卖方决策阶段，功率单元根据基于向其申请匹配的波束个数进行卖方决策；

步骤四、对分配博弈进行迭代，以确定功率资源分配方案。

进一步地，将二阶方差作为功率资源分配问题的目标优化函数，即

该目标优化函数用于计算所述边界收益，式中：P_n为卫星系统为每个波束n分配的功率，F_n为对应功率P_n卫星系统为波束n分提供的最大传输速率，N为卫星系统总波束个数。

进一步地，所述步骤二中，波束n对各功率单元可能带来的收益值进行排序，获得收益值由大到小的功率单元偏好排序列表Ω(n)，所述收益值为波束n在获得功率单元时可获得的边界收益与该功率单元对波束n的售价的差。

进一步地，所述步骤二中，波束n从偏好排序列表Ω(n)中选择功率单元进行尝试匹配，计算在该尝试匹配下波束n可以实现的可达传输速率，并根据该可达传输速率F_n与传输速率需求D_n之间的大小关系确实是否将本次尝试匹配的功率单元分配给波束n。

进一步地，所述步骤三中，如果功率单元仅有一个波束请求，则将该功率单元分配给该波束。

进一步地，所述步骤三中，如果功率单元有多个波束请求，则向申请了该功率单元的多个波束调整售价。

进一步地，所述步骤四中，在迭代过程中，如果存在功率单元或波束处于未匹配状态，则根据是否存在波束单元仍需要额外功率单元确定是否结束迭代过程。

进一步地，如果存在波束单元仍需要额外功率单元，则返回所述步骤二，否则结束迭代过程，确定功率资源分配方案。

采用上述方案，本发明实现了波束间同频干扰对功率分配影响机制的建模，通过引入功率单元(卖方)对波束(买方)的调价机制，抑制了同频波束间同时获得较大功率而导致相互干扰较大的问题，提升了单位功率上的可达传输速率，能有效提升卫星网络性能。

附图说明

图1是卫星与多波束之间实现功率分配和传输速率匹配关系示意图；

图2是根据本发明的多波束功率资源分配方法的主要工作流程图；

图3是本发明与现有均匀功率分配方案、比例功率分配方案性能分析对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

本发明提供的基于分配博弈的动态功率资源分配方法，通过将卫星功率与各波束传输速率需求建模为供求买卖双方，经过定价及多次迭代调价，将多波束卫星系统中的动态功率分配最大化满足各波束传输速率需求的问题，建模为分配博弈过程中最大化买卖双方可达收益的过程，并采用多次迭代分配博弈算法解决。所述动态功率资源分配方法具体包括如下步骤：

步骤一、分配博弈建模

多波束卫星系统对于其覆盖范围采用多波束天线，以形成物理上隔离的多波束区域。假设该卫星系统总波束个数为N，各波束表示为：B＝{n|n＝1,2,...,N}。

设卫星系统下行可用总带宽为B_tot，并且各波束间采用均匀频率复用方案，频率复用因子为M，则每个波束可用带宽为B_tot/M；如果卫星系统为每个波束分配的功率为P_n，则对于波束n，该卫星系统为其提供的吞吐量，即最大传输速率F_n，可由如下公式得出：

式中，函数f_sinr2bps(·)是传输链路的信干噪比SINR到传输速率的映射函数，由系统所采用的调制编码等物理层体制决定；h_n,n为发射机n对接收波束n方向的信道系数，h_n,j为发射机j对接收波束n的信道系数，

为接收波束n的接收机噪声功率，c_j表示波束j占有的载波，c_n表示波束n占有的载波。

卫星系统功率资源分配的目标是基于各波束所需业务传输速率需求D_n，为每个波束按需提供功率资源。同时，要保证系统吞吐量最优与波束间公平性原则，因此本发明采用二阶方差作为功率资源分配问题的目标优化函数，具体如式(2)所示：

除此之外，还应满足卫星系统星上总功率有限条件，即：

其中，P_tot表示星上总功率；以及

满足单波束功率有最大值约束等约束条件，即：

P_n≤P_b,max,1≤n≤N (4)

其中，P_b,max表示单波束功率最大值。

假设将卫星星上总功率P_tot等分为K份，则每份功率单元为P₀＝P_tot/K，所有这些功率单元组成一个可用集合P＝{k|k＝1,2,...,K}，则对于上述场景下功率资源分配问题，可以建模为如下买卖双方匹配问题：波束是资源请求者，建模为买方，试图以一定价格购买功率资源以获得传输机会；而功率是资源拥有者，建模为卖方，试图通过出售自身使用方式以从买方获得收益。为此，上述买卖分配博弈模型以如下方式定义：

分配博弈Φ为由波束和功率单元组成的集合B∪P到该集合下所有子集组成集合B∪P的映射，即Φ:B∪P→B∪P，且对于所有波束n及功率单元k而言，满足如下三个条件：

(1)

且Φ(k)∈B；

即波束n匹配的对象应当属于功率单元集合，同时功率单元k匹配的对象应当属于波束集合。

同时，波束n匹配的对象，即功率单元，可能不止一个，是一个集合，即属于功率单元集合的子集；而功率匹配的对象，即波束，仅1个，即属于波束集合的元素。

(2)|Φ(k)|≤1,1≤k≤K，即对于功率单元k而言，其匹配的波束个数不超过1个；

(3)k∈Φ(n)，当且仅当，n∈Φ(k)，即功率单元k与波束n匹配，当且仅当波束n也与功率单元k匹配。

基于前述分配博弈模型，对卖方售价与买方决策进行初始化：设功率单元k对波束n的售价为β_k,n，波束n在获得功率单元k时可获得的边界收益为δ_k,n。该边界收益为δ_k,n即获得功率单元k前后，该波束n的对其目标优化函数的贡献值，可通过前述公式(2)计算得出。进而，波束n在选择功率单元k时，波束n作为买方的收益为：

v_k,n＝δ_k,n-β_k,n (5)

步骤二、分配博弈买方决策阶段

波束作为分配博弈的买方，其主要考虑作为卖方的功率单元的售价以及各卖方对自己可能的收益来确定待申请的卖方。因此，波束n根据公式(5)对各功率单元可能带来的收益值进行排序，获得收益值由大到小的功率单元偏好排序列表Ω(n)，该排序Ω(n)体现了买方波束n对卖方偏好的排序。

根据自身业务量需求，波束在向卖方进行功率单元申请时，可能向一个或多个功率单元发起申请。

设L(n)为波束n发起申请的功率单元的申请集合列表，则本发明通过以下步骤确定该功率单元申请集合列表L(n)：

子步骤21：初始化波束n、每个波束n的申请集合列表L(n)，使得n＝0，

子步骤22：判断是否所有波束均已完成买方决策，即判断n是否大于等于N，如果否，则令n＝n+1；否则，则结束买方决策过程。

子步骤23：针对波束n从当前的偏好排序列表Ω(n)中选择一个最为偏好的功率单元k，进行尝试匹配；

子步骤24：计算在该尝试匹配下，波束n可以实现的可达传输速率F_n，并判断该可达传输速率F_n与传输速率需求D_n之间的大小关系。

如果可达传输速率F_n小于传输速率需求D_n，即F_n≤D_n，则将该功率单元k加入申请集合列表L(n)，将该功率单元k从当前的偏好排序列表Ω(n)中删除，返回子步骤22；

否则，如果可达传输速率F_n大于等于传输速率需求D_n，即F_n≥D_n，则将本次尝试匹配的功率单元k分配给波束n，即令k∈Φ(n)，提前结束本次循环，返回子步骤22，即跳转至下一个波束。

步骤三、分配博弈卖方决策阶段

对每个功率单元k，基于向其申请匹配的波束个数而做如下决策：

如果仅有一个波束请求了该功率单元k，即

则将该功率单元分配给该申请波束；

如果多于一个波束请求了该功率单元k，即

则向申请了该功率单元k多个波束调整价格。具体而言，将功率单元k对波束n的售价为β_k,n增加售价ε，即β_k,n＝β_k,n+ε,n∈L(k)；

如果没有波束申请该功率单元k，即

则保持该功率单元k现有状态，且维持其向各波束售价不变。

步骤四、对分配博弈进行迭代，以确定功率资源分配方案

判断是否仍有功率单元或波束处于未匹配状态，根据功率单元和波束未匹配的状态进行如下操作：

如果功率单元全匹配，即|Φ(k)|＝1,1≤k≤K，则结束当前匹配迭代过程，跳转至步骤五；

如果功率单元未全匹配，|Φ(k)|＝0,

即存在功率单元k仍处于未匹配的状态，则进行如下判断：

如果所有波束单元都不再需要额外功率单元，即对任意波束n，都有F_n≥D_n，结束当前匹配迭代过程，跳转至步骤五；

如果存在波束单元仍需额外功率单元，即

Fn<Dn，跳转至步骤二；

步骤五、保存买卖双方匹配结果Φ，将Φ作为最终确定的功率资源分配方案。

下表1示出了基于前述公式(2)定义的目标函数，本发明提出的基于分配博弈的功率资源分配方法与均匀功率分配方案、比例功率分配方案之间的性能对比结果。

表1各功率分配算法下目标函数值与功率增益值

性能	均匀功率分配方案	比例功率分配方案	本发明功率分配方案
				目标函数值	1.26×10<sup>18</sup>	5.35×10<sup>17</sup>	3.07×10<sup>17</sup>
功率增益值	0dB	2.49dB	3.86dB

其中，上述表1中的功率增益定义为：以在目标功率分配算法下，单位星上功率取得的目标函数值为参考，均匀功率分配方案取得该相同目标函数值时，需要为之额外付出的星上功率开销，即如下公式所示：

其中，P_b,UPA为均匀功率分配方案下各波束获得的功率值，P_n,a为波束n在算法a(比例功率分配方案、本发明的功率分配方案)下获得的功率值。可以看出，本发明提供的方案可降低系统定义的网络开销，即更大程度满足各波束业务量需求。

本领域技术人员所熟知的，对于一给定波束而言，其可获得传输速率不仅取决于卫星网络为之分配的功率资源，还受到其他同频波束所分配的功率资源的影响。而本发明提供的上述功率资源分配方法有效应对了由于波束间同频干扰对功率分配带来的相互耦合关系求解难题。

具体而言，本发明提供的基于分配博弈的功率资源分配方法通过合理确定波束与功率间的匹配关系，实现了波束间同频干扰对功率分配影响机制的建模，通过引入功率单元(卖方)对波束(买方)的调价机制，抑制了同频波束间同时获得较大功率而导致相互干扰较大的问题，提升了单位功率上的可达传输速率，提升了系统性能。

上述上表1的实验结果表明，本发明提供的功率资源分配方法能有效提升卫星网络性能，表明了该方法在卫星网络功率资源分配方面的有效性。

本发明同时也公开了一种多波束卫星通信系统，包括多波束天线以及功率单元，其中，所述多波束天线与功率单元依照上述功率资源分配方法进行匹配。

Claims (7)

1.一种功率资源分配方法，该方法通过将卫星功率单元与各波束传输速率需求建模为供求买卖双方的分配博弈模型，对多波束卫星系统中的功率单元进行分配，以满足各波束传输速率需求，所述方法包括如下步骤：

步骤一、分配博弈建模，建立以波束为买方、功率单元为卖方且满足预定约束条件的分配博弈模型；所述分配博弈模型以如下方式定义：

分配博弈Φ为由波束和功率单元组成的集合

到该集合下所有子集组成集合

的映射，波束集合

功率单元集合

且对于所有波束n及功率单元k而言，满足如下三个条件：

(1)

且Φ(k)∈B，即波束n匹配的对象应当属于功率单元集合，同时功率单元k匹配的对象应当属于波束集合；

(2)|Φ(k)|≤1,1≤k≤K，即对于功率单元k而言，其匹配的波束个数不超过1个；

(3)k∈Φ(n)，当且仅当，n∈Φ(k)，即功率单元k与波束n匹配，当且仅当波束n也与功率单元k匹配；

步骤二、分配博弈买方决策阶段，波束根据功率单元的售价以及在选择功率单元后自身可以获得的边界收益，确定待申请的功率单元；其中，波束n对各功率单元可能带来的收益值进行排序，获得收益值由大到小的功率单元偏好排序列表Ω(n)，所述收益值为波束n在获得功率单元时可获得的边界收益与该功率单元对波束n的售价的差；波束n从偏好排序列表Ω(n)中选择功率单元进行尝试匹配，计算在该尝试匹配下波束n可以实现的可达传输速率F_n，并根据该可达传输速率F_n与传输速率需求D_n之间的大小关系确实是否将本次尝试匹配的功率单元分配给波束n；

步骤三、分配博弈卖方决策阶段，功率单元基于向其申请匹配的波束个数进行卖方决策；其中，如果功率单元仅有一个波束请求，则将该功率单元分配给该波束，如果功率单元有多个波束请求，则向申请了该功率单元的多个波束调整售价；

步骤四、对分配博弈进行迭代，以确定功率资源分配方案。

2.根据权利要求1所述的功率资源分配方法，其特征在于：将二阶方差作为功率资源分配问题的目标优化函数，即

该目标优化函数用于计算所述边界收益；式中，P_n为卫星系统为每个波束n分配的功率，F_n为对应卫星系统为每个波束n分配的功率卫星系统为波束n提供的最大传输速率，N为卫星系统总波束个数。

3.根据权利要求1所述的功率资源分配方法，其特征在于：所述步骤三中，如果功率单元仅有一个波束请求，则将该功率单元分配给该波束。

4.根据权利要求1所述的功率资源分配方法，其特征在于：所述步骤三中，如果功率单元有多个波束请求，则向申请了该功率单元的多个波束调整售价。

5.根据权利要求1所述的功率资源分配方法，其特征在于：所述步骤四中，在迭代过程中，如果存在功率单元或波束处于未匹配状态，则根据是否存在波束单元仍需要额外功率单元确定是否结束迭代过程。

6.根据权利要求5所述的功率资源分配方法，其特征在于：如果存在波束单元仍需要额外功率单元，则返回所述步骤二，否则结束迭代过程，确定功率资源分配方案。

7.一种多波束卫星通信系统，包括多波束天线以及多个功率单元，其中，所述多波束天线与所述功率单元依照权利要求1-6任一项所述的功率资源分配方法进行匹配。

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