CN110461002B - 数字信道化卫星通信系统效益优化方法及装置 - Google Patents

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CN110461002B CN201910755931.5A CN201910755931A CN110461002B CN 110461002 B CN110461002 B CN 110461002B CN 201910755931 A CN201910755931 A CN 201910755931A CN 110461002 B CN110461002 B CN 110461002B
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Abstract

本发明提供了一种数字信道化卫星通信系统效益优化方法及装置，涉及数字信道化通信卫星的技术领域，方法包括：获取数字信道化卫星通信系统模型的状态参数，根据状态参数确定系统效益的第一目标函数
Figure DDA0002167325090000011
以及第一约束条件；根据卫星上各个链路的理想增益与工作点的关系将第一目标函数
Figure DDA0002167325090000012
以及第一约束条件转换为第二目标函数
Figure DDA0002167325090000013
以及第二约束条件，其中第二约束条件为关于工作点向量
Figure DDA0002167325090000014
的不等式；求取使得第二目标函数取得最大值时的工作点向量
Figure DDA0002167325090000015
的分布，根据工作点向量
Figure DDA0002167325090000016
的分布求取卫星上最佳的链路增益分配向量
Figure DDA0002167325090000017
将最佳的链路增益分配向量
Figure DDA0002167325090000018
发送至卫星；本发明能够为卫星提供使得系统效益最大化的各个链路增益分配方案。

Description

数字信道化卫星通信系统效益优化方法及装置
技术领域
本发明涉及数字信道化通信卫星技术领域，尤其是涉及一种数字信道化卫星通信系统效益优化方法及装置。
背景技术
在通信卫星系统中，由于高功率放大器的非线性效应的存在，将会给下行信号带来增益压缩及交调效应，最终导致卫星转发器功率利用率及通信容量的下降。为解决上述问题，众多学者展开了大量工作。目前，这些研究工作仅仅致力于获得系统最小转发功率或最大通信容量，未考虑不同链路之间对通信容量的需求差异。现如今，卫星通信已成为5G技术的重要发展领域之一。在未来的商业运营中，不同链路将会依据其不同的容量需求采用不同的价格策略。因此如何合理地分配各链路容量从而使系统获得最大的经济效益，成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种数字信道化卫星通信系统效益优化方法及装置，能够为卫星提供使得系统效益最大化的各个链路增益分配方案，从而使得系统获得最大的经济效益，有效缓解高功放非线性效应，有效提高卫星转发器的资源利用率。
第一方面，本发明提供的一种数字信道化卫星通信系统效益优化方法，应用于卫星地面控制系统，包括：
获取数字信道化卫星通信系统模型的状态参数；
根据所述状态参数确定系统效益的第一目标函数
Figure BDA0002167325070000021
以及第一约束条件，其中，
Figure BDA0002167325070000022
z均为预先确定的状态参数，
Figure BDA0002167325070000023
为卫星转发器接收到的各个链路的信号功率所组成的向量，
Figure BDA0002167325070000024
为卫星上各个链路的理想增益所组成的向量，z为卫星转发器工作点，第一约束条件为关于发送终端有效全向辐射功率E的不等式以及关于链路信干噪比CI的不等式；
根据卫星上各个链路的理想增益与工作点的关系将所述第一目标函数
Figure BDA0002167325070000025
以及第一约束条件转换为第二目标函数
Figure BDA0002167325070000026
以及第二约束条件；其中，所述第二约束条件为关于工作点向量
Figure BDA0002167325070000027
的不等式，
Figure BDA0002167325070000028
为卫星转发器各个链路的工作点所组成的向量；
求取使得第二目标函数取得最大值时的工作点向量
Figure BDA0002167325070000029
的分布，根据所述工作点向量
Figure BDA00021673250700000210
的分布求取卫星上最佳的链路增益分配向量
Figure BDA00021673250700000211
将所述最佳的链路增益分配向量
Figure BDA00021673250700000212
发送至卫星，以使卫星根据所述最佳的链路增益分配向量
Figure BDA00021673250700000213
进行分配。
第二方面，本发明提供的一种数字信道化卫星通信系统效益优化装置，应用于卫星地面控制系统，包括获取模块、第一目标函数模块、第二目标函数模块、分配方案求取模块和分配模块；
所述获取模块用于获取数字信道化卫星通信系统模型的状态参数；
所述第一目标函数模块用于根据所述状态参数确定系统效益的第一目标函数
Figure BDA00021673250700000214
以及第一约束条件，其中，
Figure BDA00021673250700000215
z均为预先确定的状态参数，
Figure BDA00021673250700000216
为卫星转发器接收到的各个链路的信号功率所组成的向量，
Figure BDA00021673250700000217
为卫星上各个链路的理想增益所组成的向量，z为卫星转发器工作点，第一约束条件为关于发送终端有效全向辐射功率E的不等式以及关于链路信干噪比CI的不等式；
所述第二目标函数模块用于根据卫星上各个链路的理想增益与工作点的关系将所述第一目标函数
Figure BDA0002167325070000031
以及第一约束条件转换为第二目标函数
Figure BDA0002167325070000032
以及第二约束条件；其中，所述第二约束条件为关于工作点向量
Figure BDA0002167325070000033
的不等式，
Figure BDA0002167325070000034
为卫星转发器各个链路的工作点所组成的向量；
所述分配方案求取模块用于求取使得第二目标函数取得最大值时的工作点向量
Figure BDA0002167325070000035
的分部，根据所述工作点
Figure BDA0002167325070000036
的分布求取卫星上最佳的链路增益分配向量
Figure BDA0002167325070000037
所述分配模块用于将所述最佳的链路增益分配向量
Figure BDA0002167325070000038
发送至卫星，以使卫星根据所述最佳的链路增益分配向量
Figure BDA0002167325070000039
进行分配。
第三方面，本发明提供的一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面所述的方法的步骤。
第四方面，一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，所述程序代码使所述处理器执行第一方面所述的方法。
本发明提供的一种数字信道化卫星通信系统效益优化方法及装置，通过获取的数字信道化卫星通信系统模型确定状态参数；通过状态参数确定第一目标函数以及第一约束条件，根据各个链路的理想增益与工作点的关系确定关于工作点的第二目标函数以及第二约束条件；求取第二目标函数的最大值，以及取得最大值时工作点的值，即工作点向量的分布；再根据各个链路的理想增益与工作点的关系，求取各个链路的增益，从而得到各个链路的增益分配方案；本发明能够为卫星提供使得系统效益最大化的各个链路增益分配方案，从而使得系统获得最大的经济效益，有效缓解高功放非线性效应，有效提高卫星转发器的资源利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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他的附图。
图1为本发明实施例提供的数字信道化卫星通信系统效益优化方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的数字信道化卫星通信系统效益优化方法的数字信道化卫星通信系统模型的原理图；
图3为本发明实施例提供的数字信道化卫星通信系统效益优化方法的数值实验结果示意图；
图4为本发明实施例提供的数字信道化卫星通信系统效益优化装置的原理图；
图5为本发明实施例提供的电子设备的原理图。
图标：41-获取模块；42-第一目标函数模块；43-第二目标函数模块；44-分配方案求取模块；45-分配模块；100-电子设备；101-通信接口；102-处理器；103-存储器；104-总线。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，针对高功率放大器的非线性效应给下行信号带来增益压缩及交调效应，最终导致卫星转发器功率利用率及通信容量的下降的问题，Marshall首次建立了数字信道化通信卫星系统模型，并证实了该系统可有效缓解高功放的非线性效应，原因在于在数字信道化系统中可以对不同链路的增益分别进行调节。这之后，Marshall和Kenneth利用梯度搜索算法来最小化高功放的输出功率。阳志明则提出了一种可变邻域搜索(VNS)算法来最小化最大链路输出功率。近来，Pham博士则采用了统计优化控制算法来优化各链路可选增益从而提高系统稳定性。但是以上工作均未考虑如何提高系统通信容量的问题。
针对提高系统通信容量的问题，Chunli,L.和Yan,J.等采用了多维优化(MO)算法来获得系统最高通信容量。基于此，Chen,X.则提出了EMO算法来降低MO算法的计算复杂度，但是该算法所获得的最高通信容量却比MO算法略低。但这些文献却仅致力于获得系统最大通信容量，未考虑不同链路之间对通信容量的需求差异。
未来，偏远山区、沙漠和海洋等地面基站覆盖不到的区域需要通过卫星宽带网络实现5G的覆盖，因此，卫星通信已成为5G技术的重要发展领域之一，如何合理分配链路容量使得系统获得最大经济效益是亟待解决的问题。
基于此，本申请提出一种数字信道化卫星通信系统效益优化方法及装置，能够为卫星提供使得系统效益最大化的各个链路增益分配方案，从而使得系统获得最大的经济效益，有效缓解高功放非线性效应，有效提高卫星转发器的资源利用率。
参照图1，本实施例提供的一种数字信道化卫星通信系统效益优化方法，应用于卫星地面控制系统，包括：
步骤S101，获取数字信道化卫星通信系统模型的状态参数。
具体地，本实施例建立的数字信道化卫星通信系统模型如图2所示，其中，各个链路参数如下：
Ei：第i个发送终端的有效全向辐射功率；
ai：第i条链路传输损耗(包含卫星接收天线增益)；
xi：转发器接收到的第i条链路的信号功率；
kTs：转发器的加性噪声频谱密度；
Gi：第i条链路的理想增益；
Bi：第i个滤波器的理想带宽；
B：各滤波器的合计理想带宽；
P：高功放(HPA)的饱和功率；
yi：转发器输出的第i条链路的信号功率；
bi：第i条下行链路传输损耗(包含卫星发射天线增益和地面接收天线增益)；
kTi：第i个地面接收终端加性噪声的频谱密度；
Ri,min：第i条链路的最小信息速率；
CIi：第i条链路的信干噪比。
基于上述模型，定义高功放(HPA)的输出功率与饱和功率的比值为转发器的工作点，其算式如下：
Figure BDA0002167325070000061
此外，定义转发器的增益压缩和交调产物为g(z)和h(z)。对第i条链路，其实际信号增益为Gi/g(z)，交调频谱密度为h(z)P/B，则可得CIi的公式为:
Figure BDA0002167325070000062
其中，
Figure BDA0002167325070000063
设Eb/N0中已考虑链路余量，则为保证链路最小的信息速率，所要求的CIi,min为：
Figure BDA0002167325070000071
步骤S102，根据状态参数确定系统效益的第一目标函数
Figure BDA0002167325070000072
以及第一约束条件，其中，
Figure BDA0002167325070000073
z均为预先确定的状态参数，
Figure BDA0002167325070000074
为卫星转发器接收到的各个链路的信号功率所组成的向量，
Figure BDA0002167325070000075
为卫星上各个链路的理想增益所组成的向量，z为卫星转发器工作点，第一约束条件为关于发送终端有效全向辐射功率E的不等式以及关于链路信干噪比CI的不等式。
具体地，第一目标函数为关于上述模型中系统效益的目标函数，第一约束条件为第一目标函数的约束条件。
Figure BDA0002167325070000076
为各链路增益构成的向量，同样地
Figure BDA0002167325070000077
为卫星转发器接收到的各链路信号功率组成的向量。
步骤S103，根据卫星上各个链路的理想增益与工作点的关系将第一目标函数
Figure BDA0002167325070000078
以及第一约束条件转换为第二目标函数
Figure BDA0002167325070000079
以及第二约束条件；其中，第二约束条件为关于工作点向量
Figure BDA00021673250700000710
的不等式，
Figure BDA00021673250700000711
为卫星转发器各个链路的工作点所组成的向量。
具体地，第二目标函数
Figure BDA00021673250700000712
为关于工作点向量
Figure BDA00021673250700000713
的目标函数，第二约束条件为第二目标函数的约束条件。
步骤S104，求取使得第二目标函数取得最大值时的工作点向量
Figure BDA00021673250700000714
的分布，根据工作点
Figure BDA00021673250700000715
的分布求取卫星上最佳的链路增益分配向量
Figure BDA00021673250700000716
具体地，第二目标函数为转换后的系统效益函数，求取目标函数的最大值，即求取系统的最大效益，然后求取目标函数取得最大值时的工作点向量
Figure BDA00021673250700000717
的分布。根据理想增益与工作点的关系式求取最佳的链路增益分配向量
Figure BDA00021673250700000718
该最佳的链路增益分配向量
Figure BDA00021673250700000719
即为使得卫星转发器取得最大经济效益的链路分配方案。
步骤S105，将最佳的链路增益分配向量
Figure BDA00021673250700000720
发送至卫星，以使卫星根据最佳的链路增益分配向量
Figure BDA00021673250700000721
进行分配。
具体地，本实施例应用于卫星地面控制系统，通过步骤S101-S104得到链路分配方案后，将链路分配方案发送至卫星。
本实施例通过预先获取的系统模型及状态参数确定第一目标函数
Figure BDA0002167325070000081
及第一约束条件；根据各链路中理想增益Gi与工作点zi的关系式，将第一目标函数
Figure BDA0002167325070000082
及第一约束条件转换为关于工作点向量
Figure BDA0002167325070000083
的第二目标函数
Figure BDA0002167325070000084
及第二约束条件；从而将使得效益最大化的优化问题表述为第二目标函数；然后，求取第二目标函数的最大值以及此时的工作点向量
Figure BDA0002167325070000085
的分布；根据工作点向量
Figure BDA0002167325070000086
的分布计算各个链路的增益分配方案，即最佳的链路增益分配向量
Figure BDA0002167325070000087
将该最佳分配方案发送至卫星，从而实现了数字信道化卫星通信系统效益的最大化，实现了卫星通信系统的优化；本发明能够为卫星提供使得系统效益最大化的各个链路增益分配方案，从而使得系统获得最大的经济效益，有效缓解高功放非线性效应，有效提高卫星转发器的资源利用率。
可选地，第一约束条件为下式：
Figure BDA0002167325070000088
上式中，Ei为第i个发送终端的有效全向辐射功率，Ei，max为第i个发送终端的最大有效全向辐射功率；CIi为第i条链路的信干噪比，CIi，min为第i条链路的最小信干噪比。
步骤S102包括：
确定第一目标函数
Figure BDA0002167325070000089
取得最大效益时的第一条件Ei＝Ei,max。
具体地，设各链路的效益权重为Ci，则可得下式：
第一目标函数：
Figure BDA00021673250700000810
第一约束条件：
Figure BDA00021673250700000811
其中，第一约束条件为第一目标函数的约束条件。
根据下式计算卫星上各个链路的理想增益与工作点的关系：
Figure BDA0002167325070000091
上式中xi，max为转发器接收到的第i条链路的最大信号功率，kTs为转发器的加性噪声频谱密度，Bi为第i个滤波器的理想带宽，zi为第i条链路的工作点，Gi为第i条链路的理想增益，且
Figure BDA0002167325070000092
Figure BDA0002167325070000093
具体地，Chunli,L.等已证明，当第一目标函数取得最优值时，必有第一条件Ei＝Ei,max成立。对于第一约束条件中的第二条件CIi≥CIi,min，假设第i条链路信号功率与高功放(HPA)的饱和功率比值为zi，那么可得到第i条链路的理想增益与工作点zi的关系为：
Figure BDA0002167325070000094
将计算得到的理想增益Gi、第一条件以及信干噪比CIi(xi,Gi,z)代入第一目标函数
Figure BDA0002167325070000095
以及第一约束条件，得到第二目标函数
Figure BDA0002167325070000096
以及第二约束条件，第二约束条件为下式：
Figure BDA0002167325070000097
其中，zi为第i条链路对应的工作点，zi，min为第i条链路满足最小通信需求时的工作点。
具体地，将上式代入约束条件，可得：
Figure BDA0002167325070000101
则可将第一目标函数
Figure BDA0002167325070000102
以及第一约束条件转换为第二目标函数
Figure BDA0002167325070000103
以及第二约束条件：
Figure BDA0002167325070000104
其中，第二约束条件为第二目标函数的约束条件。
本实施例通过各个链路的理想增益与工作点的关系将第一目标函数
Figure BDA0002167325070000105
以及第一约束条件转换为第二目标函数
Figure BDA0002167325070000106
以及第二约束条件，实现了优化问题的转换，从而为下一步以
Figure BDA0002167325070000107
为中间值进行第二目标函数最大值以及最优解的求取奠定基础。
可选地，步骤S103包括：
构造单峰函数F(z)，其中：
Figure BDA0002167325070000108
上式中，Δz为所有链路满足最小信干噪比CIi,min后剩余可分配至各链路的信号功率，且
Figure BDA0002167325070000109
Prmax为Δz≥0时的固定转发器工作点z时的最优目标函数值；
使用黄金分割法嵌套二分法确定预设区间上单峰函数F(z)取得最大值时工作点向量
Figure BDA00021673250700001010
的分布；其中，采用二分法确定预设区间上单峰函数F(z)的取值以及相对应的工作点向量
Figure BDA00021673250700001011
的分布，使用黄金分割法确定预设区间上单峰函数F(z)取得最大值时对应的工作点向量
Figure BDA00021673250700001012
的分布；根据求得的工作点向量
Figure BDA0002167325070000111
分布，以及各个链路的理想增益与工作点的关系确定最佳的链路增益分配向量
Figure BDA0002167325070000112
具体地，对第二目标函数进行求解时，首先需要在一个固定的z值下，寻找目标函数的最优解，然后寻找使目标函数的解最优的z值。
固定z值后，可设
Figure BDA0002167325070000113
参数Δz代表着，当所有链路的CIi,min满足之后，剩余可供分配至各链路的信号功率。在Δz非负的情况下，本实施例的优化问题转变为如何分配Δz至各链路可使总的经济效益最大。
典型情况下，第二目标函数
Figure BDA0002167325070000114
为转发器工作点z的单峰函数，非常适合黄金分割法的使用。但是，对于一个给定的z值，可能存在Δz<0的情况，使优化问题变得毫无意义，从而破坏了黄金分割法的使用。因此需要去构造一个函数，使当Δz≥0该函数值为Prmax，并且在整个区间上呈现单峰的性质。
将函数h(z)及g(z)代入Δz中，可得其二阶导数为：
Figure BDA0002167325070000115
由此可知，Δz关于转发器工作点z呈现单峰性质。这意味着，对一个给定的z值区间，Δz≥0的取值点必然构成了一个连续区间。则结合Δz及Prmax函数的单峰性质，可构造如下单峰函数：
Figure BDA0002167325070000116
对上述函数使用黄金分割法，即可获得最终优化目标值。其具体计算步骤如下：
步骤1：设给定的z值区间为[za,zb]，使α＝0.618、zprecision＝1×10-2，同时，使zλ＝zb-α·(zb-za)、zμ＝za+α·(zb-za)；
步骤2：通过二分法计算F(zλ)及F(zμ)的值；
步骤3：若zb-za≤zprecision，跳至步骤5；
步骤4：若F(zλ)>F(zμ)，使[za,zb]＝[za,zμ]、zμ＝zλ、F(zμ)＝F(zλ)、zλ＝zb-α·(zb-za)；通过二分法计算F(zλ)；否则，使[za,zb]＝[zλ,zb]、zλ＝zu、F(zλ)＝F(zμ)、zμ＝za+α·(zb-za)，通过二分法计算F(zμ)；跳至步骤3；
步骤5：获取F(z)的最大值max{F(zλ),F(zμ)}。
可选地，采用二分法确定预设区间上单峰函数F(z)的值的步骤包括：
求取F(z)关于第i条链路的工作点zi的一阶偏导Di(zi)；
采用二分法求取满足下式的m值：
Figure BDA0002167325070000121
其中，m为将Δz始终分配到一阶偏导最大的链路上时相应链路的最终偏导值；Di -1(m)为偏导值为m时一阶偏导的最大根，Q为偏导值为m的链路的集合。
具体地，求出目标函数
Figure BDA0002167325070000122
关于zi的偏导：
Figure BDA0002167325070000123
由于Δz为剩余可供分配至各链路的信号功率，为了得到最大效益，需要将剩余功率Δz始终分配至偏导最大的链路上，则考虑极限情况，最终可分配到剩余功率的链路，必然具有相同的偏导值。假设该偏导值为m，这些链路的集合为Q，则问题将转变为寻找满足下式的m值：
Figure BDA0002167325070000124
其中，Di -1(m)代表着等式Di(zi)＝m的最大根。明显，上式中，z值随着m值的增大单调递减，因此非常符合二分法的使用场景。其具体计算步骤如下：
步骤1：在固定的z值下计算zi,min，Δz和Di(zi,min)；若Δz为负，则该z值不可用。
步骤2：计算最大的Di(zi,min)，假设其链路序号为k；
步骤3：分别使m值的上限、下限及精度为mmax＝Dk(zk,min)，mmin＝Dk(zk,min+Δz)和mprecision＝1×10-4；
步骤4：若mmax-mmin≤mprecision，则跳至步骤7；否则使mmid＝(mmax+mmin)/2；
步骤5：按下列公式计算zi:
Figure BDA0002167325070000131
步骤6：若
Figure BDA0002167325070000132
则mmin＝mmid；否则mmax＝mmid。转至步骤4；
步骤7：计算
Figure BDA0002167325070000133
本实施例的有益效果如下：
本实施例能够得到的数字信道化卫星通信系统的最佳链路分配方案，合理分配各链路信号增益，以获得最大化的系统效益；进而通过分别设置各链路信号增益的方式，以获得对高功放的非线性效应的缓解，从而有效提高转发器的资源利用率。
下面通过数值实现对本实施例的有益效果加以说明。
将给不同链路设置不同的经济效益权值。主要考虑以下两类常见价格策略：通过链路服务时间收费，此时权重为0；通过链路流量消耗收费，此时权重是一个对应于具体价格的归一化的非零值。例如，对应于高收费链路(例如远洋链路)，将取较大的权值，而对于低收费链路(例如城市链路)，将会取较小权值。各链路所取权值设置如表1所示。
表1
Figure BDA0002167325070000141
分别使用传统优化算法及本实施例的方法，可得优化结果如图3所示。其中，Marshall提出的算法为其2002年发表的不同增益状态下卫星通信容量分析方法；MS算法(多层搜索算法)即为本实施例提出的数字信道化卫星通信系统效益优化方法。结果显示，在上述表1中的参数设计下，本文所提供的方法可取得约6％的经济效益的提升。
参照图4，本发明实施例提供的一种数字信道化卫星通信系统效益优化装置，应用于卫星地面控制系统，包括获取模块41、第一目标函数模块42、第二目标函数模块43、分配方案求取模块44和分配模块45；
获取模块41用于获取数字信道化卫星通信系统模型的状态参数；
第一目标函数模块42用于根据状态参数确定系统效益的第一目标函数
Figure BDA0002167325070000142
以及第一约束条件，其中，
Figure BDA0002167325070000143
z均为预先确定的状态参数，
Figure BDA0002167325070000144
为卫星转发器接收到的各个链路的信号功率所组成的向量，
Figure BDA0002167325070000145
为卫星上各个链路的理想增益所组成的向量，z为卫星转发器工作点，第一约束条件为关于发送终端有效全向辐射功率E的不等式以及关于链路信干噪比CI的不等式；
第二目标函数模块43用于根据卫星上各个链路的理想增益与工作点的关系将第一目标函数
Figure BDA0002167325070000151
以及第一约束条件转换为第二目标函数
Figure BDA0002167325070000152
以及第二约束条件；其中，第二约束条件为关于工作点向量
Figure BDA0002167325070000153
的不等式，
Figure BDA0002167325070000154
为卫星转发器各个链路的工作点所组成的向量；
分配方案求取模块44用于求取使得第二目标函数取得最大值时的工作点向量
Figure BDA0002167325070000155
的分布，得到
Figure BDA0002167325070000156
的最优值，根据工作点
Figure BDA0002167325070000157
的分布求取卫星上最佳的链路增益分配向量
Figure BDA0002167325070000158
所述分配模块45用于将所述最佳的链路增益分配向量
Figure BDA0002167325070000159
发送至卫星，以使卫星根据所述最佳的链路增益分配向量
Figure BDA00021673250700001510
进行分配。
可选地，第一约束条件为下式：
Figure BDA00021673250700001511
上式中，Ei为第i个发送终端的有效全向辐射功率，Ei，max为第i个发送终端的最大有效全向辐射功率；CIi为第i条链路的信干噪比，CIi，min为第i条链路的最小信干噪比；
第二目标函数模块43包括确定模块和代入模块；
确定模块用于确定第一目标函数
Figure BDA00021673250700001512
取得最大效益时的第一条件Ei＝Ei,max；
根据下式计算卫星上各个链路的理想增益与工作点的关系：
Figure BDA00021673250700001513
上式中xi，max为转发器接收到的第i条链路的最大信号功率，kTs为转发器的加性噪声频谱密度，Bi为第i个滤波器的理想带宽，zi为第i条链路的工作点，Gi为第i条链路的理想增益；
代入模块用于将计算得到的理想增益Gi、第一条件以及信干噪比CIi(xi,Gi,z)代入第一目标函数
Figure BDA0002167325070000161
以及第一约束条件，得到第二目标函数
Figure BDA0002167325070000162
以及第二约束条件，第二约束条件为下式：
Figure BDA0002167325070000163
其中，zi，min为第i条链路满足最小通信需求时的工作点。
可选地，分配方案求取模块44包括构造模块和求取模块；
构造模块用于构造单峰函数F(z)，其中：
Figure BDA0002167325070000164
上式中，Δz为所有链路满足最小信干噪比CIi,min后剩余可分配至各链路的信号功率，且
Figure BDA0002167325070000165
Prmax为Δz≥0时的固定转发器工作点z时的最优目标函数值；
求取模块用于使用黄金分割法嵌套二分法确定预设区间上单峰函数F(z)取得最大值时工作点向量
Figure BDA0002167325070000166
的分布；其中，采用二分法确定预设区间上单峰函数F(z)的取值以及相对应的工作点向量
Figure BDA0002167325070000167
的分布，使用黄金分割法确定预设区间上单峰函数F(z)取得最大值时对应的工作点向量
Figure BDA0002167325070000168
的分布；根据求得的工作点向量
Figure BDA0002167325070000169
分布，以及各个链路的理想增益与工作点的关系确定最佳的链路增益分配向量
Figure BDA00021673250700001610
可选地，求取模块包括偏导模块、第一计算模块和第二计算值模块：
偏导模块用于求取F(z)关于第i条链路的工作点zi的一阶偏导Di(zi)；
第一计算模块用于采用二分法求取满足下式的m值：
Figure BDA00021673250700001611
其中，m为将Δz始终分配制一阶偏导最大的链路上时相应链路的最终导值；Di -1(m)为偏导值为m时一阶偏导的最大根，Q为偏导值为m的链路的集合；
所述第二计算模块用于根据求得的m值求取单峰函数F(z)的取值以及工作点向量
Figure BDA0002167325070000171
的分布。
参见图5，本发明实施例还提供了一种电子设备100，包括通信接口101、处理器102、存储器103以及总线104，处理器102、通信接口101和存储器103通过总线104连接；上述存储器103用于存储支持处理器102执行上述数字信道化卫星通信系统效益优化方法的计算机程序，上述处理器102被配置为用于执行该存储器103中存储的程序。
可选地，本发明实施例还提供一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，程序代码使处理器执行如上述数字信道化卫星通信系统效益优化方法。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种数字信道化卫星通信系统效益优化方法，应用于卫星地面控制系统，其特征在于，包括：
获取数字信道化卫星通信系统模型的状态参数；
根据所述状态参数确定系统效益的第一目标函数
Figure FDA0002430427400000011
以及第一约束条件，其中，
Figure FDA0002430427400000012
z均为预先确定的状态参数，
Figure FDA0002430427400000013
为卫星转发器接收到的各个链路的信号功率所组成的向量，
Figure FDA0002430427400000014
为卫星上各个链路的理想增益所组成的向量，z为卫星转发器工作点，第一约束条件为下式：
Figure FDA0002430427400000015
上式中，Ei为第i个发送终端的有效全向辐射功率，Ei，max为第i个发送终端的最大有效全向辐射功率；CIi为第i条链路的信干噪比，CIi，min为第i条链路的最小信干噪比；
确定所述第一目标函数
Figure FDA0002430427400000016
取得最大效益时的第一条件Ei＝Ei,max；
根据下式计算卫星上各个链路的理想增益与工作点的关系：
Figure FDA0002430427400000017
上式中xi，max为转发器接收到的第i条链路的最大信号功率，kTs为转发器的加性噪声频谱密度，Bi为第i个滤波器的理想带宽，zi为第i条链路的工作点，Gi为第i条链路的理想增益；
将计算得到的理想增益Gi、第一条件以及信干噪比CIi(xi,Gi,z)代入所述第一目标函数
Figure FDA0002430427400000018
以及第一约束条件，得到第二目标函数
Figure FDA0002430427400000019
以及第二约束条件；第二约束条件为关于工作点向量
Figure FDA00024304274000000110
的不等式，
Figure FDA00024304274000000111
为卫星转发器各个链路的工作点所组成的向量；所述第二约束条件为下式：
Figure FDA0002430427400000021
上式中，zi，min为第i条链路满足最小通信需求时的工作点；
求取使得第二目标函数取得最大值时的工作点向量
Figure FDA0002430427400000022
的分布，根据所述工作点向量
Figure FDA0002430427400000023
的分布求取卫星上的最佳的链路增益分配向量
Figure FDA0002430427400000024
将所述最佳的链路增益分配向量
Figure FDA0002430427400000025
发送至卫星，以使卫星根据所述最佳的链路增益分配向量
Figure FDA0002430427400000026
进行分配。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，求取使得第二目标函数取得最大值时的工作点向量
Figure FDA0002430427400000027
的分布，根据所述工作点向量
Figure FDA0002430427400000028
的分布求取卫星上最佳的链路增益分配向量
Figure FDA0002430427400000029
的步骤包括：
构造单峰函数F(z)，其中：
Figure FDA00024304274000000210
上式中，Δz为所有链路满足最小信干噪比CIi,min后剩余可分配至各链路的信号功率，且
Figure FDA00024304274000000211
Prmax为Δz≥0时的固定转发器工作点z时的最优目标函数值；
使用黄金分割法嵌套二分法确定预设区间上单峰函数F(z)取得最大值时工作点向量
Figure FDA00024304274000000212
的分布；其中，采用二分法确定预设区间上单峰函数的取值以及相对应的工作点向量
Figure FDA00024304274000000213
的分布，使用黄金分割法确定预设区间上单峰函数F(z)取得最大值时对应的工作点向量
Figure FDA00024304274000000214
的分布；根据求得的工作点向量
Figure FDA00024304274000000215
分布，以及各个链路的理想增益与工作点的关系确定最佳的链路增益分配向量
Figure FDA00024304274000000216
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，采用二分法确定预设区间上单峰函数F(z)的取值以及相对应的工作点向量
Figure FDA00024304274000000217
的分布的步骤包括：
求取F(z)关于第i条链路的工作点zi的一阶偏导Di(zi)；
采用二分法求取满足下式的m值：
Figure FDA0002430427400000031
其中，m为将Δz始终分配到一阶偏导最大的链路上时相应链路的最终偏导值；Di -1(m)为偏导值为m时一阶偏导的最大根，Q为偏导值为m的链路的集合；
根据求得的m值求取单峰函数F(z)的取值以及工作点向量
Figure FDA0002430427400000032
的分布。
4.一种数字信道化卫星通信系统效益优化装置，应用于卫星地面控制系统，其特征在于，包括获取模块、第一目标函数模块、第二目标函数模块、分配方案求取模块和分配模块；
所述获取模块用于获取数字信道化卫星通信系统模型的状态参数；
所述第一目标函数模块用于根据所述状态参数确定系统效益的第一目标函数
Figure FDA0002430427400000033
以及第一约束条件，其中，
Figure FDA0002430427400000034
z均为预先确定的状态参数，
Figure FDA0002430427400000035
为卫星转发器接收到的各个链路的信号功率所组成的向量，
Figure FDA0002430427400000036
为卫星上各个链路的理想增益所组成的向量，z为卫星转发器的工作点，第一约束条件为下式：
Figure FDA0002430427400000037
上式中，Ei为第i个发送终端的有效全向辐射功率，Ei，max为第i个发送终端的最大有效全向辐射功率；CIi为第i条链路的信干噪比，CIi，min为第i条链路的最小信干噪比；
所述第二目标函数模块包括确定模块和代入模块；
所述确定模块用于确定所述第一目标函数
Figure FDA0002430427400000038
取得最大效益时的第一条件Ei＝Ei,max；
根据下式计算卫星上各个链路的理想增益与工作点的关系：
Figure FDA0002430427400000041
上式中xi，max为转发器接收到的第i条链路的最大信号功率，kTs为转发器的加性噪声频谱密度，Bi为第i个滤波器的理想带宽，zi为第i条链路的工作点，Gi为第i条链路的理想增益；
所述代入模块用于将计算得到的理想增益Gi、第一条件以及信干噪比CIi(xi,Gi,z)代入所述第一目标函数
Figure FDA0002430427400000042
以及第一约束条件，得到第二目标函数
Figure FDA0002430427400000043
以及第二约束条件，所述第二约束条件为关于工作点向量
Figure FDA0002430427400000044
的不等式，
Figure FDA0002430427400000045
为卫星转发器各个链路的工作点所组成的向量；所述第二约束条件为下式：
Figure FDA0002430427400000046
其中，zi，min为第i条链路满足最小通信需求时的工作点；
所述分配方案求取模块用于求取使得第二目标函数取得最大值时的工作点向量
Figure FDA0002430427400000047
的分布，根据所述工作点向量
Figure FDA0002430427400000048
的分布求取卫星上最佳的链路增益分配向量
Figure FDA0002430427400000049
所述分配模块用于将所述最佳的链路增益分配向量
Figure FDA00024304274000000410
发送至卫星，以使卫星根据所述最佳的链路增益分配向量
Figure FDA00024304274000000411
进行分配。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述分配方案求取模块包括构造模块和求取模块；
所述构造模块用于构造单峰函数F(z)，其中：
Figure FDA00024304274000000412
上式中，Δz为所有链路满足最小信干噪比CIi,min后剩余可分配至各链路的信号功率，且
Figure FDA0002430427400000051
Prmax为Δz≥0时的固定转发器工作点z时的最优目标函数值；
所述求取模块用于使用黄金分割法嵌套二分法确定预设区间上单峰函数F(z)取得最大值时工作点向量
Figure FDA0002430427400000052
的分布；其中，采用二分法确定预设区间上单峰函数F(z)的取值以及相对应的工作点向量
Figure FDA0002430427400000053
的分布，使用黄金分割法确定预设区间上单峰函数F(z)取得最大值时对应的工作点向量
Figure FDA0002430427400000054
的分布；根据求得的工作点向量
Figure FDA0002430427400000055
分布，以及各个链路的理想增益与工作点的关系确定最佳的链路增益分配向量
Figure FDA0002430427400000056
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，求取模块包括偏导模块、第一计算模块和第二计算模块：
所述偏导模块用于求取F(z)关于第i条链路的工作点zi的一阶偏导Di(zi)；
所述第一计算模块用于采用二分法求取满足下式的m值：
Figure FDA0002430427400000057
其中，m为将Δz始终分配到一阶偏导最大的链路上时相应链路的最终偏导值；Di -1(m)为偏导值为m时一阶偏导的最大根，Q为偏导值为m的链路的集合；
所述第二计算模块用于根据求得的m值求取单峰函数F(z)的取值以及工作点向量
Figure FDA0002430427400000058
的分布。
7.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至3任一项所述的方法的步骤。
8.一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，其特征在于，所述程序代码使所述处理器执行所述权利要求1至3任一所述方法。
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