CN111865397A - 一种可动态调整的卫星通信网络规划方法 - Google Patents

一种可动态调整的卫星通信网络规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可动态调整的卫星通信网络规划方法，主要包括以下步骤：接收网络规划指令，判断指令类型；对用户组网指令进行带宽、波束覆盖范围、链路预算需求估算；对用户调整指令进行带宽、波束覆盖范围、链路预算调整需求估算，根据估算结果生成资源规划指令，根据资源规划/自主调整指令进行载波资源规划，下发组网/调整预案。本发明能够有效降低资源调整对网络性能和运行状态的影响，支持对已分配资源进行实时监控和自主回收，有效了提高通信资源的利用率、卫星通信网络的灵活性和可控性。

Description

一种可动态调整的卫星通信网络规划方法
技术领域
本发明涉及卫星通信系统技术领域,尤其涉及一种卫星通信网络资源规划方法。
背景技术
卫星通信网络具有通信距离远、覆盖范围广、地形影响小等特点，是信息网络的重要组成部分，在大地域数据传输、偏远地区通信和灾害应急通信等领域发挥着不可替代的作用。卫星通信网络在开设和运行过程中需要对卫星的通信资源进行分配和管理，即进行网络规划活动。卫星通信网络规划活动涉及波束、功率、带宽等多类型资源的统筹规划，存在规划过程环节多，各资源之间关系复杂，网络需求变化时的资源动态调整难度大等问题，同时，受到空间平台载荷、功率和体积等诸多因素的限制，卫星通信终端的资源有限，因此对网络规划方法的资源分配合理性和高效性提出了较高的要求。此外，用户对于卫星通信资源的需求可能随时间发生改变，为了保证用户服务质量，及时回收闲置通信资源，要求卫星通信网络具有动态调整规划的能力。因此，如何实现卫星通信网络的快速规划，满足通信资源分配的合理性、高效性和灵活性，是卫星通信领域亟待解决的关键问题之一。
目前，卫星通信网络规划方法的相关研究主要集中在通信带宽和功率资源的分配算法方面，通过采用不同的优化算法对多种需求的通信业务进行资源分配，从而实现对通信资源的规划。但是，上述研究仅针对网络规划中的资源分配环节进行优化，没有考虑完整的规划流程，且未考虑用户需求发生改变时的网络调整规划，因此难以满足实际卫星网络规划活动的需求。
专利“一种卫星通信网络组网规划方法”(申请号：201810092414.X)提出了卫星资源形式化和组网需求形式化建模方法，但没有对网络规划的具体实施方法进行分析，且没有讨论网络动态调整情况下的规划方法。
发明内容
针对卫星通信网络规划活动涉及波束、功率、带宽等多类型资源的统筹规划，存在规划过程环节多，各资源之间关系复杂，网络需求变化时的资源动态调整难度大等问题，本发明提出的一种可动态调整的卫星通信网络规划方法，主要包括以下步骤：
S1，接收网络规划指令，判断指令类型，如果为用户组网指令，执行步骤S2，如果为用户调整指令，跳转至步骤S3并依次执行其后续步骤，如果为自主调整指令，跳转至步骤S5并依次执行其后续步骤；
S2，进行带宽、波束覆盖范围、链路预算需求估算，跳转至步骤S4并依次执行其后续步骤；
S3，进行带宽、波束覆盖范围、链路预算调整需求估算；
S4，根据估算结果生成资源规划指令；
S5，根据资源规划/自主调整指令进行载波资源规划；
S6，下发组网/调整预案。
步骤S1所述的接收网络规划指令，判断指令类型，网络规划指令主要分为指令类别和网络信息两部分，指令类别Cmd分为用户组网指令、用户调整指令和自主调整调整指令三种，其中用户组网和用户调整指令为经由用户发起的开通网络或对已有网络进行调整的操作，自主调整指令为经由载波监听程序发起的针对长时间空闲资源的自主回收操作；对于用户组网及用户调整指令，网络信息主要包含网络编号Nid、终端信息Tm、网络优先级Pr、网络起止时间Ts和Te五项内容，其中终端信息由终端类型Tt、所属区域管理站As、承载业务Sv、活动区域Mc、带宽需求Bw、链路质量需求Lq组成，网络规划指令表示为(<Cmd>,<Nid,Tm.(Tt,As,Sv,Mc,Bw,Lq),Pr,Ts,Te>)，网络规划指令由<>符号划分为指令头和指令内容两部分，Tm.()中括号内为终端信息Tm的具体组成信息；对于自主调整指令，网络信息主要包含网络编号Nid和波束编号集合Nbm两项内容，其网络规划指令表示为(<Cmd>,<Nid,Nbm>)；负责网络规划活动的中心管理站在接收到网络规划指令后，首先读取指令中的Cmd信息，并根据Cmd信息判断指令类别为用户组网指令、用户调整指令或自主调整调整，进而明确网络规划的内容为新组建网络、调整现有网络或回收空闲网络资源，以进行下一步操作。
步骤S2所述的进行带宽、波束覆盖范围、链路预算需求估算，具体为：
S21，获取网络规划指令中的终端信息，对所有的终端分别遍历步骤S22至S25；
S22，估算终端带宽需求：若网络规划指令中的带宽需求Bw项不为空值null，则直接将带宽需求记为Bw，否则根据终端类型和业务类型对终端带宽需求进行估计，该估计过程为：
Figure BDA0002558782140000031
其中，BTm为终端带宽，Bsv(sv,Tt)为类型为Tt的终端，承载sv类型业务所形成的业务量，sv∈Sv；
S23，从网络规划指令中读取终端所属区域管理站信息Tm.(As)，将终端带宽需求计入区域管理站带宽需求Barea，Barea＝Barea+BTm；
S24，从网络规划指令中读取终端活动区域信息Tm.(Mc)，将活动区域计入所属区域管理站覆盖区域需求Marea，Marea＝Marea∪Mc；
S25，从网络规划指令中读取终端链路质量需求信息Tm.(Lq)，计算链路预算需求
Figure BDA0002558782140000032
其中Pt为功率预算，Lq为终端链路质量需求，即载噪比密度门限值，ηt、ηr分别为发射、接收天线效率，dt、dr分别为发射、接收天线口径，λ为波长，r为链路距离，lo为包含雨衰、大气衰减、器件线路在内的链路损耗，κ为玻尔兹曼常数，ts为接收机噪声温度，将终端链路预算需求计入所属区域管理站链路预算需求Parea，Parea＝max(Parea,Pt)；
S26，重复步骤S22至S25，直至完成全部终端的遍历；
S27，计算网络带宽、波束覆盖范围、链路预算需求总量以及各区域管理站需求量，
Figure BDA0002558782140000033
其中，B、M、P分别为总带宽、波束覆盖范围、链路预算需求，B、M、P分别为各区域管理站带宽、波束覆盖范围、链路预算需求的集合。
步骤S3所述的进行带宽、波束覆盖范围、链路预算调整需求估算，具体为：
S31，遍历网络规划指令中全部终端信息，估算调整后目标网络的带宽、波束覆盖范围、链路预算需求总量B′、M′、P′，以及分布情况B′、M′、P′，估算公式为：
Figure BDA0002558782140000041
S32，根据网络规划指令中的网络编号Nid信息，从中心管理站的网络资源分配情况数据库中获取网络当前带宽、波束覆盖范围、链路预算分配情况，记为B0、M0、P0，和B0、M0、P0；
S33，计算目标网络带宽、波束覆盖范围、链路预算需求与当前分配情况的变化量，获得调整需求，
Figure BDA0002558782140000042
其中，ΔB、ΔM、ΔP分别表示网络总带宽、波束覆盖范围、链路预算调整需求，ΔB、ΔM、ΔP分别表示各区域管理站网络带宽、波束覆盖范围、链路预算调整需求的集合。
步骤S4所述的根据估算结果生成资源规划指令，具体为：资源规划指令表示为(<Cmd>,<Nid,B,M,P,B,M,P,Pr,Ts,Te>)，其中对于用户调整指令，B,M,P,B,M,P对应网络带宽、波束覆盖范围、链路预算的总调整需求和各区域管理站调整需求，即ΔB、ΔM、ΔP、ΔB、ΔM、ΔP。
步骤S5所述的根据资源规划/自主调整指令进行载波资源规划，具体为：
S51，获取当前可用资源情况，包括波束编号、可用带宽、覆盖范围、链路预算；
S52，读取指令类别Cmd信息，判断资源规划指令类型，如果为用户组网指令，执行步骤S54，如果为用户调整指令，执行步骤S55，如果为自主调整指令，执行步骤S53；
S53，根据自主调整指令，确定指令指向网络在波束集合中各波束上占用的带宽资源集合，形成资源调整方案，转至步骤S57；
S54，根据资源规划指令中的用户组网需求和当前可用资源情况，进行资源分配优化，转至步骤S56；
S55，根据资源规划指令中的用户调整需求和当前可用资源情况，进行资源调整优化；
S56，将优化结果按照操作类型集合Opt、波束编号集合Nbm、带宽资源集合Basn的形式，生成资源分配/调整指令的指令内容<Opt，Nbm，Basn>，并与网络Nid组合，形成资源分配/调整方案(<Nid>，<Opt，Nbm，Basn>)，其中Opt＝{Opt1,Opt2,…}，包含分配、回收和指向调整三种操作类型，Nbm＝{Nbm1,Nbm2,…}，Basn＝{Basn1,Basn2,…}，方案中波束编号集合、带宽资源集合和操作类型集合中的内容一一对应，即<Opt1,Nbm1,Basn1>为对卫星通信资源的一个操作，表示对波束Nbm1的带宽Basn1的Opt1类操作；
S57，根据资源分配/调整方案，形成组网/调整预案。
步骤S53具体为：自主调整指令内容包含网络编号Nid和波束编号集合Nbm两项内容，根据Nid可从中心管理站的网络资源分配情况数据库中获得指令指向网络的资源分配情况，对Nbm中的所有波束{Nbm1,Nbm2,…}进行遍历，分别得到网络Nid在各波束上的分配带宽信息Basn＝{Basn1,Basn2,…}，进而将网络编号Nid、波束编号集合Nbm、带宽资源集合Basn和操作类型集合Opt＝{Opt1,Opt2,…}信息结合，形成资源调整方案(<Nid>，<Opt，Nbm，Basn>)，其中操作类型分为分配、回收和指向调整三类。
步骤S54具体为：
S541，对可用波束资源进行遍历，将与资源规划指令中总波束覆盖范围有交集的可用波束，存入候选波束集合Ω，其余波束存入集合Ψ；
S542，计算Ω中所有波束的总覆盖范围
Figure BDA0002558782140000051
其中Mavbi为Ω中第i个波束的覆盖范围，判断Mavb是否能够完全覆盖用户波束覆盖范围需求M，若能覆盖则转至步骤S545；
S543，计算未被覆盖的范围Mblank＝M-M∩Mavb，遍历集合Ψ，判断是否存在未搭载用户网络的波束，若有则将之调整至Mblank位置，形成波束指向调整指令<Opt,Nbm,Point>，此处的Opt为指向调整操作，Nbm为待调整波束编号，Point为指向点信息，并将波束存入Ω，转至步骤S542；
S544，遍历全部可用波束资源，选择波束覆盖范围距Mblank最近的波束，读取波束当前搭载所有用户网络编号集合，判断覆盖范围调整至能够覆盖Mblank后是否影响当前搭载网络运行，若影响则继续遍历直至完成对所有可用波束的分析，若不影响，则形成波束指向调整指令<Opt,Nbm,Point>；
S545，根据调整后Ω中波束的覆盖范围情况和资源规划指令中的B,M,P需求，对波束的带宽和功率资源进行优化分配，若存在部分区域带宽或功率资源不足的情况，则根据网络规划指令中的网络优先级Pr将Ω波束中优先级低于Pr的网络资源调整至当前网络。
步骤S545所述的对波束的带宽和功率资源进行优化分配，具体为：在满足各终端带宽及链路质量需求的前提下，以最小化总带宽、总链路功率、剩余带宽碎片和区域管理站分配波束数量为目标，优化波束及其资源分配，具体优化过程为：
Figure BDA0002558782140000061
Figure BDA0002558782140000062
Figure BDA0002558782140000063
Figure BDA0002558782140000064
其中，g1至g4为优化目标函数，Nasn、Nasni分别为网络当前分配的波束集合和集合中的波束i，Basni为波束i分配给当前网络的带宽，Bavbi为波束i的可用带宽，Pi为波束i的功率，As、Asj分别为区域管理站集合和区域管理站j，μj为区域管理站j所分配的波束数量，Mk为波束k的覆盖范围；利用多目标进化优化算法对上述多目标优化问题进行求解，即可获得载波资源的分配方案。
步骤S55具体为：
S551，根据资源规划指令中的网络编号Nid，从中心管理站的网络资源分配情况数据库中获取网络当前的资源分配情况；
S552，读取资源规划指令中波束覆盖范围的调整需求，若无调整需求，或者调整后的覆盖范围未超出网络当前分配波束的覆盖范围，则转至步骤S557；
S553，网络当前分配的波束集合为Nasn，对卫星所有可用波束进行遍历，将与调整后覆盖范围有交集的波束存入候选波束集合Ω，其余波束存入集合Ψ，随后更新候选波束集合Ω＝Ω-Ω∩Nasn；
S554，计算Ω中所有波束的总覆盖范围
Figure BDA0002558782140000071
和当前分配的波束的总覆盖范围
Figure BDA0002558782140000072
判断Mavb∪Masn是否能够覆盖调整后的覆盖范围，若能覆盖则转至步骤S557；
S555，计算未被覆盖的范围Mblank，遍历集合Ω和Ψ，判断是否存在未搭载用户网络的波束，若有则将之调整至未被覆盖的位置，形成波束指向调整指令<Opt,Nbm,Point>，若波束属于Ψ，则将之存入Ω，随后转至步骤S554；
S556，遍历全部可用波束资源，选择波束覆盖范围距Mblank最近的波束，读取波束当前搭载所有用户网络编号集合，判断覆盖范围调整至能够覆盖Mblank后是否影响当前搭载网络运行，若影响则继续遍历直至完成对所有可用波束的分析，若不影响，则形成波束指向调整指令<Opt,Nbm,Point>；
S557，根据网络中当前分配的波束情况、调整后Ω中波束的覆盖范围情况和资源规划指令中的B,M,P需求，对网络当前已分配波束资源进行删减、新增、调整操作，均记为一次网络调整，以最小化调整规模，即网络调整总数量最少为优化目标，优化波束及其资源分配的调整，即可获得载波资源的调整方案，若存在部分区域带宽或功率资源不足的情况，则根据优先级信息Pr将Ω波束中优先级低于Pr的网络资源调整至当前网络。
本发明的优点在于：
(1)通过用户调整和自主调整两类动态调整规划方式，能够对网络资源进行动态调整，提高了网络的灵活性和可控性，有助于卫星通信资源的规划及管控。
(2)对于用户调整指令，在尽可能满足网络资源调整需求的前提下，以最小化网络调整规模为目标进行优化设计，能够有效降低网络资源调整对网络性能和运行状态的影响。
(3)对于自主调整指令，通过对已分配资源进行实时监控，能够对长期处于闲置状态的通信资源进行回收，从而有效提高资源利用率，避免出现已有网络资源过剩而新网络资源紧张的问题。
附图说明
图1所示为本发明中卫星通信网络规划方法示意图。
具体实施方式
一种可动态调整的卫星通信网络规划方法，主要包括以下步骤：
S1，接收网络规划指令，判断指令类型，如果为用户组网指令，执行步骤S2，如果为用户调整指令，跳转至步骤S3并依次执行其后续步骤，如果为自主调整指令，跳转至步骤S5并依次执行其后续步骤；
S2，进行带宽、波束覆盖范围、链路预算需求估算，跳转至步骤S4并依次执行其后续步骤；
S3，进行带宽、波束覆盖范围、链路预算调整需求估算；
S4，根据估算结果生成资源规划指令；
S5，根据资源规划/自主调整指令进行载波资源规划；
S6，下发组网/调整预案。
步骤S1所述的接收网络规划指令，判断指令类型，网络规划指令主要分为指令类别和网络信息两部分，指令类别Cmd分为用户组网指令、用户调整指令和自主调整调整指令三种，其中用户组网和用户调整指令为经由用户发起的开通网络或对已有网络进行调整的操作，自主调整指令为经由载波监听程序发起的针对长时间空闲资源的自主回收操作；对于用户组网及用户调整指令，网络信息主要包含网络编号Nid、终端信息Tm、网络优先级Pr、网络起止时间Ts和Te五项内容，其中终端信息由终端类型Tt、所属区域管理站As、承载业务Sv、活动区域Mc、带宽需求Bw、链路质量需求Lq组成，网络规划指令表示为(<Cmd>,<Nid,Tm.(Tt,As,Sv,Mc,Bw,Lq),Pr,Ts,Te>)，网络规划指令由<>符号划分为指令头和指令内容两部分，Tm.()中括号内为终端信息Tm的具体组成信息；对于自主调整指令，网络信息主要包含网络编号Nid和波束编号集合Nbm两项内容，其网络规划指令表示为(<Cmd>,<Nid,Nbm>)；负责网络规划活动的中心管理站在接收到网络规划指令后，首先读取指令中的Cmd信息，并根据Cmd信息判断指令类别为用户组网指令、用户调整指令或自主调整调整，进而明确网络规划的内容为新组建网络、调整现有网络或回收空闲网络资源，以进行下一步操作。
步骤S2所述的进行带宽、波束覆盖范围、链路预算需求估算，具体为：
S21，获取网络规划指令中的终端信息，对所有的终端分别遍历步骤S22至S25；
S22，估算终端带宽需求：若网络规划指令中的带宽需求Bw项不为空值null，则直接将带宽需求记为Bw，否则根据终端类型和业务类型对终端带宽需求进行估计，该估计过程为：
Figure BDA0002558782140000091
其中，BTm为终端带宽，Bsv(sv,Tt)为类型为Tt的终端，承载sv类型业务所形成的业务量，sv∈Sv；
S23，从网络规划指令中读取终端所属区域管理站信息Tm.(As)，将终端带宽需求计入区域管理站带宽需求Barea，Barea＝Barea+BTm；
S24，从网络规划指令中读取终端活动区域信息Tm.(Mc)，将活动区域计入所属区域管理站覆盖区域需求Marea，Marea＝Marea∪Mc；
S25，从网络规划指令中读取终端链路质量需求信息Tm.(Lq)，计算链路预算需求
Figure BDA0002558782140000092
其中Pt为功率预算，Lq为终端链路质量需求，即载噪比密度门限值，ηt、ηr分别为发射、接收天线效率，dt、dr分别为发射、接收天线口径，λ为波长，r为链路距离，lo为包含雨衰、大气衰减、器件线路在内的链路损耗，κ为玻尔兹曼常数，ts为接收机噪声温度，将终端链路预算需求计入所属区域管理站链路预算需求Parea，Parea＝max(Parea,Pt)；
S26，重复步骤S22至S25，直至完成全部终端的遍历；
S27，计算网络带宽、波束覆盖范围、链路预算需求总量以及各区域管理站需求量，
Figure BDA0002558782140000093
其中，B、M、P分别为总带宽、波束覆盖范围、链路预算需求，B、M、P分别为各区域管理站带宽、波束覆盖范围、链路预算需求的集合。
步骤S3所述的进行带宽、波束覆盖范围、链路预算调整需求估算，具体为：
S31，遍历网络规划指令中全部终端信息，估算调整后目标网络的带宽、波束覆盖范围、链路预算需求总量B′、M′、P′，以及分布情况B′、M′、P′，估算公式为：
Figure BDA0002558782140000101
估算过程按照步骤S2进行；
S32，根据网络规划指令中的网络编号Nid信息，从中心管理站的网络资源分配情况数据库中获取网络当前带宽、波束覆盖范围、链路预算分配情况，记为B0、M0、P0，和B0、M0、P0；
S33，计算目标网络带宽、波束覆盖范围、链路预算需求与当前分配情况的变化量，获得调整需求，
Figure BDA0002558782140000102
其中，ΔB、ΔM、ΔP分别表示网络总带宽、波束覆盖范围、链路预算调整需求，ΔB、ΔM、ΔP分别表示各区域管理站网络带宽、波束覆盖范围、链路预算调整需求的集合。
步骤S4所述的根据估算结果生成资源规划指令，具体为：资源规划指令表示为(<Cmd>,<Nid,B,M,P,B,M,P,Pr,Ts,Te>)，其中对于用户调整指令，B,M,P,B,M,P对应网络带宽、波束覆盖范围、链路预算的总调整需求和各区域管理站调整需求，即ΔB、ΔM、ΔP、ΔB、ΔM、ΔP。
步骤S5所述的根据资源规划/自主调整指令进行载波资源规划，具体为：
S51，获取当前可用资源情况，包括波束编号、可用带宽、覆盖范围、链路预算；
S52，读取指令类别Cmd信息，判断资源规划指令类型，如果为用户组网指令，执行步骤S54，如果为用户调整指令，执行步骤S55，如果为自主调整指令，执行步骤S53；
S53，根据自主调整指令，确定指令指向网络在波束集合中各波束上占用的带宽资源集合，形成资源调整方案，转至步骤S57；
S54，根据资源规划指令中的用户组网需求和当前可用资源情况，进行资源分配优化，转至步骤S56；
S55，根据资源规划指令中的用户调整需求和当前可用资源情况，进行资源调整优化；
S56，将优化结果按照操作类型集合Opt、波束编号集合Nbm、带宽资源集合Basn的形式，生成资源分配/调整指令的指令内容<Opt，Nbm，Basn>，并与网络Nid组合，形成资源分配/调整方案(<Nid>，<Opt，Nbm，Basn>)，其中Opt＝{Opt1,Opt2,…}，包含分配、回收和指向调整三种操作类型，Nbm＝{Nbm1,Nbm2,…}，Basn＝{Basn1,Basn2,…}，方案中波束编号集合、带宽资源集合和操作类型集合中的内容一一对应，即<Opt1,Nbm1,Basn1>为对卫星通信资源的一个操作，表示对波束Nbm1的带宽Basn1的Opt1类操作；
S57，根据资源分配/调整方案，形成组网/调整预案。
步骤S53具体为：自主调整指令内容包含网络编号Nid和波束编号集合Nbm两项内容，根据Nid可从中心管理站的网络资源分配情况数据库中获得指令指向网络的资源分配情况，对Nbm中的所有波束{Nbm1,Nbm2,…}进行遍历，分别得到网络Nid在各波束上的分配带宽信息Basn＝{Basn1,Basn2,…}，进而将网络编号Nid、波束编号集合Nbm、带宽资源集合Basn和操作类型集合Opt＝{Opt1,Opt2,…}信息结合，形成资源调整方案(<Nid>，<Opt，Nbm，Basn>)，其中操作类型分为分配、回收和指向调整三类。
步骤S54具体为：
S541，对可用波束资源进行遍历，将与资源规划指令中总波束覆盖范围有交集的可用波束，存入候选波束集合Ω，其余波束存入集合Ψ；
S542，计算Ω中所有波束的总覆盖范围
Figure BDA0002558782140000111
其中Mavbi为Ω中第i个波束的覆盖范围，判断Mavb是否能够完全覆盖用户波束覆盖范围需求M，若能覆盖则转至步骤S545；
S543，计算未被覆盖的范围Mblank＝M-M∩Mavb，遍历集合Ψ，判断是否存在未搭载用户网络的波束，若有则将之调整至Mblank位置，形成波束指向调整指令<Opt,Nbm,Point>，此处的Opt为指向调整操作，Nbm为待调整波束编号，Point为指向点信息，并将波束存入Ω，转至步骤S542；
S544，遍历全部可用波束资源，选择波束覆盖范围距Mblank最近的波束，读取波束当前搭载所有用户网络编号集合，判断覆盖范围调整至能够覆盖Mblank后是否影响当前搭载网络运行，若影响则继续遍历直至完成对所有可用波束的分析，若不影响，则形成波束指向调整指令<Opt,Nbm,Point>；
S545，根据调整后Ω中波束的覆盖范围情况和资源规划指令中的B,M,P需求，对波束的带宽和功率资源进行优化分配，若存在部分区域带宽或功率资源不足的情况，则根据网络规划指令中的网络优先级Pr将Ω波束中优先级低于Pr的网络资源调整至当前网络。
步骤S545所述的对波束的带宽和功率资源进行优化分配，具体为：在满足各终端带宽及链路质量需求的前提下，以最小化总带宽、总链路功率、剩余带宽碎片和区域管理站分配波束数量为目标，优化波束及其资源分配，具体优化过程为：
Figure BDA0002558782140000121
Figure BDA0002558782140000122
Figure BDA0002558782140000123
Figure BDA0002558782140000124
其中，g1至g4为优化目标函数，Nasn、Nasni分别为网络当前分配的波束集合和集合中的波束i，Basni为波束i分配给当前网络的带宽，Bavbi为波束i的可用带宽，Pi为波束i的功率，As、Asj分别为区域管理站集合和区域管理站j，μj为区域管理站j所分配的波束数量，Mk为波束k的覆盖范围；利用多目标进化优化算法对上述多目标优化问题进行求解，即可获得载波资源的分配方案。
步骤S55具体为：
S551，根据资源规划指令中的网络编号Nid，从中心管理站的网络资源分配情况数据库中获取网络当前的资源分配情况；
S552，读取资源规划指令中波束覆盖范围的调整需求，若无调整需求，或者调整后的覆盖范围未超出网络当前分配波束的覆盖范围，则转至步骤S557；
S553，网络当前分配的波束集合为Nasn，对卫星所有可用波束进行遍历，将与调整后覆盖范围有交集的波束存入候选波束集合Ω，其余波束存入集合Ψ，随后更新候选波束集合Ω＝Ω-Ω∩Nasn；
S554，计算Ω中所有波束的总覆盖范围
Figure BDA0002558782140000131
和当前分配的波束的总覆盖范围
Figure BDA0002558782140000132
判断Mavb∪Masn是否能够覆盖调整后的覆盖范围，若能覆盖则转至步骤S557；
S555，计算未被覆盖的范围Mblank，遍历集合Ω和Ψ，判断是否存在未搭载用户网络的波束，若有则将之调整至未被覆盖的位置，形成波束指向调整指令<Opt,Nbm,Point>，若波束属于Ψ，则将之存入Ω，随后转至步骤S554；
S556，遍历全部可用波束资源，选择波束覆盖范围距Mblank最近的波束，读取波束当前搭载所有用户网络编号集合，判断覆盖范围调整至能够覆盖Mblank后是否影响当前搭载网络运行，若影响则继续遍历直至完成对所有可用波束的分析，若不影响，则形成波束指向调整指令<Opt,Nbm,Point>；
S557，根据网络中当前分配的波束情况、调整后Ω中波束的覆盖范围情况和资源规划指令中的B,M,P需求，对网络当前已分配波束资源进行删减、新增、调整操作，均记为一次网络调整，以最小化调整规模，即网络调整总数量最少为优化目标，优化波束及其资源分配的调整，即可获得载波资源的调整方案，若存在部分区域带宽或功率资源不足的情况，则根据优先级信息Pr将Ω波束中优先级低于Pr的网络资源调整至当前网络。
实施例1：用户组网场景
为简化实施例描述复杂度，假设共有3个终端参与组网且终端分别属于2个区域管理站，终端信息如下表所示:
表1终端信息
终端T<sub>m,1</sub> 终端T<sub>m,2</sub> 终端T<sub>m,3</sub>
终端类型 T<sub>t,A</sub> T<sub>t,B</sub> T<sub>t,B</sub>
所属区域管理站 A<sub>s，1</sub> A<sub>s，1</sub> A<sub>s，2</sub>
承载业务 s<sub>v,1</sub>、s<sub>v,2</sub> s<sub>v,2</sub>、s<sub>v,3</sub> s<sub>v,1</sub>、s<sub>v,2</sub>、s<sub>v,3</sub>
活动区域 M<sub>c，1</sub> M<sub>c,2</sub> M<sub>c,3</sub>
带宽需求 null B<sub>w,2</sub> B<sub>w,3</sub>
链路质量需求 L<sub>q,1</sub> L<sub>q,2</sub> L<sub>q,3</sub>
用户根据组网需求，生成用户组网指令：
Figure BDA0002558782140000141
其中<EST>表示指令类别为用户组网指令。
假设卫星共有5个波束，其中3个波束有可用通信资源，波束的具体信息如表2所示。
表2波束信息
波束编号 可用带宽 覆盖范围 链路预算
N<sub>bm1</sub> B<sub>avb1</sub> M<sub>1</sub> P<sub>1</sub>
N<sub>bm2</sub> B<sub>avb2</sub> M<sub>2</sub> P<sub>2</sub>
N<sub>bm3</sub> 无 M<sub>3</sub> P<sub>3</sub>
N<sub>bm4</sub> 无 M<sub>4</sub> P<sub>4</sub>
N<sub>bm5</sub> B<sub>avb5</sub> M<sub>5</sub> P<sub>5</sub>
该实施例的具体步骤包括：
(1)接收网络规划指令，判断指令类型
中心管理站在接收到网络规划指令后，首先读取指令头中的指令类别信息，根据信息内容确定本条指令为用户组网指令，进而进行下一步操作。
(2)进行带宽、波束覆盖范围、链路预算需求估算
读取用户组网指令中终端Tm,1的信息Tm,1.(Tt,A,As,1,{sv,1,sv,2},Mc,1,null,Lq,1)，判断得出该终端的带宽需求项为空值null，因此根据终端类型和业务类型对终端带宽需求进行估计，即BTm,1＝Bsv(sv,1,Tt,A)+Bsv(sv,2,Tt,A)，从而得到终端Tm,1的带宽需求；
进一步的，读取终端Tm,1所属区域管理站信息As，1，将终端带宽需求计入区域管理站带宽需求：Barea,1＝Barea,1+BTm,1；
进一步的，读取终端Tm,1的活动区域信息Mc，1，将活动区域计入所属区域管理站覆盖区域需求Marea,1，Marea,1＝Marea,1∪Mc,1；
进一步的，读取终端Tm,1的链路质量需求信息Lq,1，计算链路预算需求Pt,1并计入所属区域管理站链路预算需求Parea,1，Parea,1＝max(Parea,1,Pt,1)；
依次读取终端Tm,2和Tm,3的信息，分别执行上述步骤，最终得到网络带宽、波束覆盖范围、链路预算需求总量以及各区域管理站需求量：
Figure BDA0002558782140000151
(3)根据估算结果生成资源规划指令
资源规划指令为：(<EST>,<Nid,B,M,P,B,M,P,Pr,Ts,Te>)
(4)根据资源规划进行载波资源规划
获取当前波束的可用资源情况，包括各波束的波束编号Nbmi、可用带宽Bavbi、覆盖范围Mi和链路预算Pi。
进一步的，读取资源规划指令类别Cmd信息，信息内容为<EST>，因此判断为用户组网指令。
进一步的，基于资源规划指令中的用户组网需求和当前可用资源情况，进行资源分配优化。
对可用波束资源进行遍历，判断Mi∩M是否为空，若不为空则将波束存入候选波束集合，假设可用波束中波束Nbm1和Nbm5满足条件，得到候选波束集合Ω＝{Nbm1,Nbm5}，其余波束存入集合Ψ＝{Nbm2}。
计算Ω中所有波束的总覆盖范围Mavb＝Mavb1∪Mavb5，判断是否满足
Figure BDA0002558782140000152
此处假设不满足。
计算未被覆盖的范围Mblank＝M-M∩Mavb，遍历集合Ψ＝{Navb2}，判断是否存在未搭载用户网络的波束，假设波束Navb2上没有其他用户业务，将Navb2调整至Mblank位置，同时形成波束指向调整指令<Opt,Nbm2,Point>，并将波束存入Ω。
再次计算Ω中所有波束的总覆盖范围Mavb＝Mavb1∪Mavb2∪Mavb5，假设此时满足
Figure BDA0002558782140000165
条件。
构建波束及其资源分配的多目标优化问题：
Figure BDA0002558782140000161
Figure BDA0002558782140000162
Figure BDA0002558782140000163
Figure BDA0002558782140000164
求解获得载波资源的分配方案，表示为(<Nid>,<Opt,Nbm,Basn>)，其中共包含4条指令，<Opt,Nbm2,Point><Opt,Nbm1,Basn1><Opt,Nbm2,Basn2><Opt,Nbm5,Basn5>，第1条指令中的Opt为指向调整操作，其余指令中Opt为分配操作。
(5)下发组网预案。
实施例2:主调整场景
该实施例的具体步骤包括：
(1)接收网络规划指令，判断指令类型
中心管理站在接收到网络规划指令(<SAJ>,<Nid,Nbm>)后，首先读取指令头中的指令类别信息，此处指令类型为<SAJ>，根据信息内容确定本条指令为自主调整指令，进而进行下一步操作。
此处假设指令内容中Nbm＝{Nbm1,Nbm4}
(2)根据自主调整指令进行载波资源规划
读取指令类别Cmd信息，判断资源规划指令类型。
进一步的根据指令内容中的网络编号Nid，从中心管理站的网络资源分配情况数据库中获得网络Nid的资源分配情况，即网络所分配的波束编号和对应分配的带宽资源，假设资源分配情况如下表所示。
表3网络Nid资源分配情况
波束编号 N<sub>bm1</sub> N<sub>bm2</sub> N<sub>bm4</sub> N<sub>bm5</sub>
分配带宽资源 B<sub>asn1</sub> B<sub>asn2</sub> B<sub>asn4</sub> B<sub>asn5</sub>
对Nbm中的所有波束进行遍历，分别得到网络Nid在波束Nbm1,Nbm4上分配的带宽的情况Basn＝{Basn1,Basn4}，进而将网络编号Nid、波束编号集合Nbm、带宽资源集合Basn和操作类型集合Opt信息结合，形成资源调整方案(<Nid>，<Opt，Nbm，Basn>)，其中操作类型分为回收，方案包含2条指令，<Opt,Nbm1,Basn1>和<Opt,Nbm4,Basn4>。
(3)下发组网预案。

Claims (10)

1.一种可动态调整的卫星通信网络规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，接收网络规划指令，判断指令类型，如果为用户组网指令，执行步骤S2，如果为用户调整指令，跳转至步骤S3并依次执行其后续步骤，如果为自主调整指令，跳转至步骤S5并依次执行其后续步骤；
S2，进行带宽、波束覆盖范围、链路预算需求估算，跳转至步骤S4并依次执行其后续步骤；
S3，进行带宽、波束覆盖范围、链路预算调整需求估算；
S4，根据估算结果生成资源规划指令；
S5，根据资源规划/自主调整指令进行载波资源规划；
S6，下发组网/调整预案。
2.根据权利要求1所述方法，步骤S1所述的接收网络规划指令，判断指令类型，其特征在于，网络规划指令主要分为指令类别和网络信息两部分，指令类别Cmd分为用户组网指令、用户调整指令和自主调整调整指令三种，其中用户组网和用户调整指令为经由用户发起的开通网络或对已有网络进行调整的操作，自主调整指令为经由载波监听程序发起的针对长时间空闲资源的自主回收操作；对于用户组网及用户调整指令，网络信息主要包含网络编号Nid、终端信息Tm、网络优先级Pr、网络起止时间Ts和Te五项内容，其中终端信息由终端类型Tt、所属区域管理站As、承载业务Sv、活动区域Mc、带宽需求Bw、链路质量需求Lq组成，网络规划指令表示为(<Cmd>,<Nid,Tm.(Tt,As,Sv,Mc,Bw,Lq),Pr,Ts,Te>)，网络规划指令由<>符号划分为指令头和指令内容两部分，Tm.()中括号内为终端信息Tm的具体组成信息；对于自主调整指令，网络信息主要包含网络编号Nid和波束编号集合Nbm两项内容，其网络规划指令表示为(<Cmd>,<Nid,Nbm>)；负责网络规划活动的中心管理站在接收到网络规划指令后，首先读取指令中的Cmd信息，并根据Cmd信息判断指令类别为用户组网指令、用户调整指令或自主调整调整，进而明确网络规划的内容为新组建网络、调整现有网络或回收空闲网络资源，以进行下一步操作。
3.根据权利要求1所述方法，步骤S2所述的进行带宽、波束覆盖范围、链路预算需求估算，其特征在于，具体为：
S21，获取网络规划指令中的终端信息，对所有的终端分别遍历步骤S22至S25；
S22，估算终端带宽需求：若网络规划指令中的带宽需求Bw项不为空值null，则直接将带宽需求记为Bw，否则根据终端类型和业务类型对终端带宽需求进行估计，该估计过程为：
Figure FDA0002558782130000021
其中，BTm为终端带宽，Bsv(sv,Tt)为类型为Tt的终端，承载sv类型业务所形成的业务量，sv∈Sv；
S23，从网络规划指令中读取终端所属区域管理站信息Tm.(As)，将终端带宽需求计入区域管理站带宽需求Barea，Barea＝Barea+BTm；
S24，从网络规划指令中读取终端活动区域信息Tm.(Mc)，将活动区域计入所属区域管理站覆盖区域需求Marea，Marea＝Marea∪Mc；
S25，从网络规划指令中读取终端链路质量需求信息Tm.(Lq)，计算链路预算需求
Figure FDA0002558782130000022
其中Pt为功率预算，Lq为终端链路质量需求，即载噪比密度门限值，ηt、ηr分别为发射、接收天线效率，dt、dr分别为发射、接收天线口径，λ为波长，r为链路距离，lo为包含雨衰、大气衰减、器件线路在内的链路损耗，κ为玻尔兹曼常数，ts为接收机噪声温度，将终端链路预算需求计入所属区域管理站链路预算需求Parea，Parea＝max(Parea,Pt)；
S26，重复步骤S22至S25，直至完成全部终端的遍历；
S27，计算网络带宽、波束覆盖范围、链路预算需求总量以及各区域管理站需求量，
Figure FDA0002558782130000023
其中，B、M、P分别为总带宽、波束覆盖范围、链路预算需求，B、M、P分别为各区域管理站带宽、波束覆盖范围、链路预算需求的集合。
4.根据权利要求1所述方法，步骤S3所述的进行带宽、波束覆盖范围、链路预算调整需求估算，其特征在于，具体为：
S31，遍历网络规划指令中全部终端信息，估算调整后目标网络的带宽、波束覆盖范围、链路预算需求总量B′、M′、P′，以及分布情况B′、M′、P′，估算公式为：
Figure FDA0002558782130000031
S32，根据网络规划指令中的网络编号Nid信息，从中心管理站的网络资源分配情况数据库中获取网络当前带宽、波束覆盖范围、链路预算分配情况，记为B0、M0、P0，和B0、M0、P0；
S33，计算目标网络带宽、波束覆盖范围、链路预算需求与当前分配情况的变化量，获得调整需求，
Figure FDA0002558782130000032
其中，ΔB、ΔM、ΔP分别表示网络总带宽、波束覆盖范围、链路预算调整需求，ΔB、ΔM、ΔP分别表示各区域管理站网络带宽、波束覆盖范围、链路预算调整需求的集合。
5.根据权利要求1所述方法，步骤S4所述的根据估算结果生成资源规划指令，其特征在于，具体为：资源规划指令表示为(<Cmd>,<Nid,B,M,P,B,M,P,Pr,Ts,Te>)，其中对于用户调整指令，B,M,P,B,M,P对应网络带宽、波束覆盖范围、链路预算的总调整需求和各区域管理站调整需求，即ΔB、ΔM、ΔP、ΔB、ΔM、ΔP。
6.根据权利要求1所述方法，步骤S5所述的根据资源规划/自主调整指令进行载波资源规划，其特征在于，具体为：
S51，获取当前可用资源情况，包括波束编号、可用带宽、覆盖范围、链路预算；
S52，读取指令类别Cmd信息，判断资源规划指令类型，如果为用户组网指令，执行步骤S54，如果为用户调整指令，执行步骤S55，如果为自主调整指令，执行步骤S53；
S53，根据自主调整指令，确定指令指向网络在波束集合中各波束上占用的带宽资源集合，形成资源调整方案，转至步骤S57；
S54，根据资源规划指令中的用户组网需求和当前可用资源情况，进行资源分配优化，转至步骤S56；
S55，根据资源规划指令中的用户调整需求和当前可用资源情况，进行资源调整优化；
S56，将优化结果按照操作类型集合Opt、波束编号集合Nbm、带宽资源集合Basn的形式，生成资源分配/调整指令的指令内容<Opt，Nbm，Basn>，并与网络Nid组合，形成资源分配/调整方案(<Nid>)，<Opt，Nbm，Basn>)，其中Opt＝{Opt1,Opt2,…}，包含分配、回收和指向调整三种操作类型，Nbm＝{Nbm1,Nbm2,…}，Basn＝{Basn1,Basn2,…}，方案中波束编号集合、带宽资源集合和操作类型集合中的内容一一对应，即<Opt1,Nbm1,Basn1>为对卫星通信资源的一个操作，表示对波束Nbm1的带宽Basn1的Opt1类操作；
S57，根据资源分配/调整方案，形成组网/调整预案。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，步骤S53具体为：自主调整指令内容包含网络编号Nid和波束编号集合Nbm两项内容，根据Nid可从中心管理站的网络资源分配情况数据库中获得指令指向网络的资源分配情况，对Nbm中的所有波束{Nbm1,Nbm2,…}进行遍历，分别得到网络Nid在各波束上的分配带宽信息Basn＝{Basn1,Basn2,…}，进而将网络编号Nid、波束编号集合Nbm、带宽资源集合Basn和操作类型集合Opt＝{Opt1,Opt2,…}信息结合，形成资源调整方案(<Nid>，<Opt，Nbm，Basn>)，其中操作类型分为分配、回收和指向调整三类。
8.根据权利要求6所述方法，其特征在于，步骤S54具体为：
S541，对可用波束资源进行遍历，将与资源规划指令中总波束覆盖范围有交集的可用波束，存入候选波束集合Ω，其余波束存入集合Ψ；
S542，计算Ω中所有波束的总覆盖范围
Figure FDA0002558782130000041
其中Mavbi为Ω中第i个波束的覆盖范围，判断Mavb是否能够完全覆盖用户波束覆盖范围需求M，若能覆盖则转至步骤S545；
S543，计算未被覆盖的范围Mblank＝M-M∩Mavb，遍历集合Ψ，判断是否存在未搭载用户网络的波束，若有则将之调整至Mblank位置，形成波束指向调整指令<Opt,Nbm,Point>，此处的Opt为指向调整操作，Nbm为待调整波束编号，Point为指向点信息，并将波束存入Ω，转至步骤S542；
S544，遍历全部可用波束资源，选择波束覆盖范围距Mblank最近的波束，读取波束当前搭载所有用户网络编号集合，判断覆盖范围调整至能够覆盖Mblank后是否影响当前搭载网络运行，若影响则继续遍历直至完成对所有可用波束的分析，若不影响，则形成波束指向调整指令<Opt,Nbm,Point>；
S545，根据调整后Ω中波束的覆盖范围情况和资源规划指令中的B,M,P需求，对波束的带宽和功率资源进行优化分配，若存在部分区域带宽或功率资源不足的情况，则根据网络规划指令中的网络优先级Pr将Ω波束中优先级低于Pr的网络资源调整至当前网络。
9.根据权利要求8所述的方法，步骤S545所述的对波束的带宽和功率资源进行优化分配，其特征在于，具体为：在满足各终端带宽及链路质量需求的前提下，以最小化总带宽、总链路功率、剩余带宽碎片和区域管理站分配波束数量为目标，优化波束及其资源分配，具体优化过程为：
Figure FDA0002558782130000051
Figure FDA0002558782130000052
Figure FDA0002558782130000053
Figure FDA0002558782130000054
其中，g1至g4为优化目标函数，Nasn、Nasni分别为网络当前分配的波束集合和集合中的波束i，Basni为波束i分配给当前网络的带宽，Bavbi为波束i的可用带宽，Pi为波束i的功率，As、Asj分别为区域管理站集合和区域管理站j，μj为区域管理站j所分配的波束数量，Mk为波束k的覆盖范围；利用多目标进化优化算法对上述多目标优化问题进行求解，即可获得载波资源的分配方案。
10.根据权利要求6所述方法，其特征在于，步骤S55具体为：
S551，根据资源规划指令中的网络编号Nid，从中心管理站的网络资源分配情况数据库中获取网络当前的资源分配情况；
S552，读取资源规划指令中波束覆盖范围的调整需求，若无调整需求，或者调整后的覆盖范围未超出网络当前分配波束的覆盖范围，则转至步骤S557；
S553，网络当前分配的波束集合为Nasn，对卫星所有可用波束进行遍历，将与调整后覆盖范围有交集的波束存入候选波束集合Ω，其余波束存入集合Ψ，随后更新候选波束集合Ω＝Ω-Ω∩Nasn；
S554，计算Ω中所有波束的总覆盖范围
Figure FDA0002558782130000061
和当前分配的波束的总覆盖范围
Figure FDA0002558782130000062
判断Mavb∪Masn是否能够覆盖调整后的覆盖范围，若能覆盖则转至步骤S557；
S555，计算未被覆盖的范围Mblank，遍历集合Ω和Ψ，判断是否存在未搭载用户网络的波束，若有则将之调整至未被覆盖的位置，形成波束指向调整指令<Opt,Nbm,Point>，若波束属于Ψ，则将之存入Ω，随后转至步骤S554；
S556，遍历全部可用波束资源，选择波束覆盖范围距Mblank最近的波束，读取波束当前搭载所有用户网络编号集合，判断覆盖范围调整至能够覆盖Mblank后是否影响当前搭载网络运行，若影响则继续遍历直至完成对所有可用波束的分析，若不影响，则形成波束指向调整指令<Opt,Nbm,Point>；
S557，根据网络中当前分配的波束情况、调整后Ω中波束的覆盖范围情况和资源规划指令中的B,M,P需求，对网络当前已分配波束资源进行删减、新增、调整操作，均记为一次网络调整，以最小化调整规模，即网络调整总数量最少为优化目标，优化波束及其资源分配的调整，即可获得载波资源的调整方案，若存在部分区域带宽或功率资源不足的情况，则根据优先级信息Pr将Ω波束中优先级低于Pr的网络资源调整至当前网络。
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