CN112333796A - 软件定义卫星网络系统中基于演化博弈的多用户切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种软件定义卫星网络系统中基于演化博弈的多用户切换方法；所述方法包括用户根据获知的信息分别计算出卫星的仰角和剩余覆盖时间；然后用户根据卫星的容量、仰角和剩余覆盖时间三个基本因素计算出收益；控制器计算出该区域内用户的平均收益，并广播给用户；判断所有用户的收益是否均高于平均收益，若高于则结束多用户切换；否则用户选择其他收益更高的切换卫星；用户不断重复这个动态的策略调整过程直到达到均衡状态；本发明将多用户切换问题建模成演化博弈问题，将演化均衡作为博弈的均衡解，求出最优的策略比例，保证所有用户切换后均能得到最好的服务，从而保证了用户的公平性。

Description

软件定义卫星网络系统中基于演化博弈的多用户切换方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种软件定义卫星网络系统中基于演化博弈的多用户切换方法。

背景技术

由于覆盖受限，地面蜂窝网络不能提供偏远山区、海洋、高原等地区的移动业务。卫星通信通过多颗卫星进行联合组网形成卫星星座，具有覆盖范围广、不受地域和空域限制的特点引起人们的关注。卫星通信网络与地面移动通信网络的融合将成为移动通信的重要发展方向。其中低轨卫星系统因具有低时延、路径损耗小以及覆盖面积广等特点而受到人们的广泛关注，然而由于卫星相对地面的高速移动以及用户终端的移动性，单颗低轨卫星对地面终端的覆盖时间有限，用户在进行通信时需要进行频繁地切换。常见的卫星切换包括星间切换和波束切换。

大多数对卫星切换的研究均基于传统的卫星网络架构。随着软件定义网络在地面通信网络的广泛应用，将软件定义网络技术应用于低轨卫星互联网可实现数据层与控制层解耦，使得网络架构更加灵活方便。

然而，传统的软件定义网络中的卫星切换策略一般是基于候选卫星的仰角、剩余覆盖时间和空闲信道数三个准则。卫星仰角与信号损耗之间存在非线性关系，卫星仰角越小，信道状况越差，通信质量越差；卫星的剩余覆盖时间与用户的切换次数和通话掉话率有关，卫星的剩余覆盖时间越长，表示卫星可提供给用户的服务时间越长，可降低用户的切换次数和通话掉话率；卫星的空闲信道数来表示卫星的负载情况，卫星空闲信道数越多，表明卫星的负载较轻。但利用卫星的空闲信道数来反映卫星的负载状态存在弊端：在实际的通信过程中，同一时刻卫星覆盖区域内的所有用户都会接收到卫星的空闲信道数消息，该区域内所有用户均会出于自身利益最大的原则选择负载最轻的卫星进行接入，可能导致卫星负载过重问题。因此卫星空闲信道数不能很好地反映卫星的负载状况，需要通过其他指标来判断卫星的负载情况。此外，传统的卫星切换策略基于信号强度进行选择，因此用户会出现切换失败的问题；并且传统的卫星切换策略也并未将用户之间动态的资源竞争过程刻画出来。

发明内容

本发明的目的在于提供一种软件定义卫星网络系统中基于演化博弈的多用户切换方法。本方法首先考虑多星覆盖下的多用户切换场景，由于低轨卫星的运动特性，当处于某颗卫星覆盖区域下的用户的接收信号强度小于设定的阈值时，用户会发出切换申请，选择切换到其他可视卫星中去保证通信过程不断中断。然后在选择切换卫星时综合考虑候选卫星集中卫星可分配给用户的带宽、卫星的剩余覆盖时间和卫星仰角三个因素，采用演化博弈方法进行切换卫星的选择，该方法通过不断的调整策略达到均衡化状态，既有效地保证了卫星负载均衡，又保证了用户的公平性，使得所有用户的服务质量均能最佳，有效地降低了用户的切换失败率。

本发明提供如下技术方案用以解决上述技术问题：

一种软件定义卫星网络系统中基于演化博弈的多用户切换方法，所述方法包括以下步骤：

S1、所有用户根据获知的信息分别计算出卫星的仰角信息和剩余覆盖时间；

S2、用户根据卫星容量、仰角和剩余覆盖时间和定义的收益函数计算出各自的收益；

S3、控制器计算出该区域内用户的平均收益，并广播给用户；

S4、判断所有用户的收益是否均高于平均收益，若不高于，则转至步骤S5，否则结束多用户切换；

S5、用户选择其他切换卫星，并使得切换后的收益高于切换前的收益；返回步骤S2。

本发明是一种软件定义卫星网络系统中基于演化博弈的多用户切换方法。本发明不仅极大地均衡了卫星的网络负载，降低了用户的切换失败率，而且保证了用户的公平性。本方法的主要创新在于，提出基于软件定义卫星网络架构的切换流程，将多用户切换问题建模成演化博弈问题，用一组微分方程来描述用户切换策略的选择调整过程，将演化均衡作为博弈的均衡解，求出最优的策略比例，保证所有用户切换后均能得到最好的服务，从而保证了用户的公平性；另外，由于卫星处于不断的运动中，为了提高结果的精确性，本发明对效用函数进行改进并增加了一个补偿值，用来降低用户收益的误差；同时将用户的开销设计为传输时延与调度时延的函数，这与实际的卫星通信情况更符合。

附图说明

图1是本发明的软件定义卫星网络系统中基于演化博弈的多用户切换方法流程图；

图2是本发明的软件定义卫星网络中三星覆盖下的多用户切换场景；

图3是本发明所采用的软件定义卫星网络中的切换示意图；

图4是本发明所采用的软件定义卫星网络中的切换流程图；

图5是本发明所使用的复制动态相位图；

图6是本发明一个实施例中的用户数量变化图；

图7是本发明一个实施例中的卫星效用图；

图8是本发明一个实施例中在不同初始条件下的用户数量变化图；

图9是本发明一个实施例中的在不同权重下的演化均衡图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明提供了一种软件定义卫星网络系统中基于演化博弈的多用户切换方法，如图1所示，所述方法包括：

S1、所有用户根据获知的信息分别计算出卫星的仰角信息和剩余覆盖时间；

在一个实施例中，考虑到卫星仰角与信号损耗之间存在非线性关系，卫星仰角越小，信道状况越差，通信质量越差；卫星的剩余覆盖时间与用户的切换次数和通话掉话率有关，卫星的剩余覆盖时间越长，表示卫星可提供给用户的服务时间越长，可降低用户的切换次数和通话掉话率。

切换时刻所有可视卫星给用户终端发送导频信号，地面上的终端接收导频信息后，从导频信号中提取有用信息，该信息中包括卫星星下点的经纬度坐标(λ_s,η_s)，卫星高度h。用户终端的经纬度坐标(λ_u,η_u)可通过用户的GPS获得。根据这些信息可计算出卫星仰角与时间之间的函数关系，

其中：

同时可以求出卫星的最长服务时间

其中，

w_E是地球自转的角速度，ω_E≈7.292115×10^-5(rad/s)，w_S是卫星在地心惯性坐标系中的角速度

μ是开普勒常量μ＝398600(km³/s²)，a是卫星轨道倾角，R_e是地球半径，R是卫星轨道半径，R＝R_e+h，h是轨道高度，θ_c是卫星的最小仰角。

同时根据用户终端坐标和卫星星下点的经纬度坐标可计算出切换时刻观测到的卫星i和用户终端间的地心角κ_i＝arcos[cosλ_u cos(η_u-η_s)]，然后根据用户的地心角与仰角之间的关系

可计算出切换时刻用户的仰角θ_i。再将其带入卫星仰角与时间的函数关系中，可计算出卫星i的运行时间t进而求出卫星的剩余覆盖时间T_i。

S2、用户按照卫星的容量、仰角信息以及剩余覆盖时间三个基本因素，根据定义的收益函数计算出各自的收益；

在本实施例中，申请人发现在实际的通信过程中，同一时刻卫星覆盖区域内的所有用户都会接收到卫星的空闲信道数消息，该区域内所用用户均会出于自身利益最大的原则选择负载最轻的卫星进行接入，可能导致卫星负载过重问题；所以传统技术中利用卫星的空闲信道数来反映卫星的负载状态存在弊端：所以本发明考虑在卫星容量一定的情况下，卫星接入用户数越多，每个用户分到的带宽越小。因此，通过计算不同时刻每个用户分到的带宽可以实时有效地反映卫星的负载情况；而由于卫星仰角和剩余服务时间在很短的时间内变化微小，因此本发明忽略了这两者随时间的变化，均采用初始时刻观测到的值。因此定义用户选择卫星的效用函数为：

其中，U_i(t)表示在t时刻选择卫星i的效用；α表示候选卫星负载因素的权重，β表示候选卫星的仰角因素的权重，γ表示候选卫星的剩余覆盖时间的权重，满足约束条件α+β+γ＝1；V_i是卫星i的容量；n_i(t)是t时刻选择卫星i进行切换的用户数；

是卫星i可视的最小仰角；θ_i是申请切换时用户观测到的卫星i的仰角值；T_i ^max是卫星i的最长覆盖时间；T_i是申请切换时用户计算的卫星i的剩余服务时间；Δu表示补偿函数。为了简化运算过程，本方法均采用切换初始时刻观测到的值进行计算，由于卫星处于不断的运动中，为了提高结果的精确性，本方法考虑效用函数增加一个补偿值，用于降低调整策略选择过程中的误差；这个补偿值可以以同一轨道平面的其他卫星的效用值作为参考，计算出与卫星i处于同一轨道平面的其他卫星在t时刻的效用值的标准差σ，并确定出大于平均效用值的个数，若大于平均效用值的卫星个数超过小于平均效用值的卫星个数，则直接将

作为补偿值，否则将

作为补偿值，这里的K是控制因子，控制补偿值的精度。

在一些可能实现的方式中，本发明还可以采用对在轨的所有卫星采用相似度匹配运算，这里所考虑的因素可以包括卫星的遥测参数等，包括热力学参数、电源系统参数、动力学参数以及卫星载荷的工作状态和工作压低等等；将这些遥测参数进行信号与信息处理后，按照机器学习的方式提取出每个卫星所对应的特征，按照特征分类选择出相似度距离最接近的若干卫星，将相似度距离最接近的若干卫星的效用值加权平均后反馈给原卫星，并作为原卫星的补偿值。

在用户选择切换卫星的过程中，不同用户间存在竞争现象，每个用户均会出于自身利益最大化选择切换卫星，因此会出现多个用户同时选择同一颗卫星，容易造成该卫星负载过重的现象，进而导致每个用户实际的通信质量下降。为了平衡卫星的负载，本发明将用户选择卫星的代价函数定义为选择该卫星的用户数的函数。当选择该卫星的用户数增加时，每个用户的开销也会增加，用户收益会降低，因此用户会考虑选择其他卫星来提高自己的收益。

根据以上分析，定义用户选择卫星i的开销为：

C_i(t)＝α′×n_i(t)×t_i,trans+β′×t_pro

其中，C_i(t)表示用户在t时刻的开销；α′表示候选卫星传输时延的权重，β′表示控制器的调度时延的权重，满足约束条件α′+β′＝1；t_i,trans是t时刻卫星i的传播时延，即切换信令从卫星i传输到用户所经历的时间，

c＝2.99792×10⁸m/s，d_ij是卫星i到用户j d的距离，c是电磁波的传播速度；n_i(t)是t时刻选择卫星i进行切换的用户数；t_pro表示控制器的调度时延，即计算平均收益、制定切换策略等花费的时间，比t_i,trans小很多。

该区域内所有用户的平均收益为：

每个用户在t时刻会获知自己此次选择卫星获得的收益π_i(t)和当前整个群体的平均收益

即区域内所有用户的平均收益；当用户的收益小于平均收益时，用户会在向高收益用户进行学习，在时刻t+1调整自己的策略选择来获得更高的收益，用户不断重复这个动态的策略调整过程直到达到均衡状态。用复制者动态对策略动态调整的过程进行建模，它决定策略改变的速率。复制者动态可表示如下：

其中，

表示t时刻选择卫星i的用户比例的复制者状态；σ是复制动态公式参数，用来控制博弈方策略调整的速率。复制者动态满足

的约束。

S3、控制器计算出该区域内用户的平均收益，并广播给用户；

控制器根据效用函数和代价函数计算出每个用户的收益，并将这些收益求平均，最终确定出该控制器所控制的区域内用户的平均收益，并按照广播的方式返回给用户。

S4、判断所有用户的收益是否均高于平均收益，若不高于，则转至步骤S5，否则结束多用户切换；

S5、用户选择其他切换卫星，并使得该时刻选择后的收益高于之前的收益；返回步骤S2。

本实施例将按照在时刻t+1调整自己的策略选择来获得更高的收益，用户不断重复这个动态的策略调整过程直到达到均衡状态。

图2本发明的软件定义卫星网络中三星覆盖下的多用户切换场景；在该场景中，竞争卫星资源的N个切换用户UE_j,j∈{1,2,...,N}构成一个种群，每个用户均为博弈方，同一时刻有S颗卫星可为用户提供服务。策略是每个博弈方可选择的切换卫星，表示为LEO_i,i∈{1,2}。用p_ij表示UE_j选择LEO_i的概率，则p_ij∈{0,1}，且满足

这意味着每个博弈方只能选择一个卫星进行切换。群体比例表示选择某个策略的博弈方数量占整个群体数量的比例，

n_i是选择策略i的博弈方数量，

一个群体中所有策略的群体比例构成了种群状态，X＝{x₁,x₂}。每个用户作为博弈方会根据自己选择某个策略带来的收益来调整其策略选择。

在软件定义卫星网络架构中，数据平面由仅执行转发功能的低轨卫星组成，控制平面由位于地面站的控制服务器和位置服务器组成，切换由图3所示的控制器完成。软件定义卫星网络的关键思想是让控制平面通过卫星网络接口(SNOF)信道产生和发送流表给低轨卫星，简化卫星的数据平面。控制器在逻辑上与位置服务器相连，位置服务器存储所有移动终端的国际卫星标识和网关低轨卫星分配的联合地址。控制器经过高轨卫星给用户发送指令。

切换时刻所有可视卫星给终端发送导频信号，一旦用户终端接收到低轨卫星的导频信号，它向低轨卫星请求一个逻辑地址，保持链路处于活跃状态。如果终端被多个卫星覆盖，它选择通信质量最好的数据链路作为主数据链路，其他数据链路作为次数据链路(下行数据包可通过主数据链路和次数据链路发送，上行数据包只能通过主数据链路发送)。如图3所示，当PST₂想和PST₁进行通信，PST₂首先向位置服务器发送位置查询请求，位置服务器向终端PST₂发送PST₁的地址：LEO₂_PST₁，然后PST₂向它的网关卫星LEO₁发送数据，由LEO₁转发给LEO₂。至此，PST₁和PST₂的呼叫过程被建立。此时，PST₂将与LEO₂连接的数据链路视为主数据链路，其他可覆盖该用户的卫星之间的链路视为次数据链路。

由于低轨卫星的移动特性，LEO₂逐渐远离PST₂，用户为了保证通信过程不被中断，会进行切换。用户通过提出的卫星切换选择算法确定将LEO₃作为切换卫星。具体流程如图4所示：

①当终端决定切换到LEO₃时，即将LEO₃设置为主数据链路；

②因为位置服务器还未被告知终端的切换，由PST₂发送给PST₁的数据包仍通过LEO₁_LEO₂_PST₁进行传输；

③PST₁通过LEO₃发送数据和确认标识；

④LEO₃收到来自PST₁的数据包，检测到终端改变了它的主数据链路，LEO₃将路径改变报告发给位置服务器；

⑤位置服务器将路径改变报告通知控制器，

⑥控制器更新与PST₁相关的信息，并将该信息发送给每个卫星；

⑦所有信息更新完成后切换完成。所有的下行数据通过LEO₃发送给PST₁。

本发明基于演化博弈进行切换卫星的选择，有效地均衡了卫星网络负载，降低了用户切换失败率，同时保证了用户的通信质量，使得所有用户的服务质量均能最佳。

在图3的切换场景下，假设有两颗卫星符合切换条件，该区域内有1000个用户同时申请切换，为了简化运算，采用该区域内中心用户的观测值进行计算，根据以上分析可计算出两颗卫星的基本信息。加权指数α,β,γ分别设置为0.5，0.2，0.3；α′、β′分别设置为0.7,0.3；复制动态公式参数σ为1，调度时延与传播时延相差很大，将其取为固定值。其他仿真参数由表1给出：

表1仿真参数

图5是策略1(选择LEO1)的复制动态相位图，其描述出了博弈方动态的策略调整过程，

表示选择策略1的博弈方的数量增加；

表示选择策略1的博弈方的数量减少。考虑到0<x₁<1，则演化均衡点为x₁＝0.524。即有52.4％的切换用户选择LEO1，47.6％的切换用户选择LEO2，所有用户效用均能达到最优。

图6是用户数量变化图。描述两个卫星的接入用户数量的演变过程。初始时选择卫星1的用户数量较多，用户获得收益降低，因此部分用户会改变自己的策略选择，经过多次的策略调整，最终达到演化均衡状态。此外，从图中可观测到，初始占比较高的策略，在达到均衡时所占比例不一定很高，反映了所提方法的公平性。

图7描述了卫星效用的变化图，卫星的收益与接入卫星的用户数有关，经过多次博弈后，两颗卫星的收益均收敛，即没有用户为了获得更高的收益改变自己的策略选择，所有用户的收益均相同，系统达到了演化稳定状态。

图8描述了接入卫星1的用户数量的变化图，初始阶段选择卫星1的用户数量均不相同，但经过演化博弈过程，最终选择卫星1的用户数都近似相同，说明了算法的稳定性。

图9比较了不同权重下选择LEO1进行切换的用户数。仅基于单属性的选择算法收敛更快，多属性决策的收敛速度相对慢一些，且在不同权重下的收敛点不同。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种软件定义卫星网络系统中基于演化博弈的多用户切换方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、所有用户根据获知的信息分别计算出卫星的仰角和剩余覆盖时间；

S2、用户按照卫星的容量、仰角以及剩余覆盖时间三个基本信息和定义的收益函数计算出各自的收益；

S3、控制器计算出该区域内用户的平均收益，并广播给用户；

S4、判断所有用户的收益是否均高于平均收益，若不高于，则转至步骤S5，否则结束多用户切换；

S5、用户选择其他切换卫星，并使得切换后的收益高于切换前的收益；返回步骤S2。

2.根据权利要求1所述的一种软件定义卫星网络系统中基于演化博弈的多用户切换方法，其特征在于，用户所定义的收益函数为用户补偿后的效用函数与用户的开销函数之差。

3.根据权利要求2所述的一种软件定义卫星网络系统中基于演化博弈的多用户切换方法，其特征在于，所述用户补偿后的效用函数表示为：

其中，U_i(t)表示在t时刻选择卫星i的效用；α表示候选卫星负载因素的权重，β表示候选卫星的仰角因素的权重，γ表示候选卫星的剩余覆盖时间的权重，满足约束条件α+β+γ＝1；V_i是卫星i的容量；n_i(t)是t时刻选择卫星i进行切换的用户数；

是卫星i可视的最小仰角；θ_i是申请切换时用户观测到的卫星i的仰角值；T_i ^max是卫星i的最长覆盖时间；T_i是申请切换时用户计算的卫星i的剩余服务时间；Δu表示补偿函数。

4.根据权利要求2所述的一种软件定义卫星网络系统中基于演化博弈的多用户切换方法，其特征在于，所述用户的开销函数表示为：

C_i(t)＝α′×n_i(t)×t_i,trans+β′×t_pro

其中，C_i(t)表示用户在t时刻选择卫星i的开销；α′表示候选卫星传输时延的权重，β′表示控制器的调度时延的权重，满足约束条件α′+β′＝1；t_i,trans是t时刻卫星i的传播时延，即切换信令从卫星i传输到用户所经历的时间，

d_ij是卫星i到用户j的距离，c是电磁波的传播速度；n_i(t)是t时刻选择卫星i进行切换的用户数；t_pro表示控制器的调度时延，即包括计算平均收益、制定切换策略过程所花费的时间。

5.根据权利要求1所述的一种软件定义卫星网络系统中基于演化博弈的多用户切换方法，其特征在于，区域内的所有用户的平均收益表示为：

其中，

表示t时刻区域内所有用户的平均收益，π_i(t)表示t时刻连接到卫星i的用户的收益；x_i(t)表示t时刻选择卫星i的用户比例。

6.根据权利要求1所述的一种软件定义卫星网络系统中基于演化博弈的多用户切换方法，其特征在于，在步骤S5中，用户通过动态调整策略选择过程来获得更高的收益，采用复制者动态对策略动态调整的过程进行建模，所述复制者动态表示如下：

其中，

表示t时刻选择卫星i的用户比例的复制者状态；

表示t时刻区域内所有用户的平均收益，π_i(t)表示t时刻连接到卫星i的用户的收益；σ是复制动态公式参数，用来控制博弈方策略调整的速率；复制者动态满足

的约束。

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