CN113098584B - 面向大规模辐射阵列的多波束卫星通信功率控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种面向大规模辐射阵列的多波束卫星通信功率控制方法，其步骤为：首先为每个波束中的用户业务申请建立等待队列，将等待队列首位的业务申请存入新业务申请集合；接着遍历新业务申请集合，判断各波束当前可用的载波频率、时隙资源能否满足需求；随后估算卫星功放的输出功率值是否小于告警阈值，并以最大输出功率和最大带宽利用率为优化目标对业务申请的服务情况进行优化，并根据优化结果为业务申请分配资源。本发明提出一种实时多业务并发的多波束卫星通信功率控制方法，有效提高星上功率资源利用率；同时，通过建立多目标优化模型，在保证卫星安全的前提下实现了卫星功率和接入业务量的优化控制。

Description

面向大规模辐射阵列的多波束卫星通信功率控制方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术，尤其涉及一种面向大规模辐射阵列的多波束卫星通信功率控制方法。
背景技术
传统同步轨道卫星通信系统通常使用国土或海域波束等大波束进行保障业务通信，其星上转发器配置相对简单。同步轨道卫星移动通信系统通常采用由大规模辐射阵列形成的大口径多波束天线，星上需要支持多个波束同时使用，转发器通道数量大幅度增加，多个功放与多路转发器的映射关系复杂性显著提高，且卫星移动通信用户采用随遇接入方式接入发起业务呼叫，对业务实时性要求明显提高，传统同步轨道卫星通信系统的功率控制方法不适用于卫星移动通信系统。因此，亟需提出一种面向大规模辐射阵列的多波束卫星通信通信功率控制方法，以解决功放与转发器映射关系复杂、卫星移动通信用户业务实时性要求高的问题。
当前，有关卫星通信系统功率控制的研究，主要针对功率资源的分配展开。在论文“高通量多波束通信卫星系统资源分配方法”(中国空间科学技术，2021)中，提出了一种功率和频带资源联合优化方法；中国专利CN111262619中提出了一种多波束卫星资源分配方法及系统。然而，上述研究直接将通信功率作为资源块进行分割分配，没有考虑实际应用中星载功率放大器各输出端口的功率承载能力，尤其是面向大规模辐射阵列的多个功放与多路转发器之间的复杂映射关系。
发明内容
针对大规模辐射阵列的多个功放与多路转发器之间映射关系复杂，传统同步轨道卫星通信系统的功率控制方法不适用于多波束卫星移动通信系统的问题，本发明公开了一种面向大规模辐射阵列的多波束卫星通信功率控制方法，多波束卫星移动通信系统由多波束卫星、地面信关站和若干卫星地面用户站组成，由于星上功率受限，地面信关站需要对多波束卫星通信系统的通信功率进行控制，其步骤具体包括：
S1，地面信关站为多波束卫星通信系统每个波束中的用户业务申请分别建立等待队列，等待队列中的用户业务申请按照其业务申请的优先级高低进行排序，当多个用户的业务申请优先级相同时，根据其业务申请的到达时间顺序先后依次排队；
S2，地面信关站对所有波束进行遍历，获取各波束等待队列首位的业务申请并存入新业务申请集合S，初始化决策因子矩阵Λ，依次判断各波束当前可用的载波频率、载波时隙资源能否满足该波束的业务申请的需求，如果不满足，则拒绝来自不满足需求的波束中的业务申请，如果满足，则执行步骤S3；
S3，地面信关站根据集合S中各业务申请的业务类型和用户站型，计算卫星功率放大器入口处的输入功率，并预测卫星功率放大器的输出功率值，如果所预测的卫星功率放大器的输出功率值小于卫星功率放大器的告警阈值，执行步骤S5，否则执行步骤S4；
S4，以最大输出功率和最大带宽利用率为优化目标，构建多目标优化模型，求解该模型，获得最优更新决策因子矩阵Λ0，再用最优更新决策因子矩阵Λ0替换原更新决策因子矩阵Λ；
S5，地面信关站根据矩阵Λ为集合S中的业务申请分配载波频率和载波时隙资源。
本发明公开了一种面向大规模辐射阵列的多波束卫星通信功率控制方法，其步骤包括：
S1，地面信关站为多波束卫星通信系统每个波束中的用户业务申请分别建立等待队列，等待队列中的用户业务申请按照其业务申请的优先级高低进行排序，当多个用户的业务申请优先级相同时，根据其业务申请的到达时间顺序先后依次排队；
S2，地面信关站对所有波束进行遍历，获取各波束等待队列排在首位的业务申请并存入新业务申请集合S，初始化决策因子矩阵Λ，依次判断各波束当前可用的载波频率、载波时隙资源能否满足该波束的业务申请的需求，如果不满足，则拒绝来自不满足需求的波束中的业务申请，如果满足，则执行步骤S3；
假设多波束卫星通信系统共有B个波束，第i个波束bi的当前可用载波频率、载波时隙资源分别表示为Favb,i和Tavb,i，其中i＝1,2,…B；新业务申请集合为S＝[s1,s2,…,si,…,sB]，其中si为波束bi的等待队列中排在首位的业务申请，其对载波频率和时隙资源的需求分别记为Freq,i和Treq,i；决策因子矩阵为Λ＝[λ1,λ2,…,λi,…,λB]，λi为业务申请si的决策因子，若λi＝1，则地面信关站为业务申请si提供服务，若λi＝0，则地面信关站不为业务申请si提供服务，在初始化条件下，矩阵Λ中的全部决策因子均等于1；
在对各波束进行遍历的过程中，当波束bi的等待队列中没有业务申请时，将si记为空值，并令λi＝0；当波束bi和业务申请si不能同时满足条件Favb,i≥Freq,i和Tavb,i≥Treq,i时，令λi＝0。
S3，地面信关站根据集合S中各业务申请的业务类型和用户站型，计算卫星功率放大器入口处的输入功率，并预测卫星功率放大器的输出功率值，如果所预测的卫星功率放大器的输出功率值小于卫星功率放大器的告警阈值，执行步骤S5，否则执行步骤S4；
地面信关站通过查询本地数据库中存储的用户站型及对应业务类型信息，得到各用户站型不同业务类型对应的地面信关站发射功率，在t时刻对于业务申请si，地面信关站的发射功率记为qi(t)，地面信关站与卫星之间的通信链路损耗表示为：
L＝GtrLlGr，
其中，Gtr为地面信关站发射天线增益，Ll为自由空间传播损耗，Gr为接收天线增益；
得到业务申请si在t时刻在卫星功率放大器入口处的输入功率为：
Figure BDA0002998820390000041
则在t+1时刻波束bi卫星功率放大器入口处的输入功率为：
Figure BDA0002998820390000042
其中，
Figure BDA0002998820390000043
和
Figure BDA0002998820390000044
分别为波束bi在t时刻和t+1时刻的已有业务在卫星功率放大器入口处的输入功率；
卫星功率放大器共有M个出口，卫星功率放大器各出口的输出功率与入口处的输入功率的映射关系表示为：
Figure BDA0002998820390000045
其中，
Figure BDA0002998820390000046
表示在t+1时刻、卫星功率放大器第j个出口处的输出功率，j＝1,2,…,M，多波束卫星功率放大器的输入输出功率映射关系f()是利用地面卫星试验数据构建映射关系表来得到，根据t+1时刻各个入口处的输入功率，通过查表的方式获得t+1时刻卫星功率放大器出口处的输出功率值。
S4，以最大输出功率和最大带宽利用率为优化目标，构建多目标优化模型，求解该模型，获得最优更新决策因子矩阵Λ0，再用最优更新决策因子矩阵Λ0替换原更新决策因子矩阵Λ；
假设多波束卫星通信系统中，波束bi可支持的基本载波数为ci，
Figure BDA0002998820390000051
其中Wi为波束bi的可用带宽，w为基本载波带宽；业务申请si所需的业务传输速率记为Ri，业务申请si所需的基本载波数量ΔVi的计算公式为：
Figure BDA0002998820390000052
其中，
Figure BDA0002998820390000053
和
Figure BDA0002998820390000054
分别表示向下和向上取整，Rb和R0分别为天线口径最小的用户站的业务峰值信息速率和最低信息速率；n为每个载波可划分的时分信道数量，
Figure BDA0002998820390000055
δR为时域保护间隔；则多波束卫星通信系统的带宽利用率η表示为：
Figure BDA0002998820390000056
其中，λi为业务申请si的决策因子；Vi(t)为t时刻，波束bi中已经分配的基本载波数量；
t+1时刻多波束卫星通信系统的输出功率表示为：
Figure BDA0002998820390000057
构建以最大输出功率和最大带宽利用率为优化目标的多目标优化模型g(Λ)：
Figure BDA0002998820390000061
其中，Λ＝[λ1,λ2,…,λi,…,λB]为决策因子矩阵，
Figure BDA0002998820390000062
为卫星功率放大器第j个出口处输出功率的告警阈值；利用强化学习算法求解加权多目标优化模型，得到满足最大输出功率和最大带宽利用率目标的最优决策因子矩阵Λ0，再用该最优更新决策因子矩阵Λ0替换原更新决策因子矩阵Λ；
根据带宽利用率和输出功率的重要性程度，分别定义两个目标函数的权重ω1、ω2，构建以最大输出功率和最大带宽利用率为优化目标的加权多目标优化模型g0(Λ)：
Figure BDA0002998820390000063
其中，Λ＝[λ1,λ2,…,λi,…,λB]为决策因子矩阵，
Figure BDA0002998820390000064
为卫星功率放大器第j个出口处输出功率的告警阈值；利用强化学习算法求解加权多目标优化模型，得到满足最大输出功率和最大带宽利用率目标的最优决策因子矩阵Λ0，再用该最优更新决策因子矩阵Λ0替换原更新决策因子矩阵Λ；
S5，地面信关站根据矩阵Λ为集合S中的业务申请分配载波频率和载波时隙资源。
本发明的有益效果为：
本发明提出了一种实时多业务并发的多波束卫星通信功率控制方法，有效提高星上功率资源利用率；本发明通过建立多目标优化模型，综合考虑用户根据优先级、最大输出功率和最大带宽利用率等因素，在保证卫星安全的前提下实现了卫星功率和接入业务量的优化控制。
附图说明
图1所示为本发明的面向大规模辐射阵列的多波束卫星通信功率控制方法流程图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明内容，这里给出一个实施例。
下面结合附图，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明公开了一种面向大规模辐射阵列的多波束卫星通信功率控制方法，其步骤包括：
S1，地面信关站为多波束卫星通信系统每个波束中的用户业务申请分别建立等待队列，等待队列中的用户业务申请按照其业务申请的优先级高低进行排序，当多个用户的业务申请优先级相同时，根据其业务申请的到达时间顺序先后依次排队；
S2，地面信关站对所有波束进行遍历，获取各波束等待队列排在首位的业务申请并存入新业务申请集合S，初始化决策因子矩阵Λ，依次判断各波束当前可用的载波频率、载波时隙资源能否满足该波束的业务申请的需求，如果不满足，则拒绝来自不满足需求的波束中的业务申请，如果满足，则执行步骤S3；
假设多波束卫星通信系统共有B个波束，第i个波束bi的当前可用载波频率、载波时隙资源分别表示为Favb,i和Tavb,i，其中i＝1,2,…B；新业务申请集合为S＝[s1,s2,…,si,…,sB]，其中si为波束bi的等待队列中排在首位的业务申请，其对载波频率和时隙资源的需求分别记为Freq,i和Treq,i；决策因子矩阵为Λ＝[λ1,λ2,…,λi,…,λB]，λi为业务申请si的决策因子，若λi＝1，则地面信关站为业务申请si提供服务，若λi＝0，则地面信关站不为业务申请si提供服务，在初始化条件下，矩阵Λ中的全部决策因子均等于1；
在对各波束进行遍历的过程中，当波束bi的等待队列中没有业务申请时，将si记为空值，并令λi＝0；当波束bi和业务申请si不能同时满足条件Favb,i≥Freq,i和Tavb,i≥Treq,i时，令λi＝0。
S3，地面信关站根据集合S中各业务申请的业务类型和用户站型，计算卫星功率放大器入口处的输入功率，并预测卫星功率放大器的输出功率值，如果所预测的卫星功率放大器的输出功率值小于卫星功率放大器的告警阈值，执行步骤S5，否则执行步骤S4；
地面信关站通过查询本地数据库中存储的用户站型及对应业务类型信息，得到各用户站型不同业务类型对应的地面信关站发射功率，在t时刻对于业务申请si，地面信关站的发射功率记为qi(t)，地面信关站与卫星之间的通信链路损耗表示为：
L＝GtrLlGr，
其中，Gtr为地面信关站发射天线增益，Ll为自由空间传播损耗，Gr为接收天线增益；
得到业务申请si在t时刻在卫星功率放大器入口处的输入功率为：
Figure BDA0002998820390000081
则在t+1时刻波束bi卫星功率放大器入口处的输入功率为：
Figure BDA0002998820390000082
其中，
Figure BDA0002998820390000083
和
Figure BDA0002998820390000084
分别为波束bi在t时刻和t+1时刻的已有业务在卫星功率放大器入口处的输入功率；
卫星功率放大器共有M个出口，卫星功率放大器各出口的输出功率与入口处的输入功率的映射关系表示为：
Figure BDA0002998820390000091
其中，
Figure BDA0002998820390000092
表示在t+1时刻、卫星功率放大器第j个出口处的输出功率，j＝1,2,…,M，多波束卫星功率放大器的输入输出功率映射关系f()是利用地面卫星试验数据构建映射关系表来得到，根据t+1时刻各个入口处的输入功率，通过查表的方式获得t+1时刻卫星功率放大器出口处的输出功率值。
S4，以最大输出功率和最大带宽利用率为优化目标，构建多目标优化模型，求解该模型，获得最优更新决策因子矩阵Λ0，再用最优更新决策因子矩阵Λ0替换原更新决策因子矩阵Λ；
假设多波束卫星通信系统中，波束bi可支持的基本载波数为ci，
Figure BDA0002998820390000093
其中Wi为波束bi的可用带宽，w为基本载波带宽；业务申请si所需的业务传输速率记为Ri，业务申请si所需的基本载波数量ΔVi的计算公式为：
Figure BDA0002998820390000094
其中，
Figure BDA0002998820390000095
和
Figure BDA0002998820390000096
分别表示向下和向上取整，Rb和R0分别为天线口径最小的用户站的业务峰值信息速率和最低信息速率；n为每个载波可划分的时分信道数量，
Figure BDA0002998820390000097
δR为时域保护间隔；则多波束卫星通信系统的带宽利用率η表示为：
Figure BDA0002998820390000101
其中，λi为业务申请si的决策因子；Vi(t)为t时刻，波束bi中已经分配的基本载波数量；
t+1时刻多波束卫星通信系统的输出功率表示为：
Figure BDA0002998820390000102
构建以最大输出功率和最大带宽利用率为优化目标的多目标优化模型g(Λ)：
Figure BDA0002998820390000103
其中，Λ＝[λ1,λ2,…,λi,…,λB]为决策因子矩阵，
Figure BDA0002998820390000104
为卫星功率放大器第j个出口处输出功率的告警阈值；利用强化学习算法求解加权多目标优化模型，得到满足最大输出功率和最大带宽利用率目标的最优决策因子矩阵Λ0，再用该最优更新决策因子矩阵Λ0替换原更新决策因子矩阵Λ；
根据带宽利用率和输出功率的重要性程度，分别定义两个目标函数的权重ω1、ω2，构建以最大输出功率和最大带宽利用率为优化目标的加权多目标优化模型g0(Λ)：
Figure BDA0002998820390000111
其中，Λ＝[λ1,λ2,…,λi,…,λB]为决策因子矩阵，
Figure BDA0002998820390000112
为卫星功率放大器第j个出口处输出功率的告警阈值；利用强化学习算法求解加权多目标优化模型，得到满足最大输出功率和最大带宽利用率目标的最优决策因子矩阵Λ0，再用该最优更新决策因子矩阵Λ0替换原更新决策因子矩阵Λ；
S5，地面信关站根据矩阵Λ为集合S中的业务申请分配载波频率和载波时隙资源。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种面向大规模辐射阵列的多波束卫星通信功率控制方法，其特征在于，其步骤包括：
S1，地面信关站为多波束卫星通信系统每个波束中的用户业务申请分别建立等待队列，等待队列中的用户业务申请按照其业务申请的优先级高低进行排序，当多个用户的业务申请优先级相同时，根据其业务申请的到达时间顺序先后依次排队；
S2，地面信关站对所有波束进行遍历，获取各波束等待队列排在首位的业务申请并存入新业务申请集合S，初始化决策因子矩阵Λ，依次判断各波束当前可用的载波频率、载波时隙资源能否满足该波束的业务申请的需求，如果不满足，则拒绝来自不满足需求的波束中的业务申请，如果满足，则执行步骤S3；
假设多波束卫星通信系统共有B个波束，第i个波束bi的当前可用载波频率、载波时隙资源分别表示为Favb,i和Tavb,i，其中i＝1,2,…B；新业务申请集合为S＝[s1,s2,…,si,…,sB]，其中si为波束bi的等待队列中排在首位的业务申请，其对载波频率和时隙资源的需求分别记为Freq,i和Treq,i；决策因子矩阵为Λ＝[λ1,λ2,…,λi,…,λB]，λi为业务申请si的决策因子，若λi＝1，则地面信关站为业务申请si提供服务，若λi＝0，则地面信关站不为业务申请si提供服务，在初始化条件下，矩阵Λ中的全部决策因子均等于1；
在对各波束进行遍历的过程中，当波束bi的等待队列中没有业务申请时，将si记为空值，并令λi＝0；当波束bi和业务申请si不能同时满足条件Favb,i≥Freq,i和Tavb,i≥Treq,i时，令λi＝0；
S3，地面信关站根据集合S中各业务申请的业务类型和用户站型，计算卫星功率放大器入口处的输入功率，并预测卫星功率放大器的输出功率值，如果所预测的卫星功率放大器的输出功率值小于卫星功率放大器的告警阈值，执行步骤S5，否则执行步骤S4；
S4，以最大输出功率和最大带宽利用率为优化目标，构建多目标优化模型，求解该模型，获得最优更新决策因子矩阵Λ0，再用最优更新决策因子矩阵Λ0替换原更新决策因子矩阵Λ；
S5，地面信关站根据矩阵Λ为集合S中的业务申请分配载波频率和载波时隙资源。
2.如权利要求1所述的面向大规模辐射阵列的多波束卫星通信功率控制方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
地面信关站通过查询本地数据库中存储的用户站型及对应业务类型信息，得到各用户站型不同业务类型对应的地面信关站发射功率，在t时刻对于业务申请si，地面信关站的发射功率记为qi(t)，地面信关站与卫星之间的通信链路损耗表示为：
L＝GtrLlGr，
其中，Gtr为地面信关站发射天线增益，Ll为自由空间传播损耗，Gr为接收天线增益；
得到业务申请si在t时刻在卫星功率放大器入口处的输入功率为：
Figure FDA0002998820380000021
则在t+1时刻波束bi卫星功率放大器入口处的输入功率为：
Figure FDA0002998820380000022
其中，
Figure FDA0002998820380000023
和
Figure FDA0002998820380000024
分别为波束bi在t时刻和t+1时刻的已有业务在卫星功率放大器入口处的输入功率；
卫星功率放大器共有M个出口，卫星功率放大器各出口的输出功率与入口处的输入功率的映射关系表示为：
Figure FDA0002998820380000031
其中，
Figure FDA0002998820380000032
表示在t+1时刻、卫星功率放大器第j个出口处的输出功率，j＝1,2,…,M，多波束卫星功率放大器的输入输出功率映射关系f()是利用地面卫星试验数据构建映射关系表来得到，根据t+1时刻各个入口处的输入功率，通过查表的方式获得t+1时刻卫星功率放大器出口处的输出功率值。
3.如权利要求2所述的面向大规模辐射阵列的多波束卫星通信功率控制方法，其特征在于，所述的步骤S4具体包括：
假设多波束卫星通信系统中，波束bi可支持的基本载波数为ci，
Figure FDA0002998820380000033
其中Wi为波束bi的可用带宽，w为基本载波带宽；业务申请si所需的业务传输速率记为Ri，业务申请si所需的基本载波数量ΔVi的计算公式为：
Figure FDA0002998820380000034
其中，
Figure FDA0002998820380000035
和
Figure FDA0002998820380000036
分别表示向下和向上取整，Rb和R0分别为天线口径最小的用户站的业务峰值信息速率和最低信息速率；n为每个载波可划分的时分信道数量，
Figure FDA0002998820380000037
δR为时域保护间隔；则多波束卫星通信系统的带宽利用率η表示为：
Figure FDA0002998820380000038
其中，λi为业务申请si的决策因子；Vi(t)为t时刻，波束bi中已经分配的基本载波数量；
t+1时刻多波束卫星通信系统的输出功率表示为：
Figure FDA0002998820380000041
根据带宽利用率和输出功率的重要性程度，分别定义两个目标函数的权重ω1、ω2，构建以最大输出功率和最大带宽利用率为优化目标的加权多目标优化模型g0(Λ)：
Figure FDA0002998820380000042
其中，Λ＝[λ1,λ2,…,λi,…,λB]为决策因子矩阵，
Figure FDA0002998820380000043
为卫星功率放大器第j个出口处输出功率的告警阈值；利用强化学习算法求解加权多目标优化模型，得到满足最大输出功率和最大带宽利用率目标的最优决策因子矩阵Λ0，再用该最优更新决策因子矩阵Λ0替换原更新决策因子矩阵Λ。
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