CN113472425A - 一种能效优先的卫星多波束协作通信下行功率分配方法 - Google Patents

一种能效优先的卫星多波束协作通信下行功率分配方法 Download PDF

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Abstract

一种能效优先的卫星多波束协作通信下行功率分配方法，属于卫星通信技术领域，解决如何弥补现有卫星通信系统中下行波束功率分配策略不足，建立波束功率分配优化问题，在多星多用户协作通信场景下，采用基于时隙划分队列模型对多颗卫星和地面用户构成的协作通信系统进行建模，将波束功率分配问题构造为长时间平均能效最优的优化问题；将长时间平均能效最优问题转化为瞬时优化问题，依据系统每个时隙的业务队列长度和信道状态信息等参数，通过所提出的基于加权最小均方误差法的算法，计算当前时隙的多星最优波束功率分配策略；通过调节优化问题中引入的参数值，根据系统用户业务的实际情况，在系统能效和用户业务服务质量两者之间进行选择权衡。

Description

一种能效优先的卫星多波束协作通信下行功率分配方法
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种能效优先的卫星多波束协作通信下行功率分配方法。
背景技术
多波束卫星通信系统在广域覆盖、灾害救援等多种场景下扮演者极为重要的角色，同时也不断与地面的5G及未来6G无线通信网络进行着深度的融合。但卫星平台作为一个功率受限的系统，其能源利用效率的重要性在卫星通信应用的过程中不断凸显。通过高效地优化多波束卫星通信系统对每个用户的波束功率分配策略，能够在最大化利用星上资源的同时满足不同地面业务类型的地面用户的通信需求。
由于功率分配策略对卫星通信系统的重要意义，其在学术界和工业界被行了广泛的研究。现有技术中，N.K.Srivastava等人在Flexible and dynamic power allocationin broadband multi-beam satellites(IEEE Communications Letters,vol.17，no.9，pp. 1722–1725，2013)的文献中提出了一种针对每个用户群的卫星动态波束功率分配策略，以提高每个波束支持的用户数量；A.I.Aravanis等人在Power allocation inmultibeam satellite systems:A two-stage multi-objective optimization(IEEETransactions on Wireless Communications，vol.14，no.6，pp.3171–3182，2015)的文献中提出了一种多波束卫星下行通信系统内二阶多目标优化策略，以提高系统总体吞吐量；申请号为CN201410346280 的中国发明专利申请文献《一种多波束卫星通信系统中的功率分配算法采用拉格朗日对偶方法》和申请号为CN202010978556《一种多波束通信卫星的下行波束资源分配方法及装置》的中国发明专利申请文献中分别基于拉格朗日对偶理论和遗传算法和粒子群算法对进行卫星下行波束功率资源进行分配，但求解过程中未考虑不同波束间及不同载波之间的干扰；申请号为CN202011473328《多波束LEO卫星通信系统下行NOMA功率分配方法》的中国发明专利申请文献中基于非正交多址接入(NOMA)系统，考虑了不同波束间的干扰并基于遗传算法进行了下行波束功率分配；文献《Ka波段多波束卫星功率分配算法研究》(刘铭，哈尔滨，哈尔滨工程大学，2019)一文中以系统的公平性为优化目标构造波束功率分配问题，并通过拉格朗日对偶方法进行求解；文献《宽带多波束IDMA卫星系统的功率分配方法》(王红丹，哈尔滨，哈尔滨工程大学，2012)一文中，基于交织多址接入(IDMA)系统，以最小化未被服务用户数为目标，进行了多波束下行功率分配问题的求解；文献《一种改进的多波束卫星通信系统功率分配算法》 (史煜等，通信技术，2016，49(10):1355-1359)一文中，基于频分多址接入(FDMA) 系统，对传统的注水功率分配算法进行了复杂度方面的改进。
上述现有相关技术文献中，除系统架构与技术方案与本发明不同外，考虑的都是单个卫星对多个地面用户进行服务的场景，所提出的相关算法也都局限于对单个卫星生成的多个波束进行功率分配，且未考虑不同波束之间的协作通信的情形。在多星协作通信技术研究方面，L.Bai等人在Cooperative transmission over Rician fading channelsfor geostationary orbiting satellite collocation system(Iet Communications,2017，11(4):538-547) 一文中，在GEO卫星星座场景下，通过一种基于用户信道状态的用户选择策略实现协作通信，未涉及波束功率分配；Bo Zhao等人在MultisatelliteCooperative RandomAccess Scheme in Low Earth Orbit Satellite Networks(SystemsJournal，IEEE，2018)一文中，提出一种基于包检测的多用户多星随机接入策略，相比于传统策略提高了系统的吞吐量和能效，但同样未涉及波束功率分配。此外，在现有波束功率分配相关技术研究中，所提出的卫星多波束功率分配算法均是瞬时功率分配算法，只针对某一时刻的业务场景根据用户需求、信道状态等条件进行波束功率分配，忽略了时延敏感型用户业务的需求。目前，随着低轨卫星组网规模的扩大，通过多星协作提高用户通信服务质量的需求与日俱增；且而随着通信技术的发展，诸如多媒体和视频流等时延敏感型用户业务数量不断增加，更加需要系统实时地减少通信时延，减少下行用户数据积压，提高用户服务质量，并进行长期持续的动态功率分配优化。
本发明提出的算法适用于多个卫星对多个地面用户进行服务的场景，场景模型更为复杂，更为贴近目前及未来多星组网的业务场景及应用趋势，且考虑了不同卫星所生成的不同波束对同一个地面用户进行服务的协作通信场景，以提高用户服务质量。同时本发明提出了一种长时间平均系统能效最优的波束功率分配方法，在抑制多星多波束间干扰的前提下，考虑了在系统运行过程中前后时间的关联性及用户业务数据长时间的累积带来的时延效应，更为贴近真实通信系统的运行状态。
发明内容
本发明的目的在于如何设计一种能效优先的卫星多波束协作通信下行功率分配方法，弥补现有卫星通信系统中下行波束功率分配策略的不足，在多星多用户协作通信场景下，提出一种综合用户业务需求和卫星功率约束的系统能效定义，并以长时间的平均系统能效最大化为目标，建立波束功率分配优化的问题。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种能效优先的卫星多波束协作通信下行功率分配方法，包括以下步骤：
S1、在多星多用户协作通信的场景下，采用基于时隙划分的队列模型对多颗卫星和地面用户构成的协作通信系统进行建模；
S2、将波束功率分配问题构造为长时间平均能效最优的优化问题；
S3、采用Lyapunov优化方法，将长时间平均能效最优的优化问题转化为瞬时优化问题；
S4、依据系统每个时隙的业务队列长度和信道状态信息参数，通过基于加权最小均方误差法的算法，计算当前时隙的多星最优的波束功率分配策略，并通过多个时隙的迭代更新得到系统长时间平均的卫星平台能效最优波束功率分配策略。
本发明提出的算法适用于多个卫星对多个地面用户进行服务的场景，相对于考虑的都是单个卫星对多个地面用户进行服务的场景，场景模型更为复杂，更为贴近目前及未来多星组网的业务场景及应用趋势，且考虑了不同卫星所生成的不同波束对同一个地面用户进行服务的协作通信场景；考虑了在系统运行过程中前后时间的关联性及用户业务数据长时间的累积带来的时延效应，更为贴近真实通信系统的运行状态；通过调节优化问题中引入的参数值，根据系统用户业务的实际情况，在系统能效和用户业务服务质量两者之间进行选择权衡，能够在满足用户业务需求的同时，充分利用功率受限的卫星平台的波束功率资源，实现卫星平台长时间平均能效最优的波束功率分配策略。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S1中所述的采用基于时隙划分的队列模型对多颗卫星和地面用户构成的协作通信系统进行建模的方法如下：
一个多波束卫星协作下行通信系统中共有L颗卫星和M个地面用户，每个卫星能够形成M个波束分别为M个地面用户服务，用户接收到的下行数据来源于地面数据中心，通过数据中心的上行链路发送到卫星，再经由卫星下行波束转发到每个用户，每个地面用户可同时接收来自多颗卫星的协作通信信息，系统运行的每个时隙的长度可根据系统及用户业务特点进行调整，用矩阵hm(t)＝[h1m(t),h2m(t),...，hLm(t)]表示时隙t内所有L颗卫星到用户m的信道状态信息，用wm(t)＝[w1m(t)，w2m(t)，...，wLm(t)]表示时隙t内所有L颗卫星分配给用户m的波束形成矩阵，考虑到来自其他用户信号的干扰和噪声，时隙t内用户m的数据速率Rm(t)可以表示为：
Figure RE-RE-GDA0003222676910000041
其中B表示通信带宽，N0表示噪声功率谱密度，||表示绝对值运算，log表示取对数运算；卫星l在时隙t的发射波束总功率pl表示为
Figure RE-RE-GDA0003222676910000042
系统内所有卫星在时隙t的能效ηEE(t)定义为：
Figure RE-RE-GDA0003222676910000043
卫星平台在时隙t收到来自地面数据中心上行链路的用户m的业务数据表示为 Am(t)，并用Qm(t)表示用户m的业务数据队列，则Qm(t)在每个时隙的迭代更新过程表示为：
Qm(t+1)＝max{Qm(t)-Rm(t)，0}+Am(t) (3)。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S2中，将波束功率分配问题构造为长时间平均能效最优的优化问题的方法如下：
用T表示系统总的工作时间长度，则系统长时间平均能效
Figure RE-RE-GDA0003222676910000044
可以表示为：
Figure RE-RE-GDA0003222676910000045
以此作为最大化优化目标，则系统长时间平均能效最优的波束功率分配优化问题构造为：
Figure RE-RE-GDA0003222676910000046
Figure RE-RE-GDA0003222676910000047
Figure RE-RE-GDA0003222676910000048
Figure RE-RE-GDA0003222676910000049
Figure RE-RE-GDA0003222676910000051
其中，公式(6)为系统稳定约束，表示卫星平台必须按一定的速率对用户发送相应的数据，确保每个用户的数据队列长度在经过较长时间的系统运行后长度保持有限；公式(7)表示对每个卫星的长时间平均波束总功率约束；公式(8)表示每个卫星在每个时隙内的瞬时最大波束总功率约束；公式(9)用来确保算法所得到的每个波束功率值不小于0。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S3中所述的采用Lyapunov优化方法，将长时间平均能效最优的优化问题转化为瞬时优化问题；的方法如下：
通过引入虚拟功率队列的方式，将公式(7)的每个卫星长时间平均功率约束条件转换为队列稳定约束，定义卫星l的虚拟功率队列Zl(t)按如下公式(10)进行每个时隙的迭代更新：
Zl(t+1)＝max{Zl(t)+pl(t)-Pavg，0} (10)
通过引入Lyapunov漂移加惩罚函数，得到瞬时优化问题如下：
Figure RE-RE-GDA0003222676910000052
Figure RE-RE-GDA0003222676910000053
Figure RE-RE-GDA0003222676910000054
其中，V为可调节参数，用于在系统能效和用户业务时延两者之间进行选择权衡；约束条件的公式(12)与约束条件的公式(8)一致，约束条件的公式(13)与约束条件的公式(9)一致。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S4中所述的依据系统每个时隙的业务队列长度和信道状态信息参数，通过基于加权最小均方误差法的算法，计算当前时隙的多星最优的波束功率分配策略，并通过多个时隙的迭代更新得到系统长时间平均的卫星平台能效最优波束功率分配策略的方法包括如下子步骤：
S41、在系统开始运行的t＝1时刻，设置初始参数V，并将每个用户的数据业务队列初始化为该时刻地面数据中心生成的该用户接收数据，即
Figure RE-RE-GDA0003222676910000055
将所有虚拟功率队列初始化为0，即
Figure RE-RE-GDA0003222676910000056
并获取当前每个卫星到每个用户之间对应的信道状态信息
Figure RE-RE-GDA0003222676910000057
S42、判断是否需要调整参数V，若需要，则直接进行调整，调整完后对依据设置参数对优化问题公式(11)～(13)进行求解，若不需调整参数V，则直接对优化问题公式(11)～(13)进行求解；
S43、将步骤S3中得到的瞬时优化问题公式(11)～(13)转化为基于加权最小均方误差法的优化问题；
S44、求解得到当前时隙系统内所有卫星对每个用户的最优的波束功率分配策略
Figure RE-RE-GDA0003222676910000061
S45、基于当前时隙最优波束功率分配策略，计算每个用户的数据速率
Figure RE-RE-GDA0003222676910000062
和每个卫星波束总功率pl(t)；
S46、依据公式(3)和公式(10)更新用户数据业务队列和虚拟功率队列；
S47、系统运行到下一时隙，更新时隙t＝t+1，获取该时隙下的每个用户信道状态信息
Figure RE-RE-GDA0003222676910000063
并在判断完是否需要调整参数V后，继续计算该时隙内的最优波束功率分配策略。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S43中所述的瞬时优化问题公式(11)～(13)转化为基于加权最小均方误差法的优化问题的方法具体如下：
Figure RE-RE-GDA0003222676910000064
Figure RE-RE-GDA0003222676910000065
Figure RE-RE-GDA0003222676910000066
其中：
Figure RE-RE-GDA0003222676910000067
Figure RE-RE-GDA0003222676910000068
Re{·}表示取实部运算，约束条件公式(15)与约束条件公式(8)一致，约束条件公式(16)与约束条件公式(9)一致。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S44中所述的求解得到当前时隙系统内所有卫星对每个用户的最优的波束功率分配策略
Figure RE-RE-GDA0003222676910000071
具体包括如下子步骤：
S441、初始化波束功率分配策略wm(t)，并计算对应的ηEE(t)，并设置收敛条件ε；
S442、更新最优波束分配策略
Figure RE-RE-GDA0003222676910000072
以及
Figure RE-RE-GDA0003222676910000073
S443、依据wm(t)，分别根据公式(17)和公式(18)计算um(t)和ωm(t)；
S444、基于um(t)和ωm(t)，求解基于加权最小均方误差法的优化问题(14)～(16)，得到最优波束分配策略wm(t)；
S445、基于求解得到的wm(t)，计算对应的ηEE(t)；
S446、计算并判断
Figure RE-RE-GDA0003222676910000074
是否成立，若不成立，则回到S442继续执行；
S447、若
Figure RE-RE-GDA0003222676910000075
成立，则得到当前时隙系统内所有卫星对每个用户的最优的波束功率分配策略
Figure RE-RE-GDA0003222676910000076
本发明的优点在于：
(1)本发明提出的算法适用于多个卫星对多个地面用户进行服务的场景，相对于考虑的都是单个卫星对多个地面用户进行服务的场景，场景模型更为复杂，更为贴近目前及未来多星组网的业务场景及应用趋势，且考虑了不同卫星所生成的不同波束对同一个地面用户进行服务的协作通信场景；考虑了在系统运行过程中前后时间的关联性及用户业务数据长时间的累积带来的时延效应，更为贴近真实通信系统的运行状态；通过调节优化问题中引入的参数值，根据系统用户业务的实际情况，在系统能效和用户业务服务质量两者之间进行选择权衡，能够在满足用户业务需求的同时，充分利用功率受限的卫星平台的波束功率资源，实现卫星平台长时间平均能效最优的波束功率分配策略。
(2)本发明相比于现有卫星多波束功率分配策略，在多星多用户协作通信场景下，以系统长时间平均能效最优为目标，通过Lyapunov优化方法，能够有效控制用户业务数据队列长度，减少下行用户数据积压，更好地适应多媒体和视频流等时延敏感类型的数据业务。
(3)本发明通过基于加权最小均方误差法，将难以直接求解的非凸问题转化为凸问题，求解最优的波束功率分配策略，并能够通过调整参数V，在系统能效和用户业务服务质量两者之间进行选择权衡，在不同的场景下，更加灵活地实现多波束多卫星通信系统整体效用的最大化，系统架构为全频段复用系统，具有频率资源利用率高的优点
附图说明
图1为本发明实施例的多波束卫星通信系统模型示意图；
图2为本发明实施例的总体流程图；
图3为本发明实施例的每个时隙内最优波束功率分配策略流程图；
图4为本发明实施例的求解基于加权最小均方误差法的优化问题流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1和图2所示，一种能效优先的卫星多波束协作通信下行功率分配方法，其分配步骤包括：
1、建立基于时隙划分的多波束卫星协作通信下行链路模型，方法如下：
图1给出了多波束卫星通信系统模型，一个多波束卫星协作下行通信系统中共有L颗卫星和M个地面用户，每个卫星能够形成M个波束分别为M个地面用户服务，用户接收到的下行数据来源于地面数据中心，通过数据中心的上行链路发送到卫星，再经由卫星下行波束转发到每个用户，每个地面用户可同时接收来自多颗卫星的协作通信信息，系统运行的每个时隙的长度可根据系统及用户业务特点进行调整，用矩阵 hm(t)＝[h1m(t),h2m(t),...,hLm(t)]表示时隙t内所有L颗卫星到用户m的信道状态信息，用 wm(t)＝[w1m(t),w2m(t),...,wLm(t)]表示时隙t内所有L颗卫星分配给用户m的波束形成矩阵，考虑到来自其他用户信号的干扰和噪声，时隙t内用户m的数据速率Rm(t)可以表示为：
Figure RE-RE-GDA0003222676910000091
其中B表示通信带宽，N0表示噪声功率谱密度，||表示绝对值运算，log表示取对数运算；卫星l在时隙t的发射波束总功率pl可以表示为
Figure RE-RE-GDA0003222676910000092
系统内所有卫星在时隙t的能效ηEE(t)可以定义为：
Figure RE-RE-GDA0003222676910000093
卫星平台在时隙t收到来自地面数据中心上行链路的用户m的业务数据表示为 Am(t)，并用Qm(t)表示用户m的业务数据队列，则Qm(t)在每个时隙的迭代更新过程可以表示为：
Qm(t+1)＝max{Qm(t)-Rm(t),0}+Am(t) (3)
2、构造长时间平均能效最优的波束功率分配优化问题，方法如下：
用T表示系统总的工作时间长度，则系统长时间平均能效
Figure RE-RE-GDA0003222676910000094
可以表示为：
Figure RE-RE-GDA0003222676910000095
以此作为最大化优化目标，则系统长时间平均能效最优的波束功率分配优化问题可以构造为：
Figure RE-RE-GDA0003222676910000096
Figure RE-RE-GDA0003222676910000097
Figure RE-RE-GDA0003222676910000098
Figure RE-RE-GDA0003222676910000099
Figure RE-RE-GDA00032226769100000910
其中，公式(6)为系统稳定约束，表示卫星平台必须按一定的速率对用户发送相应的数据，确保每个用户的数据队列长度在经过较长时间的系统运行后长度保持有限；公式(7)表示对每个卫星的长时间平均波束总功率约束；公式(8)表示每个卫星在每个时隙内的瞬时最大波束总功率约束；公式(9)用来确保算法所得到的每个波束功率值不小于0。
3、将长时间平均能效最优问题转化为瞬时优化问题，方法如下：
通过引入虚拟功率队列的方式，将公式(7)的每个卫星长时间平均功率约束条件转换为队列稳定约束，定义卫星l的虚拟功率队列Zl(t)按如下公式进行每个时隙的迭代更新：
Zl(t+1)＝max{Zl(t)+pl(t)-Pavg,0} (10)
通过引入Lyapunov漂移加惩罚函数，可以得到瞬时优化问题如下：
Figure RE-RE-GDA0003222676910000101
Figure RE-RE-GDA0003222676910000102
Figure RE-RE-GDA0003222676910000103
其中，V为可调节参数，用于在系统能效和用户业务时延两者之间进行选择权衡；约束条件的公式(12)与约束条件的公式(8)一致，约束条件的公式(13)与约束条件的公式(9)一致。
4、求解得到每个时隙内最优的波束功率分配策略，如图3所示，具体包括如下子步骤：
4.1、在系统开始运行的t＝1时刻，设置初始参数V，并将每个用户的数据业务队列初始化为该时刻地面数据中心生成的该用户接收数据，即
Figure RE-RE-GDA0003222676910000104
将所有虚拟功率队列初始化为0，即
Figure RE-RE-GDA0003222676910000105
并获取当前每个卫星到每个用户之间对应的信道状态信息
Figure RE-RE-GDA0003222676910000106
4.2、判断是否需要调整参数V，若需要，则直接进行调整，调整完后对依据设置参数对优化问题公式(11)～(13)进行求解，若不需调整参数V，则直接对优化问题公式(11)～(13)进行求解；
4.3、将步骤3中得到的瞬时优化问题公式(11)～(13)转化为基于加权最小均方误差法的优化问题；
4.4、求解得到当前时隙系统内所有卫星对每个用户的最优的波束功率分配策略
Figure RE-RE-GDA0003222676910000111
4.5、基于当前时隙最优波束功率分配策略，计算每个用户的数据速率
Figure RE-RE-GDA0003222676910000112
和每个卫星波束总功率pl(t)；
4.6、依据公式(3)和公式(10)更新用户数据业务队列和虚拟功率队列；
4.7、系统运行到下一时隙，更新时隙t＝t+1，获取该时隙下的每个用户信道状态信息
Figure RE-RE-GDA0003222676910000113
并在判断完是否需要调整参数V后，继续计算该时隙内的最优波束功率分配策略。
步骤4.3中所述的瞬时优化问题公式(11)～(13)转化为基于加权最小均方误差法的优化问题的方法具体如下：
Figure RE-RE-GDA0003222676910000114
Figure RE-RE-GDA0003222676910000115
Figure RE-RE-GDA0003222676910000116
其中：
Figure RE-RE-GDA0003222676910000117
Figure RE-RE-GDA0003222676910000118
Re{·}表示取实部运算，约束条件公式(15)与约束条件公式(8)一致，约束条件公式(16)与约束条件公式(9)一致。
图4为求解基于加权最小均方误差法的优化问题流程图，步骤4.4中所述的求解得到当前时隙系统内所有卫星对每个用户的最优的波束功率分配策略
Figure RE-RE-GDA0003222676910000121
具体包括如下子步骤：
4.4.1、初始化波束功率分配策略wm(t)，并计算对应的ηEE(t)，并设置收敛条件ε；
4.4.2、更新最优波束分配策略
Figure RE-RE-GDA0003222676910000122
以及
Figure RE-RE-GDA0003222676910000123
4.4.3、依据wm(t)，分别根据公式(17)和公式(18)计算um(t)和ωm(t)；
4.4.4、基于um(t)和ωm(t)，求解基于加权最小均方误差法的优化问题(14)～(16)，得到最优波束分配策略wm(t)；
4.4.5、基于求解得到的wm(t)，计算对应的ηEE(t)；
4.4.6、计算并判断
Figure RE-RE-GDA0003222676910000124
是否成立，若不成立，则回到4.4.2继续执行；
4.4.7、若
Figure RE-RE-GDA0003222676910000125
成立，则得到当前时隙系统内所有卫星对每个用户的最优的波束功率分配策略
Figure RE-RE-GDA0003222676910000126
求解每个时隙内最优波束功率分配策略的方法，将随着系统的运行持续计算每个时隙内最优的波束功率分配策略，即可实现卫星多波束下行通信系统的长时间平均能效最优。
本发明相比于现有卫星多波束功率分配策略，在多星多用户协作通信场景下，以系统长时间平均能效最优为目标，通过Lyapunov优化方法，能够有效控制用户业务数据队列长度，减少下行用户数据积压，更好地适应多媒体和视频流等时延敏感类型的数据业务。同时，本发明通过基于加权最小均方误差法，将难以直接求解的非凸问题转化为凸问题，求解最优的波束功率分配策略，并能够通过调整参数V，在系统能效和用户业务服务质量两者之间进行选择权衡，在不同的场景下，更加灵活地实现多波束多卫星通信系统整体效用的最大化。
以上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精神和范围。

Claims (7)

1.一种能效优先的卫星多波束协作通信下行功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在多星多用户协作通信的场景下，采用基于时隙划分的队列模型对多颗卫星和地面用户构成的协作通信系统进行建模；
S2、将波束功率分配问题构造为长时间平均能效最优的优化问题；
S3、采用Lyapunov优化方法，将长时间平均能效最优的优化问题转化为瞬时优化问题；
S4、依据系统每个时隙的业务队列长度和信道状态信息参数，通过基于加权最小均方误差法的算法，计算当前时隙的多星最优的波束功率分配策略，并通过多个时隙的迭代更新得到系统长时间平均的卫星平台能效最优波束功率分配策略。
2.根据权利要求1所述的一种能效优先的卫星多波束协作通信下行功率分配方法，其特征在于，步骤S1中所述的采用基于时隙划分的队列模型对多颗卫星和地面用户构成的协作通信系统进行建模的方法如下：
一个多波束卫星协作下行通信系统中共有L颗卫星和M个地面用户，每个卫星能够形成M个波束分别为M个地面用户服务，用户接收到的下行数据来源于地面数据中心，通过数据中心的上行链路发送到卫星，再经由卫星下行波束转发到每个用户，每个地面用户可同时接收来自多颗卫星的协作通信信息，系统运行的每个时隙的长度可根据系统及用户业务特点进行调整，用矩阵hm(t)＝[h1m(t)，h2m(t)，...,hLm(t)]表示时隙t内所有L颗卫星到用户m的信道状态信息，用wm(t)＝[w1m(t),w2m(t),...,wLm(t)]表示时隙t内所有L颗卫星分配给用户m的波束形成矩阵，考虑到来自其他用户信号的干扰和噪声，时隙t内用户m的数据速率Rm(t)可以表示为：
Figure RE-FDA0003222676900000011
其中B表示通信带宽，N0表示噪声功率谱密度，||表示绝对值运算，log表示取对数运算；卫星l在时隙t的发射波束总功率pl表示为
Figure RE-FDA0003222676900000012
系统内所有卫星在时隙t的能效ηEE(t)定义为：
Figure RE-FDA0003222676900000021
卫星平台在时隙t收到来自地面数据中心上行链路的用户m的业务数据表示为Am(t)，并用Qm(t)表示用户m的业务数据队列，则Qm(t)在每个时隙的迭代更新过程表示为：
Qm(t+1)＝max{Qm(t)-Rm(t)，0}+Am(t) (3)。
3.根据权利要求2所述的一种能效优先的卫星多波束协作通信下行功率分配方法，其特征在于，步骤S2中，将波束功率分配问题构造为长时间平均能效最优的优化问题的方法如下：
用T表示系统总的工作时间长度，则系统长时间平均能效
Figure RE-FDA0003222676900000022
可以表示为：
Figure RE-FDA0003222676900000023
以此作为最大化优化目标，则系统长时间平均能效最优的波束功率分配优化问题构造为：
Figure RE-FDA0003222676900000024
Figure RE-FDA0003222676900000025
Figure RE-FDA0003222676900000026
Figure RE-FDA0003222676900000027
Figure RE-FDA0003222676900000028
其中，公式(6)为系统稳定约束，表示卫星平台必须按一定的速率对用户发送相应的数据，确保每个用户的数据队列长度在经过较长时间的系统运行后长度保持有限；公式(7)表示对每个卫星的长时间平均波束总功率约束；公式(8)表示每个卫星在每个时隙内的瞬时最大波束总功率约束；公式(9)用来确保算法所得到的每个波束功率值不小于0。
4.根据权利要求3所述的一种能效优先的卫星多波束协作通信下行功率分配方法，其特征在于，步骤S3中所述的采用Lyapunov优化方法，将长时间平均能效最优的优化问题转化为瞬时优化问题；的方法如下：
通过引入虚拟功率队列的方式，将公式(7)的每个卫星长时间平均功率约束条件转换为队列稳定约束，定义卫星l的虚拟功率队列Zl(t)按如下公式(10)进行每个时隙的迭代更新：
Zl(t+1)＝max{Zl(t)+pl(t)-Pavg,0} (10)
通过引入Lyapunov漂移加惩罚函数，得到瞬时优化问题如下：
Figure RE-FDA0003222676900000031
Figure RE-FDA0003222676900000032
Figure RE-FDA0003222676900000033
其中，V为可调节参数，用于在系统能效和用户业务时延两者之间进行选择权衡；约束条件的公式(12)与约束条件的公式(8)一致，约束条件的公式(13)与约束条件的公式(9)一致。
5.根据权利要求4所述的一种能效优先的卫星多波束协作通信下行功率分配方法，其特征在于，步骤S4中所述的依据系统每个时隙的业务队列长度和信道状态信息参数，通过基于加权最小均方误差法的算法，计算当前时隙的多星最优的波束功率分配策略，并通过多个时隙的迭代更新得到系统长时间平均的卫星平台能效最优波束功率分配策略的方法包括如下子步骤：
S41、在系统开始运行的t＝1时刻，设置初始参数V，并将每个用户的数据业务队列初始化为该时刻地面数据中心生成的该用户接收数据，即
Figure RE-FDA0003222676900000034
将所有虚拟功率队列初始化为0，即
Figure RE-FDA0003222676900000035
并获取当前每个卫星到每个用户之间对应的信道状态信息
Figure RE-FDA0003222676900000036
S42、判断是否需要调整参数V，若需要，则直接进行调整，调整完后对依据设置参数对优化问题公式(11)～(13)进行求解，若不需调整参数V，则直接对优化问题公式(11)～(13)进行求解；
S43、将步骤S3中得到的瞬时优化问题公式(11)～(13)转化为基于加权最小均方误差法的优化问题；
S44、求解得到当前时隙系统内所有卫星对每个用户的最优的波束功率分配策略
Figure RE-FDA0003222676900000041
S45、基于当前时隙最优波束功率分配策略，计算每个用户的数据速率
Figure RE-FDA0003222676900000042
和每个卫星波束总功率pl(t)；
S46、依据公式(3)和公式(10)更新用户数据业务队列和虚拟功率队列；
S47、系统运行到下一时隙，更新时隙t＝t+1，获取该时隙下的每个用户信道状态信息
Figure RE-FDA0003222676900000043
并在判断完是否需要调整参数V后，继续计算该时隙内的最优波束功率分配策略。
6.根据权利要求5所述的一种能效优先的卫星多波束协作通信下行功率分配方法，其特征在于，步骤S43中所述的瞬时优化问题公式(11)～(13)转化为基于加权最小均方误差法的优化问题的方法具体如下：
Figure RE-FDA0003222676900000044
Figure RE-FDA0003222676900000045
Figure RE-FDA0003222676900000046
其中：
Figure RE-FDA0003222676900000047
Figure RE-FDA0003222676900000048
Re{·}表示取实部运算，约束条件公式(15)与约束条件公式(8)一致，约束条件公式(16)与约束条件公式(9)一致。
7.根据权利要求5所述的一种能效优先的卫星多波束协作通信下行功率分配方法，其特征在于，步骤S44中所述的求解得到当前时隙系统内所有卫星对每个用户的最优的波束功率分配策略
Figure RE-FDA0003222676900000051
具体包括如下子步骤：
S441、初始化波束功率分配策略wm(t)，并计算对应的ηEE(t)，并设置收敛条件ε；
S442、更新最优波束分配策略
Figure RE-FDA0003222676900000052
以及
Figure RE-FDA0003222676900000053
S443、依据wm(t)，分别根据公式(17)和公式(18)计算um(t)和ωm(t)；
S444、基于um(t)和ωm(t)，求解基于加权最小均方误差法的优化问题(14)～(16)，得到最优波束分配策略wm(t)；
S445、基于求解得到的wm(t)，计算对应的ηEE(t)；
S446、计算并判断
Figure RE-FDA0003222676900000054
是否成立，若不成立，则回到S442继续执行；
S447、若
Figure RE-FDA0003222676900000055
成立，则得到当前时隙系统内所有卫星对每个用户的最优的波束功率分配策略
Figure RE-FDA0003222676900000056
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113922865A (zh) * 2021-10-12 2022-01-11 重庆邮电大学 一种多波束低轨卫星在高纬度场景下的能量优化方法
CN114244413A (zh) * 2021-10-28 2022-03-25 北京理工大学 一种分布式多卫星联合波束赋形方法
CN114499636A (zh) * 2022-01-18 2022-05-13 北京邮电大学 一种多波束卫星上下行用户端到端时延优化方法
CN114710195A (zh) * 2022-03-24 2022-07-05 重庆邮电大学 一种基于跳波束技术的低轨卫星高能效资源分配方法
CN114980199A (zh) * 2022-07-13 2022-08-30 鹏城实验室 多通信链路融合的数据传输控制方法及卫星通信系统
CN115189721A (zh) * 2022-04-29 2022-10-14 中国人民解放军国防科技大学 一种多波束卫星带宽功率表联合优化分配方法及应用
CN115333610A (zh) * 2022-08-26 2022-11-11 北京理工大学 一种多星的动态资源分配方法
CN116437451A (zh) * 2023-06-07 2023-07-14 天地信息网络研究院(安徽)有限公司 一种基于时隙序列的定向自组网动态功率分配方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105262521A (zh) * 2014-07-18 2016-01-20 中国人民解放军理工大学 一种多波束卫星通信系统中的功率分配算法
CN111835406A (zh) * 2020-06-30 2020-10-27 东南大学 适用于多波束卫星通信的能效谱效权衡的鲁棒预编码方法
CN112803986A (zh) * 2020-12-31 2021-05-14 东方红卫星移动通信有限公司 多波束功率动态分配方法、通信设备及低轨卫星通信系统

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105262521A (zh) * 2014-07-18 2016-01-20 中国人民解放军理工大学 一种多波束卫星通信系统中的功率分配算法
CN111835406A (zh) * 2020-06-30 2020-10-27 东南大学 适用于多波束卫星通信的能效谱效权衡的鲁棒预编码方法
CN112803986A (zh) * 2020-12-31 2021-05-14 东方红卫星移动通信有限公司 多波束功率动态分配方法、通信设备及低轨卫星通信系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KAIWEI WANG ET AL: "Energy Efficiency and Delay Trade-off over Multi-beam Satellite Downlinks", 《2020 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMMUNICATION, NETWORKS AND SATELLITE (COMNETSAT)》 *
王楷为: "C-RAN架构下高能效的资源分配相关问题研究", 《中国优秀博士学位论文全文数据库》 *

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113922865A (zh) * 2021-10-12 2022-01-11 重庆邮电大学 一种多波束低轨卫星在高纬度场景下的能量优化方法
CN113922865B (zh) * 2021-10-12 2023-07-25 重庆邮电大学 一种多波束低轨卫星在高纬度场景下的能量优化方法
CN114244413B (zh) * 2021-10-28 2023-02-07 北京理工大学 一种分布式多卫星联合波束赋形方法
CN114244413A (zh) * 2021-10-28 2022-03-25 北京理工大学 一种分布式多卫星联合波束赋形方法
WO2023071142A1 (zh) * 2021-10-28 2023-05-04 北京理工大学 一种分布式多卫星联合波束赋形方法
CN114499636A (zh) * 2022-01-18 2022-05-13 北京邮电大学 一种多波束卫星上下行用户端到端时延优化方法
CN114710195A (zh) * 2022-03-24 2022-07-05 重庆邮电大学 一种基于跳波束技术的低轨卫星高能效资源分配方法
CN114710195B (zh) * 2022-03-24 2023-07-25 重庆邮电大学 一种基于跳波束技术的低轨卫星高能效资源分配方法
CN115189721A (zh) * 2022-04-29 2022-10-14 中国人民解放军国防科技大学 一种多波束卫星带宽功率表联合优化分配方法及应用
CN115189721B (zh) * 2022-04-29 2023-12-19 中国人民解放军国防科技大学 一种多波束卫星带宽功率表联合优化分配方法及应用
CN114980199B (zh) * 2022-07-13 2022-11-01 鹏城实验室 多通信链路融合的数据传输控制方法及卫星通信系统
CN114980199A (zh) * 2022-07-13 2022-08-30 鹏城实验室 多通信链路融合的数据传输控制方法及卫星通信系统
CN115333610A (zh) * 2022-08-26 2022-11-11 北京理工大学 一种多星的动态资源分配方法
CN115333610B (zh) * 2022-08-26 2023-07-18 北京理工大学 一种多星的动态资源分配方法
CN116437451A (zh) * 2023-06-07 2023-07-14 天地信息网络研究院(安徽)有限公司 一种基于时隙序列的定向自组网动态功率分配方法
CN116437451B (zh) * 2023-06-07 2023-08-15 天地信息网络研究院(安徽)有限公司 一种基于时隙序列的定向自组网动态功率分配方法

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