CN114553299B - 一种卫星系统波束调度和资源分配方法 - Google Patents

一种卫星系统波束调度和资源分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种卫星系统波束调度和资源分配方法，属于无线通信技术领域。该方法包括以下步骤：S1：卫星业务模型建模；S2：卫星波束调度变量建模；S3：子信道分配变量建模；S4：卫星信道建模；S5：用户传输速率建模；S6：系统回报函数建模；S7：卫星波束调度及资源分配限制条件建模；S8：卫星系统波束调度及资源分配优化问题建模；S9：基于Q学习算法优化确定卫星波束调度及资源分配策略。本发明通过优化设计卫星系统波束调度和资源分配策略，实现系统效用最大化。

Description

一种卫星系统波束调度和资源分配方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种卫星系统波束调度和资源分配方法。
背景技术
卫星通信具有覆盖范围广、吞吐量大，支持多类业务等优点，可作为地面通信系统的有效补充，卸载蜂窝通信系统的流量以缓解蜂窝系统的通信压力。对于多用户卫星通信系统，如何综合考虑用户业务需求、链路特性以及卫星通信资源限制，实现系统性能优化已成为重要研究课题。
目前已有文献针对卫星通信系统资源分配问题进行研究，但现有文献较少研究动态环境中卫星波束调度及资源分配问题以提升卫星系统的长期性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种卫星系统波束调度和资源分配方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种卫星系统波束调度和资源分配方法，该方法包括以下步骤：
S1：卫星业务模型建模；
S2：卫星波束调度变量建模；
S3：子信道分配变量建模；
S4：卫星信道建模；
S5：用户传输速率建模；
S6：系统回报函数建模；
S7：卫星波束调度及资源分配限制条件建模；
S8：卫星系统波束调度及资源分配优化问题建模；
S9：基于Q学习算法优化确定卫星波束调度及资源分配策略。
可选的，在该方法中，多波束低轨道卫星服务N个小区，令K表示波束数目，Un，m为小区n的第m个用户，Mn为小区n中的用户数量；卫星波束采用全频率复用方式共享系统带宽，令系统总带宽为Btot，将系统带宽划分为F个子信道，子信道带宽为Bc＝Btot/F，Cf表示第f个子信道的载波频率。系统时间T被划分为连续等长的时隙，时隙长度为τ；
建模卫星业务模型具体包括：令qn，m，t＝{Sn，m，t，ωn，m}表示Un，m业务特性，其中，Sn，m，t表示t时隙末，Un，m待接收的数据量，ωn，m表示该用户的业务权值。
可选的，在所述S2中，建模卫星波束调度变量具体包括：令xn，t∈{0，1}表示波束覆盖变量，若时隙t卫星波束覆盖小区n，xn，t＝1，反之，xn，t＝0，时隙t小区波束调度变量集合为xt＝{x1，t，...，xn，t，...xN，t}。
可选的，在所述S3中，建模子信道分配变量具体包括：令yn，m，f，t∈{0，1}为子信道分配变量，若时隙t，Un，m占用子信道f进行信息传输，yn，m，f，t＝1，反之，yn，m，f，t＝0。
可选的，在所述S4中，建模卫星信道具体包括：令Gn，m，f，t表示时隙t卫星波束与Un，m之间链路在子信道f的信道增益，Gn，m，f，t建模为其中表示接收天线增益，表示为/>其中，un，m，t＝2.07123sin(θn，m，t)/sin(θ3dB)，θn，m，t表示时隙t卫星波束与Un，m接收天线的离轴角，θ3dB为3dB波束带宽对应的角度，gmax，R为接收天线最大增益，/>表示卫星发送天线增益，表示为：
其中，gmax，R为发送天线最大增益，θn，m，t为时隙t，Un，m到卫星的仰角，Ln，m，f，t表示时隙t卫星与Un，m之间链路在子信道f的自由空间损耗，表示为c为光速，dn，m，t为时隙t卫星到Un，m之间的距离，Lpt表示雨衰系数，hn，m，t表示时隙t卫星与Un，m之间链路的随机特性。
可选的，在所述S5中，用户传输速率建模具体包括：令Rn，m，t表示时隙t卫星至Un，m的数据传输速率，建模为其中，pn，m，t为时隙t卫星传输数据至Un，m时采用的发送功率，In，m，f，t为时隙t，Un，m受到的波束间干扰，定义为
可选的，在所述S6中，系统回报函数建模具体为：令Rt表示时隙t各小区的总回报函数，表示为其中，rn，m，t为Un，m的回报函数，表示为：
令R为系统长期平均回报函数，表示为
可选的，在所述S7中，建模卫星波束调度和资源分配限制条件具体包括：
1)卫星波束覆盖限制
每个时隙最多仅有K个小区存在波束覆盖，则有
2)子信道分配限制
任意时隙，同一小区内的用户仅分配不同子载波，则有
3)卫星发射功率限制
时隙t卫星的总发送功率需满足最大功率限制，则有
其中，Pmax为卫星最大发送功率。
可选的，在所述S8中，卫星系统波束调度及资源分配优化问题建模具体包括：在满足卫星系统波束调度和资源分配限制条件，以系统长期平均回报最大化为目标，优化确定波束调度和资源分配策略，即：
其中，分别为最优波束覆盖、子载波关联及卫星发射功率分配策略。
可选的，所述S9中，基于Q学习算法优化确定卫星波束调度及资源分配策略具体包括：定义状态空间S＝{hn，m，t，Sn，m，t}，其中，Sn，m，t建模为：Sn，m，t＝max{Sn，m，t-1-Rn，m，tτ+An，m，t，0}，An，m，t为时隙t，Un，m的数据量，令λn，m为该用户的平均数据到达率，则E[An，m，t]＝λn，mτ；定义动作空间Λ＝{xn，t，yn，m，f，t，pn，m，t}，即包含波束覆盖关联变量，子信道分配关联变量以及卫星功率分配；定义Q函数为Q(st，at)＝α[Rt+1+γmax Q(st+1，a)-Q(st,at)]，其中，st为t时刻系统状态，at为t时刻采取的动作，a为系统采取的动作，α∈(0，1)为学习速率，γ∈(0，1)为折扣因子，对Q函数迭代更新，直至收敛，确定对应长期平均回报函数优化的卫星波束调度和资源分配策略。
本发明的有益效果在于：
本发明中，卫星根据动态的信道条件以及数据到达特性，动态调整波束覆盖、子信道分配和功率分配策略，有效实现了卫星系统的长期效用最大化，提升系统性能。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为卫星系统波束调度及资源分配场景示意图；
图2为本发明所述方法的流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。
如图1所示，为一种卫星系统波束调度及资源分配方法，考虑卫星动态的信道条件以及数据达，动态调整波束覆盖、子信道分配和功率分配策略，有效实现了卫星系统的长期效用最大化，提升系统性能。
图2为本发明所述方法的流程示意图，如图2所示，本发明所述方法具体包括以下步骤：
1、卫星业务模型建模
令qn，m，t＝{Sn，m，t，ωn，m}表示Un，m业务特性，其中，Sn，m，t表示t时隙末，Un，m待接收的数据量，ωn，m表示该用户的业务权值。
1、卫星波束覆盖关联变量建模
令yn，m，f，t∈{0，1}为子信道分配变量，若时隙t，Un，m占用子信道f进行信息传输，yn,m,f,t＝1，反之，yn，m，f，t＝0。
2、子信道分配变量建模
令yn，m，f，t∈{0，1}为子信道分配变量，若时隙t，Un，m占用子信道f进行信息传输，yn，m，f，t＝1，反之，yn，m，f，t＝0。
3、卫星信道建模
信道增益建模为其中，Gn，m，f，t表示时隙t卫星波束与Un，m之间链路在子信道f的信道增益，/>表示接收天线增益，可表示为其中，un,m,t＝2.07123sin(θn，m，t)/sin(θ3dB)，θn，m，t表示在时隙t，卫星波束与Un，m接收天线的离轴角，θ3dB是3dB波束带宽对应的角度，gmax，R为天线最大增益，/>表示卫星发送天线增益，可表示为：
其中，θn，m，t为Un，m到卫星的仰角，Ln，m，f，t表示时隙t卫星与Un，m之间链路在子信道f的自由空间损耗，可表示为c为光速，dn，m，t为时隙t卫星到Un，m之间的距离，Lpt表示雨衰系数，hn，m，t表示时隙t卫星与Un，m之间链路的随机特性。
4、用户传输速率建模
令Rn，m，t为时隙t卫星至Un，m的数据传输速率，建模为
其中，pn，m，t为时隙t卫星传输数据至Un，m时采用的发送功率，In，m，f，t为时隙t，Un，m受到的波束间干扰，定义为
5、系统长期回报函数建模
令Rt表示时隙t各小区的总回报函数，可表示为其中，rn，m，t为Un，m的回报函数，可表示为：
令R为系统长期平均回报函数，可表示为
6、卫星波束调度及资源分配限制条件建模
1)卫星波束覆盖限制
每个时隙最多仅有K个小区存在波束覆盖，则有
2)子信道分配限制
任意时隙，同一小区内的用户仅可分配不同子载波，则有
3)卫星发射功率限制
时隙t卫星的总发送功率需满足最大功率限制，则有
其中，Pmax为卫星最大发送功率。
7、系统效用优化问题建模
在满足卫星系统波束调度和资源分配限制条件，以系统长期平均回报最大化为目标，优化确定波束调度和资源分配策略，即：
其中，分别为最优波束覆盖、子载波关联及卫星发射功率分配策略。
8、基于Q学习算法确定优化策略
定义状态空间S＝{hn，m，t，Sn，m，t}，其中，Sn，m，t可建模为：Sn，m，t＝max{Sn，m，t-1-Rn，m，tτ+An，m，t，0}，An，m，t为时隙t，Un，m到达的数据量，令λn，m为该用户的平均数据到达率，则E[An，m，t]＝λn，mτ；定义动作空间Λ＝{xn，t，yn，m，f，t，Pn，m，t}，即包含了波束覆盖关联变量，子信道分配关联变量以及卫星功率分配；定义Q函数为Q(st，at)＝α[Rt+1+γmax Q(st+1，a)-Q(st，at)]，其中，st为t时刻系统状态，at为t时刻采取的动作，a为系统采取的动作，α∈(0，1)为学习速率，γ∈(0，1)为折扣因子，对Q函数迭代更新，直至收敛，可确定对应长期平均回报函数优化的卫星波束调度和资源分配策略。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种卫星系统波束调度和资源分配方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：卫星业务模型建模；
S2：卫星波束调度变量建模；
S3：子信道分配变量建模；
S4：卫星信道建模；
S5：用户传输速率建模；
S6：系统回报函数建模；
S7：卫星波束调度及资源分配限制条件建模；
S8：卫星系统波束调度及资源分配优化问题建模；
S9：基于Q学习算法优化确定卫星波束调度及资源分配策略；
在该方法中，多波束低轨道卫星服务N个小区，令K表示波束数目，Un，m为小区n的第m个用户，Mn为小区n中的用户数量；卫星波束采用全频率复用方式共享系统带宽，令系统总带宽为Btot，将系统带宽划分为F个子信道，子信道带宽为Bc＝Btot/F，Cf表示第f个子信道的载波频率；系统时间T被划分为连续等长的时隙，时隙长度为τ；
建模卫星业务模型具体包括：令qn，m，t＝{Sn，m，t，ωn，m}表示Un，m业务特性，其中，Sn，m，t表示t时隙末，Un，m待接收的数据量，ωn，m表示该用户的业务权值；
在所述S2中，建模卫星波束调度变量具体包括：令xn，t∈{0，1}表示波束覆盖变量，若时隙t卫星波束覆盖小区n，xn，t＝1，反之，xn，t＝0，时隙t小区波束调度变量集合为xt＝{x1，t，...，xn，t，...xN，t}；
在所述S3中，建模子信道分配变量具体包括：令yn，m，f，t∈{0，1}为子信道分配变量，若时隙t，Un，m占用子信道f进行信息传输，yn，m，f，t＝1，反之，yn，m，f，t＝0；
在所述S4中，建模卫星信道具体包括：令Gn，m，f，t表示时隙t卫星波束与Un，m之间链路在子信道f的信道增益，Gn，m，f，t建模为其中/>表示接收天线增益，表示为/>其中，un，m，t＝2.07123sin(θn，m，t)/sin(θ3dB)，θn，m，t表示时隙t卫星波束与Un，m接收天线的离轴角，θ3dB为3dB波束带宽对应的角度，gmax，R为接收天线最大增益，/>表示卫星发送天线增益，表示为：
其中，gmax，T为发送天线最大增益，为时隙t，Un，m到卫星的仰角，Ln，m，f，t表示时隙t卫星与Un，m之间链路在子信道f的自由空间损耗，表示为/>c为光速，dn，m，t为时隙t卫星到Un，m之间的距离，Lpt表示雨衰系数，hn，m，t表示时隙t卫星与Un，m之间链路的随机特性；
在所述S5中，用户传输速率建模具体包括：令Rn，m，t表示时隙t卫星至Un，m的数据传输速率，建模为其中，pn，m，t为时隙t卫星传输数据至Un，m时采用的发送功率，In，m,f，t为时隙t，Un，m受到的波束间干扰，定义为
在所述S6中，系统回报函数建模具体为：令Rt表示时隙t各小区的总回报函数，表示为其中，rn，m，t为Un，m的回报函数，表示为：
令R为系统长期平均回报函数，表示为
在所述S7中，建模卫星波束调度和资源分配限制条件具体包括：
1)卫星波束覆盖限制
每个时隙最多仅有K个小区存在波束覆盖，则有
2)子信道分配限制
任意时隙，同一小区内的用户仅分配不同子载波，则有
3)卫星发射功率限制
时隙t卫星的总发送功率需满足最大功率限制，则有
其中，Pmax为卫星最大发送功率；
在所述S8中，卫星系统波束调度及资源分配优化问题建模具体包括：在满足卫星系统波束调度和资源分配限制条件，以系统长期平均回报最大化为目标，优化确定波束调度和资源分配策略，即：
其中，分别为最优波束覆盖、子载波关联及卫星发射功率分配策略；
所述S9中，基于Q学习算法优化确定卫星波束调度及资源分配策略具体包括：定义状态空间S＝{hn，m，t，Sn，m，t}，其中，Sn，m，t建模为：Sn，m，t＝max{Sn，m，t-1-Rn，m，tτ+An，m，t，0}，An，m，t为时隙t，Un，m的数据量，令λn，m为该用户的平均数据到达率，则E[An，m，t]＝λn，mτ；定义动作空间Λ＝{xn，t，yn，m，f，t，pn，m，t}，即包含波束覆盖关联变量，子信道分配关联变量以及卫星功率分配；定义Q函数为Q(st，at)＝α[Rt+1+γmaxQ(st+1，a)-Q(st，at)]，其中，st为t时刻系统状态，at为t时刻采取的动作，a为系统采取的动作，α∈(0，1)为学习速率，γ∈(0，1)为折扣因子，对Q函数迭代更新，直至收敛，确定对应长期平均回报函数优化的卫星波束调度和资源分配策略。
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