CN115065384A - 考虑用户关联、子信道分配及波束关联的多波束卫星通信系统资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑用户关联、子信道分配及波束关联的多波束卫星通信系统资源分配方法，属于无线通信技术领域。该方法包括：S1：建模用户业务模型；S2：建模用户关联变量、子信道分配变量及波束关联变量；S3：建模链路传输速率；S4：建模系统效用函数；S5：建模资源分配约束条件，包括用户关联、子信道分配、波束关联及功率约束条件；S6：基于用户位置确定用户初始聚类策略；S7：基于负载均衡准则确定用户重聚类策略；S8：基于用户优先级确定子信道分配策略；S9：基于系统效用最大化确定波束关联策略。本发明通过联合优化用户聚类、子信道分配及波束关联策略，实现系统效用最大化。

Description

考虑用户关联、子信道分配及波束关联的多波束卫星通信系 统资源分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及多波束卫星通信技术领域，尤其涉及一种考虑用户聚类、子信道分配及波束关联策略的多波束卫星通信系统资源分配方法。

背景技术

近年来，卫星通信系统作为对地面通信网络基础结构的一种补充，以其全球覆盖能力强、通信距离远、抗重大自然灾害、可提供固定及移动通信业务等优点，得到了广泛应用。为提升卫星系统频谱资源利用率及系统传输性能，可采用多波束卫星，通过使用多个高增益窄波束提升用户的覆盖能力，实现频谱复用增益。然而，随着用户终端数量的不断增多，以及卫星通信业务所呈现的动态性与多样性等特点，多波束卫星通信系统面临着资源管理有效性的挑战，如何设计高效用户聚类、子信道分配及波束关联策略，实现多波束卫星通信系统性能增强成为重要的研究课题。

现有研究已经考虑了多波束卫星通信系统的资源分配问题，但是很少有工作考虑地面用户的时空分布不同及业务需求不均衡等问题。此外，现有的工作较少联合考虑用户聚类、子信道分配及波束关联问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多波束卫星通信系统资源分配方法，通过联合优化用户聚类、子信道分配及波束关联策略，实现系统效用最大化。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种考虑用户关联、子信道分配及波束关联的多波束卫星通信系统资源分配方法，假设系统包含一个多波束低地球轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星，一个网络控制中心及N个卫星用户，其中，LEO卫星配置有星载处理器，可与卫星用户直接通信进行数据传输；假设卫星发射K个覆盖半径为r的点波束，波束间采用全频率复用机制，波束内将总带宽划分为F个等长子信道，每个波束可覆盖多个用户，波束内不同用户占用不同的子载波，令B表示子信道带宽；该方法具体包括以下步骤：

S1：建模用户业务模型；

S2：建模用户关联变量、子信道分配变量及波束关联变量；

S3：建模链路传输速率；

S4：建模系统效用函数；

S5：建模资源分配约束条件，包括用户关联、子信道分配、波束关联及功率约束条件；；

S6：基于用户位置确定用户初始聚类策略；

S7：基于负载均衡准则确定用户重聚类策略；

S8：基于用户优先级确定子信道分配策略；

S9：基于系统效用最大化确定波束关联策略。

进一步，步骤S1中，建模用户业务模型，具体包括：定义用户n为UE_n，令q_n表示UE_n的业务特性，可由一个二元组描述：q_n＝<s_n,w_n>，其中，s_n表示UE_n的数据包大小，w_n表示UE_n的业务权值；w_n反映业务的重要性和紧急程度，业务权值越大对应业务越重要；假设每个数据包均有一个生存时间，令

表示UE_n的数据包的生存时间，1≤n≤N。

进一步，步骤S2中，建模用户关联变量、子信道分配变量及波束关联变量，具体包括：令y_n,m表示用户关联变量，其中，y_n,m＝1表示UE_n关联用户组m，否则y_n,m＝0，1≤n≤N，1≤m≤M，M为用户组数；定义用户组m中用户集合为Ψ_m，用户组m中的用户数为N_m；令x_t,n,m,f表示子信道分配变量，x_t,n,m,f＝1表示第t个时隙UE_n占用用户组m中子信道f接收卫星发送的数据，否则x_t,n,m,f＝0，1≤t≤T，1≤n≤N，1≤m≤M，1≤f≤F，T为系统时隙数；令z_t,m,k表示波束关联变量，z_t,m,k＝1表示第t个时隙用户组m被波束k覆盖，否则z_t,m,k＝0，1≤t≤T，1≤m≤M，1≤k≤K。

进一步，步骤S3中，建模链路传输速率，具体包括：令R_t,n,m,f表示第t个时隙UE_n占用用户组m中子信道f对应的可达速率，建模为：R_t,n,m,f＝Blog(1+γ_t,n,m,f)，其中，γ_t,n,m,f表示第t个时隙UE_n占用用户组m中子信道f接收卫星发送的数据时对应的接收端信噪比，建模为：

其中，p_t,n,m,f表示第t个时隙UE_n占用用户组m中子信道f的发射功率，

为UE_n的接收天线增益，N₀为加性高斯白噪声的功率谱密度；L_t,n,m,f表示第t个时隙卫星与用户组m中UE_n间链路在子信道f的自由空间损耗，定义为

其中，c表示光速，d_t,n,m表示第t个时隙卫星与用户组m中UE_n之间的距离，ξ_f表示子信道f的载波频率；g_t,a为天线主瓣增益，天线波束增益可建模为：

其中，g_t,b为旁瓣增益，θ为天线波束宽度，δ＜＜1；I_t,n,m,f为第t个时隙UE_n占用用户组m中子信道f接收信号时受到的波束间干扰，建模为：

进一步，步骤S4中，建模系统效用函数，具体包括：令U表示系统效用函数，建模为：

其中U_n表示UE_n的效用函数，建模为：U_n＝ω₁W_n-ω₂E_n，其中，ω₁和ω₂为加权因子，0≤ω₁,ω₂≤1，满足ω₁+ω₂＝1；W_n表示用户n所传输数据包的业务权值，建模为：W_n＝w_nα_n，其中，α_n表示数据包丢弃变量，可建模为：

其中，1_{x}为指示函数，x为逻辑变量，若x为真，1_{x}＝1；否则，1_{x}＝0，T_n表示卫星完成UE_n的数据传输所需总时隙数目，需满足以下限制条件：

其中τ为时隙长度；E_n表示UE_n传输数据包所需能耗，建模为：

进一步，步骤S5中，建模资源分配约束条件，具体包括：

1)用户关联约束：

2)子信道分配约束：

3)波束关联约束：

4)功率约束：

其中，p_b为单波束的最大发射功率，p_tot为所有波束的最大总发射功率；

5)传输速率约束：若x_t,n,m,f＝1，则

其中，

为UE_n的最小传输速率。

进一步，步骤S6中，基于用户位置确定用户初始聚类策略，具体包括以下步骤：

S61：初始化：令未覆盖用户集合为

边界用户集合为Φ_b，区域中用户集合为Φ_in，令Φ_m为第m个用户组集合，Φ_s为候选用户集合；以逆时针方向将边界用户排序，令m＝1；

S62：评估用户分布密度：定义UE_n分布密度ρ_n为所有用户距离之和与UE_n到其他用户距离之和的比值，可建模为：

其中，d_n,n′表示UE_n和UE_n′之间的距离；

S63：选取用户密度最小的边界用户：若ρ_n0＝min{ρ₁,...,ρ_N}，则

为所选密度最小的边界用户，更新

将

作为簇中心点进行覆盖；

S64：确定边界用户的候选用户集合：计算其他边界用户UE_n与

之间的距离，以

为簇中心，将距离小于等于r的边界用户组成簇，将已成簇用户添加至Ф_m；将距离大于r且小于等于2r的边界用户加入候选用户集合；其中，r表示用户组覆盖半径；

S65：更新簇中心点：在候选用户集合中选取与簇中心点距离最小的边界用户，令其为

在保证Ф_m中所有节点可连接的情况下，判断是否能通过移动簇中心位置实现对

的覆盖，若能成功覆盖，则将

添加至Ф_m中；从Ф_s中移除

重复上述操作，直至无法覆盖更多边界用户；

S66：确定区域中用户的候选用户集合：计算区域中用户与簇中心点之间的距离，将距离小于等于r的区域中用户加入Ф_m；将距离大于r且小于2r的区域中用户加入Ф_s；

S67：更新簇中心点：在候选用户集合中选取与簇中心点距离最小的区域中用户，令其为

在保证Φ_m中所有节点可连接的情况下，判断能否通过移动簇中心位置实现对

的覆盖；若能成功覆盖，将

添加至Φ_m中；将

从Φ_s中移除；重复上述操作，直至无法覆盖更多区域中用户；

S68：判断算法结束：更新边界用户集合Φ_b及区域中用户集合Φ_in，即：Φ_b＝Φ_b/(Φ_b∩Φ_m)，Φ_in＝Φ_in/(Φ_in∩Φ_m)，从未覆盖用户集合

中移除Φ_m所包含的用户，即：

若

为空集，则算法结束，否则，令m＝m+1；

S69：确定簇中心点：根据逆时针方向选择未覆盖边界用户中距离

最近的点，重复步骤S64～S69。

进一步，步骤S7中，基于负载均衡准则确定用户重聚类策略，具体包括以下步骤：

S71：判断是否执行用户切换：若存在负载过重用户组与负载较轻用户组之间用户数差值高于门限值，且负载过重用户组与负载较轻用户组之间存在共同覆盖的用户，则执行用户切换；

S72：确定切换用户组集合：基于初始聚类结果，若某用户组与至少一个邻居组之间存在共同覆盖的用户，则将该用户组添加至待切换用户组集合；

S73：确定切换源用户组及候选用户组集合：将切换用户组集合中的用户组根据用户数量大小进行降序排列；选取用户数量最大的用户组，作为切换源用户组，在切换用户组集合中选择与源用户组存在共同覆盖的用户组形成候选用户组集合；

S74：选取切换目的用户组：若仅存在一个候选用户组，则该候选用户组为切换目的用户组；若存在多个候选用户组，选取对应用户数最小的候选用户组作为切换目的用户组；若多个候选用户组中用户数量相等，则选取业务度量和最小的候选用户组进行重聚类，其中，用户业务度量为用户数据量与业务权值的乘积；

S75：确定切换用户：若切换源用户组中仅存在一个候选切换用户，则将该用户切换至目的用户组；若存在多个候选切换用户，选择对应业务度量最大的用户切换至目的用户组；判断源、目的用户组用户数差异是否大于门限值，若是，则将剩余切换用户中业务度量最大的用户切换至目的用户组；重复上述过程，直至所有候选切换用户均切换至目的用户组或源、目的用户组用户数差异条件不再满足；将目的用户组从候选用户组中删除；

S76：判断切换源用户组的用户数是否仍大于其他用户组的用户数，若是，则返回步骤S74；否则，将切换源用户组移除切换用户组集合，判断切换用户组集合是否为空集，若是，则算法结束，否则，返回步骤S73。

进一步，步骤S8中，基于用户优先级确定子信道分配策略，具体包括：定义时间阈值为T_th，若用户的截止时间小于时间阈值则该用户所需传输的数据包较为紧急，定义β_n表示UE_n的数据包紧急程度，若T_max＜T_th，则β_n＝1，否则，β_n＝0；

定义G_n为用户UE_n的优先级，建模为：G_n＝λ₁w_n+λ₂s_n+λ₃β_n，其中，λ₁、λ₂、λ₃分别为w_n、s_n、β_n对应的加权因子；根据用户的优先级顺序限制，将用户组内用户分为两类，前Q个用户定义为高优先级用户，余下用户为低优先级用户；若用户组用户数大于子信道数，首先为高优先级用户分配子信道，并基于Kuhn-Munkres匹配算法确定子信道分配策略。

进一步，步骤S9中，基于系统效用最大化确定波束关联策略，具体包括：在满足用户关联、子信道分配、波束关联及功率约束条件下，以系统效用函数U最大化为优化目标，确定波束关联策略：

其中，

分别表示优化后的x_t,n,m,f,y_n,m,z_t,m,k°

本发明的有益效果在于：本发明可以有效保障用户时空分布不同且业务需求不均衡的情况下，基于系统效用最大化准则联合用户聚类、子信道分配及波束关联，提高系统综合性能。

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为本发明多波束卫星通信系统场景示意图；

图2为本发明多波束卫星通信系统资源分配方法的流程图。

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。

请参阅图1～图2，图1为本发明采用的多波束卫星通信系统场景示意图，如图1所示，该系统包含一个LEO卫星，一个网络控制中心及N个卫星用户，通过联合设计最优用户聚类、子信道分配及波束关联策略可实现系统效用最大化。

图2为本发明多波束卫星通信系统资源分配方法的流程图，如图2所示，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：建模用户业务模型。

建模用户业务模型，定义用户n为UE_n，令q_n表示UE_n的业务特性，可由一个二元组描述：q_n＝<s_n,w_n>，其中，s_n表示UE_n的数据包大小，w_n表示UE_n的业务权值；w_n反映业务的重要性和紧急程度，业务权值越大对应业务越重要；假设每个数据包均有一个生存时间，令

表示UE_n的数据包的生存时间，1≤n≤N。

步骤2：建模用户关联变量、子信道分配变量及波束关联变量。

建模用户关联变量、子信道分配变量及波束关联变量，令y_n,m表示用户关联变量，其中，y_n,m＝1表示UE_n关联用户组m，否则y_n,m＝0，1≤n≤N，1≤m≤M，M为用户组数，定义用户组m中用户集合为Ψ_m，用户组m中的用户数为N_m；令x_t,n,m,f表示子信道分配变量，x_t,n,m,f＝1表示第t个时隙UE_n占用用户组m中子信道f接收卫星发送的数据，否则x_t,n,m,f＝0，1≤t≤T，1≤n≤N，1≤m≤M，1≤f≤F，T为系统时隙数；令z_t,m,k表示波束关联变量，z_t,m,k＝1表示第t个时隙用户组m被波束k覆盖，否则z_t,m,k＝0，1≤t≤T，1≤m≤M，1≤k≤K。

步骤2：建模链路传输速率.

建模链路传输速率，令R_t,n,m,f表示第t个时隙UE_n占用用户组m中子信道f对应的可达速率，建模为：R_t,n,m,f＝Blog(1+γ_t,n,m,f)，其中，γ_t,n,m,f表示第t个时隙UE_n占用用户组m中子信道f接收卫星发送的数据时对应的接收端信噪比，建模为：

其中，p_t,n,m,f表示第t个时隙UE_n占用用户组m中子信道f的发射功率，

为UE_n的接收天线增益，N₀为加性高斯白噪声的功率谱密度；L_t,n,m,f表示第t个时隙卫星与用户组m中UE_n间链路在子信道f的自由空间损耗，定义为

其中，c表示光速，d_t,n,m表示第t个时隙卫星与用户组m中UE_n之间的距离，ξ_f表示子信道f的载波频率；g_t,a为天线主瓣增益，天线波束增益可建模为：

其中，g_t,b为旁瓣增益，θ为天线波束宽度，δ＜＜1；I_t,n,m,f为第t个时隙UE_n占用用户组m中子信道f接收信号时受到的波束间干扰，建模为：

步骤4：建模系统效用函数。

建模链路传输时延，令U表示系统效用函数，建模为：

其中U_n表示UE_n的效用函数，建模为：U_n＝ω1₁W_n-ω₂E_n，其中，ω₁和ω₂为加权因子，0≤ω₁,ω₂≤1，满足ω₁+ω₂＝1，其中，W_n表示用户n所传输数据包的业务权值，建模为：W_n＝w_nα_n，其中，α_n表示数据包丢弃变量，可建模为：

其中，1_{x}为指示函数，x为逻辑变量，若x为真，1_{x}＝1；否则，1_{x}＝0，T_n表示卫星完成UE_n的数据传输所需总时隙数目，需满足以下限制条件：

τ为时隙长度，E_n表示UE_n传输数据包所需能耗，建模为：

步骤5：建模用户关联、子信道分配、波束关联及功率约束条件。

建模用户关联、子信道分配、波束关联及功率约束条件，具体包括：

1)用户关联约束：

2)子信道分配约束：

3)波束关联约束：

4)功率约束：

其中，p_b为单波束的最大发射功率，p_tot为所有波束的最大总发射功率。

5)传输速率约束：若x_t,n,m,f＝1，则

其中，

为UE_n的最小传输速率。

步骤6：确定初始聚类策略，具体包括以下步骤：

1)初始化：令未覆盖用户集合为

边界用户集合为Φ_b，区域中用户集合为Φ_in，令Φ_m为第m个用户组集合，Φ_s为候选用户集合；以逆时针方向将边界用户排序，令m＝1；

2)评估用户分布密度：定义UE_n分布密度ρ_n为所有用户距离之和与UE_n到其他用户距离之和的比值，可建模为：

其中，d_n,n′表示UE_n和UE_n′之间的距离；

3)选取用户密度最小的边界用户：若

则

为所选密度最小的边界用户，更新

将

作为簇中心点进行覆盖；

4)确定边界用户的候选用户集合：计算其他边界用户UE_n与

之间的距离，以

为簇中心，将距离小于等于r的边界用户组成簇，将已成簇用户添加至Φ_m；将距离大于r且小于等于2r的边界用户加入候选用户集合；

5)更新簇中心点：在候选用户集合中选取与簇中心点距离最小的边界用户，令其为

在保证Φ_m中所有节点可连接的情况下，判断是否可通过移动簇中心位置实现对

的覆盖，若可成功覆盖，则将

添加至Φ_m中；从Φ_s中移除

重复上述操作，直至无法覆盖更多边界用户；

6)确定区域中用户的候选用户集合：计算区域中用户与簇中心点之间的距离，将距离小于等于r的区域中用户加入Φ_m；将距离大于r且小于2r的区域中用户加入Φ_s，其中，r表示用户组覆盖半径；

7)更新簇中心点：在候选用户集合中选取与簇中心点距离最小的区域中用户，令其为

在保证Φ_m中所有节点可连接的情况下，判断可否通过移动簇中心位置实现对

的覆盖；若可成功覆盖，将

添加至Φ_m中；将

从Φ_s中移除；重复上述操作，直至无法覆盖更多区域中用户；

8)判断算法结束：更新边界用户集合Φ_b及区域中用户集合Φ_in，即：Φ_b＝Φ_b/(Φ_b∩Φ_m)，Φ_in＝Φ_in/(Φ_in∩Φ_m)，从未覆盖用户集合

中移除Φ_m所包含的用户，即：

若

为空集，则算法结束，否则，令m＝m+1；

确定簇中心点：根据逆时针方向选择未覆盖边界用户中距离

最近的点，重复步骤4)-9)。

步骤7：基于负载均衡准则确定用户切换策略，具体包括以下步骤：

1)判断是否执行用户切换：若存在负载过重用户组与负载较轻用户组之间用户数差值高于门限值，且负载过重用户组与负载较轻用户组之间存在共同覆盖的用户，则执行用户切换；

2)确定切换用户组集合：基于初始聚类结果，若某用户组与至少一个邻居组之间存在共同覆盖的用户，则将该用户组添加至待切换用户组集合；

3)确定切换源用户组及候选用户组集合：将切换用户组集合中的用户组根据用户数量大小进行降序排列；选取用户数量最大的用户组，作为切换源用户组，在切换用户组集合中选择与源用户组存在共同覆盖的用户组形成候选用户组集合；

4)选取切换目的用户组：若仅存在一个候选用户组，则该候选用户组为切换目的用户组；若存在多个候选用户组，选取对应用户数最小的候选用户组作为切换目的用户组；若多个候选用户组中用户数量相等，则选取业务度量和最小的候选用户组进行重聚类，其中，用户业务度量为用户数据量与业务权值的乘积；

5)确定切换用户：若切换源用户组中仅存在一个候选切换用户，则将该用户切换至目的用户组；若存在多个候选切换用户，选择对应业务度量最大的用户切换至目的用户组；判断源、目的用户组用户数差异是否大于门限值，若是，则将剩余切换用户中业务度量最大的用户切换至目的用户组；重复上述过程，直至所有候选切换用户均切换至目的用户组或源、目的用户组用户数差异条件不再满足；将目的用户组从候选用户组中删除；

6)判断切换源用户组的用户数是否仍大于其他用户组的用户数，若是，则返回步骤4)；否则，将切换源用户组移除切换用户组集合，判断切换用户组集合是否为空集，若是，则算法结束，否则，返回步骤3)。

步骤8：基于用户优先级确定子信道分配策略。

定义时间阈值为T_th，若用户的截止时间小于时间阈值则该用户所需传输的数据包较为紧急，定义β_n表示UE_n的数据包紧急程度，若T_max＜T_th，则β_n＝1，否则，β_n＝0；

定义G_n为用户UE_n的优先级，建模为：G_n＝λ₁w_n+λ₂s_n+λ₃β_n，根据用户的优先级顺序限制，将用户组内用户分为两类，前Q个用户定义为高优先级用户，余下用户为低优先级用户；若用户组用户数大于子信道数，首先为高优先级用户分配子信道，并基于Kuhn-Munkres匹配算法确定子信道分配策略。

步骤9：基于系统效用最大化确定波束关联策略。

在满足用户关联、子信道分配、波束关联及功率约束条件下，以系统效用函数U最大化为优化目标，确定波束关联策略：

其中，

分别表示优化后的x_t,n,m,f,y_n,m,z_t,m,k。

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 (10)

1.一种考虑用户关联、子信道分配及波束关联的多波束卫星通信系统资源分配方法，其特征在于，假设系统包含一个多波束低地球轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星，一个网络控制中心及N个卫星用户，其中，LEO卫星配置有星载处理器，与卫星用户直接通信进行数据传输；假设卫星发射K个覆盖半径为r的点波束，波束间采用全频率复用机制，波束内将总带宽划分为F个等长子信道，每个波束覆盖多个用户，波束内不同用户占用不同的子载波，令B表示子信道带宽；该方法具体包括以下步骤：

S1：建模用户业务模型；

S2：建模用户关联变量、子信道分配变量及波束关联变量；

S3：建模链路传输速率；

S4：建模系统效用函数；

S5：建模资源分配约束条件，包括用户关联、子信道分配、波束关联及功率约束条件；；

S6：基于用户位置确定用户初始聚类策略；

S7：基于负载均衡准则确定用户重聚类策略；

S8：基于用户优先级确定子信道分配策略；

S9：基于系统效用最大化确定波束关联策略。

2.根据权利要求1所述的多波束卫星通信系统资源分配方法，其特征在于，步骤S1中，建模用户业务模型，具体包括：定义用户n为UE_n，令q_n表示UE_n的业务特性，由一个二元组描述：q_n＝＜s_n,w_n＞，其中，s_n表示UE_n的数据包大小，w_n表示UE_n的业务权值；假设每个数据包均有一个生存时间，令

表示UE_n的数据包的生存时间，1≤n≤N。

3.根据权利要求2所述的多波束卫星通信系统资源分配方法，其特征在于，步骤S2中，建模用户关联变量、子信道分配变量及波束关联变量，具体包括：令y_n,m表示用户关联变量，其中，y_n,m＝1表示UE_n关联用户组m，否则y_n,m＝0，1≤n≤N，1≤m≤M，M为用户组数；定义用户组m中用户集合为Ψ_m，用户组m中的用户数为N_m；令x_t,n,m,f表示子信道分配变量，x_t,n,m,f＝1表示第t个时隙UE_n占用用户组m中子信道f接收卫星发送的数据，否则x_t,n,m,f＝0，1≤t≤T，1≤n≤N，1≤m≤M，1≤f≤F，T为系统时隙数；令z_t,m,k表示波束关联变量，z_t,m,k＝1表示第t个时隙用户组m被波束k覆盖，否则z_t,m,k＝0，1≤t≤T，1≤m≤M，1≤k≤K。

4.根据权利要求3所述的多波束卫星通信系统资源分配方法，其特征在于，步骤S3中，建模链路传输速率，具体包括：令R_t,n,m,f表示第t个时隙UE_n占用用户组m中子信道f对应的可达速率，建模为：R_t,n,m,f＝Blog(1+γ_t,n,m,f)，其中，γ_t,n,m,f表示第t个时隙UE_n占用用户组m中子信道f接收卫星发送的数据时对应的接收端信噪比，建模为：

其中，p_t,n,m,f表示第t个时隙UE_n占用用户组m中子信道f的发射功率，

为UE_n的接收天线增益，N₀为加性高斯白噪声的功率谱密度；L_t,n,m,f表示第t个时隙卫星与用户组m中UE_n间链路在子信道f的自由空间损耗，定义为

其中，c表示光速，d_t,n,m表示第t个时隙卫星与用户组m中UE_n之间的距离，ξ_f表示子信道f的载波频率；g_t,a为天线主瓣增益，天线波束增益建模为：

其中，g_t,b为旁瓣增益，θ为天线波束宽度，δ＜＜1；I_t,n,m,f为第t个时隙UE_n占用用户组m中子信道f接收信号时受到的波束间干扰，建模为：

5.根据权利要求4所述的多波束卫星通信系统资源分配方法，其特征在于，步骤S4中，建模系统效用函数，具体包括：令U表示系统效用函数，建模为：

其中U_n表示UE_n的效用函数，建模为：U_n＝ω₁W_n-ω₂E_n，其中，ω₁和ω₂为加权因子，0≤ω₁,ω₂≤1，满足ω₁+ω₂＝1；W_n表示用户n所传输数据包的业务权值，建模为：W_n＝w_nα_n，其中，α_n表示数据包丢弃变量，建模为：

其中，1_{x}为指示函数，x为逻辑变量，若x为真，1_{x}＝1；否则，1_{x}＝0，T_n表示卫星完成UE_n的数据传输所需总时隙数目，需满足以下限制条件：

其中τ为时隙长度；E_n表示UE_n传输数据包所需能耗，建模为：

6.根据权利要求5所述的多波束卫星通信系统资源分配方法，其特征在于，步骤S5中，建模资源分配约束条件，具体包括：

1)用户关联约束：

2)子信道分配约束：

3)波束关联约束：

4)功率约束：

其中，p_b为单波束的最大发射功率，p_tot为所有波束的最大总发射功率；

5)传输速率约束：若x_t,n,m,f＝1，则

其中，

为UE_n的最小传输速率。

7.根据权利要求6所述的多波束卫星通信系统资源分配方法，其特征在于，步骤S6中，基于用户位置确定用户初始聚类策略，具体包括以下步骤：

S61：初始化：令未覆盖用户集合为

边界用户集合为Φ_b，区域中用户集合为Φ_in，令Φ_m为第m个用户组集合，Φ_s为候选用户集合；以逆时针方向将边界用户排序，令m＝1；

S62：评估用户分布密度：定义UE_n分布密度ρ_n为所有用户距离之和与UE_n到其他用户距离之和的比值，建模为：

其中，d_n,n′表示UE_n和UE_n′之间的距离；

S63：选取用户密度最小的边界用户：若

则

为所选密度最小的边界用户，更新

将

作为簇中心点进行覆盖；

S64：确定边界用户的候选用户集合：计算其他边界用户UE_n与

之间的距离，以

为簇中心，将距离小于等于r的边界用户组成簇，将已成簇用户添加至Φ_m；将距离大于r且小于等于2r的边界用户加入候选用户集合；其中，r表示用户组覆盖半径；

S65：更新簇中心点：在候选用户集合中选取与簇中心点距离最小的边界用户，令其为

在保证Φ_m中所有节点可连接的情况下，判断是否能通过移动簇中心位置实现对

的覆盖，若能成功覆盖，则将

添加至Φ_m中；从Φ_s中移除

重复上述操作，直至无法覆盖更多边界用户；

S66：确定区域中用户的候选用户集合：计算区域中用户与簇中心点之间的距离，将距离小于等于r的区域中用户加入Φ_m；将距离大于r且小于2r的区域中用户加入Φ_s；

S67：更新簇中心点：在候选用户集合中选取与簇中心点距离最小的区域中用户，令其为

在保证Φ_m中所有节点可连接的情况下，判断能否通过移动簇中心位置实现对

的覆盖；若能成功覆盖，将

添加至Φ_m中；将

从Φ_s中移除；重复上述操作，直至无法覆盖更多区域中用户；

S68：判断算法结束：更新边界用户集合Φ_b及区域中用户集合Φ_in，即：

Φ_b＝Φ_b/(Φ_b∩Φ_m)，Φ_in＝Φ_in/(Φ_in∩Φ_m)，从未覆盖用户集合

中移除Φ_m所包含的用户，即：

若

为空集，则算法结束，否则，令m＝m+1；

S69：确定簇中心点：根据逆时针方向选择未覆盖边界用户中距离

最近的点，重复步骤S64～S69。

8.根据权利要求1所述的多波束卫星通信系统资源分配方法，其特征在于，步骤S7中，基于负载均衡准则确定用户重聚类策略，具体包括以下步骤：

S71：判断是否执行用户切换：若存在负载过重用户组与负载较轻用户组之间用户数差值高于门限值，且负载过重用户组与负载较轻用户组之间存在共同覆盖的用户，则执行用户切换；

S72：确定切换用户组集合：基于初始聚类结果，若某用户组与至少一个邻居组之间存在共同覆盖的用户，则将该用户组添加至待切换用户组集合；

S73：确定切换源用户组及候选用户组集合：将切换用户组集合中的用户组根据用户数量大小进行降序排列；选取用户数量最大的用户组，作为切换源用户组，在切换用户组集合中选择与源用户组存在共同覆盖的用户组形成候选用户组集合；

S74：选取切换目的用户组：若仅存在一个候选用户组，则该候选用户组为切换目的用户组；若存在多个候选用户组，选取对应用户数最小的候选用户组作为切换目的用户组；若多个候选用户组中用户数量相等，则选取业务度量和最小的候选用户组进行重聚类，其中，用户业务度量为用户数据量与业务权值的乘积；

S75：确定切换用户：若切换源用户组中仅存在一个候选切换用户，则将该用户切换至目的用户组；若存在多个候选切换用户，选择对应业务度量最大的用户切换至目的用户组；判断源、目的用户组用户数差异是否大于门限值，若是，则将剩余切换用户中业务度量最大的用户切换至目的用户组；重复上述过程，直至所有候选切换用户均切换至目的用户组或源、目的用户组用户数差异条件不再满足；将目的用户组从候选用户组中删除；

S76：判断切换源用户组的用户数是否仍大于其他用户组的用户数，若是，则返回步骤S74；否则，将切换源用户组移除切换用户组集合，判断切换用户组集合是否为空集，若是，则算法结束，否则，返回步骤S73。

9.根据权利要求7所述的多波束卫星通信系统资源分配方法，其特征在于，步骤S8中，基于用户优先级确定子信道分配策略，具体包括：定义时间阈值为T_th，若用户的截止时间小于时间阈值则该用户所需传输的数据包较为紧急，定义β_n表示UE_n的数据包紧急程度，若T_max＜T_th，则β_n＝1，否则，β_n＝0；

定义G_n为用户UE_n的优先级，建模为：G_n＝λ₁w_n+λ₂s_n+λ₃β_n，其中，λ₁、λ₂、λ₃分别为w_n、s_n、β_n对应的加权因子；根据用户的优先级顺序限制，将用户组内用户分为两类，前Q个用户定义为高优先级用户，余下用户为低优先级用户；若用户组用户数大于子信道数，首先为高优先级用户分配子信道，并基于Kuhn-Munkres匹配算法确定子信道分配策略。

10.根据权利要求9所述的多波束卫星通信系统资源分配方法，其特征在于，步骤S9中，基于系统效用最大化确定波束关联策略，具体包括：在满足用户关联、子信道分配、波束关联及功率约束条件下，以系统效用函数U最大化为优化目标，确定波束关联策略：

其中，

分别表示优化后的x_t,n,m,f,y_n,m,z_t,m,k。

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