CN115102603B - 一种高效低复杂度的宽带通信卫星全局波束跳变方法 - Google Patents

一种高效低复杂度的宽带通信卫星全局波束跳变方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115102603B
CN115102603B CN202210594913.5A CN202210594913A CN115102603B CN 115102603 B CN115102603 B CN 115102603B CN 202210594913 A CN202210594913 A CN 202210594913A CN 115102603 B CN115102603 B CN 115102603B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cell
supply
auction
power
satellite
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210594913.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115102603A (zh
Inventor
姚如贵
李童
左晓亚
樊晔
王立波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northwestern Polytechnical University
Original Assignee
Northwestern Polytechnical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northwestern Polytechnical University filed Critical Northwestern Polytechnical University
Priority to CN202210594913.5A priority Critical patent/CN115102603B/zh
Publication of CN115102603A publication Critical patent/CN115102603A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115102603B publication Critical patent/CN115102603B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H04B7/1851—Systems using a satellite or space-based relay
    • H04B7/18513—Transmission in a satellite or space-based system
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H04B7/18578—Satellite systems for providing broadband data service to individual earth stations
    • H04B7/18586—Arrangements for data transporting, e.g. for an end to end data transport or check
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Radio Relay Systems (AREA)

Abstract

本发明提供了一种高效低复杂度的宽带通信卫星全局波束跳变方法，确定PAM方法的输入参数，任意地面小区根据供需比数据库计算被波束服务时的理想供需比，选择得到最大估值的功率档作为地面小区的投标值，根据任意地面小区选择的投标功率档，更新竞拍集；将波束所对应功率档竞拍集中供需比最高的小区为该波束的竞拍获胜小区，供需比数据库中关于地面小区的所有供需比均置0，判断功率档是否全部置零，否则进行下一轮竞拍；最终输出跳波束图案。本发明解决了随着地面用户和卫星波束的增加，满足更加苛刻的时隙约束，因此更适合面向时隙的动态跳波束图案设计业务，可以快速高效地求解高通量卫星在实际工程中的全局波束跳变问题。

Description

一种高效低复杂度的宽带通信卫星全局波束跳变方法
技术领域
本发明涉及一种涉及无线通信技术领域，提出了一种以拍卖理论为基础的功率拍卖匹配PAM(power auction match)方法，适用于快速解决实际宽带通信卫星的全局波束跳变问题。
背景技术
高通量跳波束卫星系统是一种全新的高灵敏度系统，具有安全系数高、响应速度快、通信容量大等优点。高通量卫星跳波束技术可在空间、时间、频率和功率四个维度上进行资源分配，具有优越的灵活性、资源利用效率以及适应地面业务动态变化的能力。卫星在每个时隙内都需要根据动态变化的地面业务状态进行全局波束跳变，因此急需研究一种高效低复杂度的全局波束跳变方法。
文献1“F.Tian,L.Huang,G.Liang,X.Jiang,S.Sun and J.Ma.An EfficientResource Allocation Mechanism for Beam-hopping Based LEO SatelliteCommunication System.IEEE International Symposium on Broadband MultimediaSystems and Broadcasting(BMSB),2019,pp.1-5,”中使用贪心迭代算法时求解波束跳变图案，证明了跳波束系统在吞吐量和请求满足率方面优于固定波束系统和随机波束跳跃系统。
文献2“Hu X,Zhang Y,Liao X,et al.Dynamic Beam Hopping Method Based onMulti-Objective Deep Reinforcement Learning for Next Generation SatelliteBroadband Systems[J].IEEE Transactions on Broadcasting,2020,PP(99):1-17..”提出在考虑到差异化服务时，灵活调整卫星资源以满足不同条件是至关重要的，如何通过快速解决波束跳变的高维问题，使系统容量需求与波束的有效利用相匹配是一个全新的挑战。
文献3“Anzalchi J,Couchman A,Gabellini P,et al.Beam hopping in multi-beam broadband satellite systems:System simulation and performance comparisonwith non-hopped systems[C]//Advanced Satellite Multimedia Systems Conference&the Signal Processing for Space Communications Workshop.IEEE,2010.”将遗传算法(Genetic Algorithm,GA)用于跳波束卫星资源分配优化，但是由于目标函数的非线性和解空间的维数多，计算复杂度快速增加，导致其计算时效性低。
综上，采用传统的启发式方法求解波束跳变问题时，需要较长的时间甚至无法收敛到最优的波束跳变结果，不适合地面业务量动态变化比较快的场景。通过将卫星跳波束图案和波束功率的组合问题构建为第一价格密封拍卖问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高效低复杂度的宽带通信卫星全局波束跳变方法。本发明提出一种PAM方法求解全局波束跳变问题。本发明所提方法更适合地面业务量动态变化的场景，可以快速高效地求解高通量卫星在实际工程中的全局波束跳变问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1：确定PAM方法的输入参数：卫星发射功率卫星发射机数目K，相应波束功率因子β＝[β1,…,βK],/>βk∈[0,1]，βk表示波束k的功率因子，k∈[1,K]；卫星波束功率档/>其中任意波束k所对应的功率档为/>地面小区数目N，不考虑干扰下的地面小区供需比数据库/>其中fk,n表示不考虑其余小区同频干扰的理想情况下波束k服务地面小区n,n∈[1,N]时的供需比，拍卖均衡因子ω＝0.1；
步骤2：初始化K个波束功率档的竞拍集S＝[S1,…,SK]，其中任意波束k的功率档竞拍集Sk∈S，且波束图案/>其中xk,n表示任意波束k服务地面小区n的状态，xk,n＝0表示不服务，xk,n＝1表示服务；
步骤3：任意地面小区n根据供需比数据库f计算被波束k服务时的理想供需比，对波束k的功率档进行估值
步骤4：对于任意地面小区n，选择得到最大估值的功率档作为地面小区n的投标值，其中地面小区n的估值集合表示为ζn＝[ζ1,n,…,ζK,n]，max代表最大值函数，arg代表提取自变量函数；
步骤5：根据任意地面小区n选择的投标功率档将该终端n加入相应功率档竞拍集Sk，并更新竞拍集为Sk＝[Sk,n]；左边Sk表示更新后的竞拍集，右边Sk表示更新前的竞拍集；
步骤6：对于任意波束k，如果将波束k所对应功率档竞拍集Sk中供需比/>最高的小区/>为该波束的竞拍获胜小区，并相应设置/>
步骤7：将的波束k和相应小区nk置零，即波束功率档/>供需比数据库f中关于地面小区nk的所有供需比均置0，即为/>其中Q＝[1,K]代表所有波束合集；
步骤8：判断PSAT中的功率档是否全部置零，如果进入步骤9；否则返回步骤3进行下一轮竞拍；
步骤9：输出跳波束图案X。
所述卫星发射功率为20dbW～30dbW。
所述卫星发射机数目K为6～16。
所述地面小区数目N为50～100。
所述波束功率因子
所述任意波束k服务地面小区n时的供需比fk,n为0～1。
本发明的有益效果在于由于基于PAM方法的全局波束跳变方法可以快速确定波束的服务状态，并得到高满意度的跳波束图案，解决了随着地面用户和卫星波束的增加，传统求解方法的复杂度和求解时间急剧增加，不能满足面向时隙的动态波束图案设计需求的问题。在地面用户和卫星波束数目较大的情况下，由于所提PAM方法具有低复杂度和高效性，满足更加苛刻的时隙约束，因此更适合面向时隙的动态跳波束图案设计业务，可以快速高效地求解高通量卫星在实际工程中的全局波束跳变问题。
附图说明
图1是本发明宽带卫星通信系统中全局波束跳变模型示意图。
图2是本发明宽带卫星通信系统全局波束跳变流程示意图。
图3是基于PAM和传统启发式方法的小区服务满意度总和比较示意图。
图4是基于PAM方法和贪心方法的复杂度比较示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明提出的宽带通信卫星的全局波束跳变，以卫星场景下地面小区N＝100为例，本发明提供了采用PAM方法进行全局波束跳变的方法。宽带卫星通信系统中波束跳变模型如图1所示，全局波束跳变流程如图2所示，具体实施方式如下：
步骤1：确定PAM方法的输入参数：卫星发射功率卫星发射机数目K＝10，相应波束功率因子β＝[β1,…,βK],/>βk∈[0,1]，卫星波束功率档地面小区数目N，不考虑干扰下的地面小区供需比数据库/>fk,n表示不考虑其余小区同频干扰的理想情况下波束k,k∈[1,K]服务地面小区n,n∈[1,N]时的供需比，拍卖均衡因子ω＝0.1；
步骤2：初始化K个波束功率档的竞拍集S＝[S1,…,SK]，其中任意波束k的功率档竞拍集Sk∈S，且波束图案/>其中xk,n表示任意波束k服务地面小区n的状态，xk,n＝0表示不服务，xk,n＝1表示服务；
步骤3：任意地面小区n根据供需比数据库f计算被波束k服务时的理想供需比，对波束k的功率档进行估值
步骤4：对于任意地面小区n，选择得到最大估值的功率档作为地面小区n的投标值，其中地面小区n的估值集合可表示为ζn＝[ζ1,n,…,ζK,n]，max代表最大值函数，arg代表提取自变量函数。
步骤5：根据任意地面小区n选择的投标功率档将该终端n加入相应功率档竞拍集Sk，并更新竞拍集Sk＝[Sk,n]；左边Sk表示更新后的竞拍集，右边Sk表示更新前的竞拍集
步骤6：对于任意波束k，如果将其波束k所对应功率档竞拍集Sk中供需比最高的小区/>为该波束的竞拍获胜小区，并相应设置/>
步骤7：将的波束k和相应小区nk置零，即波束功率/>供需比数据库f中关于地面小区nk的所有供需比均置0,即为/>其中Q＝[1,K]代表所有波束合集；
步骤8：判断PSAT中的功率档是否全部置零。如果进入步骤9；否则返回步骤3进行下一轮竞拍；
步骤9：输出跳波束图案X；
图3为基于PAM方法和其他算法的小区服务满意度总和比较示意图。图4基于PAM方法和贪心方法的复杂度比较示意图。从图3可得，在波束功率确定的状态下，基于PAM方法的全局波束跳变可以获得更高服务满意度。遗传算法和粒子群算法的计算复杂度与地面小区数有关，贪心算法和本发明所提供的PAM方法的计算复杂度与波束数目有关。遗传算法和粒子群算法的计算复杂度远高于贪心算法和本文所提PAM方法，因此在图四中重点比较了基于PAM方法和贪心方法的复杂度。从图4可得，基于PAM方法的全局波束跳变具有更低的复杂度，可以快速高效地求解高通量卫星在实际工程中的全局波束跳变问题。

Claims (6)

1.一种高效低复杂度的宽带通信卫星全局波束跳变方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：确定PAM方法的输入参数：卫星发射功率卫星发射机数目K，相应波束功率因子/>βk表示波束k的功率因子，k∈[1,K]；卫星波束功率档/>其中任意波束k所对应的功率档为/>地面小区数目N，不考虑干扰下的地面小区供需比数据库/>其中fk,n表示不考虑其余小区同频干扰的理想情况下波束k服务地面小区n,n∈[1,N]时的供需比，拍卖均衡因子ω＝0.1；
步骤2：初始化K个波束功率档的竞拍集S＝[S1,…,SK]，其中任意波束k的功率档竞拍集Sk∈S，且波束图案/>其中xk,n表示任意波束k服务地面小区n的状态，xk,n＝0表示不服务，xk,n＝1表示服务；
步骤3：任意地面小区n根据供需比数据库f计算被波束k服务时的理想供需比，对波束k的功率档进行估值
步骤4：对于任意地面小区n，选择得到最大估值的功率档作为地面小区n的投标值，其中地面小区n的估值集合表示为ζn＝[ζ1,n,…,ζK,n]，max代表最大值函数，arg代表提取自变量函数；
步骤5：根据任意地面小区n选择的投标功率档将任意地面小区n加入相应功率档竞拍集Sk，并更新竞拍集为Sk＝[Sk,n]；左边Sk表示更新后的竞拍集，右边Sk表示更新前的竞拍集；
步骤6：对于任意波束k，如果将波束k所对应功率档竞拍集Sk中供需比/>最高的小区/>为该波束的竞拍获胜小区，并相应设置/>
步骤7：将的波束k和相应小区nk置零，即波束功率档/>供需比数据库f中关于地面小区nk的所有供需比均置0，即为/>其中Q＝[1,K]代表所有波束合集；
步骤8：判断PSAT中的功率档是否全部置零，如果进入步骤9；否则返回步骤3进行下一轮竞拍；
步骤9：输出跳波束图案X。
2.根据权利要求1所述的一种高效低复杂度的宽带通信卫星全局波束跳变方法，其特征在于：
所述卫星发射功率为20dbW～30dbW。
3.根据权利要求1所述的一种高效低复杂度的宽带通信卫星全局波束跳变方法，其特征在于：
所述卫星发射机数目K为6～16。
4.根据权利要求1所述的一种高效低复杂度的宽带通信卫星全局波束跳变方法，其特征在于：
所述地面小区数目N为50～100。
5.根据权利要求1所述的一种高效低复杂度的宽带通信卫星全局波束跳变方法，其特征在于：
所述波束功率因子
6.根据权利要求1所述的一种高效低复杂度的宽带通信卫星全局波束跳变方法，其特征在于：
所述任意波束k服务地面小区n时的供需比fk,n为0～1。
CN202210594913.5A 2022-05-27 2022-05-27 一种高效低复杂度的宽带通信卫星全局波束跳变方法 Active CN115102603B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210594913.5A CN115102603B (zh) 2022-05-27 2022-05-27 一种高效低复杂度的宽带通信卫星全局波束跳变方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210594913.5A CN115102603B (zh) 2022-05-27 2022-05-27 一种高效低复杂度的宽带通信卫星全局波束跳变方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115102603A CN115102603A (zh) 2022-09-23
CN115102603B true CN115102603B (zh) 2023-11-03

Family

ID=83288896

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210594913.5A Active CN115102603B (zh) 2022-05-27 2022-05-27 一种高效低复杂度的宽带通信卫星全局波束跳变方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115102603B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2632061A1 (en) * 2012-02-27 2013-08-28 Agence Spatiale Européenne A method and a system of providing multi-beam coverage of a region of interest in multi-beam satellite communication.
CN109831233A (zh) * 2018-09-28 2019-05-31 东南大学 一种多小区协调大规模mimo波束域多播功率分配方法
CN111642014A (zh) * 2020-04-17 2020-09-08 北京邮电大学 一种波束确定方法、装置、基站及电子设备
CN112532298A (zh) * 2020-11-17 2021-03-19 南京融星智联信息技术有限公司 一种基于低轨星座卫星通信的无线资源调度方法及架构系统
CN113709880A (zh) * 2021-08-23 2021-11-26 中国人民解放军陆军工程大学 业务自适应的卫星跳波束系统资源分配方法
KR102370599B1 (ko) * 2020-10-22 2022-03-04 고려대학교 산학협력단 경제학 이론을 이용한 leo 위성 통신 범위 제어 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2632061A1 (en) * 2012-02-27 2013-08-28 Agence Spatiale Européenne A method and a system of providing multi-beam coverage of a region of interest in multi-beam satellite communication.
CN109831233A (zh) * 2018-09-28 2019-05-31 东南大学 一种多小区协调大规模mimo波束域多播功率分配方法
CN111642014A (zh) * 2020-04-17 2020-09-08 北京邮电大学 一种波束确定方法、装置、基站及电子设备
KR102370599B1 (ko) * 2020-10-22 2022-03-04 고려대학교 산학협력단 경제학 이론을 이용한 leo 위성 통신 범위 제어 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치
CN112532298A (zh) * 2020-11-17 2021-03-19 南京融星智联信息技术有限公司 一种基于低轨星座卫星通信的无线资源调度方法及架构系统
CN113709880A (zh) * 2021-08-23 2021-11-26 中国人民解放军陆军工程大学 业务自适应的卫星跳波束系统资源分配方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
机载有源相控阵预警雷达及应用;孔挺;宫芳;谢彦宏;张源原;;现代电子技术(第17期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115102603A (zh) 2022-09-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111314889B (zh) 车联网中基于移动边缘计算的任务卸载与资源分配方法
CN111586720B (zh) 一种多小区场景下的任务卸载和资源分配的联合优化方法
CN111132191B (zh) 移动边缘计算服务器联合任务卸载、缓存及资源分配方法
CN112039580B (zh) 一种多波束通信卫星的下行波束资源分配方法及装置
CN108900237B (zh) 一种多波束卫星通信系统资源分配方法
CN111372314A (zh) 基于移动边缘计算场景下的任务卸载方法及任务卸载装置
CN109413724A (zh) 一种基于mec的任务卸载和资源分配方案
CN113904947B (zh) 车路协同分布式边缘计算任务卸载与资源分配方法和系统
CN113873575B (zh) 智能反射面辅助的非正交多址无人机空地通信网络节能优化方法
CN110233755B (zh) 一种物联网中雾计算的计算资源和频谱资源分配方法
CN111200459A (zh) 一种上行多波束卫星的信道分配和功率控制方法
CN109862584A (zh) 功率资源分配方法及应用该方法的多波束卫星通信系统
CN113064665A (zh) 一种基于李雅普诺夫优化的多服务器计算卸载方法
Zhang et al. A network-flows-based satellite handover strategy for LEO satellite networks
CN115474281A (zh) 一种星地融合网络中的资源分配方法
CN113873658B (zh) 一种以用户服务权重增益为目标函数的跳波束资源分配方法
CN107426775B (zh) 一种面向高能效异构网络的分布式多用户接入方法
CN115102603B (zh) 一种高效低复杂度的宽带通信卫星全局波束跳变方法
CN116405979A (zh) 一种毫米波移动边缘计算组网资源分配方法
CN102186232A (zh) 一种多小区ofdma系统的功率分配方法
CN115361052B (zh) 一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法及装置
CN116566465A (zh) 基于跳波束规避低轨卫星干扰的多域资源分配方法
CN113342514B (zh) 一种基于近地轨道的边缘计算模型及其服务放置方法
CN107333275B (zh) 一种上行传输飞蜂窝异构网络中鲁棒功率分配的方法
CN110740461B (zh) 基于物联网无线能量传输的资源分配与功率控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant