一种多波束低轨卫星用户分组与资源分配方法

技术领域

本发明属于卫星用户分组和资源分配领域，具体涉及一种多波束低轨卫星用户分组与资源分配方法。

背景技术

低轨卫星通信网络相对于地面通信网络，有着可以用来提供无盲区的全时通信服务及增强地面无线网络等无可比拟的优势。然而卫星星载资源有限，如何利用有限的卫星资源满足人们日益增长的通信需求以及保证卫星的服务质量是一个巨大的挑战。

为了更有效地对卫星功率、带宽以及发射天线等资源进行利用，国内外学者提出了基于用户地理位置的动态波束用户分组，用更少更小的波束去覆盖所有用户，以提高系统的信息速率。

但现有的用户分组通过迭代的方式进行寻优，在用户较多时复杂度较高；并且多基于传统的多波束场景，在资源的分配上采用了固定分配的方式，未能更进一步利用系统资源。

而利用了时间分片的跳波束技术在适应流量需求和更有效地利用现有资源方面都优于传统系统，其资源分配更加灵活，能够实现少量的工作波束服务更多的用户小组。在跳波场景下，许多科研人员提出了动态的时隙、功率以及带宽等一系列资源分配算法，但少有适用于动态波束用户分组的资源分配方案。

发明内容

本发明针对上述问题，考虑低轨多波束下行通信系统，提出了一种多波束低轨卫星用户分组与资源分配方法，对多卫星覆盖下的用户分组以及波束半径优化，并在分组基础上对时隙和功率进行优化，使得系统的吞吐量最大化。

所述的多波束低轨卫星用户分组与资源分配方法，具体步骤如下：

步骤一、搭建包括多颗低轨卫星和地面K个用户的通信场景；

多颗低轨卫星为地面K个用户提供服务，用户分布在同一水平面上，卫星利用相控阵天线产生N

第s颗卫星下的用户数目记作K

步骤二、针对卫星s，根据其下用户的地理位置，以最大化用户平均信息速率为优化目标R

首先，初始随机选择M个用户坐标作为各组的中心点，每个用户分别计算各自与每个组中心点的距离，选择最近的小组加入；

用户的分组数目M取值服从1≤M≤K

然后，利用P中心算法和最小圆覆盖算法不断更新各个组中心、组半径及其用户集合，直至收敛，计算当前优化目标R

优化目标R

接着，判断是否R

分组结果G

步骤三、依据用户分组结果G

首先，计算当前时隙t第m个小组g

其中T

然后，分别计算各用户小组在当前时隙t下的权重值

集合

约束条件是指：当前用户小组S1与集合

步骤四、根据用户信道条件以及实时流量请求，给集合

具体为：

初始给集合

然后，从集合

针对各用户小组，当分配给其工作波束最大功率P

步骤五、判断集合

具体为：

首先，计算未分配功率的用户小组中所有用户的集合

其中，

u

然后，针对集合

具体为：

初始，分别从集合

然后，当

进一步，判断该小组m1是否与其他小组的组中心间距大于预设的半径阈值，导致同频干扰，如果是，从集合

继续从集合

组间资源调配过程会临时调整用户分组的分组结果，在下一个时隙起始时刻须还原初始的分组结果G

本发明的优点在于：

1)、一种多波束低轨卫星用户分组与资源分配方法，采用快速动态波束用户分组，比起迭代寻优，降低了动态波束用户分组的复杂度，用户平均信息速率比传统固定波束高。

2)、一种多波束低轨卫星用户分组与资源分配方法，基于请求时延加权的时隙分配，相比基于流量请求大小，提升了吞吐量和用户请求的满足率。

3)、一种多波束低轨卫星用户分组与资源分配方法，基于信道条件的功率分配及组间资源调配，适配用户分组和时隙分配结果，相比固定分配，以更少的功率资源实现了更高的吞吐量、更低平均请求等待时延以及更高的用户请求的满足率。

4)、一种多波束低轨卫星用户分组与资源分配方法，结合了动态波束用户分组和灵活资源分配的优点，整体提高系统在吞吐量、请求等待时延以及请求满足率等方面的性能。

附图说明

图1为本发明一种多波束低轨卫星用户分组与资源分配方法的流程图；

图2为本发明卫星用户分组示意图；

图3为本发明快速动态波束用户分组流程图；

图4为本发明单个卫星下跳波示意图；

图5为本发明卫星s在时隙t内时隙分配的流程图；

图6为本发明功率分配示意图；

图7为本发明第一部分功率分配流程图；

图8为本发明组件资源调配流程图；

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方法作进一步的详细说明。

本发明一种多波束低轨卫星用户分组与资源分配方法，首先基于用户地理位置信息，以最大化用户平均信息速率为优化目标，引入凸优化思想确定合适的小组分组数目M，利用P中心[1]和最小圆算法[2]来优化求解用户分组结果以及小组半径参数。第二层次是进行时隙的分配，所有工作波束使用全频带资源，为了避免小组之间由于同频干扰而导致用户信噪比降低，在贪心算法的基础上引入同频干扰约束来进行跳波时隙的分配，在使用全频带复用的同时追求吞吐量的最大化；然后是功率分配，利用小组用户的信道条件来求取小组所需功率的上下界，并使用二分法搜索满足小组传输所需的最小功率，用有限的功率实现更高的吞吐量；最后根据剩余资源情况，进行组间资源调配进一步提高资源的利用率。

具体参考文献如下：

[1]Drezner Z.The p-centre problem—heuristic and optimal algorithms[J].Journal of the Operational Research Society,1984,35(8):741-748.

[2]Welzl E.Smallest enclosing disks(balls and ellipsoids)[M]//Newresults and new trends in computer science.Springer,Berlin,Heidelberg,1991:359-370.

如图1所示，具体步骤如下：

步骤一、搭建包括多颗低轨卫星和地面K个用户的通信场景；

多颗低轨卫星为地面K个用户提供服务，卫星的覆盖区域有部分重叠，用户分布在同一水平面上，用户的接入策略采用最近卫星接入方案，即用户加入星下点距离自己最近的卫星下等待被服务，卫星利用相控阵天线产生具有灵活方向和波束宽度的N

第s颗卫星下的用户数目记作K

步骤二、针对卫星s，根据其下用户的地理位置，以最大化用户平均信息速率为优化目标R

首先，初始随机选择M个用户坐标作为各组的中心点，每个用户分别计算各自与每个组中心点的距离，选择最近的小组加入；

用户的分组数目M取值服从1≤M≤K

然后，利用P中心算法和最小圆覆盖算法不断更新各个组中心、组半径及其用户集合，直至收敛，计算当前优化目标R

优化目标R

初始设置优化目标值为R

接着，判断是否R

分组结果G

卫星s第m个小组的中心坐标为ω

步骤三、依据用户分组结果G

若当前时隙t大于仿真时刻T

如果覆盖区域有重叠的多个用户小组在一个时隙内同时被工作波束服务，会产生同频干扰，定义一个间隔半径r

定义卫星s下的干扰集合

用户在每个时隙的起始时刻向其所属卫星s发送流量请求，流量请求的生存时间为T

计算当前时隙t第m个小组g

其中T

然后，分别计算各用户小组在当前时隙t下的权重值

集合

约束条件是指：当两个用户小组的中心点的间距小于设定的阈值时，在一个时隙内同时被工作波束服务，会产生同频干扰；将产生同频干扰的用户小组放入集合I

满足约束条件即当前用户小组S1与集合

步骤四、根据用户信道条件以及实时流量请求，给集合

先根据用户实时流量，以天线在用户方向上的平均发射增益

如果存在功率剩余，则进行组间资源调配将更多的用户临时加入

具体为：

首先，定义时隙t分配给卫星s下第m个小组的工作波束功率为

其中P

然后，在时隙t内，计算卫星s下第m个小组流量请求

流量请求

实际传输的数据量不能超过请求的数据量，即

在上述约束条件下，初始给集合

然后，从集合

针对各用户小组，当分配给其工作波束最大功率P

步骤五、判断集合

具体为：

首先，计算未分配功率的用户小组中所有用户的集合

其中，

u

然后，针对集合

具体为：

初始，分别从集合

然后，当

进一步，判断该小组m1是否与其他小组的组中心间距大于预设的半径阈值，导致同频干扰，如果是，从集合

继续从集合

组间资源调配过程会临时调整用户分组的分组结果，在下一个时隙起始时刻须还原初始的分组结果G

本发明以用户的平均信息速率为优化目标，结合P中心算法和最小圆覆盖算法用于用户分组，并引入凸优化思想，在优化目标第一次下降时就输出分组数目和分组结果。同时，引入了请求的等待时延，定义了基于请求时延加权的小组权重，在同频干扰的限制下根据权重来分配时隙。接着，以天线在用户方向上的平均发射增益

实施例：

步骤一：根据用户的地理位置，以最大化用户平均信息速率为优化目标R

分组示意图如图2所示。

优化目标R

用户k到其所属小组m组中心ω

跳波波束为圆形波束，其辐射模式简化为：

Gt

其中η是相控阵天线效率，取η＝0.65、N＝65。

由弗里斯传输公式可得用户k的接收功率Pr

其中α为功率衰减，Gt

由香农公式可得卫星s下用户k可实现的最大信息速率c

其中B为可用带宽，N

小组m内的用户数目为N

DVB-S2X附录E中推荐的跳波束周期包含128或256个时隙。小组m在一个跳波束周期内用户平均信息速率定义为

n

快速动态波束用户分组的流程，如图3所示：

1.初始化，分组数目M＝1，优化目标R

2.当1≤M≤K

3.通过平面几何中的P中心算法更新各小组的用户集合直至收敛，P中心问题为给定一个平面内N

在P中心算法的迭代过程中，当某小组m的用户集合g

4.遍历所有小组的组半径r

5.计算R

步骤二：若当前时隙t大于仿真时刻T

如图4所示，如果覆盖区域有重叠的多个小组在一个时隙内同时被工作波束服务，会产生同频干扰。定义间隔半径r

其中d

1)

2)

3)

时隙分配时，任意一个时隙内，所有的I

用户在每个时隙的起始时刻向其所属卫星s发送流量请求，用户k在第t个时隙产生的流量请求记做

其中

为了缓解有些请求时延过大被丢弃的问题，引入请求等待时延，定义权重

其中

卫星s在时隙t内时隙分配的流程，如图5所示：

1.初始化，时隙分配结果

2.按权重值降序对G

3.令m＝1，用于遍历G′

4.若count≥N

步骤三：根据用户信道条件以及实时流量请求，给时隙分配结果

功率分配由两部分组成，如图6所示，先根据用户实时流量，以天线在用户方向上的平均发射增益

如果存在功率剩余，则进行组件资源调配将更多的用户临时加入

定义时隙t用户分配给分配小组m的功率为

其中P

将

实际传输的数据量不能超过请求的数据量，即

第一部分功率分配的流程，如图7所示：

1.按照式(18)初始化功率分配结果

2.计算

3.设定i＝1,P

若

设

组件资源调配的流程，如图8所示：

1.初始化，计算

2.当

若

若

3.若当前