基于理想点的卫星通信多用户并发接入防碰撞方法

技术领域

本发明涉及卫星通信系统技术领域，尤其涉及卫星通信多用户接入领域。

背景技术

MF-TDMA(多频时分多址接入)卫星通信系统具备在复杂环境下(偏远地区、森林、地震、洪水、泥石流和海上等)迅速构建大范围通信网络的独特能力，因此在当前无线通信领域，特别是应急通信领域扮演着重要的角色。在应急通信应用中，MF-TDMA卫星通信系统必须在极短的时间内完成应急通信网络的构建，对系统的组网能力提出了严格的要求；MF-TDMA卫星通信网络组网时间主要由用户接入时间决定，而用户接入过程中，由并发接入引起的碰撞重传事件，是影响接入时间的直接因素。网络用户规模越大，碰撞问题就越为严重，进而导致组网时间越长。在大量用户并发接入条件下，科学合理的制定接入策略、有针对性的优化接入信道分配，是降低用户碰撞概率、提高载波信道资源利用率、减少网络组网时间的有效手段。

现有关于卫星多用户并发接入防碰撞方法的研究设计，多从接入协议的改进着手，涉及卫星及全部用户，复杂度较高，且难以应用于在役卫星通信系统，目前缺乏通过优化卫星及用户参数配置来降低碰撞概率、减少组网时间的方法。论文“卫星通信系统随机接入机制研究”(北京邮电大学硕士学位论文，2017年3月)讨论了用户接入流程及碰撞退避算法，论文“低轨卫星物联网海量用户接入体制研究”(南京大学硕士学位论文，2019年2月)提出了改进的CRDSA接入协议，但是均没有研究优化参数配置的防碰撞方法。

综上所述，现有技术存在的问题是：MF-TDMA卫星多用户并发接入防碰撞方法主要通过改进接入协议来实现，复杂度较高且难以应用于在役卫星通信系统，缺少一种通用性高的防碰撞方法，导致MF-TDMA卫星通信网络组网时间难以得到优化。

发明内容

针对现有MF-TDMA卫星多用户并发接入防碰撞方法复杂度较高且难以应用于在役卫星通信系统的问题，本发明公开的一种基于理想点的卫星通信多用户并发接入防碰撞方法，首先将用户划分为用户分组，以分组为单位进行接入测距；随后构建并发接入测距模型并在此基础上构建多目标优化问题，利用多目标进化优化算法求解获得多条件下的Pareto最优解集，生成防碰撞预案库；接着基于实际组网需求形成多目标的协商曲线，代入预案库求得当前组网条件下的理想点；最后根据理想点方案完成实际参数的配置。

本发明公开的一种基于理想点的卫星通信多用户并发接入防碰撞方法，其具体步骤包括：

S1，将申请接入网络的用户划分为若干个用户组，以用户组为单位构建入网测距系统模型；

S2，以组网时间最短、碰撞率最低、占用信道数最少为目标，构建多目标优化问题；

S3，利用Pareto进化算法，对步骤S2中构建的多目标优化问题进行求解；

S4，通过优化算法获得Pareto最优解集，并构成预案库；

S5，确定实际组网用户量、碰撞率及时间需求、信道数限制等条件；

S6，基于Logistic模型构建组网时间、碰撞率和占用信道的协商曲线，并将协商曲线输入预案库；

S7，获得符合实际组网需求的理想点，理想点信息包括分组用户数、到达率、分组信道数；

S8，根据理想点信息，进行用户分组、到达率设置、测距信道配置等。

所述的步骤S1，具体包括：

将申请接入网络的用户划分为若干个用户组，MF-TDMA(多频时分多址接入)卫星通信网络载波数量为m，载波上的时隙宽度为T

用户入网测距流程为：

S101，参数设置，设置用户分组数目g、每组中的用户数u、分组测距信道数量k、用户到达率λ、占用载波及时隙信息等参数；

S102，测距，各分组内用户向分组对应信道发送测距信息，第i个分组中的第j个用户在等待一定时间后发送测距信息，其等待时间服从到达率为λ的Poisson分布；

S103，碰撞后重传，若第i个分组中的第j个用户没有收到主站的应答信息，执行S102；

S104，入网成功，主站收到全部用户的测距信息并完成入网；

分组中每个用户的到达率均为λ，测距开始时分组中的用户数为u，分组的到达率为uλ，在c

分组到达率与分组中未完成入网测距的用户即活动用户数量相关，根据分组中测距开始时活动用户数量，将分组到达率划分为u个阶段(阶段0、1……u-1)，阶段i对应的分组到达率为Λ

其中，u

阶段u-1结束时，所有用户完成入网测距，分组用户入网所需总信道时间长度表示为所有阶段的信道时间长度期望之和：

各分组每个周期使用k个信道进行接入测距，整个分组完成入网所需周期为C

所有用户的入网总时间即为分组入网时间期望，ζ＝max(ζ

对于阶段i，其持续时间内发生测距信息碰撞的信道时间期望表示为：

在分组完成入网的过程中，发生碰撞的总信道时间为：

碰撞率为发生碰撞信道数与总信道数的比值，即：

用户接入测距所占用的总信道数为每周期内分配给各个分组的信道数之和：

所述的步骤S2，具体包括：

s.t.:u,k∈N

0＜λ≤1

u≤U，

其中，M(p)为优化目标集合，p表示符合组网需求的理想点信息，ζ(u,k,λ)、ρ(u,λ)和N(u,k)分别为不同分组参数下的组网时间、碰撞率和占用信道数。

所述的步骤S3，其所用的Pareto进化算法的具体步骤为：

S301，设置种群规模P

S302，对Pop进行非支配选择，将非支配解存入解集NDS

S303，判断解集规模是否大于N

S304，计算解集NDS

其中D

S305，将NDS

S306，在初始化种群Pop中以锦标赛方式选择解进行多项式变异操作，将所得结果存入新种群newPop，直至newPop的规模等于P

S307，令Pop＝newPop、gen＝gen+1，判断当前迭代次数gen是否小于迭代次数上限G，若小于则转至步骤S302，否则，输出NDS

所述的步骤S4，具体包括：

针对每个不同的输入条件求解多目标优化问题，获得相应的非支配解集NDS

所述的步骤S5，具体包括：

在完成预案库构建的基础上，当进行卫星通信实际组网活动时，首先确定实际入网用户量，在预案库中提取相近用户量对应的解集NDS

所述的步骤S6，具体包括：

组网时间、碰撞率和占用信道的协商曲线表达式为：

其中y为指标的协商度，x为指标的相对取值、实际取值或取值上限，w为权重，a为常数。

所述的步骤S7，具体包括：

对于NDS

计算NDS

其中，

所述的步骤S8，具体包括：

根据选定理想点所包含分组用户数、到达率和分组信道数信息，对实际组网中的用户进行分组，设置用户发送测距信息的到达率，在载波上为每个分组配置相应数量的测距信道，进行测距入网。

本发明的有益效果包括：

(1)本发明公开的基于理想点的卫星通信多用户并发接入防碰撞方法，通过将用户划分为用户分组，以分组为单位进行接入测距，随后构建并发接入测距模型并在此基础上构建多目标优化问题，利用多目标进化优化算法求解获得多条件下的Pareto最优解集，生成防碰撞预案库，通过用户分组结合多目标优化方法，有效降低了MF-TDMA卫星通信网络在多用户并发接入情况下的组网时间，同时具有通用性强和易于实现的优点。

(2)基于预案库获得理想点，可以显著降低优化算法复杂度和运算时间；通过构建防碰撞预案库，能够存储典型输入条件下的最优接入方案集合，当实际组网需求和条件与预案库中的记录相匹配时，可以省略多目标优化问题求解的步骤，直接将协商曲线与最优接入方案集合相结合来获得符合实际需求的理想点，从而显著降低优化算法复杂度和运算时间。

附图说明

图1所示为本发明中多用户并发接入测距防碰撞方法示意图；

图2所示为本发明中多用户分组接入测距系统模型示意图；

图3所示为本发明中用户分组入网所需测距信道期望值阶段模型示意图；

图4所示为本发明中多目标进化优化算法示意图。

具体实施方式

为了详细说明本发明的技术方案，这里给出了一个具体实施方式。

本发明提供了一种基于理想点的卫星通信多用户并发接入防碰撞方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1，将申请接入网络的用户划分为用户组，以用户组为单位构建入网测距系统模型；

MF-TDMA卫星通信网络多用户分组接入测距系统模型如图2所示；对于将申请接入网络的用户划分为用户组，MF-TDMA卫星通信网络载波数量为m，载波上的时隙宽度为T

用户入网测距流程为：

S101，参数设置，设置用户分组数目g、每组中的用户数u、分组测距信道数量k、用户到达率λ、占用载波及时隙信息等参数；

S102，测距，各分组内用户向分组对应信道发送测距信息，第i个分组中的第j个用户在等待一定时间后发送测距信息，其等待时间服从到达率为λ的Poisson分布；

S103，碰撞后重传，若第i个分组中的第j个用户没有收到主站的应答信息，执行S102；

S104，入网成功，主站收到全部用户的测距信息并完成入网；

分组中每个用户的到达率均为λ，测距开始时分组中的用户数为u，所以分组的到达率为uλ，在c

分组到达率与分组中未完成入网测距的用户，即活动用户，数量相关，根据分组中现有活动用户数量将分组到达率划分为u个阶段，具体包括阶段0、1、……、u-1，见图3，阶段i对应的分组到达率为Λ

其中，u

阶段u-1结束时分组中活动用户数变为0，即所有用户完成入网测距，分组用户入网所需总信道时间长度表示为所有阶段的信道时间长度期望之和，

各分组在载波上所分配的信道数为k，每个周期使用k个信道进行接入测距，整个分组完成入网所需周期为C

各用户分组中的用户数量、信道数量及用户到达率相同，因此g个分组的入网时间期望相等，所有用户的入网总时间即为分组入网时间期望，ζ＝max(ζ

对于阶段i，其持续时间内发生测距信息碰撞的信道时间期望表示为：

在分组完成入网的过程中，发生碰撞的总信道时间为：

碰撞率为发生碰撞信道数与总信道数的比值，即：

用户接入测距所占用的总信道数为每周期内分配给各个分组的信道数之和：

S2，以组网时间最短、碰撞率最低、占用信道数最少为目标，构建多目标优化问题：

s.t.:u,k∈N

0＜λ≤1

u≤U，

其中，M(p)为优化目标集合，p表示符合组网需求的理想点，ζ(u,k,λ)、ρ(u,λ)和N(u,k)分别为组网时间、碰撞率和占用信道数。

S3，利用Pareto进化算法，对S2中构建的多目标优化问题进行求解；

针对不同的入网用户数量U，分别通过进化算法求解优化问题，如图4所示，算法具体步骤为：

S301，设置种群规模P

S302，对Pop进行非支配选择，将非支配解存入解集NDS

S303，判断解集规模是否大于N

S304，计算解集NDS

其中D

S305，将NDS

S306，在初始化种群Pop中以锦标赛方式选择解进行多项式变异操作，将所得结果存入新种群newPop，直至newPop的规模等于P

S307，令Pop＝newPop、gen＝gen+1，判断当前迭代次数gen是否小于迭代次数上限G，若小于则转至步骤S302，否则，输出NDS

S4，通过优化算法获得Pareto最优解集，并构成预案库；

针对每个不同的输入条件求解多目标优化问题，获得相应的非支配解集NDS

S5，确定实际组网用户量、碰撞率及时间需求、信道数限制等条件；

在完成预案库构建的基础上，进行实际组网活动时，首先确定实际入网用户量，在预案库中提取相近用户量对应的解集NDS

S6，基于Logistic模型构建组网时间、碰撞率和占用信道的协商曲线，并将协商曲线输入预案库；

组网时间、碰撞率和占用信道的协商曲线表达式为：

其中y为协商度，x为三项指标的相对取值、实际取值或取值上限，w为权重，a为常数。

S7，获得符合实际组网需求的理想点，理想点信息包括分组用户数、到达率、分组信道数；

对于NDS

计算NDS

其中，

S8，根据理想点信息，进行用户分组、到达率设置、测距信道配置等；

根据选定理想点所包含分组用户数、到达率和分组信道数信息，对实际组网中的用户进行分组，设置用户发送测距信息的到达率，在载波上为每个分组配置相应数量的测距信道，进行测距入网。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请；对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化；凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。