波位划分和用户分组方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种波位划分和用户分组方法、装置、设备及介质。

背景技术

以广覆盖性、低时延性、部署灵活性等优势而构建的大规模低轨卫星星座系统能够对全球提供无盲区、全时间的服务，受到了通信行业的关注，在传统的多波束卫星系统中，每个波束被分配了固定的功率和频率资源，但是这难以应对地面终端分布不均、多样且时变的业务请求，导致系统的资源利用率下降，因此，如何利用星上有限的资源应对复杂的业务需要成为了研究者们关注的热点问题。在这样的背景下，跳波束技术应运而生，其旨在用更少的波束以灵活跳变的方式实现对区域的覆盖和服务，更加合理有效地分配资源，跳波束的基本思想是利用时分复用，将波束的服务周期划分为多个时隙，在每一时隙调度一定数量的波束点亮波位，通过改变指向和波束宽度，实现在波位之间的跳变，从而支持不同波位下的用户业务，提高资源的利用效率。

在进行波束调度之前，首先需要对卫星服务区域及用户进行划分，规划波位，然后在此基础上进行波位的时隙和其他资源的分配，并按时隙有选择性地点亮波位进行服务，实际上，波位划分结果不仅会影响波束时隙分配与点亮情况，还会影响用户的服务质量与系统的性能。

当前针对波位划分方案的文献主要包括考虑固定波位划分，即使用固定大小的波位密铺服务区域；采用迭代算法对用户分组以实现波位划分，如使用基于均值算法的波位划分方法、基于中心算法的波位划分方法；基于波位半径等级的分组方案，即对波位的尺寸进行分级在固定波位划分的基础上进行的改进，将波位半径宽度设置为固定几种，根据优化目标对波位进行合并或拆分。

然而，考虑采用固定大小的波位密铺卫星服务区域，这种方式忽略了波位中心与波位内用户的相对位置关系对波束调度和系统性能的影响，会出现用户分布在波位边缘、等待服务波位数量较多的情况，导致用户信道质量不理想、系统时延较大等问题。通过大量的迭代计算对用户分组，如基于中心算法的波位划分方法，但是这类算法的运行结果不仅与初始点的选择有关，并且在处理时计算复杂度较高。波位等级划分基于固定波位划分，仍未灵活地考虑波位中心与波位内用户相对位置关系对系统性能的影响。

针对上述问题，需要在移动性强的低轨卫星跳波束系统中综合考虑用户与卫星的相对关系，对其进行动态波位划分，从而提升系统性能。

基于现有技术存在的上述技术问题，本发明提出一种波位划分和用户分组方法、装置、设备及介质。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种波位划分和用户分组方法、装置、设备及介质，解决星下用户分布随机、业务需求不均时用户分组与跳波束波位划分问题。

本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种波位划分和用户分组方法，包括：

步骤1，在地球球面上的一区域，根据用户的接入情况，获得当前时刻所述区域的服务卫星集合以及每个卫星下的用户集合U及其地理位置分布和信道信息，每颗卫星能够在每一时隙最大产生N

步骤2，设存在第s颗卫星，第s颗卫星服务用户总数为N

步骤3，以最大化波位总传输速率以及减小总的划分用户分组数量以降低系统的传输时延为目标，以波位的半径距离、每个用户属于一个分组为约束，以所有用户均被划分完毕为结束条件，建立优化问题；

步骤4，针对优化问题，利用密度聚类，基于用户分布密度，对未被分组的用户，获得用户分布的紧密程度，对用户的波位待划分顺序按照紧密程度排序，获得星下点用户的邻接矩阵G；

步骤5，基于邻接矩阵G，从相邻用户数最高的用户逐一开始划分，并在划分过程中以最大化当前小组传输速率为目标进行求解，获得用户与小组的映射关系以及小组的位置信息，直到所有用户被划分完毕。

进一步地，步骤3中，针对已划分的第i个用户分组集合m

其中，C

其中，B为系统带宽，n

进一步地，步骤3中，每个用户属于一个波位，被同一波束服务，建立波位内用户集合与总用户集合的关系：

以最大化波位总传输速率、以及减小总的划分用户分组数量以降低系统的传输时延为目标，以波位的半径距离、每个用户仅属于一个分组为约束，以所有用户均被划分完毕为结束条件，建立优化问题，其中

进一步地，步骤3中，优化问题表示为：

其中，N

进一步地，步骤4包括：

步骤4.1，根据星下用户地理位置信息和半径约束设置，计算用户之间的相邻关系，获得星下点用户的邻接矩阵G；

步骤4.2，根据邻接矩阵G计算每个用户的相邻用户数；

步骤4.3，以相邻用户数为排序依据，相邻用户数大的用户处于高密度区域，反之则处于低密度区域。

进一步地，步骤5包括：

步骤5.1，根据每个用户的相邻数，从高到低进行排序，记录当前具有最多相邻用户的用户集合U′，并记录此时的最多相邻用户数为p；

步骤5.2，对于用户u∈U′，获得用户能够分配在同一小组的用户，其中，同一小组的用户是与u的距离小于R

C

步骤5.3，更新小组中心为小组内所有用户的经纬度中心Ω′，根据Ω′重新获得组内用户，计算当前小组的总传输速率C′，比较C

步骤5.4，重复步骤5.3，直至该小组划分结果不变，则该小组划分完毕，将已划分的用户从集合U与U′移出，并更新邻接矩阵G，删除已划分用户与未划分用户的相邻关系；

步骤5.5，继续对用户集合U′中的用户，重复步骤5.2到步骤5.4，直至U′中的所有用户被划分完毕。

第二方面，本发明提供一种波位划分和用户分组的装置，包括：

用户接入与信息统计模块，用于用户接入和信息统计，卫星在用户接入与信息统计模块获取用户信息；

波位形成和用户分组计算模块，用于基于密度聚类的波位划分和用户分组方法，优化波位划分过程，获得用户与波位的映射关系以及波位的地理位置信息；

波束调度与传输模块，根据波位，从候选集中选择当前时刻调度的波位并投射波束，以实现数据的传输。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括一个或多个处理器和一个或多个存储器，其中，一个或多个存储器中存储有至少一条计算机程序，一条计算机程序由一个或多个处理器加载并执行以实现波位划分和用户分组方法所执行的操作。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有至少一条计算机程序，一条计算机程序由处理器加载并执行以实现波位划分和用户分组方法所执行的操作。

本发明的有益效果是：

本发明所述波位划分和用户分组方法、系统、设备及介质，逐次调整波位中心以优化传输速率，提高了系统在吞吐量、平均等待时延方面的性能；

从高密度区域开始运行，并逐次求解已有最优，直到达到结束条件为止，减少了迭代次数，提高了运行效率；

考虑到波位数量划分不确定的问题，采用密度聚类的思想，从高密度区域开始划分波位，相较于迭代算法，降低了划分选择随机性对系统性能及算法运行的影响。

附图说明

图1为本发明实施例中跳波束及波位划分示意图；

图2为本发明实施例中跳波束系统波位划分和用户分组方法的工作流程图；

图3为本发明实施例中的确定用户分布密度的工作流程图；

图4为本发明实施例中的波位划分算法的工作流程图；

图5为本发明实施例所述方法与固定波位划分及基于p中心算法的波位划分方案的平均吞吐量对比图；

图6为本发明实施例所述方法与固定波位划分及基于p中心算法的波位划分方案的SINR CDF对比图；

图7为本发明实施例所述方法与固定波位划分及基于p中心算法的波位划分方案的平均等待时延对比图；

图8为本发明实施例所述方法与固定波位划分及基于p中心算法的波位划分方案的用户满意度对比图；

图9为本发明实施例所提供的一种波位划分装置的结构示意图。

图中，100-用户接入与信息统计模块、200-波位形成和用户分组计算模块、300-波束调度与传输模块。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例

随着当前大规模卫星星座通信系统的发展，传统的多波束技术已难以应对地面终端分布不均、多样且时变的业务请求，导致系统的资源利用率下降，由此，跳波束技术应运而生，其旨在用更少的波束以灵活跳变的方式实现对区域的覆盖和服务，更加合理有效地分配资源；跳波束的基本思想是利用时分复用，将波束的服务周期划分为多个时隙，在每一时隙调度一定数量的波束，通过改变指向和波束宽度，点亮波位，从而支持不同波位下的用户业务，提高资源的利用效率；而在跳波束系统中，需要对卫星服务的用户进行波位划分和用户分组，以此支持后续波束跳变的设计；故本申请提供了一种波位划分和用户分组方法、系统、设备及介质，用于解决上述问题。

如图1所示，以卫星1、卫星2来示例性表示发出波束以服务用户的卫星，以卫星1波位、卫星2波位来示例性表示卫星能够调度的波位，需要进行说明的是，卫星1、卫星2都对应使用多个波束，在同一时刻，每个波束只调度到一个波位；

所述波位划分和用户分组方法，考虑到波位数量划分不确定的问题，首先以最大化波位总传输速率、以及减小总的划分用户分组数量以降低系统的传输时延为目的，建立优化目标，利用邻接矩阵确定用户分布密度，从高密度区域开始划分波位，并不断调整波位中心以优化目标函数，将问题分解为逐次求解已有最优，直到达到结束条件为止；

具体的，如图2所示，所述方法在卫星侧的执行包括：

S01、部署低轨卫星星座跳波束通信场景，设置用户分布方式，撒点于地球，对球面上选择某一区域进行考察，采用就近接入策略，根据用户的接入情况，获得当前时刻该区域的服务卫星集合以及每个卫星下的用户集合U及其地理位置分布和信道信息，使用相控阵天线在每一时隙最大产生N

S02、针对第s颗卫星，服务用户总数为N

S03、建立问题模型，针对已划分的第i个用户分组集合m

其中，C

其中，B为系统带宽，n

考虑每个用户仅属于一个波位，被同一波束服务，建立波位内用户集合与总用户集合的关系：

由此，以最大化波位总传输速率、以及减小总的划分用户分组数量以降低系统的传输时延为目标，以波位的半径距离、每个用户仅属于一个分组为约束，以所有用户均被划分完毕为结束条件，建立优化问题：

其中，N

S04、针对S03中所述的优化问题，由于用户分布的不均匀性，仅凭用户地理位置信息和波位半径无法确定小组总数，因此，利用密度聚类的思想，基于用户分布密度，对未被分组的用户，获得用户分布的紧密程度，对用户的待划分顺序按照紧密程度排序；

S05、基于邻接矩阵G，从用户密度高的区域逐一开始划分，并在划分过程中以最大化当前小组传输速率为目标进行求解，获得用户与小组的映射关系以及小组的位置信息，直到所有用户被划分完毕；

在上述实施例中，波位可假设为圆形，卫星下每个波位的半径相同，则后续所需要的划分约束可以以半径作为约束；

需要说明的是，波位会由于处于卫星服务边缘而产生变形，每个波位有其特定的半径，此时后续所需要的划分约可通过波位中心位置与卫星位置之间的关系，以3dB增益角作为约束；

在上述实施例的S01中，考虑低轨卫星星座跳波束通信场景，卫星星座以一定的轨道数、每轨道卫星数、相位因子构建而成，卫星搭载相控阵天线以实现波束的投射和灵活指向，从而部署得到跳波束场景的卫星星座，同时，用户分布在地球上；

如图3所示，S04包括：

S401，获得星下点用户的邻接矩阵G，根据星下用户地理位置信息和半径约束设置，计算用户之间的相邻关系；

S402，根据邻接矩阵G计算每个用户的相邻用户数；

S403，以相邻用户数为排序依据，相邻用户数大的用户处于高密度区域，反之则处于低密度区域。

如图4所示，S05包括：

S501，根据邻接矩阵G计算最多相邻用户数p值及本次可进行分组的用户集合U′，记录根据每个用户的相邻数，从高到低进行排序，记录当前具有最多相邻用户的用户集合U′，并记录此时的最多相邻用户数为p；

S502，计算初次划分的结果及传输速率，对于用户u∈U′，首先获得与其能够分配在同一小组的用户，即与u的距离小于R

C

S503，从S502中获得的小组中继续进行更新，更新小组中心为小组内所有用户的经纬度中心Ω′，根据该中心重新获得组内用户，计算当前小组的总传输速率C′，比较C

S504，重复S503，直至该小组划分结果不变，则该小组划分完毕,将已划分的用户从集合U与U′移出，并更新邻接矩阵G，删除已划分用户与未划分用户的相邻关系，防止将同一用户划分到不同小组；

S505，继续对用户集合U′中的用户，重复S502到S504，直至U′中的所有用户被划分完毕；

S506，更新p＝p-1，重复S501，根据新的p值与未分组的用户集合U及删除已划分用户的邻接矩阵G，获得此次相邻用户数为p的用户集合U′，重复S502到S504直至U′中的用户划分完毕；

S507，重复S506，直到

为了验证所述波位划分和用户分组方法的优越技术效果，将所述方法与固定波位划分方法以及基于p中心算法的波位划分方法进行对比，得到相应仿真结果，如图5、图6、图7、图8所示，其中，固定波位划分方法是指波位密铺于考察区域，基于p中心算法的波位划分方法是指利用p中心算法，通过逐次增加p值并同时划分p个波位而获得波位划分的结果，仿真结果表明，所述方法可以在保证较低计算复杂度的情况下，能够提升系统的吞吐性能，因此采用本实施例所述方法可以在节省计算资源的同时更好地提升低轨卫星跳波束系统的资源利用率。

如图9所示，所述波位划分和用户分组装置，包括：

用户接入与信息统计模块100，用于用户接入和信息统计，卫星可在用户接入与信息统计模块100获取用户信息，包括地理位置信息、信道条件等；

波位形成和用户分组计算模块200，用于实现波位划分和用户分组方法，应用基于密度聚类的波位划分和用户分组方法，优化波位划分过程，获得用户与波位的映射关系以及波位的地理位置信息；

波束调度与传输模块300，基于形成的波位，从候选集中选择当前时刻调度的波位并投射波束，以实现数据的传输；

在上述实施例中，波束调度与传输模块300能够用于：利用波位形成和用户分组模块200中获得的用户与波位的映射关系以及波位的地理位置关系，得到波束投射位置的候选集，在每一时刻，波束从候选集中选择波位并投射，同一波束在同一时刻仅可投射同一波位。

所述电子设备，包括：

存储器，用于存储可执行指令；

处理器，用于读取并执行存储器中存储的可执行指令，以实现波位划分和用户分组。

所述计算机可读存储介质，包括：

存储计算机程序，当所述装置存储器中的指令由处理器执行时，处理器能够执行波位划分和用户分组方法。

本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书界定。