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一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法技术

技术编号:19188055 阅读:6 留言:0更新日期:2018-10-17 02:40
一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法,该方法具体包括如下步骤:第一步根据球形数字相控阵波束功率合成原理以及海洋通信系统不同波束所处的通信链路不同,构建多波束球形数字相控阵单个波束的容量模型;第二步,建立多波束球形数字相控阵功率优化问题模型;第三步,采用拉格朗日辅助函数和二分法近似求解该优化问题。本发明专利技术的功率分配方案既能应对流量需求的波动情况,也能有效的利用功率资源,获得良好的系统性能,保障球形相控阵不同通信链路的通信QoS水平。

A QoS support method for Ocean Communications Based on multi beam power allocation

A multi-beam power allocation based QoS guarantee method for ocean communication is proposed. The method includes the following steps: Firstly, the capacity model of a single multi-beam spherical digital phased array is constructed according to the beam power combining principle of spherical digital phased array and the communication links of different beams in ocean communication system. In the second step, the power optimization model of multi-beam spherical digital phased array is established; in the third step, the Lagrange auxiliary function and dichotomy are used to approximate the optimization problem. The power allocation scheme of the invention can not only cope with the fluctuation of traffic demand, but also effectively utilize power resources to obtain good system performance and guarantee the communication QoS level of different communication links of spherical phased array.

【技术实现步骤摘要】
一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法
本专利技术涉及海洋通信领域,具体涉及一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法。
技术介绍
随着海上通信需求从2G到5G的迈进,未来海洋通信系统将要处理类型繁多的业务,可全向同步数据传输和各个波束功率可自由分配的球形数字相控阵天线技术为解决日益增多海洋通信业务的运行提供了可能。然而,当球形数字相控阵天线同时与多颗卫星、多个搭载球形数字相控阵的船只、多个岛基与岸基基站或者通信节点进行数据传输时,一旦某个通信节点瞬时流量增多,在天线总功率一定的条件下,如果各个波束功率分配不合理,有可能造成此节点数据丢失甚至通信中断的情况。目前,针对多波束功率分配的问题,有学者提出了一些功率分配的算法,如WangH等提出了一种考虑波束间干扰的情况下,提升波束间资源分配公平性的动态功率分配算法,FengQ等对Ka频段多波束卫星的功率分配进行了研究,主要降低了雨衰对系统的影响。然而,现有的功率分配算法都是针对卫星多波束来进行研究的,主要考虑了雨衰对系统的影响,针对海洋环境下球形数字相控阵的多波束功率分配研究很少。近年来,随着我国空天一体信息网的建设,未来球形数字相控阵将在海洋通信中得到广泛应用,但是针对海洋环境下球形数字相控阵多波束功率分配来确保通信QoS考虑的很少。
技术实现思路
为解决球形数字相控阵天线同时与多颗卫星、多个搭载球形数字相控阵的船只、多个岛基与岸基基站或者通信节点进行数据传输时,波束发射功率的不合理分配会导致一些通信节点服务质量下降的问题,本专利技术提供一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法,具体技术方案如下:一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:步骤一:构建多波束球形数字相控阵单个波束的容量模型;设在提供波束通信服务区域内有N个不同方向的波束进行通信,每个方向的流量的需求为Di,每个方向波束分配的发射功率为pi,每个方向波束的传输容量为Ci,根据球形数字相控阵波束功率合成原理以及海洋通信系统不同波束所处的通信链路不同,可得到每个方向波束的传输容量Ci为Ci=Blog2(1+βihipi/N0)(1)其中,βi表示影响业务服务质量的因子,hi表示为发射端到接收端的信道增益,N0表示噪声功率,B表示传输频带带宽;步骤二:建立多波束球形数字相控阵功率优化问题模型;其中,N为产生的波数个数,为每个接收端的最小流量需求,为每个接收端的最大流量需求,Ptot为系统总功率;步骤三:根据问题模型中的约束(4)建立拉格朗日辅助函数,通过求导,令导函数为零,得到关于功率的非线性方程,进一步求解可得最优功率分配。优选地,所述的步骤三中采用拉格朗日辅助函数和二分法近似求解该优化问题实现功率优化问题模型的功率分配。优选地,步骤三具体为:上述功率优化问题模型的拉格朗日辅助函数为:其中,λ为约束条件(4)对应的拉格朗日乘子,对J(P,λ)中的pi求偏导,得为求解此非线性方程,获得最优功率pi,采用以下步骤:(1)建立非线性方程组f1(pi)=Di-Blog2(1+βihipi/N0)(7)(2)设将Dsum和ptot合并到一个波束中,则可获得λ的初始值λ0,即(2.1)设置λmin=λ0/2和λmax=2λ0,在λmin和λmax之间寻找最优的λ值;(2.2)在pi∈[PtotDi/(10Dsum),Ptot]范围内增大pi,直到满足[f1(pi)-f2(pi)]2小于设定的阈值,则可获得最优功率(2.3)对每一个pi重复步骤(2.2);(2.4)设若Psum≤Ptot,且[Psum-Ptot]2小于设定的阈值,则可获得最优功率分配;若Psum<Ptot,且[Psum-Ptot]2不小于设定的阈值,则设置λmax=λ,然后令λ=(λmax+λmin)/2,返回步骤(2.2);若Psum>Ptot,则设置λmin=λ,然后令λ=(λmax+λmin)/2,返回步骤(2.2);(2.5)若则最终获得的最优功率分配pi能满足各个波束最低能量需求;若则从最优功率分配中去掉Cj与Dj,且波束总数N要去掉这些不满足需求的波束,返回步骤(2.1),直到满足使每个波束均获得最优的功率分配,又同时满足各个波束的最低流量需求。优选地,所述的步骤一中的通信链路为微波前向散射通信、大气波导通信、海上无线通信、海洋卫星通信的混合。优选地,所述的微波前向散射通信和大气波导通信链路是由目标船只上的球形数字相控阵天线和部署在海岸线上和其附近水域或岛屿上的固定无线基站接入点组成;海上无线通信链路是由目标船只上的球形数字相控阵天线和邻近船只上的球形数字相控阵天线组成;海洋卫星通信链路是由目标船只上的球形数字相控阵天线和低轨移动卫星组成。优选地,所述的步骤一中的βi在瑞利信道中表征为本专利技术的有益效果为:本专利技术的海洋通信QoS保障方法既能应对流量需求的波动情况,同时保障了每个波束基本服务水平由于本专利技术是针对海洋环境,波束容量模型中引入了参数β、h来描述不同波束的通信链路,与现有的一些算法相比,容量模型更为符合海洋通信的实际情况。附图说明图1为本专利技术的基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法所依据的海洋通信场景图。具体实施方式下面根据附图和优选实施例详细描述本专利技术,本专利技术的目的和效果将变得更加明白,以下结合附图和实施例,对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术,并不用于限定本专利技术。本专利技术考虑未来球形数字相控阵在海洋卫星通信的广泛应用,海洋通信系统将会融合其他海洋通信方式,如微波散射通信、大气波导通信等。如果球形相控阵在同时利用多种通信方式进行协同通信时,波束发射功率分配不合理,将会导致业务服务水平下降。根据球形数字相控阵波束发射功率合成原理以及海洋通信系统不同波束所处的通信链路不同,构建了多波束球形数字相控阵波束容量模型,选择以最小化二阶业务拒绝量总和为目标函数,把该功率资源优化问题转换为一个带约束条件限制的优化问题。最后利用拉格朗日辅助函数求导和二分法进行求解。图1为本专利技术的基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法所依据的海洋通信场景图,目标船只除了与卫星和周围船只通信外,同步利用微波散射通信、大气波导通信与陆地联系。本专利技术主要解决搭载在目标船只上的球形数字相控阵多波束发射功率分配,保障多波束的通信服务质量提高和天线的功率资源利用效率。一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法,该方法包括如下步骤:步骤一:构建多波束球形数字相控阵单个波束的容量模型;设在提供波束通信服务区域内有N个不同方向的波束进行通信,每个方向的流量的需求为Di,每个方向波束分配的发射功率为pi,每个方向波束的传输容量为Ci,根据球形数字相控阵波束功率合成原理以及海洋通信系统不同波束所处的通信链路不同,可得到每个方向波束的传输容量Ci为Ci=Blog2(1+βihipi/N0)(1)其中,βi表示影响业务服务质量的因子,在瑞利信道中,可表征为hi表示为发射端到接收端的信道增益,N0表示噪声功率,B表示传输频带带宽;步骤二:根据不同链路中通信容量和需求之间的关系,采用以最小化二阶业务拒绝量总和为目标函数,建立多波束球形数字相控阵功率优化问题模型;其中,N为产生的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:步骤一:构建多波束球形数字相控阵单个波束的容量模型;设在提供波束通信服务区域内有N个不同方向的波束进行通信,每个方向的流量的需求为Di,每个方向波束分配的发射功率为pi,每个方向波束的传输容量为Ci,根据球形数字相控阵波束功率合成原理以及海洋通信系统不同波束所处的通信链路不同,可得到每个方向波束的传输容量Ci为Ci=Blog2(1+βihipi/N0)  (1)其中,βi表示影响业务服务质量的因子,hi表示为发射端到接收端的信道增益,N0表示噪声功率,B表示传输频带带宽。步骤二:建立多波束球形数字相控阵功率优化问题模型;

【技术特征摘要】
1.一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:步骤一:构建多波束球形数字相控阵单个波束的容量模型;设在提供波束通信服务区域内有N个不同方向的波束进行通信,每个方向的流量的需求为Di,每个方向波束分配的发射功率为pi,每个方向波束的传输容量为Ci,根据球形数字相控阵波束功率合成原理以及海洋通信系统不同波束所处的通信链路不同,可得到每个方向波束的传输容量Ci为Ci=Blog2(1+βihipi/N0)(1)其中,βi表示影响业务服务质量的因子,hi表示为发射端到接收端的信道增益,N0表示噪声功率,B表示传输频带带宽。步骤二:建立多波束球形数字相控阵功率优化问题模型;其中,N为产生的波数个数,为每个接收端的最小流量需求,为每个接收端的最大流量需求,Ptot为系统总功率。步骤三:根据问题模型中的约束(4)建立拉格朗日辅助函数,通过求导,令导函数为零,得到关于功率的非线性方程,进一步求解可得最优功率分配。2.根据权利要求1所述的基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法,其特征在于,所述的步骤三中采用拉格朗日辅助函数和二分法近似求解该优化问题实现功率优化问题模型的功率分配。3.根据权利要求2所述的基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法,其特征在于,步骤三具体为:上述功率优化问题模型的拉格朗日辅助函数为:其中,λ为约束条件(4)对应的拉格朗日乘子,对J(P,λ)中的pi求偏导,得为求解此非线性方程,获得最优功率pi,采用以下步骤:(1)建立非线性方程组f1(pi)=Di-Blog2(1+βihipi/N0)(7)(2)设将Dsum和ptot合并到一个波束中,则可获得λ的初始值λ0,即(2.1)设置λmin=λ0/2和λmax=2...

【专利技术属性】
技术研发人员:宋春毅谢亚平夏丽辉郑强稳杨李杰徐志伟
申请(专利权)人:浙江大学
类型:发明
国别省市:浙江,33

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