一种卫星时频资源调度方法、计算机设备及可读介质技术

本申请公开了一种卫星时频资源调度方法，该方法包括：将卫星时频资源矩阵化，得到资源矩阵；为测试任务集中的每个任务分配时频窗口矩阵集；随机生成初始粒子种群，从中逐个取出粒子并进行解码，生成任务序列；按照顺序从任务序列中逐个提取任务，若任务有调度可能性，则从任务对应的时频窗口矩阵集中逐个取出时频窗口矩阵进行资源分配，更新当前任务的调度标志位、资源矩阵和调度方案矩阵；按照预设的调度模型计算粒子的适应度值，作为调度方案矩阵的收益；更新粒子种群的平均最优位置和全局最优位置，如满足迭代中止条件，则输出收益最高的粒子位置对应的调度标志位、调度方案矩阵和收益；本发明专利技术大大降低了调度方法的计算复杂度，提高了调度效率。提高了调度效率。提高了调度效率。

【技术实现步骤摘要】
一种卫星时频资源调度方法、计算机设备及可读介质


[0001]本申请涉及卫星通讯
，更具体地，涉及一种基于资源矩阵更新和改进量子粒子群算法的卫星时频资源调度方法、计算机设备及可读介质。

技术介绍

[0002]随着移动信技术的发展，卫星通信已经成为了目前最重要的通信方式之一，卫星通信具有覆盖范围广，不受地理条件约束、不受自然灾害影响、灵活机动等特定，是通信服务实现全球覆盖的重要途径。
[0003]通信系统需要根据业务需求为用户分配无线资源，地面移动通信中所采用的资源调度方法通常有半持续调度算法、分组调度算法、基于缓存状态报告的调度算法等。与地面移动通信相比，卫星通信具有延迟大、通信链路特性复杂的特点，由于体制、链路特性的问题，通常无法直接采用地面的资源分配算法，这给卫星通信系统中无线资源的分配调度带来了挑战。
[0004]卫星通信中无线资源包括卫星资源、波束资源、载波资源、时频资源。卫星通信系统由1颗或者多颗通信卫星加地面应用系统组成，每个卫星下通常包含一个或多个波束，波束对应一定的带宽，频域包含一定数量的载波，每个载波在时域又可以划分为具有先后顺序的不同时隙。卫星通信系统中的无线资源分配，需要根据系统的具体形式、采用的体制，完成卫星、波束、载波、时隙资源的分配过程。对于高轨卫星通信系统，单星覆盖范围较大，资源分配过程通常只涉及相同或不同波束下载波、时隙的分配，对于低轨卫星可能还需要考虑卫星的分配和路由问题。此外，资源分配过程中可能还需要考虑链路延迟、业务QoS、系统吞吐量、用户的优先级等因素。r/>[0005]目前对于卫星时频资源进行调度的常见方法有基于改进蚁群算法、改进遗传算法等调度方法，其中，基于改进蚁群算法(Ant Colony Algorithm，ACO)的卫星时频资源调度算法是在标准蚁群算法的基础上，采用整数编码方式，以任务编号为蚂蚁的路径点，以蚂蚁行走路径的点位顺序为任务序列，以任务序列对应的调度方案收益为蚂蚁路径的收益，以蚂蚁路径收益更新路径的信息素，以信息素指导蚂蚁运动，通过蚂蚁种群的迭代进化实现任务序列优化和卫星时频资源调度优化的方法。ACO算法的缺陷在于：1)算法的机制比较复杂；2)参数较多，调参困难(此处指算法可调整的变参数，不包括问题的固定参数以及算法不可调整的固定参数)；3)初始点的选择对结果影响较大，即若初始点选择具有随机性，则优化结果亦具有随机性；4)只能得到局部最优解；5)运行速度慢。
[0006]而基于改进遗传算法(Genetic Algorithm，GA)的卫星时频资源调度算法是在标准遗传算法基础上，采用整数编码方式，以染色体基因代表任务序列，以任务序列对应的调度方案收益为染色体的适应度值，采用父代复制、交叉、变异等机制生成子代染色体，并通过“优胜劣汰”机制保留优良基因片段、淘汰劣势基因片段，通过染色体的迭代进化实现任务序列优化和卫星时频资源调度优化的方法。GA算法的缺陷在于：1)算法的机制比较复杂；2)参数较多，调参困难(此处指算法可调整的变参数，不包括问题的固定参数以及算法不可
调整的固定参数)；3)首个基因点值的设置对结果影响较大；4)只能得到局部最优解；5)算法稳定性较差。
[0007]可见，目前卫星时频资源的调度方法普遍存在算法复杂度高、调参困难以及算法稳定性差等不足，严重影响了卫星通信系统中无线资源调度的效率和通信质量。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种卫星时频资源调度方法、计算机设备及可读介质，其目的在于降低资源调度方法的计算复杂度，提高调度效率。
[0009]为实现上述目的，按照本专利技术的第一个方面，提供了一种卫星时频资源调度方法，其包括以下步骤：
[0010]步骤1、将卫星时频资源矩阵化，得到m
×
n资源矩阵；其中，m＝N
b
为量化频带的数目，n＝N
t
为量化时间的数目；
[0011]步骤2、生成测试任务集，为所述测试任务集中的每个任务Tr
ik
,k∈{1,2,
…
,M}分配时频窗口矩阵集；其中，M表示任务的总数；
[0012]步骤3、计算每个任务的收益率加权优先级，根据所述加权优先级随机生成初始粒子种群；从所述初始粒子种群中逐个取出粒子并进行解码，生成任务序列TR
i
,i∈{1,2,
…
,N}；其中，N表示初始粒子种群的规模，即粒子个数；
[0013]步骤4、初始化资源矩阵、任务序列对应的调度方案矩阵P
i
和调度标志位；
[0014]步骤5、按照顺序从任务序列中逐个提取任务Tr
ik
，若任务Tr
ik
有调度可能性，则从任务对应Tr
ik
的时频窗口矩阵集中逐个取出时频窗口矩阵；将各时频窗口矩阵与资源矩阵做Hadamard乘积，若乘积的元素累加之和为0，则更新当前任务Tr
ik
的调度标志位，并更新资源矩阵和调度方案矩阵P
i
；按照预设的调度模型计算粒子的适应度值，作为调度方案矩阵P
i
的收益；
[0015]步骤6、重复步骤5，直至任务序列中的所有任务遍历完毕，更新粒子的个体最优位置及其对应的适应度值；
[0016]步骤7、更新粒子种群的平均最优位置和全局最优位置，如满足预设的迭代中止条件，则输出收益最高的粒子位置对应的调度标志位、调度方案矩阵和收益。
[0017]进一步地，上述卫星时频资源调度方法，步骤1具体包括：
[0018]将卫星时频资源表示为一个m
×
n的0
‑
1矩阵：
[0019][0020]其中，r
ij
＝1表示资源块{[i
‑
1,i],[j
‑
1,j]}已被占用，r
ij
＝0表示资源块未被占用。
[0021]进一步地，上述卫星时频资源调度方法，、步骤2具体包括：
[0022]随机生成M
×
5阶的测试任务集矩阵T_SET，如下所示：
[0023][0024]其中，T
kp
表示任务Tr
ik
的优先级；
[0025]表示任务Tr
ik
申请使用的频带数目；
[0026]表示任务Tr
ik
申请使用的执行时间长度；
[0027]表示任务Tr
ik
申请执行时间段的开始时间；
[0028]表示任务Tr
ik
申请执行时间段的结束时间；
[0029]任务Tr
ik
的时频窗口矩阵表示为且满足
[0030][0031]则任务Tr
ik
的时频窗口矩阵集表示为：
[0032][0033]其中，表示任务Tr
ik
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种卫星时频资源调度方法，其特征在于，包括：步骤1、将卫星时频资源矩阵化，得到m
×
n资源矩阵；其中，m＝N
b
为量化频带的数目，n＝N
t
为量化时间的数目；步骤2、生成测试任务集，为所述测试任务集中的每个任务Tr
ik
,k∈{1,2,
…
,M}分配时频窗口矩阵集；其中，M表示任务的总数；步骤3、计算每个任务的收益率加权优先级，根据所述加权优先级随机生成初始粒子种群；从所述初始粒子种群中逐个取出粒子并进行解码，生成任务序列TR
i
,i∈{1,2,
…
,N}；其中，N表示初始粒子种群的规模，即粒子个数；步骤4、初始化所述资源矩阵、任务序列对应的调度方案矩阵P
i
和调度标志位；步骤5、按照顺序从任务序列中逐个提取任务Tr
ik
，若任务Tr
ik
有调度可能性，则从任务对应Tr
ik
的时频窗口矩阵集中逐个取出时频窗口矩阵；将各时频窗口矩阵与资源矩阵做Hadamard乘积，若乘积的元素累加之和为0，则更新当前任务Tr
ik
的调度标志位，并更新资源矩阵和调度方案矩阵P
i
；按照预设的调度模型计算粒子的适应度值，作为调度方案矩阵P
i
的收益；步骤6、重复步骤5，直至任务序列中的所有任务遍历完毕，更新粒子的个体最优位置及其对应的适应度值；步骤7、更新粒子种群的平均最优位置和全局最优位置，如满足预设的迭代中止条件，则输出收益最高的粒子位置对应的调度标志位、调度方案矩阵和收益。2.如权利要求1所述的卫星时频资源调度方法，其特征在于，步骤1具体包括：将卫星时频资源表示为一个m
×
n的0
‑
1矩阵：其中，r
ij
＝1表示资源块{[i
‑
1,i],[j
‑
1,j]}已被占用，r
ij
＝0表示资源块未被占用。3.如权利要求1或2所述的卫星时频资源调度方法，其特征在于，步骤2具体包括：随机生成M
×
5阶的测试任务集矩阵T_SET，如下所示：其中，T
kp
表示任务Tr
ik
的优先级；T
kb
表示任务Tr
ik
申请使用的频带数目；T
kd
表示任务Tr
ik
申请使用的执行时间长度；T
kstr
表示任务Tr
ik
申请执行时间段的开始时间；T
kend
表示任务Tr
ik
申请执行时间段的结束时间；任务Tr
ik
的时频窗口矩阵表示为且满足
则任务Tr
ik
的时频窗口矩阵集表示为：其中，表示任务Tr
ik
在单个频带上的可用时频窗口数目；i
k
j
k
表示任务Tr
ik
在第i
k
个频带上的第j
k
个时频窗口矩阵；测试矩阵集中的时频窗口矩阵总数为N
k
＝n
k
×
(N
b
‑
T
kb
+1)。4.如权利要求3所述的卫星时频资源调度方法，其特征在于，步骤5中，所述的调度模型为：为：其中，表示第j个任务的调度标志位；表示分配给任务的时间起始位置；TS
j
表示分配给任务j的资源块；约束C
b
表示频带资源限制约束；约束C
t
表示任务调度的时间约束；约束C
e
表示资源独占约束。5.如权利要求3所述的卫星时频资源调度方法，其特征在于，步骤3中，初始粒子种群的生成过程为：计算任务收益率：任务Tr
ik
的收益率T
kr
为：计算任务的加权...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，高威，瞿连政，樊斌斌，杨文静，侯剑锋，高梅，沈璇，王建山，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：