一种基于跳波束的低轨卫星动态资源分配方法组成比例

本发明专利技术提供一种基于跳波束的低轨卫星动态资源分配方法，首先根据低轨卫星高度和小区半径进行时间分片的划分，对于时间分片T1，基于公平目标函数进行初始时间资源分配，并采用最大系统容量为优化目标，得到功率资源矩阵，对于后续时间分片，则按照各小区离开低轨卫星覆盖区域的时间，对各小区进行分类，并确定各类小区的权重系数比值，结合该权重系数比值基于加权目标函数进行动态时间资源分配，并采用最大系统容量为优化目标，在总功率受限和单跳波束功率受限的条件下，得到功率资源分配矩阵，从而实现联合优化低轨卫星跳波束系统时间和功率资源的分配，以获得更高的资源利用率和系统吞吐量。系统吞吐量。系统吞吐量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于跳波束的低轨卫星动态资源分配方法


[0001]本专利技术涉及一种基于跳波束的低轨卫星动态资源分配方法。

技术介绍

[0002]相较于地面通信基站，低轨卫星具有更大的覆盖范围，但是由于覆盖面积的增加，地面业务需求分布通常是不均匀的，若继续采用传统的均匀资源分配方案，会降低资源利用率与系统性能，而跳波束技术则提供了解决该技术的可能。跳波束技术的核心思想是将卫星总覆盖区域预先设置为多个小区，在同一时刻内仅对覆盖范围内的单个小区或者多个小区进行服务，通过对业务需求量大的小区分配更多的资源来提高资源利用率。但在现有技术中，大多数对跳波束的研究集中在高轨卫星，缺乏对低轨卫星应用跳波束技术的可靠研究，而由于在低轨卫星环境下通信资源和通信需求剧烈变化，现有的跳波束资源分配算法复杂度高，计算量大，无法直接用于低轨卫星上。

技术实现思路

[0003]本专利技术提出一种基于跳波束的低轨卫星动态资源分配方法，联合优化低轨卫星跳波束时间和功率资源分配，从而获得更高的资源利用率与系统吞吐量。
[0004]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0005]一种基于跳波束的低轨卫星动态资源分配方法，包括如下步骤：
[0006]步骤S1、划分S个时间分片{T1，T2，...，T
N
，...，T
S
}，对于时间分片T1，进入步骤S2以进行初始资源分配，对于后续时间分片{T2,...,T
N
,...,T
S
}，进入步骤S4以进行动态资源分配，其中，低轨卫星的覆盖区域被划分为多个小区，时间分片长度与低轨卫星高度和小区半径相关；
[0007]步骤S2、基于公平目标函数进行初始时间资源分配，在使用平均功率分配前提下，对公平目标函数进行对数运算并利用拉格朗日方程，得到最优化时间资源分配矩阵根据中元素的值与服务小区阈值的大小关系，得到时间资源分配矩阵v1(t,i)，其中，表示时间分片T1下第t个时隙内第i个小区的业务需求量，表示信道容量，服务小区阈值与时间分片下同时隙内波束间的共信道干扰相关；v1(t,i)中的元素包括1和0，v1(t,i)＝1表示时间分片T1下第t个时隙内第i个小区被服务，v1(t,i)＝0则相反；
[0008]步骤S3、根据v1(t,i)得到被服务小区集合Φ，并根据v1(t,i)和集合Φ，采用最大系统容量为优化目标，得到功率资源分配矩阵
[0009]步骤S4、对于时间切片T
N
，按照各小区离开低轨卫星覆盖区域的时间，将所有小区分为m类，并确定各类小区的权重系数比值{ω1：ω2：...：ω
m
}，ω1和ω
m
分别对应最先和最晚离开的小区，ω1，ω2，...，ω
m
依次增大；
[0010]步骤S5、基于加权目标函数进行动态时间资源分配，在使用平均功率分配前提下，将加权目标函数进行对数运算并利用拉格朗日方程，得到最优化时间资源分配矩阵根据中元素的值与服务小区阈值的大小关系，得到时间资源分配矩阵v
N
(t,i)，其中，表示时间分片T
N
下第t个时隙内第i个小区的业务需求量，表示信道容量，对应于时间分片T
N
下第t个时隙内第i个小区的权重系数，v
N
(t,i)中的元素包括1和0，v
N
(t,i)＝1表示时间分片T
N
下第t个时隙内第i个小区被服务，v
N
(t,i)＝0则相反；
[0011]步骤S6、根据时间资源分配矩阵v
N
(t,i)得到被服务小区集合Φ，并根据v
N
(t,i)和集合Φ，采用最大系统容量为优化目标，在总功率受限和单跳波束功率受限的条件下，得到功率资源分配矩阵
[0012]进一步的，所述步骤S1中，各所述小区面积S
cell
＝S
tot
/M，S
tot
为低轨卫星覆盖区域面积，M为小区个数，各所述小区的排列方向与低轨卫星运动方向相同，以保证位于覆盖区域边缘的小区能同时离开覆盖区域，所述时间分片长度h为低轨卫星轨道高度，r为小区半径，R为地球半径，GM为地心引力常数。
[0013]进一步的，所述步骤S2具体包括如下步骤：
[0014]步骤S21、时间分片T1下，各小区的权重系数均相同，故得到时间分片T1下时隙t内公平目标函数为：
[0015]其中，B
tot
表示系统总带宽，表示时间分片T1下第i个小区的信道增益，N0表示噪声功率，Λ表示被服务小区的相邻小区集合，P1(t,i)表示在时间切片T1下第t个时隙内服务第i小区的跳波束的功率分配，N
max
表示同一时刻最多可产生的波束数量；表示使用平均功率分配，P
tot
表示低轨卫星发射总功率；
[0016]步骤S22、对公平目标函数进行对数运算并利用拉格朗日方程，得到最优化时间资源分配矩阵
[0017]步骤S23、考虑时间分片T1下同时隙内波束间的共信道干扰，将最优化时间资源分配矩阵内的值按从大到小排列，选取第N
max
个值作为该时间分片下的服务小区阈值η1，再根据公式得到时间资源分配矩阵v1(t,i)。
[0018]进一步的，所述步骤S3具体为：根据v1(t,i)得到被服务小区集合Φ，并根据v1(t,i)和集合Φ，采用最大系统容量为优化目标，其优化问题表示为：
[0019][0020][0021][0022]P1(t,i)≤P
sb
，
[0023][0024]从而得到功率资源分配矩阵其中，P
sb
表示最大单跳波束功率。
[0025]进一步的，所述步骤S5中具体包括如下步骤：
[0026]步骤S51、在时间切片T
N
下第t个时隙内的加权目标函数为：
[0027]s.t.其中，表示时间分片T
N
下第i个小区的信道增益，P
N
(t,i)表示在时间切片T
N
下第t个时隙内服务第i小区的跳波束的功率分配，表示使用平均功率分配；
[0028]步骤S52、将加权目标函数进行对数运算并利用拉格朗日方程，得到最优化时间资源分配矩阵
[0029]步骤S53、考虑时间分片T
N
下同时隙内波束间的共信道干扰，将最优化时间资源分配矩阵内的值按从大到小排列，选取第N
max
个值作为该时间分片下的服务小区阈值η
N
，再根据公式得到时间资源分配矩阵v
N
(t,i)。
[0030]进一步的，所述步骤S6具体为：根据v
N
(t,i)得到被服务小区集合Φ，并根据v
N
(t,i)和集合Φ，采用最大系统容量为优化目标，其优化问题表示为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于跳波束的低轨卫星动态资源分配方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤S1、划分S个时间分片{T1，T2，...TN，...，Ts对于时间分片T1，进入步骤S2以进行初始资源分配，对于后续时间分片{T2,...,T
N
,...,T
S
}，进入步骤S4以进行动态资源分配，其中，低轨卫星的覆盖区域被划分为多个小区，时间分片长度与低轨卫星高度和小区半径相关；步骤S2、基于公平目标函数进行初始时间资源分配，在使用平均功率分配前提下，对公平目标函数进行对数运算并利用拉格朗日方程，得到最优化时间资源分配矩阵根据中元素的值与服务小区阈值的大小关系，得到时间资源分配矩阵v1(t,i)，其中，表示时间分片T1下第t个时隙内第i个小区的业务需求量，表示信道容量，服务小区阈值与时间分片下同时隙内波束间的共信道干扰相关；v1(t,i)中的元素包括1和0，v1(t,i)＝1表示时间分片T1下第t个时隙内第i个小区被服务，v1(t,i)＝0则相反；步骤S3、根据v1(t,i)得到被服务小区集合Φ，并根据v1(t,i)和集合Φ，采用最大系统容量为优化目标，得到功率资源分配矩阵步骤S4、对于时间切片T
N
，按照各小区离开低轨卫星覆盖区域的时间，将所有小区分为m类，并确定各类小区的权重系数比值{ω1：ω2：...：ωm}，ω1和ω
m
分别对应最先和最晚离开的小区，ω1，ω2，...，ωm依次增大；步骤S5、基于加权目标函数进行动态时间资源分配，在使用平均功率分配前提下，将加权目标函数进行对数运算并利用拉格朗日方程，得到最优化时间资源分配矩阵根据中元素的值与服务小区阈值的大小关系，得到时间资源分配矩阵v
N
(t,i)，其中，表示时间分片T
N
下第t个时隙内第i个小区的业务需求量，表示信道容量，对应于时间分片T
N
下第t个时隙内第i个小区的权重系数，v
N
(t,i)中的元素包括1和0，v
N
(t,i)＝1表示时间分片T
N
下第t个时隙内第i个小区被服务，v
N
(t,i)＝0则相反；步骤S6、根据时间资源分配矩阵v
N
(t,i)得到被服务小区集合Φ，并根据v
N
(t,i)和集合Φ，采用最大系统容量为优化目标，在总功率受限和单跳波束功率受限的条件下，得到功率资源分配矩阵2.根据权利要求1所述的一种基于跳波束的低轨卫星动态资源分配方法，其特征在于：所述步骤S1中，各所述小区面积S
cell
＝S
tot
/M，S
tot
为低轨卫星覆盖区域面积，M为小区个数，各所述小区的排列方向与低轨卫星运动方向相同，以保证位于覆盖区域边缘的小区能同时离开覆盖区域，所述时间分片长度h为低轨卫星轨道高度，r为小区半径，R为地球半径，GM为地心引力常数。
3.根据权利要求2所述的一种基于跳波束的低轨卫星动态资源分配方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括如下步骤：步骤S21、时间分片T1下，各小区的权重系数均相同，故得到时间分片T1下时隙t内公平目标函数为：目标函数为：其中，B
tot
表示系统总带宽，表示时间分片T1下第i个小区的信道增益，N0表示噪声功率，Λ表示被服务小区的相邻小区集合，P1(t,i)表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾鸣，张校宁，李维彪，王新尧，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：