一种适用于多层低轨卫星星座的小区-卫星双边匹配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种适用于多层低轨卫星星座的小区

【技术实现步骤摘要】
一种适用于多层低轨卫星星座的小区
‑
卫星双边匹配方法


[0001]本专利技术涉及卫星应用产业，属于卫星通信
，具体是指一种适用于多层低轨卫星星座的小区
‑
卫星双边匹配方法
。

技术介绍

[0002]低轨卫星星座是由具有相对稳定空间几何构型的多颗低轨卫星组成的卫星组网，可以缓解单星星载资源受限
、
对地覆盖面积有限等问题，具有成本低
、
传输损耗与时延小，组网灵活
、
抗打击能力强等优势
。
当前，由单层到多层
、
由小规模到大规模是低轨卫星星座的发展趋势，如第一代卫星星座的铱星星座仅采用
66
颗卫星达到对地覆盖，第二代卫星星座的
OneWeb
采用
720
颗低轨卫星组成星座，
Starlink
的卫星数则由百至千不等
。
在大规模多层次低轨卫星星座场景下，通常存在多星覆盖重叠的区域，同一地面小区往往具有多颗可视卫星，一颗卫星也能同时覆盖多个地面小区，因此，有必要进一步确立每颗卫星的服务小区集合及小区的服务卫星，实现多小区与多卫星的双边匹配
。
[0003]双边匹配是指匹配决策者依据匹配主体给出关于对方主体的相关信息，依据自身偏好获得双边主体最优匹配的过程
。
早期双边匹配研究主要关注婚姻匹配问题
、
大学录取问题
、
医院和实习生匹配问题等，当前诸多学者已在此基础上解决诸如人力管理
、
资源分配
、
电子商务等多维领域相关问题，双边匹配在通信领域也有广泛应用，如计算卸载中卫星与任务的匹配
、
资源块与
D2D
用户的匹配等
。
在双边匹配中，双方成员可根据对对方成员的喜好程度建立偏好列表，邀请方基于偏好列表顺序发出匹配请求，接受方根据偏好选择同意或拒绝匹配请求，以获得最大满意度
。
双边匹配能在考虑双边需求的同时具有较高的灵活性，且复杂度较低，非常适用于星载资源有限的场景，因此，研究双边匹配在小区
‑
卫星动态关联中的应用对实现低轨卫星网络资源的优化分配具有重要意义
。
[0004]合理的小区
‑
卫星匹配方案需同时考虑双边主体的不同关联需求，在满足小区
Qos
需求的同时平衡星上负载
。
若仅根据某一边主体的需求进行匹配，则所得匹配结果将仅对该方有利，从而忽视另一边主体需求，即卫星负载不均衡或小区用户体验降低，难以实现多目标优化；若仅考虑某单一需求，如仅以距离为接入指标，所有小区均选择最近的卫星进行接入，则将导致热点区域附近的卫星过载，其他区域卫星资源剩余
。
由此，匹配方案需同时考虑双边主体需求及多维接入指标，合理确立效用及偏好，实现卫星资源与地面小区业务更好的适配
。
[0005]常见的卫星资源分配方案以单星多维资源与地面多小区的适配为主，即由单颗卫星为地面多小区提供服务，并根据地面小区业务特性等因素为其分配相应的时域
/
频域
/
功率域星上资源，并未考虑低轨卫星星座中的多星场景；对于多星场景，贪婪算法是多星资源与地面小区适配方案的常见算法之一，即每轮匹配中均按照某种规则依次选择最优匹配对象，如每轮匹配中小区均选择现有负载最小
/
距离最近的卫星进行接入，直至完成匹配
。
综上，现阶段的卫星资源与地面小区适配方案大多没有考虑低轨卫星星座的大规模
/
多层特性，即缺乏对小区与多颗
/
双层卫星匹配场景的研究；此外，在设计匹配规则时，还需进一步
同时考虑卫星
/
小区双边的接入需求，在满足小区
Qos
需求的同时最大化利用星上资源
。

技术实现思路

[0006]针对多层低轨卫星星座场景下多星与多地面小区的匹配问题，本专利技术提供了一种适用于多层低轨卫星星座的小区
‑
卫星双边匹配方法，根据小区业务特征的差异性及卫星负载现状，确立双边效用函数与偏好列表，实现小区
‑
卫星动态匹配策略，为具有多颗可视卫星的小区选择其服务卫星，在均衡星间负载的同时降低小区实时业务总时延
。
[0007]本专利技术的一种适用于多层低轨卫星星座的小区
‑
卫星双边匹配方法，包括如下步骤：
[0008](
一
)
首先，将小区和卫星的关联匹配问题建模为一对多双边匹配问题，即每颗卫星存在多个服务小区，而一个小区只能由一颗卫星提供服务；
[0009](
二
)
随后，根据用户时延需求及卫星负载均衡需求设计双边的效益函数并建立偏好列表；其中：
[0010]小区对于卫星的效用函数仅与选择该卫星后小区的实时业务总时延相关；每个小区根据效用函数计算各低轨卫星的效益值，并按照效益值从大到小的顺序排序卫星，建立卫星偏好列表；
[0011]卫星对于小区的效用函数由负载均衡效益与时延效益两部分组成；每个卫星根据效用函数计算各小区的效益值，并按照效益值从大到小的顺序将小区排序，建立小区偏好列表，小区偏好列表中记录该卫星可视范围内的所有未匹配小区；
[0012](
三
)
采用延迟接受算法进行卫星与小区的匹配，并输出匹配结果；
[0013]采用延迟接受算法进行多轮匹配，在每轮匹配中，卫星根据自身的小区偏好列表向最靠前的小区发出匹配请求，小区根据自身的卫星偏好列表接收最为靠前的卫星的匹配请求；在每轮匹配结束后，更新匹配列表
、
卫星负载状态及卫星的小区偏好列表；当卫星满载或可视范围内没有能够邀请的小区，则卫星不再发出新的邀请
。
[0014]本专利技术的优点与积极效果在于：本专利技术方法同时考虑了小区实时业务
、
非实时业务的非均匀分布特性及卫星的位置与负载现状，根据双方的接入需求设计效用函数并生成偏好列表，利用延迟接受算法获取匹配结果
。
经实验验证，采用本专利技术方法，相较于随机接入算法，能够在均衡星上载荷的同时平衡了每颗星的接入小区数量，满足小区
Qos
需求的同时最大化利用星上资源
。
附图说明
[0015]图1是小区
‑
卫星匹配关联的模型示意图；
[0016]图2是本专利技术实现小区
‑
卫星双边匹配的流程示意图；
[0017]图3是将本专利技术方法与现有匹配方法进行对比的技术效果图；
a1
和
a2
是不同匹配方法下每颗卫星服务的不同种类业务量对比，
b1
和
b2
是不同匹配方法下每颗卫本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种适用于多层低轨卫星星座的小区
‑
卫星双边匹配方法，其特征在于，包括：步骤1，将小区和卫星的关联匹配问题建模为一对多双边匹配问题，其中每颗卫星存在多个服务小区，而一个小区只能由一颗卫星提供服务；步骤2，根据用户时延需求及卫星负载均衡需求设计双边的效用函数并建立偏好列表；其中：小区对于卫星的效用函数仅与选择该卫星后小区的实时业务总时延相关；每个小区根据效用函数计算各低轨卫星的效益值，并按照效益值从大到小的顺序排序卫星，建立卫星偏好列表；卫星对于小区的效用函数由负载均衡效益与时延效益两部分组成；每个卫星根据效用函数计算各小区的效益值，并按照效益值从大到小的顺序将小区排序，建立小区偏好列表，小区偏好列表中记录该卫星可视范围内的所有未匹配小区；步骤3，采用延迟接受算法进行卫星与小区的匹配，并输出匹配结果；采用延迟接受算法进行多轮匹配，在每轮匹配中，卫星根据自身的小区偏好列表向最靠前的小区发出匹配请求，小区根据自身的卫星偏好列表接收最为靠前的卫星的匹配请求；在每轮匹配结束后，更新匹配列表
、
卫星负载状态及卫星的小区偏好列表；当卫星满载或可视范围内没有能够邀请的小区，则卫星不再发出新的邀请
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤2中，建立小区对于卫星的效用函数如下：设小区
c
n
对于卫星
s
i
的效用函数为
U
n
(i)
，如下：其中，为小区
c
n
的实时业务量；为小区
c
n
与卫星
s
i
匹配时的传播时延，根据小区与卫星的位置关系得到，
c
为真空中的光速，为小区
c
n
与卫星
s
i
间的距离
。3.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤2中，根据卫星属于高层低轨卫星还是低层低轨卫星，建立对应的效用函数，如下：若卫星
s
i

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡松淞，王程，赵晓燕，陈若琦，文嘉睿，王卫东，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：