【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于低轨卫星通信，涉及一种基于遗传算法的，低轨卫星系统跳波束调度优化方法、系统、设备及介质。
技术介绍
1、近年来，随着卫星互联网行业在国内外愈发受重视，低轨宽带卫星通信在世界范围内逐渐呈现快速发展的状态。包括oneweb、iridium等在内的多数卫星星座通信系统广泛使用多波束天线技术以支撑广域覆盖，但传统的多波束通信方式无法适应用户及业务非均匀分布的场景，存在通信频带资源和星上功率成本的浪费。针对这些不足，研究者们广泛关注于如何降低星地通信成本、提高有效通信容量，于是跳波束的概念在这样的情况下被提出了。跳波束实质上衍生于多波束天线技术，从原本小区形式的覆盖方式变更为直接照射用户的覆盖方式，用户的业务请求驱动波束以“空分+时分”的方式在不同业务热点间跳变，进而支持全部用户业务。
2、目前，卫星下行链路的跳波束调度资源分配算法研究中，经常使用的有凸优化算法、深度强化学习(drl)算法和元启发式算法，事实上动态场景下带复杂约束的非线性优化目标往往是非凸问题，凸优化算法往往陷入求解困难的境地，因此其多用于弱同频干扰或无干扰的波束资源分配场景中，而当前大多关于drl跳波束资源分配研究中，面对星地通信资源动态变化的情况，drl模型易产生收敛不稳定的问题，因此元启发式算法更适合跳波束调度问题的研究，在元启发式算法类别中，遗传算法以其较快的收敛速度、稳定的收敛性能以及对高动态场景的良好鲁棒性备受研究者青睐。
3、综上所述，如何提供一种高容量、低干扰、基于遗传算法的可泛用于低轨卫星的跳波束调度方法为本领域需要
4、基于现有技术存在的上述技术问题，本专利技术提出一种低轨卫星系统跳波束调度优化方法、系统、设备及介质。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对现有技术的不足，考虑用户业务非均匀分布、星地通信资源动态变化等低轨卫星通信场景的特别因素；优化跳波束调度中的空时资源分配，降低通信干扰、提高系统吞吐量并兼顾用户公平。
2、本专利技术采用如下技术方案：
3、第一方面，本专利技术提供一种低轨卫星系统跳波束调度优化方法，包括：
4、步骤1，在低轨卫星的某一波束调度周期开始前，根据低轨卫星在服务区域所收集的用户业务需求信息和用户当前位置的资源信息建立星地下行链路场景模型，其中，低轨卫星搭载有相控阵多波束天线；
5、步骤2，在星地下行链路场景模型中引入改进型遗传算法，将跳波束调度时隙分配问题建模为染色体，进行参数初始化和种群初始化，按照染色体长度将整个调度周期划分为多个决策段；
6、步骤3，运行改进型遗传算法，依次进行染色体交叉操作和基因突变操作；按照适应性函数对染色体进行评分和排序，得到种群最大适应性个体；如种群最大适应性值收敛，或达到迭代次数上限，进入步骤4；否则进行自然选择，并重复步骤3；
7、步骤4，选择适应性评分最高的染色体作为当前决策段的输出结果，如果全部调度周期的空时资源分配已决策完成，进入步骤5；否则进行下一决策段的资源分配决策，重新初始化种群并重复步骤3；
8、步骤5、根据各决策段依次输出的染色体，获得优化的调度周期的跳波束空时资源分配方案。
9、进一步地，步骤1中，设跳波束卫星系统单星覆盖范围下，存在nf个波位，其中第i(i＝1,2,…,nf)个波位标记为bi，波位的剩余未传输业务标记为λi，卫星支持最大同时工作波束数量记为nb，当前波束调度周期长度记为ts，包含ns个调度时隙slot，一个slot的时长为t0，有ts＝ns·t0，跳波束空时资源分配方案记为φ＝{φi,n|i＝1,2,…,nf；n＝1,2,…,ns},φi,n与波位bi对应，φi,n＝1表示波位bi在第n个slot被点亮，φi,n＝0表示波位bi在第n个slot没有被点亮；根据当前调度周期开始前，用户向卫星上报的信息，调度器计算星下各波位两两间距的邻接矩阵，记di,i′为波位bi到波位bi′的距离。
10、进一步地，步骤2中包括改进遗传算法的步骤：
11、步骤2.1，进行遗传算法参数初始化，设置最大进化代数为nmax，种群数量np，染色体长度lc，基因突变概率pg，突变基因上变异的碱基数量ng，在调度周期内需要经过k次决策，则：
12、ns＝k·lc……(1)；
13、步骤2.2，将每个染色体可视为二维数组(bi,n)，第一维bi(i＝1,2,…,nf)表征各波位，第二维n(n＝1,2,…,nc)表征时隙slot，在第k(k＝1,2,···,k)次决策时，建模染色体种群为xk来优化调度周期第(k-1)·nc+1个slot到第k·nc个slot的波束调度方案，其中：
14、xk＝{xs|s＝1,2,···,np}……(2)；
15、在单个染色体xs中按时隙slot分片得到基因，再对基因按波位分片得到碱基ai,n，记：
16、xs＝{ai,n|i＝1,2,…,nf；n＝1,2,…,nc}……(3)；
17、ai,n＝1表示波位bi在第(k-1)·nc+n个slot被波束照射点亮；
18、步骤2.3，种群初始化采用轮盘赌策略，对每个染色体xs的基因进行操作，每个基因随机选中nb个碱基使ai,n＝1，其中，任意波位bi被选中的概率为其当前时隙剩余未传输业务λi在所有波位bi当前时隙总剩余未传输业务中的占比；
19、步骤2.4，为了在种群初始化时不生成波位bi分配资源大于波位bi未传输业务情况的染色体，在每个基因进行轮盘式随机时，将已满足业务的波位bi从轮盘中剔除。
20、进一步地，步骤3中，染色体交叉操作包括：将第k次决策的任意进化代数的种群xk中的所有染色体进行随机两两配对，再交换各自lc/2长度的基因，形成两个新染色体，实际种群数量增加至2np。
21、进一步地，步骤3中，基因突变操作包括：在染色体交叉后的染色体种群中，按概率pg选取若干基因，针对被选择的各个基因，在基因ai,n＝1的碱基中选择已分配时隙数最多的ng/2个变异为ai,n＝0，在ai,n＝0的碱基中选择已分配时隙数最少的ng/2个变异为ai,n＝1，其中，如果某基因ai,n＝1的碱基数量不足ng/2个，将某基因所有ai,n＝1的碱基突变为ai,n＝0，并将等量的ai,n＝0碱基突变为ai,n＝1。
22、进一步地，步骤3中适应性函数表示为：
23、f(xs)＝μs·ρs……(4)；
24、其中，μs为吞吐量因子，ρs为公平因子；
25、根据香农定理，系统吞吐量与波束间干扰强相关，而在同一时隙点亮的波位越分散波束间干扰就越弱，μs表示为：
26、
27、其中，k表示第k次决策，nc为染色体长度，nf为波位总数，φi,n表示波位bi在调度周期第n个slot的点亮情况，di,i′表示波位bi到波位bi′的距离；
28、染色体xs的公本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种低轨卫星系统跳波束调度优化方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的低轨卫星系统跳波束调度优化方法，其特征在于，步骤1中，设跳波束卫星系统单星覆盖范围下，存在Nf个波位，其中第i(i＝1，2，...，Nf)个波位标记为bi，波位的剩余未传输业务标记为λi，卫星支持最大同时工作波束数量记为Nb，当前波束调度周期长度记为Ts，包含Ns个调度时隙slot，一个slot的时长为T0，有Ts＝Ns·T0，跳波束空时资源分配方案记为Φ＝{φi，n|i＝1，2，...，Nf；n＝1，2，...，Ns)，φi，n与波位bi对应，φi，n＝1表示波位bi在第n个slot被点亮，φi，n＝0表示波位bi在第n个slot没有被点亮；根据当前调度周期开始前，用户向卫星上报的信息，调度器计算星下各波位bi两两间距的邻接矩阵，记Di，i′为波位bi到波位bi′的距离。
3.根据权利要求2所述的低轨卫星系统跳波束调度优化方法，其特征在于，步骤2中包括改进遗传算法的步骤：
4.根据权利要求1所述的低轨卫星系统跳波束调度优化方法，其特征在于，步骤3中，染色体交叉
5.根据权利要求1或3所述的低轨卫星系统跳波束调度优化方法，其特征在于，步骤3中，基因突变操作包括：在染色体交叉后的染色体种群中，按概率PG选取若干基因，针对被选择的各个基因，在基因ai，n＝1的碱基中选择己分配时隙数最多的NG/2个变异为ai，n＝0，在ai，n＝0的碱基中选择己分配时隙数最少的NG/2个变异为ai，n＝1，其中，如果某基因ai，n＝1的碱基数量不足NG/2个，将某基因所有ai，n＝1的碱基突变为ai，n＝0，并将等量的ai，n＝0碱基突变为ai，n＝1。
6.根据权利要求1所述的低轨卫星系统跳波束调度优化方法，其特征在于，步骤3中适应性函数表示为：
7.根据权利要求1或3所述的低轨卫星系统跳波束调度优化方法，其特征在于，步骤3中自然选择操作包括：对于某一代的种群Xk进行自然选择时，计算所有染色体的适应性值F(xs)，进行轮盘赌策略，以适应性值在种群总适应性值和中的占比作为随机选中的概率，在种群2Np个染色体中筛选出Np个作为存活个体。
8.根据权利要求1所述的低轨卫星系统跳波束调度优化方法，其特征在于，步骤5中获得优化的该调度周期的跳波束空时资源分配方案包括：
9.一种用于权利要求1-8任一项所述方法的低轨卫星系统星上跳波束调度系统，其特征在于，包括：
10.一种电子设备，其特征在于，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权利要求1-8任一项所述的低轨卫星系统跳波束调度优化方法所执行的操作。
...【技术特征摘要】
1.一种低轨卫星系统跳波束调度优化方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的低轨卫星系统跳波束调度优化方法，其特征在于，步骤1中，设跳波束卫星系统单星覆盖范围下，存在nf个波位，其中第i(i＝1，2，...，nf)个波位标记为bi，波位的剩余未传输业务标记为λi，卫星支持最大同时工作波束数量记为nb，当前波束调度周期长度记为ts，包含ns个调度时隙slot，一个slot的时长为t0，有ts＝ns·t0，跳波束空时资源分配方案记为φ＝{φi，n|i＝1，2，...，nf；n＝1，2，...，ns)，φi，n与波位bi对应，φi，n＝1表示波位bi在第n个slot被点亮，φi，n＝0表示波位bi在第n个slot没有被点亮；根据当前调度周期开始前，用户向卫星上报的信息，调度器计算星下各波位bi两两间距的邻接矩阵，记di，i′为波位bi到波位bi′的距离。
3.根据权利要求2所述的低轨卫星系统跳波束调度优化方法，其特征在于，步骤2中包括改进遗传算法的步骤：
4.根据权利要求1所述的低轨卫星系统跳波束调度优化方法，其特征在于，步骤3中，染色体交叉操作包括：将第k次决策的任意进化代数的种群xk中的所有染色体进行随机两两配对，再交换各自lc/2长度的基因，形成两个新染色体，实际种群数量增加至2np。
5.根据权利要求1或3所述的低轨卫星系统跳波束调度优化方法，其特征在于，步骤3中，基因突变操作包括：在染色体交叉后的...
【专利技术属性】
技术研发人员：张兴，张路宽，王妮炜，严宏，张驰，陈希，刘献玲，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：
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