【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及衛(wèi)星通信，具體為一種基于遺傳算法的衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)多目標資源管理方法。
技術(shù)介紹
1、在衛(wèi)星通信中，多波束天線技術(shù)經(jīng)常利用直接輻射陣列或陣列饋源反射器來生成大量波束，以有效覆蓋更廣泛的空間區(qū)域，衛(wèi)星多波束技術(shù)具有許多顯著的優(yōu)點，例如通過在同一頻段上形成多個獨立的波束，衛(wèi)星可以同時服務(wù)多個用戶或地區(qū)，從而大大提高了衛(wèi)星的通信容量和效率，此外，多波束技術(shù)可以實現(xiàn)頻率復用，即在不同的波束中使用相同的頻率，這有助于緩解頻譜資源的緊張，同時可以通過調(diào)整波束的形狀和指向，多波束技術(shù)可以實現(xiàn)靈活的覆蓋，滿足不同用戶的需求，多波束技術(shù)還能提高衛(wèi)星通信的抗干擾能力和安全性，每個波束都可以獨立地進行信號處理和加密。
2、綜上所述，衛(wèi)星多波束技術(shù)在提升衛(wèi)星通信性能、效率和靈活性方面具有重要價值。然而，在考慮多波束技術(shù)的同時，衛(wèi)星-地面通信系統(tǒng)中稀缺的頻譜資源仍然會阻礙系統(tǒng)性能的進一步提升，將noma技術(shù)融入到衛(wèi)星通信系統(tǒng)將具有重要意義，因此，設(shè)計一種基于遺傳算法的衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)多目標資源管理方法是很有必要的。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于提供一種基于遺傳算法的衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)多目標資源管理方法，以解決上述
技術(shù)介紹
中提出的問題。
2、為了解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)提供如下技術(shù)方案：一種基于遺傳算法的衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)多目標資源管理方法，包括如下步驟：
3、步驟一、以衛(wèi)星作為核心的跨層無線通信系統(tǒng)建立衛(wèi)星通信模型，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有限的平鋪資源利用衛(wèi)星多波束
4、步驟二、同時考慮波束內(nèi)和波束間干擾，在考慮預編碼的情況下定義用戶接收到的信號，該信號同時考慮波束內(nèi)和波束間干擾，以下行noma可達速率以及能量損耗的加權(quán)差為目標建立多目標優(yōu)化問題，該問題以總功率和用戶的最大可分配功率作為約束條件；
5、步驟三、利用遺傳算法并設(shè)計合理的參數(shù)量化、交叉、變異、選擇機制，求解最合理的用戶功率優(yōu)化方案，定義編碼和解碼機制，使用二進制串或整數(shù)串來表示參數(shù)值，同時在得到最優(yōu)個體之后，需要將其解碼為實際的參數(shù)值，此外，與多個基準算法比較得出基于遺傳算法的衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)多目標資源管理方法在傳輸速率與能量消耗上的優(yōu)勢。
6、在進一步的實施例中，所述步驟一中，以多波束衛(wèi)星系統(tǒng)中的正向鏈路為背景，考慮geo衛(wèi)星與用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸，包括如下步驟：
7、步驟a、針對geo衛(wèi)星波束集合以及用戶集合設(shè)置，對傳輸過程中涉及的衛(wèi)星波束集合和用戶集合初始化；
8、步驟b、考慮到衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)多目標資源管理建立在空地領(lǐng)域通信，給出系統(tǒng)衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)中信道增益矩陣模型的計算公式；
9、步驟c、在衛(wèi)星發(fā)射端通過noma和預編碼來減少干擾，根據(jù)用戶收到的終端信號、波束內(nèi)由于采用noma技術(shù)而產(chǎn)生的干擾、不同波束間的干擾、系統(tǒng)噪聲共同組成接收端的接收信號。
10、在進一步的實施例中，所述步驟a中，geo衛(wèi)星配備了一個陣列饋源反射天線來產(chǎn)生b個波束，以有限資源向地面用戶提供固定服務(wù)，假設(shè)每個地面用戶都配備有單一天線，用b＝{1,…,b}表示波束集合，每個波束都覆蓋一致的用戶區(qū)域；在該系統(tǒng)中，每個發(fā)送波束都有一個對應(yīng)饋源，對應(yīng)饋源的索引被假定與它所服務(wù)的波束索引一致；位于衛(wèi)星發(fā)送的第b個波束在地面上服務(wù)的全部固定地面用戶地面用戶集合記為ub；對于每個傳輸周期，衛(wèi)星從集合ub中選擇kb個地面用戶地面用戶進行傳輸；將kb＝{1,…,kb}表示為第b個波束中選擇的地面用戶地面用戶的集合，其中所有被服務(wù)的用戶集合定義為k。
11、在進一步的實施例中，所述步驟b中，由于考慮地面用戶是固定的，因此地面用戶與衛(wèi)星的相對位置固定，但是信道增益在每個傳輸周期內(nèi)會變化，但在調(diào)度周期內(nèi)保持靜態(tài)；定義作為第b個波束中第k個地面用戶在每個傳輸周期傳輸?shù)男诺老蛄浚幌蛄康牡趇個元素表示從第i個饋源到第b個波束中第k個地面用戶的信道系數(shù)，其中i∈b信道系數(shù)可以表示為其中是與波束中心和地面用戶之間的離軸角度對應(yīng)的發(fā)射天線增益；lbk表示從geo衛(wèi)星到第b個波束中第k個地面用戶的自由空間傳播損耗，計算公式為其中v、ffreq和dbk分別表示傳播速度、頻率和geo衛(wèi)星與第b個波束中第k個地面用戶之間的距離；是接收天線增益；κtbw是噪聲分布，其中κ、t和bw分別表示玻爾茲曼常數(shù)、接收器噪聲溫度和占用帶寬；表示由于長傳播路徑而引起的相位變化，其中θbk在0到2π之間均勻分布。
12、在進一步的實施例中，所述步驟c中，通過引入nom和預編碼來減輕干擾，將表示為每一個傳輸周期中第b個波束的預編碼向量；預編碼向量的第i個元素表示第b個波束的第i個饋源的預編碼系數(shù)，其中i∈b；接收到的信號可以表示為3個部分：首先是發(fā)送給終端k的信號其次是波束內(nèi)由于采用noma技術(shù)而產(chǎn)生的干擾這里noma接收用戶在解調(diào)自身信號時，已經(jīng)檢測并去除了比自身功率高的其他noma用戶的信號，并將比自身功率低的noma用戶信號視為干擾信號；此外，不同波束間的干擾最終接收到的信號表示為
13、
14、其中sbk、pbk和nbk∈cn(0,σ2)分別表示單位功率的信號、功率縮放因子和復環(huán)對稱獨立同分布的加性高斯白噪聲；第b個波束(或饋源)的傳輸功率為其中ρb表示第b個饋源的發(fā)射功率，表示用于預編碼的b-th饋源輻射的功率；
15、為了實現(xiàn)mmse(最小均方誤差)預編碼，構(gòu)造b×b維的信道矩陣h描述傳輸信道的增益，其中第b行表示具有的地面用戶的信道向量，預編碼矩陣可以表示為：
16、w＝βhh(hhh+σ2ib)-1?(2)
17、其中，ib表示b×b維的單位矩陣，β是一個縮放因子，用于歸一化預編碼矩陣，使得
18、在一個波束內(nèi)，采用noma來減輕地面用戶之間的內(nèi)部干擾；
19、信干噪比(signalto?interferenceplusnoise?ratio，sinr)γbk可以表示為：
20、
21、第k個地面用戶在每一個傳輸周期內(nèi)波束b的吞吐量為：
22、rbk＝bwlog(1+γbk)(4)。
23、在進一步的實施例中，所述步驟二中，以下行noma可達速率以及能量損耗的加權(quán)差為目標建立多目標優(yōu)化問題，以總功率和用戶的最大可分配功率作為約束條件，認為rbk直接影響系統(tǒng)的通信速率，以下行noma可達速率以及能量損耗的加權(quán)差為目標建立多目標優(yōu)化問題，并且考慮總功率和用戶的最大可分配功率約束，所建立的問題為：
24、
25、其中，單個用戶所需要的總功率應(yīng)小于預算每個波束的分配功率應(yīng)受到功率約束的限制，系統(tǒng)總功率為ptotal。
26、在進一步的實施例中，所述步驟三中，利用遺傳算法求解優(yōu)化問題(5)，設(shè)計合理的參數(shù)量化、交叉、變異、選擇機制，求解最合理的用戶功率優(yōu)化方案，并與多個基準算法本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種基于遺傳算法的衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)多目標資源管理方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遺傳算法的衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)多目標資源管理方法，其特征在于：所述步驟一中，以多波束衛(wèi)星系統(tǒng)中的正向鏈路為背景，考慮GEO衛(wèi)星與用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸，包括如下步驟：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于遺傳算法的衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)多目標資源管理方法，其特征在于：所述步驟a中，GEO衛(wèi)星配備了一個陣列饋源反射天線來產(chǎn)生B個波束，以有限資源向地面用戶提供固定服務(wù)，假設(shè)每個地面用戶都配備有單一天線，用B＝{1,…,B}表示波束集合，每個波束都覆蓋一致的用戶區(qū)域；在該系統(tǒng)中，每個發(fā)送波束都有一個對應(yīng)饋源，對應(yīng)饋源的索引被假定與它所服務(wù)的波束索引一致；位于衛(wèi)星發(fā)送的第b個波束在地面上服務(wù)的全部固定地面用戶地面用戶集合記為Ub；對于每個傳輸周期，衛(wèi)星從集合Ub中選擇Kb個地面用戶地面用戶進行傳輸；將Kb＝{1,…,Kb}表示為第b個波束中選擇的地面用戶地面用戶的集合，其中所有被服務(wù)的用戶集合定義為K。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于遺傳算法的衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于遺傳算法的衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)多目標資源管理方法，其特征在于：所述步驟c中，通過引入NOM和預編碼來減輕干擾，將表示為每一個傳輸周期中第b個波束的預編碼向量；預編碼向量的第i個元素表示第b個波束的第i個饋源的預編碼系數(shù)，其中i∈B；接收到的信號可以表示為3個部分：首先是發(fā)送給終端k的信號其次是波束內(nèi)由于采用NOMA技術(shù)而產(chǎn)生的干擾這里NOMA接收用戶在解調(diào)自身信號時，已經(jīng)檢測并去除了比自身功率高的其他NOMA用戶的信號，并將比自身功率低的NOMA用戶信號視為干擾信號；此外，不同波束間的干擾最終接收到的信號表示為
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遺傳算法的衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)多目標資源管理方法，其特征在于：所述步驟二中，以下行NOMA可達速率以及能量損耗的加權(quán)差為目標建立多目標優(yōu)化問題，以總功率和用戶的最大可分配功率作為約束條件，認為Rbk直接影響系統(tǒng)的通信速率，以下行NOMA可達速率以及能量損耗的加權(quán)差為目標建立多目標優(yōu)化問題，并且考慮總功率和用戶的最大可分配功率約束，所建立的問題為：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于遺傳算法的衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)多目標資源管理方法，其特征在于：所述步驟三中，利用遺傳算法求解優(yōu)化問題(5)，設(shè)計合理的參數(shù)量化、交叉、變異、選擇機制，求解最合理的用戶功率優(yōu)化方案，并與多個基準算法比較得出基于遺傳算法的衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)多目標資源管理方法在傳輸速率與能量消耗上的優(yōu)勢；
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于遺傳算法的衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)多目標資源管理方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遺傳算法的衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)多目標資源管理方法，其特征在于：所述步驟一中，以多波束衛(wèi)星系統(tǒng)中的正向鏈路為背景，考慮geo衛(wèi)星與用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸，包括如下步驟：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于遺傳算法的衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)多目標資源管理方法，其特征在于：所述步驟a中，geo衛(wèi)星配備了一個陣列饋源反射天線來產(chǎn)生b個波束，以有限資源向地面用戶提供固定服務(wù)，假設(shè)每個地面用戶都配備有單一天線，用b＝{1,…,b}表示波束集合，每個波束都覆蓋一致的用戶區(qū)域；在該系統(tǒng)中，每個發(fā)送波束都有一個對應(yīng)饋源，對應(yīng)饋源的索引被假定與它所服務(wù)的波束索引一致；位于衛(wèi)星發(fā)送的第b個波束在地面上服務(wù)的全部固定地面用戶地面用戶集合記為ub；對于每個傳輸周期，衛(wèi)星從集合ub中選擇kb個地面用戶地面用戶進行傳輸；將kb＝{1,…,kb}表示為第b個波束中選擇的地面用戶地面用戶的集合，其中所有被服務(wù)的用戶集合定義為k。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于遺傳算法的衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)多目標資源管理方法，其特征在于：所述步驟b中，由于考慮地面用戶是固定的，因此地面用戶與衛(wèi)星的相對位置固定，但是信道增益在每個傳輸周期內(nèi)會變化，但在調(diào)度周期內(nèi)保持靜態(tài)；定義作為第b個波束中第k個地面用戶在每個傳輸周期傳輸?shù)男诺老蛄浚幌蛄康牡趇個元素表示從第i個饋源到第b個波束中第k個地面用戶的信道系數(shù)，其中i∈b信道系數(shù)可以表示為其中是與波束中心和地面用戶之間的離軸角度對應(yīng)的發(fā)射天線增益；lbk表示從geo衛(wèi)星到第b個波束中第k個地面用戶的自由空間傳播損耗，計算公式為其中v、ffreq和dbk分別表示傳...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王爽，鮑薇，楊錚，馬遠，張鵬，劉曉輝，陳啟龍，劉雪珂，王彬楠，楊亞男，李璨，齊超亮，
申請(專利權(quán))人：國網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
還沒有人留言評論。發(fā)表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。