【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及多波束低軌衛星通信領域，具體是一種leo衛星動態波束管理和資源適配方法。
技術介紹
1、現有的傳統資源分配策略無法適用于時空非均勻分布的用戶業務需求，同時沒有考慮到近極軌道星座高緯度地區波束重疊覆蓋問題。
2、5g技術的大規模商用推動了6g通信可用技術的研究。作為6g候選技術之一，衛星通信具備許多優點：1)覆蓋范圍廣，可以為山區、遠海等偏遠地區提供通信服務；2)可靠性高、不易受自然災害的影響；3)組網靈活；通信容量大。
3、放眼全球，低軌衛星通信系統發揮著越來越重要的作用。作為傳統陸地通信的補充，衛星通信能夠對全球數以百萬的用戶同時服務，即使用戶之間相隔數千千米，也仍然能夠保持通信質量。除此之外，當陸地通信網絡因地震、海嘯等自然災害受損時，衛星通信也能作為通信可選項之一保證用戶業務的正常處理。
4、然而，低軌衛星通信系統的發展也帶來了一些問題：近極軌道低軌星座高緯度地區的波束重疊覆蓋、網絡拓撲動態變化，可能會使同頻小區產生嚴重干擾，甚至造成大量的波束資源浪費；傳統的固定資源分配方式不能適應業務分布不均勻的特點，使得系統資源無法充分利用等。
5、綜合考慮多源資源分配、同頻干擾影響以及業務分布不均勻等，制定波束管理和多維資源按需適配方案，以提升用戶服務質量和系統資源利用率，有利于促進衛星通信的發展，對空天地一體化信息網絡的建設也具有一定意義。
6、現研究如何設計多波束低軌星座下行通信場景下的動態波束關閉和功率分配算法。
技術實現思路
1、本專利技術設計了一種leo衛星動態波束管理和資源適配方法，能根據用戶覆蓋波束重數以及實際業務需求動態開關波束，并調整功率資源分配情況；提升了用戶服務質量和系統資源利用率。
2、所述一種leo衛星動態波束管理和資源適配方法，具體步驟如下：
3、步驟一、搭建包括低軌星座和用戶的通信場景，衛星作為邊緣節點，通過下行鏈路為地面終端用戶提供服務；
4、低軌衛星星座包含的衛星數量為sa；每個衛星發出的波束為ka；低軌星座覆蓋區域內每個波束中心均分布一個終端用戶；其中用戶的總數量na＝sa*ka。
5、步驟二、衛星根據用戶位置，采用基于改進蟻群的波束關閉算法，在低軌星座全覆蓋的情況下以開啟的波束數目最少為目標進行優化。
6、優化目標函數為：
7、
8、其中，xs,k∈{0,1}表示衛星s的波束k的二維狀態表示量，xs,k＝0表示波束關閉，xs,k＝1表示波束開啟。βs,k,i∈{0,1}表示用戶i是否被衛星s的波束k覆蓋的二維狀態表示量，βs,k,i＝1表示用戶i被衛星s下的波束k覆蓋，βs,k,i＝0表示用戶i沒有被衛星s下的波束k覆蓋。
9、改進蟻群的波束關閉算法具體為：
10、1)將每個衛星的每一個波束可覆蓋的用戶集合，形成一個集合簇；初始將m個螞蟻變量輪循放置在所有衛星的所有波束上；
11、
12、2)所有m個螞蟻并行計算，針對當前輪循環中螞蟻ω，當其放置在波束k上時，將該波束k加入該螞蟻對應的解集dω，并將該波束覆蓋的用戶從場景的用戶集na中刪除；
13、3)螞蟻ω基于狀態轉移概率選擇下一個波束；
14、選擇規則是：將螞蟻ω的波束解集dω中的所有波束覆蓋的用戶，與待選波束覆蓋的用戶，進行并運算后得到并集元素個數最多的波束，即為待選的下一個波束。
15、其值按下式計算：
16、
17、其中，表示當前時刻螞蟻ω的波束解集留下的信息素濃度；sj表示螞蟻ω下次選擇的波束解集。a代表各波束的解集上殘留信息量在指導蟻群搜索過程中的相對重要程度，其值越大，螞蟻選擇該波束解集的可能性就越大。β代表啟發式信息在指導蟻群搜索過程中的相對重要程度；h是螞蟻ω本次循環中還沒到達過的波束解集集合；表示螞蟻在未達過的波束解集集合上留下的信息素濃度的和；
18、4)將螞蟻ω選好的下一個波束覆蓋的用戶，從用戶集na中刪除；返回3)繼續基于狀態轉移概率選擇下一個波束；直至所有螞蟻在當前輪循環中將用戶集na中的所有用戶全部刪除完畢，結束當前輪循環；
19、5)從當前輪循環中，選擇各螞蟻的解集中元素個數最少的解集作為本輪最優解集d。
20、6)利用本輪最優解集d更新信息素濃度；
21、信息素濃度計算公式為：
22、
23、其中，ρ表示信息素揮發程度；σ表示懲罰系數隨迭代次數變化呈高斯分布；[τmin,τmax]表示信息素濃度的范圍；表示螞蟻ω在t+1時刻留在波束解集sj上的信息素濃度。
24、7)返回2)重新開始下一輪循環，直至達到最終迭代次數，保留最后一次的本輪最優解集d，即為滿足低軌衛星全覆蓋的最少波束集合。
25、步驟三、在當前時刻按照優化的最少波束數目，開啟波束并與用戶綁定進行下行通信，用戶發送業務下載請求，衛星接收并分析用戶位置和業務請求，計算各用戶的信道增益以及接收的信干噪比；
26、針對用戶在衛星s的波束k上的信道增益
27、
28、其中是下行鏈路的路徑損失，為衛星發射天線的增益，η為偏軸角；為用戶接收的天線增益。
29、然后，計算用戶在衛星s的波束k上接收到的信干噪比
30、
31、為衛星s分配給用戶在波束k上的功率，表示除衛星s波束k下的用戶，其他衛星波束中占用相同頻率的用戶集合。為用戶在其所在的衛星波束中對用戶產生的干擾；為衛星分配給用戶在波束上的功率，為用戶相對于干擾衛星波束上的信道增益，n0為單個信道上的高斯白噪聲功率。
32、步驟四、為用戶分配下行信道資源后，結合信干噪比，由香農公式計算出用戶在衛星s波束k上的信道容量從而得到信息傳輸速率
33、信道容量為：
34、
35、bi表示當前用戶分的帶寬；
36、信息傳輸速率為：
37、
38、步驟五、衛星根據信息傳輸速率和用戶的請求，基于連續凸逼近的動態功率分配算法進行功率分配，在功率受限情況下以最大化系統吞吐量為目標進行優化。
39、優化目標函數為：
40、
41、k表示低軌衛星s的所有波束集合；ptot為衛星s分配給用戶在所有波束的功率最大值；
42、連續凸逼近的動態功率算法具體為：
43、1)將目標函數l2轉化為特殊的凸函數差分形式：
44、f(p)＝g(p)-h(p)
45、其中，g(p)，h(p)分別表示為：
46、
47、其中，p＝{ps,k,i|1≤i≤na}為分配給每個下行用戶的功率集合。轉化為凸函數差分形式后，g(p)為凹函數，-h(p)為凸函數，f(p)仍為非凸函數。
48、2)針對時隙t，將凹函數h(p)進一步本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種LEO衛星動態波束管理和資源適配方法，其特征在于，具體步驟如下：
2.如權利要求1所述的一種LEO衛星動態波束管理和資源適配方法，其特征在于，所述步驟一中，低軌衛星星座包含的衛星數量為sa；每個衛星發出的波束為ka；低軌星座覆蓋區域內每個波束中心均分布一個終端用戶；其中用戶的總數量na＝sa*ka。
3.如權利要求1所述的一種LEO衛星動態波束管理和資源適配方法，其特征在于，所述步驟二中，優化目標函數為：
4.如權利要求1所述的一種LEO衛星動態波束管理和資源適配方法，其特征在于，所述步驟二中，狀態轉移概率的選擇規則是：將螞蟻ω的波束解集Dω中的所有波束覆蓋的用戶，與待選波束覆蓋的用戶，進行并運算后得到并集元素個數最多的波束，即為待選的下一個波束。
5.如權利要求1所述的一種LEO衛星動態波束管理和資源適配方法，其特征在于，所述步驟三中，針對用戶在衛星s的波束k上的信道增益
6.如權利要求1所述的一種LEO衛星動態波束管理和資源適配方法，其特征在于，所述步驟四的信道容量為：
【技術特征摘要】
1.一種leo衛星動態波束管理和資源適配方法，其特征在于，具體步驟如下：
2.如權利要求1所述的一種leo衛星動態波束管理和資源適配方法，其特征在于，所述步驟一中，低軌衛星星座包含的衛星數量為sa；每個衛星發出的波束為ka；低軌星座覆蓋區域內每個波束中心均分布一個終端用戶；其中用戶的總數量na＝sa*ka。
3.如權利要求1所述的一種leo衛星動態波束管理和資源適配方法，其特征在于，所述步驟二中，優化目標函數為：
4.如權利要求1所述的一...
【專利技術屬性】
技術研發人員：崔高峰，王宇豪，王衛東，王莉，梁栗銘，劉瑾銘，劉金美，
申請(專利權)人：北京郵電大學，
類型：發明
國別省市：
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