一种星地融合网络中的资源分配方法

1.本发明涉及无线通信技术领域，更具体地涉及一种星地融合网络中的资源分配方法。


背景技术：

2.地面通信系统和卫星通信系统在覆盖范围和通信能力等方面具有极强的互补性。地面通信系统可在业务密集区域提供大容量、高速率、低时延的移动通信服务，而卫星通信系统具有覆盖范围广、不受地理环境限制等优势，能够实现全球性的移动网络覆盖。因此，星地融合网络成为了6g移动通信系统的重要发展方向，业务需求的爆发式增长使得频谱短缺问题日益凸显。
3.在地面通信系统和卫星通信系统间共享频谱可以有效缓解频谱短缺问题，但需要采用频谱管理技术以避免星地系统间的同频干扰。现有的星地频谱共享方案包括建立星地频谱数据库(通过查询数据库获得可用频谱)、在共享频谱的星地系统间设置禁区、以及基于频谱感知技术的星地动态频谱共享等。然而，在现有的这些方案中，卫星通信系统和地面通信系统对传输资源的管理相对独立，难以将传输资源与星地通信系统差异化的传输需求进行匹配，导致频谱利用效率低下，星地通信系统间的公平性也无法保障。


技术实现要素：

4.为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种星地融合网络中的资源分配方法，能够实现一体化的网络控制和资源管理，提高频谱利用效率，保障星地通信系统间的公平性。
5.一种星地融合网络中的资源分配方法，包括：
6.步骤s1，构建星地融合网络模型，所述星地融合网络模型包括共享相同频谱的卫星通信系统和地面通信系统，其中，所述卫星通信系统由一个卫星以及所述卫星覆盖范围内的若干卫星终端组成，所述卫星覆盖范围内存在若干地面通信系统，每个地面通信系统由一个地面基站以及一个或多个地面终端组成，所述卫星和所述地面基站均连接至一个网络控制实体；
7.步骤s2，所述网络控制实体从所述卫星处获取每个卫星终端的位置信息和传输需求，并从所述地面基站处获取每个地面通信系统的位置信息和传输需求；
8.步骤s3，根据所述卫星终端的位置信息和传输需求，以及所述地面通信系统的位置信息和传输需求，所述网络控制实体执行资源分配，确定所述卫星在一个资源分配窗口中的每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合，以及每个地面通信系统在一个资源分配窗口中可使用共享频谱进行传输的时隙集合；
9.步骤s4，所述网络控制实体将将每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合发送给卫星通信系统，并将每个地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙集合发送给对应的地面通信系统；
10.步骤s5，所述卫星根据所述网络控制实体的资源分配结果，在每个时隙中使用共享频谱为使用共享频谱服务的卫星终端提供传输服务；所述地面通信系统根据所述网络控制实体的资源分配结果，在可使用共享频谱进行传输的时隙中使用共享频谱进行传输，在其余时隙中暂停使用共享频谱进行传输。
11.进一步地，所述卫星配置有相控阵天线，所述卫星利用波束成形技术生成若干点波束，并采用跳波束技术为卫星覆盖范围内的卫星终端提供传输服务。
12.优选地，所述步骤s3中网络控制实体执行资源分配的方法为基于分支定界法的最优资源分配算法。
13.进一步地，所述步骤s3包括：
14.步骤s31，对于任一时隙，获取卫星所有可行的服务卫星终端组合，并将每一种可行的服务卫星终端组合定义为一种波束服务模式；
15.步骤s32，根据所述卫星所有可行的服务卫星终端组合及其对应的波束服务模式，确定当卫星在一个时隙为一个卫星终端组合提供服务时，每个卫星终端和每个地面通信系统在该时隙中的传输容量；
16.步骤s33，根据所述卫星终端的和所述地面通信系统的传输需求，构建以最大化星地融合网络的加权总传输容量为目标，或以最大化星地融合网络中最小的传输容量与业务需求比值为目标的资源分配问题；
17.步骤s34，所述网络控制实体采用分支定界法求解所述资源分配问题，确定卫星在每个时隙中采用的波束服务模式和对应的使用共享频谱服务的卫星终端集合。
18.步骤s35，根据所述使用共享频谱服务的卫星终端集合φ
t
，确定每个地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙集合ψj。
19.优选地，所述步骤s3中网络控制实体执行资源分配的方法为贪婪资源分配算法。
20.进一步地，所述步骤s3包括：
21.步骤s31’，将所述地面通信系统的资源分配保障因子q初始化为0，将每个卫星终端的剩余最大传输容量要求初始化为并将每个地面通信系统的剩余最小传输容量要求初始化为其中，i＝1,...,n
sat
，j＝1,...,n
ter
，n
sat
为卫星覆盖范围内的卫星终端的个数， n
ter
为卫星覆盖范围内的地面通信系统的个数，为卫星终端的最大传输容量要求，为地面通信系统的最小传输容量要求；
22.步骤s32’，从时隙t＝1开始，逐个确定卫星在每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端和每个地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙，并更新每个地面通信系统的剩余最小传输容量要求
23.步骤s33’，若所有地面通信系统的剩余最小传输容量要求均小于等于0，则结束资源分配，得到每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合φ
t
，t＝1,...,ts，ts为一个资源分配窗口的时隙数，和每个地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙集合ψj；否则，令q＝q+1，返回步骤s31’。
24.进一步地，所述步骤s3包括：
25.步骤s31”，令时隙t＝1，将每个卫星终端的传输容量初始化为0，并将每个地面
通信系统的传输容量初始化为0；其中，i＝1,...,n
sat
，j＝1,...,n
ter
，n
sat
为卫星覆盖范围内的卫星终端的个数，n
ter
为卫星覆盖范围内的地面通信系统的个数；
26.步骤s32”，找出具有最小传输容量与业务需求比值的卫星终端或地面通信系统，并基于具有最小传输容量与业务需求比值的卫星终端或地面通信系统，确定卫星在时隙t中使用共享频谱服务的卫星终端，并判断地面通信系统在时隙t中是否可使用共享频谱进行传输；
27.步骤s33”，若t＜ts，ts为一个资源分配窗口的时隙数，则令t＝t+1，返回步骤s32”；否则，结束资源分配，得到每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合φ
t
和每个地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙集合ψj。
28.进一步地，所述步骤s32’包括：
29.步骤s321’，对于时隙t，定义候选卫星终端集合ω
t
，ω
t
中包含所有剩余最大传输容量要求大于0的卫星终端；
30.步骤s322’，若集合ω
t
不为空集，则在所有地面通信系统中找出具有最大且的q个地面通信系统，并将与找出的q个地面通信系统的距离小于星地保护距离的所有卫星终端从集合ω
t
中移除；若集合ω
t
为空集，则进入步骤s326’；
31.步骤s323’，在集合ω
t
中找出具有最大剩余最大传输容量要求的卫星终端i
*
，并将卫星终端i
*
从集合ω
t
中移除；
32.步骤s324’，将卫星终端i
*
加入卫星在每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合集合φ
t
,并更新卫星终端i
*
的剩余最大传输容量要求其中，表示在时隙t中卫星终端i
*
的传输容量；
33.步骤s325’，若集合φ
t
中的元素数量小于n
beam
，则返回至步骤s323’；否则，进入步骤s326’；
34.步骤s326’，对于第j个地面通信系统，j＝1,...,n
ter
，若其与集合φ
t
中的所有卫星终端间的距离均大于等于星地保护距离则将时隙t加入地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙集合ψj，并更新第j个地面通信系统的剩余最小传输容量要求其中，表示在时隙t中第j个地面通信系统的传输容量；
35.步骤s327’，若t＜ts，则令t＝t+1，返回步骤s321’；否则，进入步骤s33’。
36.进一步地，所述步骤s32”包括：
37.步骤s321”，对于时隙t，初始化候选卫星终端集合和候选地面通信系统集合其中，集合和集合中的元素为卫星终端和地面通信系统的编号；
38.步骤s322”，在集合和中找到具有最小传输容量与业务需求比值的卫星终端i
*
或地面通信系统j
*
，若具有最小传输容量与业务需求比值的是卫星终端i
*
，则进入步骤s323”；若具有最小传输容量与业务需求比值的是地面通信系统j
*
，则进入步骤s325”；
39.步骤s323”，将卫星终端i
*
加入卫星在每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端
集合φ
t
，并更新卫星终端i
*
的传输容量其中，表示在时隙t中卫星终端i
*
的传输容量；
40.步骤s324”，将卫星终端i
*
从集合中移除，并将与卫星终端i
*
间的距离小于星地保护距离的所有地面通信系统从集合中移除；
41.步骤s325”，将地面通信系统j
*
从集合中移除，并将与地面通信系统j
*
间的距离小于星地保护距离的所有卫星终端从集合中移除；
42.步骤s326”，若集合φ
t
中的元素数量小于n
beam
，n
beam
为卫星生成的点波束的个数，且集合不为空集，则返回至步骤s322”；否则，进入步骤s327”；
43.步骤s327”，对于第j个地面通信系统，j＝1,...,n
ter
，若其与集合φ
t
中的所有卫星终端间的距离均大于等于星地保护距离则将时隙t加入地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙集合ψj，并更新第j个地面通信系统的传输容量其中表示在时隙t中第j个地面通信系统的传输容量，进入步骤s33”。
44.本发明提供的一种星地融合网络中的资源分配方法，通过对星地通信系统进行一体化的网络控制和资源管理，并基于卫星终端和地面通信系统的位置信息和传输需求进行协同资源分配，提高了频谱利用效率，满足了星地通信系统各自的服务质量要求，保障了星地通信系统间的公平性。
附图说明
45.图1是按照本发明的星地融合网络中的资源分配方法的流程图。
46.图2是星地融合网络模型示意图。
具体实施方式
47.下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
48.如图1所示，本发明提供的星地融合网络中的资源分配方法，包括以下步骤：
49.步骤s1，构建星地融合网络模型。如图2所示，星地融合网络模型包括共享相同频谱的卫星通信系统和地面通信系统，其中，卫星通信系统由一个卫星以及该卫星覆盖范围内的n
sat
个卫星终端组成，同时，卫星覆盖范围内存在n
ter
个地面通信系统，每个地面通信系统由一个地面基站以及一个或多个地面终端组成。卫星和每个地面基站均连接至一个网络控制实体，网络控制实体用于对卫星通信系统和地面通信系统使用的传输资源(包括卫星点波束指向、星地通信系统使用的频段和传输时间等)进行控制和管理，其可部署在地面网络控制中心、地面信关站或卫星载荷等位置。
50.在本发明中，卫星配置有相控阵天线，因而卫星可利用波束成形技术生成n
beam
个点波束，并采用跳波束技术为卫星覆盖范围内的卫星终端提供传输服务。当采用跳波束技术时，卫星的每个点波束可在不同的时隙指向不同的卫星终端。在星地频谱共享场景下，当在一个特定时隙中某个地面通信系统附近没有被卫星点波束服务的卫星终端时，该地面通信系统中的地面终端可以充分使用共享的频谱资源，而不会对卫星通信系统造成干扰。利用跳波束技术在时间和空间维度上的资源调度灵活性，星地通信系统间能够实现高效的动
态频谱共享。
51.步骤s2，网络控制实体从卫星处获取每个卫星终端的位置信息和传输需求，并从地面基站处获取每个地面通信系统的位置信息和传输需求。
52.其中，卫星终端的传输需求包括但不限于：卫星终端的最小传输容量要求最大传输容量要求平均业务需求数据量等，其中i为卫星终端编号，i＝1,...,n
sat
；地面通信系统的传输需求包括但不限于：地面通信系统中所有地面终端的最小总传输容量要求最大总传输容量要求平均总业务需求数据量等，其中j为地面通信系统编号，j＝1,...,n
ter
；地面通信系统的位置信息包括其对应的地面基站的位置信息和/或地面终端的位置信息。
53.步骤s3，根据卫星终端的位置信息和传输需求，以及地面通信系统的位置信息和传输需求，网络控制实体执行资源分配，确定卫星在一个资源分配窗口中的每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合，以及每个地面通信系统在一个资源分配窗口中可使用共享频谱进行传输的时隙集合。其中，一个资源分配窗口由ts个时隙组成，在每个时隙中卫星至多同时为n
beam
个卫星终端提供服务。
54.网络控制实体执行资源分配的方法包括但不限于：基于分支定界法的最优资源分配算法和低复杂度的贪婪资源分配算法。
55.其中，基于分支定界法的最优资源分配算法包括：
56.步骤s31，对于任一时隙，获取卫星所有可行的服务卫星终端组合，并将每一种可行的服务卫星终端组合定义为一种波束服务模式。
57.步骤s32，根据卫星所有可行的服务卫星终端组合及其对应的波束服务模式，确定当卫星在一个时隙为一个卫星终端组合提供服务时，每个卫星终端和每个地面通信系统在该时隙中的传输容量。
58.步骤s33，根据卫星终端的和传输需求，以及地面通信系统的传输需求，构建以最大化星地融合网络的加权总传输容量为目标，或以最大化星地融合网络中最小的传输容量与业务需求比值为目标的资源分配问题。
59.步骤s34，网络控制实体采用现有的分支定界法求解上述资源分配问题，确定卫星在每个时隙中采用的波束服务模式和对应的使用共享频谱服务的卫星终端集合。
60.步骤s35，根据使用共享频谱服务的卫星终端集合，确定每个地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙集合。
61.当期望优化频谱利用效率时，以最大化星地融合网络的加权总传输容量为目标，可使系统的总体吞吐量最大化；当期望保障各卫星终端和各地面通信系统间的公平性时，以最大化最小的传输容量与业务需求比值为目标，可使每个卫星终端和地面通信系统均公平地获得匹配其业务需求的传输资源。
62.最大化星地融合网络的加权总传输容量可表示为：
[0063][0064]
其中，α≥0，为卫星通信系统传输容量的加权系数；表示第i(i＝1,...,n
sat
)个卫星终端在该资源分配窗口中的传输容量；β≥0，为地面通信系统传输容量的加权系数；
表示第j(j＝1,...,n
ter
)个地面通信系统在该资源分配窗口中的传输容量。α和β的值可以预定义，或由网络控制实体根据系统性能需求动态调整。
[0065]
最大化星地融合网络中最小的传输容量与业务需求比值可表示为：
[0066][0067]
其中，表示第i(i＝1,...,n
sat
)个卫星终端在该资源分配窗口中的传输容量，表示第i个卫星终端的平均业务需求数据量，表示第j(j＝1,...,n
ter
)个地面通信系统在该资源分配窗口中的传输容量，表示第j个地面通信系统的平均总业务需求数据量。
[0068]
网络控制实体执行资源分配可无约束条件，或可包含以下一个约束条件或多个约束条件的组合：
[0069]
约束条件1)：每个卫星终端的传输容量大于等于其最小传输容量要求，即
[0070]
约束条件2)：每个卫星终端的传输容量小于等于其最大传输容量要求，即
[0071]
约束条件3)：每个地面通信系统的传输容量大于等于其最小总传输容量要求，即
[0072]
约束条件4)：每个地面通信系统的传输容量小于等于其最大总传输容量要求，即
[0073]
约束条件的选择取决于实际系统需求，例如，若运营商与卫星终端或地面终端签约时承诺保障其最小传输容量和/或限制其最大传输容量，则在资源分配时需考虑相应的约束条件。
[0074]
基于上述目标和约束条件，网络控制实体执行星地协同资源分配，确定在每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合φ
t
(t＝1,...,ts)。根据每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合φ
t
，可进一步确定每个地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙集合ψj(j＝1,...,n
ter
)。具体地，在时隙t(t＝1,...,ts)中，若集合φ
t
中的所有卫星终端与第j个地面通信系统间的距离均大于等于星地保护距离即其中表示第i个卫星终端与第j个地面通信系统间的距离，则第j个地面通信系统可在该时隙t中使用共享频谱进行传输；相反，若则第j个地面通信系统在该时隙t中暂停传输，以避免星地通信系统间的同频干扰。
[0075]
而低复杂度的贪婪资源分配算法的原理为：逐个确定每个时隙中卫星服务的卫星终端和可进行传输的地面通信系统：对于某个特定时隙，如果以最大化星地融合网络的加权总传输容量为目标，则优先保证当前具有最大剩余传输需求的卫星终端和地面通信系统在该时隙中进行传输；如果以最大化星地融合网络中最小的传输容量与业务需求比值为目标，则优先保证当前具有最小传输容量与业务需求比值的卫星终端和地面通信系统在该时隙中进行传输。
[0076]
具体地，低复杂度的贪婪资源分配算法可以包括：
[0077]
步骤s31’，将地面通信系统的资源分配保障因子q初始化为0，将每个卫星终端的剩余最大传输容量要求初始化为并将每个地面通信系统的剩余最小传输容量要求初始化为
[0078]
其中，q越大，则在资源分配时越优先保障地面通信系统的传输容量。当q＝0时，网络控制实体在分配资源时不考虑地面通信系统的传输需求，此时对卫星通信系统的资源分配灵活度最高；当q＝n
ter
时，优先为所有地面通信系统分配满足其传输需求的时隙。
[0079]
步骤s32’，从时隙t＝1开始，逐个确定卫星在每个时隙(t＝1,...,ts)中使用共享频谱服务的卫星终端和每个地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙，并更新每个地面通信系统的剩余最小传输容量要求
[0080]
步骤s33’，若满足所有地面通信系统的最小总传输容量要求，即所有地面通信系统的剩余最小传输容量要求均小于等于0，则结束资源分配，得到每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合φ
t
(t＝1,...,ts)和每个地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙集合ψj；否则，令q＝q+1，返回步骤s31’。
[0081]
或者，低复杂度的贪婪资源分配算法可以包括：
[0082]
步骤s31”，令时隙t＝1，将每个卫星终端的传输容量初始化为0，并将每个地面通信系统的传输容量初始化为0。
[0083]
步骤s32”，找出具有最小传输容量与业务需求比值的卫星终端或地面通信系统，并基于具有最小传输容量与业务需求比值的卫星终端或地面通信系统，确定卫星在时隙t中使用共享频谱服务的卫星终端，并判断地面通信系统在时隙t中是否可使用共享频谱进行传输。
[0084]
步骤s33”，若t＜ts，则令t＝t+1，返回步骤s32”；否则，结束资源分配，得到每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合φ
t
和每个地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙集合ψj。
[0085]
步骤s4，网络控制实体将资源分配窗口中的资源分配结果发送给卫星通信系统和地面通信系统，即，将每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合发送给卫星通信系统，并将每个地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙集合发送给对应的地面通信系统。
[0086]
步骤s5，卫星根据网络控制实体的资源分配结果，在每个时隙中使用共享频谱为使用共享频谱服务的卫星终端提供传输服务；地面通信系统根据网络控制实体的资源分配结果，在可使用共享频谱进行传输的时隙中使用共享频谱进行传输，在其余时隙中暂停使用共享频谱进行传输。
[0087]
即，卫星在时隙t(t＝1,...,ts)中，使用共享频谱为集合φ
t
中的卫星终端提供传输服务。在时隙t∈ψj中，第j(j＝1,...,n
ter
)个地面通信系统使用共享频谱进行传输；在时隙中，第j个地面通信系统暂停使用共享频谱进行传输。
[0088]
为方便理解，以下通过四个实施例对本发明的资源分配方法进行详细说明。
[0089]
实施例一
[0090]
在本实施例中，网络控制实体在满足卫星终端的最大和最小传输容量要求、以及
地面通信系统的最大和最小总传输容量要求的情况下，采用基于分支定界法的最优资源分配算法对星地融合网络传输资源进行分配，以最大化星地融合网络的加权总传输容量。
[0091]
本实施例通过以下步骤实现：
[0092]
步骤s1，构建如图2所示的星地融合网络模型。
[0093]
步骤s2，网络控制实体从卫星处获取每个卫星终端的位置信息、最小传输容量要求和最大传输容量要求并从地面基站处获取每个地面通信系统中地面基站的位置信息、最小总传输容量要求和最大总传输容量要求
[0094]
步骤s3，根据每个卫星终端的位置信息、最小传输容量要求和最大传输容量要求以及每个地面通信系统中地面基站的位置信息、最小总传输容量要求和最大总传输容量要求网络控制实体采用基于分支定界法的最优资源分配算法，以最大化星地融合网络的加权总传输容量为目标执行资源分配，确定卫星在一个资源分配窗口中的每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合φ
t
，以及每个地面通信系统在一个资源分配窗口中可使用共享频谱进行传输的时隙集合ψj。
[0095]
具体地，步骤s3包括：
[0096]
步骤s311，对于任一时隙t，获取卫星共m
bh
个的所有可行的服务卫星终端组合，并将每一种可行的服务卫星终端组合定义为一种波束服务模式m(m＝1,...,m
bh
)。
[0097]
假设卫星可在n
sat
个卫星终端中选择n(0≤n≤n
beam
)个卫星终端提供服务，则
[0098]
若在时隙t(t＝1,...,ts)中采用波束服务模式m，则令x
m,t
＝1；否则，令x
m,t
＝0。x
m,t
(m＝1,...,m
bh
，t＝1,...,ts)为需要求解的优化变量，其取值为0或1，指示了在时隙t中是否采用波束服务模式m。卫星在每个时隙中只能采用一种波束服务模式(对应一种服务卫星终端组合)，因而对于某个特定时隙t，只有一个x
m,t
可以取值为1，其余均取值为0。
[0099]
步骤s312，根据卫星所有可行的服务卫星终端组合及其对应的波束服务模式，确定当卫星在一个时隙为一个卫星终端组合提供服务时，每个卫星终端和每个地面通信系统在时隙t中的传输容量。
[0100]
当卫星在某个时隙中采用波束服务模式m(m＝1,...,m
bh
)时，若卫星为第i(i＝1,...,n
sat
)个卫星终端提供服务，则该卫星终端在该时隙中的传输容量为其中，w表示传输带宽，d
slot
表示时隙持续时间，表示采用波束服务模式m时，第i个卫星终端的接收信干噪比；否则，因此，第i个卫星终端在一个资源分配窗口中的传输容量表示为：
[0101][0102]
卫星在某个时隙中采用波束服务模式m(m＝1,...,m
bh
)时，若第j(j＝1,...,n
ter
)个地面通信系统能够进行传输(即所有服务卫星终端与第j个地面通信系统的地面基站间的距离均大于等于星地保护距离)，则该地面通信系统在该时隙中的传输容量为
其中，表示采用波束服务模式m时，第j个地面通信系统的平均接收信干噪比；否则，因此，第j个地面通信系统在一个资源分配窗口中的传输容量表示为：
[0103][0104]
步骤s313，根据卫星终端的最小传输容量要求和最大传输容量要求以及地面通信系统的最小总传输容量要求和最大总传输容量要求构建以最大化星地融合网络的加权总传输容量为目标的资源分配问题：星地融合网络的加权总传输容量为目标的资源分配问题：星地融合网络的加权总传输容量为目标的资源分配问题：星地融合网络的加权总传输容量为目标的资源分配问题：星地融合网络的加权总传输容量为目标的资源分配问题：
[0105]
其中，第一个约束条件表示每个卫星终端的传输容量应大于等于最小传输容量要求，并小于等于最大传输容量要求；第二个约束条件表示每个地面通信系统的传输容量应大于等于最小传输容量要求，并小于等于最大传输容量要求；第三个约束条件表示卫星在每个时隙中只能采用一种波束服务模式，第四个约束条件表示优化变量x
m,t
只能取值0或1。
[0106]
需要说明的是，上述资源分配问题的约束条件包含了约束条件1)～4)，若网络控制实体执行资源分配时仅需考虑其中的部分约束条件，则可相应地简化第一和第二个约束条件。例如，仅考虑约束条件1)和3)时，第一和第二个约束条件可分别简化为：
[0107][0108][0109]
步骤s314，网络控制实体采用现有的分支定界法求解上述资源分配问题，得到x
m,t
(m＝1,...,m
bh
，t＝1,...,ts)的最优解，即确定卫星在每个时隙中采用的波束服务模式和对应的使用共享频谱服务的卫星终端集合φ
t
(t＝1,...,ts)。
[0110]
步骤s315，根据使用共享频谱服务的卫星终端集合φ
t
，确定每个地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙集合ψj(j＝1,...,n
ter
)。即，对于任一时隙t，当时，t∈ψj；否则，
[0111]
步骤s4，网络控制实体将卫星在每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合
φ
t
(t＝1,...,ts)发送给卫星，并将第j(j＝1,...,n
ter
)个地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙集合ψj发送给第j个地面通信系统的地面基站。
[0112]
步骤s5，卫星在时隙t(t＝1,...,ts)中，使用共享频谱为集合φ
t
中的卫星终端提供传输服务；在时隙t∈ψj中，第j(j＝1,...,n
ter
)个地面通信系统使用共享频谱进行传输；在时隙中，第j个地面通信系统暂停使用共享频谱进行传输。
[0113]
实施例二
[0114]
与实施例一不同的是，在本实施例中，网络控制实体以最大化星地融合网络中最小的传输容量与业务需求比值为目标，对星地融合网络传输资源进行分配。为方便理解，以下仅对步骤s2和步骤s3进行详细说明。
[0115]
步骤s2，网络控制实体从卫星处获取每个卫星终端的位置信息和平均业务需求数据量并从地面基站处获取每个地面通信系统中地面基站的位置信息和平均总业务需求数据量
[0116]
步骤s3，根据每个卫星终端的位置信息和平均业务需求数据量以及每个地面通信系统中地面基站的位置信息和平均总业务需求数据量网络控制实体采用基于分支定界法的最优资源分配算法，以最大化最小的传输容量与业务需求比值为目标执行资源分配，确定卫星在一个资源分配窗口中的每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合φ
t
，以及每个地面通信系统在一个资源分配窗口中可使用共享频谱进行传输的时隙集合ψj。
[0117]
步骤s321，对于任一时隙t，获取卫星共m
bh
个的所有可行的服务卫星终端组合，并将每一种可行的服务卫星终端组合定义为一种波束服务模式m(m＝1,...,m
bh
)。
[0118]
步骤s322，根据卫星所有可行的服务卫星终端组合及其对应的波束服务模式，确定当卫星在一个时隙为一个卫星终端组合提供服务时，每个卫星终端在时隙t中的传输容量和每个地面通信系统在时隙t中的传输容量
[0119]
上述波束服务模式和对应的服务卫星终端组合的获取方法，以及每个卫星终端和每个地面通信系统在时隙t中的传输容量的计算方法均与实施例一中相同，在此不再赘述。
[0120]
步骤s323，根据卫星终端的平均业务需求数据量以及地面通信系统的平均总业务需求数据量构建以最大化星地融合网络中最小的传输容量与业务需求比值为目标的资源分配问题：目标的资源分配问题：目标的资源分配问题：目标的资源分配问题：
[0121]
其中，第一和第二个约束条件表示优化变量ζ为星地融合网络中传输容量与业务需求比值的最小值，第三个约束条件表示卫星在每个时隙中只能采用一种波束服务模式，第四个约束条件表示x
m,t
只能取值0或1。
[0122]
若网络控制实体在执行资源分配时需进一步考虑卫星终端和/或地面通信系统的最大和/或最小传输容量要求(上文中的约束条件1)～4))，则可在上述资源分配问题中相应地增加约束条件。
[0123]
步骤s324，网络控制实体采用现有的分支定界法求解上述资源分配问题，确定卫星在每个时隙中采用的波束服务模式和对应的使用共享频谱服务的卫星终端集合φ
t
(t＝1,...,ts)。
[0124]
步骤s325，根据使用共享频谱服务的卫星终端集合φ
t
，确定每个地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙集合ψj(j＝1,...,n
ter
)。
[0125]
实施例三
[0126]
在本实施例中，网络控制实体在满足卫星终端的最大传输容量要求、以及地面通信系统的最小总传输容量要求的情况下，采用低复杂度的贪婪算法对星地融合网络传输资源进行分配，以最大化星地融合网络的加权总传输容量。
[0127]
本实施例通过以下步骤实现：
[0128]
步骤s1，构建如图2所示的星地融合网络模型。
[0129]
步骤s2，网络控制实体从卫星处获取每个卫星终端的位置信息和最大传输容量要求并从地面基站处获取每个地面通信系统中地面基站的位置信息和最小总传输容量要求
[0130]
步骤s3，根据每个卫星终端的位置信息和最大传输容量要求以及每个地面通信系统中地面基站的位置信息和最小总传输容量要求网络控制实体采用低复杂度的贪婪算法，以最大化星地融合网络的加权总传输容量为目标执行资源分配，确定卫星在一个资源分配窗口中的每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合φ
t
，以及每个地面通信系统在一个资源分配窗口中可使用共享频谱进行传输的时隙集合ψj。
[0131]
具体地，步骤s3包括：
[0132]
步骤s31’，将地面通信系统的资源分配保障因子q初始化为0，将每个卫星终端的剩余最大传输容量要求初始化为将每个地面通信系统的剩余最小传输容量要求初始化为并将集合φ
t
和ψj均初始化为空集。
[0133]
其中，q越大，则在资源分配时越优先保障地面通信系统的传输容量。当q＝0时，网络控制实体在分配资源时不考虑地面通信系统的传输需求，此时对卫星通信系统的资源分配灵活度最高；当q＝n
ter
时，优先为所有地面通信系统分配满足其传输需求的时隙。
[0134]
步骤s32’，从时隙t＝1开始，逐个确定卫星在每个时隙(t＝1,...,ts)中使用共享频谱服务的卫星终端和每个地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙，并更新每个地
面通信系统的剩余最小传输容量要求
[0135]
具体地，步骤s32’包括：
[0136]
步骤s321’，对于时隙t，定义候选卫星终端集合ω
t
，ω
t
中包含所有剩余最大传输容量要求大于0(即)的卫星终端。
[0137]
步骤s322’，若集合ω
t
不为空集，则在所有地面通信系统中找出具有最大且的q个地面通信系统(此处的q即为上述地面通信系统的资源分配保障因子)，并将与找出的q个地面通信系统的距离小于星地保护距离的所有卫星终端从集合ω
t
中移除；若集合ω
t
为空集，则进入步骤s326’。
[0138]
步骤s323’，在ω
t
中找出具有最大剩余最大传输容量要求的卫星终端i
*
，并将卫星终端i
*
从集合ω
t
中移除。
[0139]
需要说明的是，若多个卫星终端都具有最大则找出其中具有最大的卫星终端i
*
，表示在时隙t中第i(i＝1,...,n
sat
)个卫星终端的传输容量。如果卫星波束均使用相同的频段，则将与卫星终端i
*
的距离小于波束间距离阈值的所有卫星终端从集合ω
t
中移除，以避免多波束间的同频干扰。
[0140]
步骤s324’，将卫星终端i
*
加入卫星在每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合集合φ
t
(即卫星将在时隙t中为卫星终端i
*
提供服务),并更新卫星终端i
*
的剩余最大传输容量要求
[0141]
步骤s325’，若集合φ
t
中的元素数量小于n
beam
，则返回至步骤s323’；否则，进入步骤s326’。
[0142]
步骤s326’，对于第j(j＝1,...,n
ter
)个地面通信系统，若其与集合φ
t
中的所有卫星终端间的距离均大于等于星地保护距离即则将时隙t加入地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙集合ψj(即允许第j个地面通信系统在时隙t中进行传输)，并更新第j个地面通信系统的剩余最小传输容量要求其中，表示在时隙t中第j个地面通信系统的传输容量。
[0143]
步骤s327’，若t＜ts，则令t＝t+1，返回步骤s321’；否则，进入步骤s33’。
[0144]
步骤s33’，若满足所有地面通信系统的最小总传输容量要求，即所有地面通信系统的剩余最小传输容量要求均小于等于0，则结束资源分配，得到每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合φ
t
(t＝1,...,ts)和每个地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙集合ψj；否则，令q＝q+1，返回步骤s31’。
[0145]
步骤s4，网络控制实体将卫星在每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合φ
t
(t＝1,...,ts)发送给卫星，并将第j(j＝1,...,n
ter
)个地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙集合ψj发送给第j个地面通信系统的地面基站。
[0146]
步骤s5，卫星在时隙t(t＝1,...,ts)中，使用共享频谱为集合φ
t
中的卫星终端提供传输服务；在时隙t∈ψj中，第j(j＝1,...,n
ter
)个地面通信系统使用共享频谱进行传
输；在时隙中，第j个地面通信系统暂停使用共享频谱进行传输。
[0147]
实施例四
[0148]
与实施例三不同的是，在本实施例中，网络控制实体以最大化星地融合网络中最小的传输容量与业务需求比值为目标，对星地融合网络传输资源进行分配。为方便理解，以下仅对步骤s2和步骤s3进行详细说明。
[0149]
步骤s2，网络控制实体从卫星处获取每个卫星终端的位置信息和平均业务需求数据量并从地面基站处获取每个地面通信系统中地面基站的位置信息和平均总业务需求数据量
[0150]
步骤s3，根据每个卫星终端的位置信息和平均业务需求数据量以及每个地面通信系统中地面基站的位置信息和平均总业务需求数据量网络控制实体采用贪婪分配算法，以最大化最小的传输容量与业务需求比值为目标执行资源分配，确定卫星在一个资源分配窗口中的每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合φ
t
，以及每个地面通信系统在一个资源分配窗口中可使用共享频谱进行传输的时隙集合ψj。
[0151]
具体地，步骤s3包括：
[0152]
步骤s31”，令时隙t＝1，将每个卫星终端的传输容量初始化为0，并将每个地面通信系统的传输容量初始化为0。
[0153]
步骤s32”，找出具有最小传输容量与业务需求比值的卫星终端或地面通信系统，并基于具有最小传输容量与业务需求比值的卫星终端或地面通信系统，确定卫星在时隙t中使用共享频谱服务的卫星终端，并判断地面通信系统在时隙t中是否可使用共享频谱进行传输。
[0154]
具体地，步骤s32”包括：
[0155]
步骤s321”，对于时隙t，初始化候选卫星终端集合和候选地面通信系统集合其中，集合和集合中的元素为卫星终端和地面通信系统的编号。
[0156]
步骤s322”，在集合和中找到具有最小传输容量与业务需求比值的卫星终端i
*
或地面通信系统j
*
，若具有最小传输容量与业务需求比值的是卫星终端i
*
，则进入步骤s323”；若具有最小传输容量与业务需求比值的是地面通信系统j
*
，则进入步骤s325”。
[0157]
需要说明的是，如果多个卫星终端或地面通信系统都具有最小的传输容量与业务需求比值，找出其中具有最大平均业务需求数据量的卫星终端或地面通信系统。最小传输容量与业务需求比值的卫星终端或地面通信系统可表示为：
[0158][0159]
步骤s323”，将卫星终端i
*
加入卫星在每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合φ
t
(即卫星将在时隙t中为卫星终端i
*
提供服务)，并更新卫星终端i
*
的传输容量其中，表示在时隙t中卫星终端i
*
的传输容量。
[0160]
步骤s324”，将卫星终端i
*
从集合中移除，并将与卫星终端i
*
间的距离小于星地保护距离的所有地面通信系统从集合中移除。
[0161]
同样地，如果卫星波束都使用相同的频段，则将与卫星终端i
*
间的距离小于波束间距离阈值的所有卫星终端从集合中移除，以避免多波束间的同频干扰。
[0162]
步骤s325”，将地面通信系统j
*
从集合中移除，并将与地面通信系统j
*
间的距离小于星地保护距离的所有卫星终端从集合中移除。
[0163]
步骤s326”，若集合φ
t
中的元素数量小于n
beam
，且集合不为空集，则返回至步骤s322”；否则，进入步骤s327”。
[0164]
步骤s327”，对于第j(j＝1,...,n
ter
)个地面通信系统，若其与集合φ
t
中的所有卫星终端间的距离均大于等于星地保护距离即则将时隙t加入地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙集合ψj(即允许第j个地面通信系统在时隙t中进行传输)，并更新第j个地面通信系统的传输容量其中表示在时隙t中第j个地面通信系统的传输容量，进入步骤s33”。
[0165]
步骤s33”，若t＜ts，则令t＝t+1，返回步骤s32”；否则，结束资源分配，得到每个时隙中使用共享频谱服务的卫星终端集合φ
t
和每个地面通信系统可使用共享频谱进行传输的时隙集合ψj。
[0166]
本发明提出的星地融合网络中的资源分配方法，具有以下有益效果：
[0167]
1)星地融合网络中的网络控制实体通过收集各星地通信系统的位置信息和传输需求，并将优化的资源分配结果发送给卫星通信系统和地面通信系统，实现了星地一体化的网络控制和资源管理。相比于传统星地系统各自独立进行频谱管理的方式，星地协同的资源管理方式能够进一步提高频谱利用效率，并满足星地通信系统差异化的服务质量要求，实现传输资源和传输需求的匹配。
[0168]
2)为了得到优化的星地协同资源分配结果，本发明以最大化星地融合网络的加权总传输容量、或最大化星地融合网络中最小的传输容量与业务需求比值(提升资源分配的公平性)为目标，利用经典的分支定界法求得资源分配的最优解，并进一步提出了计算复杂度较低的贪婪算法，利用有限的计算能力，在有限的计算时间中得到较优的资源分配结果。
[0169]
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。