一种低轨卫星跳波束多域感知多维资源联合分配方法、设备及介质

本发明涉及一种低轨卫星跳波束多域感知多维资源联合分配方法、设备及介质，属于卫星通信。

背景技术：

1、跳波束技术，其基本思想是利用时间分片技术，在同一时间片段，并不是所有的波位都被点亮工作，而是只有一部分的波位被点亮工作。这种新的思想相比于传统的多波束卫星系统更加能够满足复杂的电磁环境和链路条件、以及高动态变化的网络拓扑和用户业务需求的应用场景。

2、粒子群优化算法是一种基于群体智能的优化算法，模拟了鸟群或鱼群等生物群体的行为。在粒子群优化算法中，每个粒子代表一个解决方案，其位置表示解决方案的参数值，速度表示解决方案的搜索方向和速度。粒子根据自身的历史最优解和群体最优解的信息来更新自己的位置和速度，以期望找到全局最优解。

3、粒子群优化算法的基本思想是：通过不断地迭代更新粒子的位置和速度，使得粒子逐渐向全局最优解靠近。在每次迭代中，每个粒子的位置和速度都会被更新，更新的方式是通过计算当前粒子的历史最优解和群体最优解来确定。具体地说，每个粒子会记录自己的历史最优位置和群体最优位置，然后根据这两个位置来更新自己的速度和位置。更新后，若当前位置的解决方案更优，则更新历史最优位置。

4、低轨星座密集波束场景下，受频率和空间资源的限制，频谱共享必然会造成系统内和系统间动态变化的同频干扰，同时系统还面临着复杂的电磁环境和链路条件、以及高动态变化的网络拓扑和用户业务需求。

5、在此技术基础上，为了保证时间、空间、频率、功率等资源的有效利用，如何将粒子群优化算法与卫星跳波束技术相结合进行多维资源的分配，是本领域技术人员急需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种低轨卫星跳波束多域感知多维资源联合分配方法、设备及介质，该方法可以用于解决复杂的电磁环境和链路条件、以及高动态变化的网络拓扑和用户业务需求下低轨卫星时间、空间、频率、功率多维资源分配问题，在保证公平性的前提下提高系统的吞吐量。

2、技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、第一方面，一种低轨卫星跳波束多域感知多维资源联合分配方法，包括如下步骤：

4、步骤1、获取当前时刻低轨卫星给各波位提供的可用带宽。

5、步骤2、获取当前时刻各波位的雨衰值。

6、步骤3、获取低轨卫星在各波位的收发天线增益。

7、步骤4、根据各波位提供的可用带宽、各波位的雨衰值和各波位的收发天线增益，计算得到初始各波位的时隙分配结果和初始各波位的功率分配结果。

8、步骤5、根据初始各波位的时隙分配结果和初始各波位的功率分配结果作为粒子群算法的初始输入，基于粒子群算法求解二阶差分目标函数，输出二阶差分目标函数值和对应的各波位的时隙和功率分配结果。

9、步骤6、判断二阶差分目标函数值是否满足结束条件；不满足，则迭代各波位的时隙和功率分配变量，重复步骤5。

10、步骤7、满足结束条件，输出各波位的时隙和功率分配结果。

11、作为优选方案，各波位提供的可用带宽通过对当前时刻的频谱态势计算获得。

12、作为优选方案，各波位的雨衰值通过对各波位的雨衰值进行感知和预测获得。

13、作为优选方案，各波位的收发天线增益计算公式如下：

14、gt(i)＝gt0 cos(angle(i))

15、gr(i)＝gr0 cos(angle(i))

16、其中，gt(i)表示第i个波位对应的卫星发射天线增益，gr(i)表示第i个波位对应的地面站接收天线增益，gt0表示卫星发射天线中心增益，gr0表示地面站接收天线中心增益，angle(i)表示卫星与第i个波位的倾角。

17、作为优选方案，初始各波位的时隙分配结果计算公式如下：

18、

19、其中，ri为第i个波位所需求的容量，rk为第k个波位所需求的容量，w为跳波束周期长度，nmax为系统可同时工作的最大波束数量，m是总的波位数量，bi表示第i个波位的可用带宽，bk表示第k个波位的可用带宽，snri表示第i个波位的信噪比，snrk表示第k个波位的信噪比。

20、作为优选方案，初始各波位的功率分配结果计算公式如下：

21、

22、其中，pi表示第i个波位需求的功率，pt表示系统的总发射功率，m是总的波位数量。

23、作为优选方案，二阶差分目标函数计算公式如下：

24、

25、

26、

27、其中，ri为系统提供的第i个波位容量，ri为第i个波位所需求的容量，w为跳波束周期长度，nmax为系统可同时工作的最大波束数量，m是总的波位数量，ni是分配给波位i的时隙个数，tij为时隙分配矩阵t的元素，tij＝1表示时隙j分配给了波位i，反之tij＝0表示时隙j没有分配给波位i。

28、作为优选方案，所述snri计算公式如下：

29、

30、其中，lr(i)表示第i个波位的雨衰值，gt(i)表示第i个波位对应的卫星发射天线增益，gr(i)表示第i个波位对应的地面站接收天线增益，pt表示系统的总发射功率，nmax为系统可同时工作的最大波束数量，lf(i)表示第i个波位的自由空间传播损耗，r表示大气衰减，k表示玻尔兹曼常数，t表示噪声温度，bi表示第i个波位的可用带宽。

31、作为优选方案，结束条件为：粒子群算法输出的二阶差分目标函数值满足预定最小适应阈值或达到最大迭代次数。

32、第二方面，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如第一方面中任一所述的一种低轨卫星跳波束多域感知多维资源联合分配方法。

33、第三方面，一种计算机设备，包括：

34、存储器，用于存储指令。

35、处理器，用于执行所述指令，使得所述计算机设备执行如第一方面中任一所述的一种低轨卫星跳波束多域感知多维资源联合分配方法的操作。

36、有益效果：本发明提供的一种低轨卫星跳波束多域感知多维资源联合分配方法、设备及介质，基于多域感知获取当前时刻各波位的可用带宽、各波位的雨衰值和低轨卫星位置，根据粒子群算法计算得到最优值，在保证公平性的前提下提高系统的吞吐量。仿真结果表明，相比于传统方法，本发明能够有效的保证各波位的公平性，且能提高系统的吞吐量。具体优点如下：

37、1、在相同卫星场景下，采用粒子群算法优化的跳波束多维资源联合分配方法的吞吐量优于跳波束多维资源均分方法。

38、2、在相同卫星场景下，采用粒子群算法优化的跳波束多维资源联合分配方法的业务满意度优于跳波束多维资源均分方法。

技术特征：

1.一种低轨卫星跳波束多域感知多维资源联合分配方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种低轨卫星跳波束多域感知多维资源联合分配方法，其特征在于：各波位的收发天线增益计算公式如下：

3.根据权利要求1所述的一种低轨卫星跳波束多域感知多维资源联合分配方法，其特征在于：初始各波位的时隙分配结果计算公式如下：

4.根据权利要求1所述的一种低轨卫星跳波束多域感知多维资源联合分配方法，其特征在于：初始各波位的功率分配结果计算公式如下：

5.根据权利要求1所述的一种低轨卫星跳波束多域感知多维资源联合分配方法，其特征在于：二阶差分目标函数计算公式如下：

6.根据权利要求1所述的一种低轨卫星跳波束多域感知多维资源联合分配方法，其特征在于：所述snri计算公式如下：

7.根据权利要求1所述的一种低轨卫星跳波束多域感知多维资源联合分配方法，其特征在于：结束条件为：粒子群算法输出的二阶差分目标函数值满足预定最小适应阈值或达到最大迭代次数。

8.根据权利要求7所述的一种低轨卫星跳波束多域感知多维资源联合分配方法，其特征在于：预定最小适应阈值采用1e-6。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于：其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-8中任一所述的一种低轨卫星跳波束多域感知多维资源联合分配方法。

10.一种计算机设备，其特征在于：包括：

技术总结
本发明公开了一种低轨卫星跳波束多域感知多维资源联合分配方法、设备及介质，基于多域感知获取当前时刻各波位的可用带宽、各波位的雨衰值和低轨卫星位置，根据粒子群算法计算得到最优值，在保证公平性的前提下提高系统的吞吐量。本发明能够有效的保证各波位的公平性，且能提高系统的吞吐量。在相同卫星场景下，采用粒子群算法优化的跳波束多维资源联合分配方法的吞吐量优于跳波束多维资源均分方法。在相同卫星场景下，采用粒子群算法优化的跳波束多维资源联合分配方法的业务满意度优于跳波束多维资源均分方法。

技术研发人员：张晨,周硕,张更新
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21