基于跳波束技术的卫星网络波束资源分配

作     者：刘聪俐 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李建东

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：跳波束 差异化业务 负载均衡分簇 深度强化学习 

摘      要：尽管地面网络已经进入5G时代,但仍存在如山区、荒漠、海上等网络覆盖盲区。卫星网络作为地面网络的有力补充和延伸,已成为当前国际关注的焦点。为了提高卫星网络通信容量,波束设计及其调度方法成为关键。跳波束技术具有灵活的资源分配特点,成为波束技术发展的新趋势之一。本文主要研究跳波束资源调度方法,主要创新点及贡献如下:一、提出了面向差异化业务的高吞吐量波束资源调度方法。为了同时保障多类型业务的差异化服务质量需求与网络高吞吐量的系统服务需求,提出了一种面向差异化业务时延容忍度的波束资源调度模型,采用基于优先级回放的深度强化学习方法,利用波束服务覆盖率、吞吐量等性能与波束调度动作之间的交互反馈,优化波束调度动作与业务特征之间的匹配关系,获得网络吞吐量和差异化业务服务质量的双保障。仿真结果表明,所提方法在保证网络吞吐量的同时,相比于按需轮询、最长队列优先、顺序、随机调度方法,服务覆盖率分别提高了6%、7%、11%、16%。二、提出了轻量化的跳波束调度方法。随着卫星波束和波位小区数量的增加,面向全局波束跳变的动作搜索空间急剧增大,算法复杂度高,给星上计算资源带来严峻挑战。建立了一种基于负载均衡的分簇跳波束调度模型,将一个复杂的全局调度任务,转化为多个局部调度任务,采用人工免疫算法与深度强化学习相结合的方法,实现了轻量化的波束调度。仿真结果表明,与全局调度相比,该方法使波束调度的收敛速度加快了2倍,并达到了与全局调度相近的吞吐量和服务覆盖率性能。随着低轨卫星星座建设步伐的不断加快,对高效波束调度技术的需求将越发迫切。本文提出的跳波束资源调度方法,将为低轨卫星星座及其波束调度系统设计提供可行的解决方案。