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面向能效的低轨卫星联合跳波束调度和功率分配算法

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电子与信息学报 2023年第2期45卷 436-445页

作者：梁承超段瑞吉麻世庆唐伦陈前斌重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065

该文针对低轨(LEO)卫星载荷容量受限且功率资源稀缺的问题,面向搭载跳波束(BH)天线的低轨卫星通信系统,提出一种联合跳波束调度和功率分配机制,在满足用户服务质量需求的前提下降低卫星通信载荷功耗,提高卫星通信系统能效。首先建立时... 详细信息

该文针对低轨(LEO)卫星载荷容量受限且功率资源稀缺的问题,面向搭载跳波束(BH)天线的低轨卫星通信系统,提出一种联合跳波束调度和功率分配机制,在满足用户服务质量需求的前提下降低卫星通信载荷功耗,提高卫星通信系统能效。首先建立时延受限下联合考虑波束调度和功率分配的卫星功耗最小化模型。针对网络拓扑的时变特性,基于李雅普诺夫优化方法,将原多时隙优化问题转化为单时隙优化问题,然后采用交替优化的方法获得单时隙问题的次优解。其中,证明波束调度子问题是凸问题,同时通过逐次凸近似和对数变换将功率分配子问题转为凸问题,并提出相应算法获得子问题最优解。仿真结果表明,提出的策略在保证用户平均时延要求的同时,降低了低轨卫星系统平均功耗,并且可通过调整控制参数实现时延和功耗的动态平衡。

关键词：低轨卫星能效跳波束功率分配李雅普诺夫优化方法

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基于跳波束的新一代高通量卫星通信系统设计

通信学报 2020年第7期41卷 59-72页

作者：张晨张更新王显煜南京邮电大学通信与网络技术国家工程研究中心江苏南京210003 南京邮电大学通信与信息工程学院江苏南京210003 西安空间无线电技术研究所陕西西安710100

跳波束技术为卫星资源的灵活分配和高效利用提供了实现基础,被认为是新一代高通量卫星的关键技术。以业务驱动、资源高效利用、随需覆盖为目标,从系统架构、通信体制、工作机理、资源分配和波束跳变图案设计、用户接入策略、空口协议设... 详细信息

跳波束技术为卫星资源的灵活分配和高效利用提供了实现基础,被认为是新一代高通量卫星的关键技术。以业务驱动、资源高效利用、随需覆盖为目标,从系统架构、通信体制、工作机理、资源分配和波束跳变图案设计、用户接入策略、空口协议设计和系统工作流程等维度,自顶向下为基于跳波束的高通量卫星通信系统设计提供可行性方案、奠定技术基础,可以满足天地一体化信息网络灵活机动的信息服务,以及高可靠、大容量传输的天基骨干网需求。

关键词：高通量卫星天地一体化信息网络跳波束系统设计

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跳波束卫星通信系统预编码技术研究

跳波束卫星通信系统预编码技术研究

第十八届卫星通信学术年会

作者：徐阳威李加洪张晨张更新南京邮电大学西安空间无线电技术研究所

由于业务需求的时空不均匀性,导致卫星通信系统星上资源的"碎片化"调度。为了提高资源利用率,研究人员提出了跳波束技术。将跳波束技术应用于卫星通信系统可以使波束按需工作,对资源灵活分配以满足动态变化的业务需求。当热点区域的业... 详细信息

由于业务需求的时空不均匀性,导致卫星通信系统星上资源的"碎片化"调度。为了提高资源利用率,研究人员提出了跳波束技术。将跳波束技术应用于卫星通信系统可以使波束按需工作,对资源灵活分配以满足动态变化的业务需求。当热点区域的业务请求剧烈增加时,具有相同频率的波束同时工作会产生严重的同频干扰。因此,将预编码引入到跳波束卫星通信系统中可以缓解资源利用率与同频干扰的矛盾。本文调研了卫星通信系统中跳波束与预编码的发展现状,介绍了三种"跳波束+预编码"的波束联合设计算法,并分析了上述算法的特点。最后指出了"跳波束+预编码"技术有意义的研究方向。

关键词：卫星通信系统跳波束预编码

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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基于分簇的全带宽跳波束图案优化方法

计算机工程 2020年第4期46卷 169-176页

作者：王亚昕边东明胡婧唐璟宇王闯陆军工程大学通信工程学院南京210007

为解决全带宽跳波束卫星通信系统中的干扰问题,提出一种基于波束分簇的跳波束图案优化方法.以各波束请求量占系统可提供资源的比例为时隙分配依据,在满足相对公平的前提下提高系统总容量,推算距离门限值,当波束间距离大于该门限时,干扰... 详细信息

为解决全带宽跳波束卫星通信系统中的干扰问题,提出一种基于波束分簇的跳波束图案优化方法.以各波束请求量占系统可提供资源的比例为时隙分配依据,在满足相对公平的前提下提高系统总容量,推算距离门限值,当波束间距离大于该门限时,干扰对于信号质量的影响可忽略不计,从而达到规避干扰的目的.仿真结果表明,与传统多波束系统相比,该资源分配方法可使系统容量提升24.6%,消除系统干扰对信号质量的影响,改善跳波束图案的时隙连续性.

关键词：卫星通信系统跳波束波束分簇波束间干扰资源分配

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基于跳波束GEO卫星的波束切换研究

基于跳波束GEO卫星的波束切换研究

作者：潘宏宇南京邮电大学

学位级别：硕士

多波束GEO卫星通过多点波束、高增益等关键技术大幅度提升了通信容量,解决了传统卫星通信容量小的问题。由于对星上资源的固定分配,多波束GEO卫星系统容易造成资源浪费,随之跳波束技术应运而生。跳波束技术能够解决资源分配不均等问题,... 详细信息

多波束GEO卫星通过多点波束、高增益等关键技术大幅度提升了通信容量,解决了传统卫星通信容量小的问题。由于对星上资源的固定分配,多波束GEO卫星系统容易造成资源浪费,随之跳波束技术应运而生。跳波束技术能够解决资源分配不均等问题,与此同时,为满足跳波束GEO卫星系统下的移动终端通信需求,还需研究有效的波束切换技术。由于跳波束GEO卫星的波束具有间断性,使得波束切换与多波束GEO卫星的波束切换有很大不同。在跳波束GEO卫星下,每一个波束可以为很多波位提供服务,而在多波束GEO卫星下,波束和波位一一对应。针对跳波束GEO卫星的波束切换问题,本文首先建立了高速移动用户业务的时空二维模型,然后对所提切换算法即基于剩余时间的动态时隙预留切换算法的切换性能进行仿真分析,最后面向跳波束切换进行系统仿真和验证,具体研究内容及其成果如下:高速移动用户业务的时空二维建模。由于多波束技术的应用,众多学者开始研究波束切换算法。通过随机产生的业务,证明了这些算法的理论性能,没有真实的切换场景以及业务模型。针对这一问题,本文选取东方航空公司和中国高铁部分班次作为业务,通过统计和仿真,将业务在空间维度和时间维度上可视化。在空间维度上,首先,将地图网格划分,为了方便计算,航班看作直线,根据起始经纬坐标,再通过累加,最终得到的数值展示成热力图,最后通过“网格号-波束号”对应关系,得到以波位为单位的高速移动用户的空间业务模型;在时间维度上,通过统计每时段的终端运行数量,最终得到高速移动用户的时间业务模型。仿真结果表明,终端业务在空间维度、时间维度上存在明显的差异。基于剩余时间的动态时隙预留切换算法。对于切换检测阶段,传统多波束卫星系统的波束切换检测机制大都选择单一变量作为触发切换的因素,例如接收信号强度、地理位置等,这种切换检测机制容易造成终端的乒乓切换,增大通信时延,影响切换质量。针对这一问题,本文采用终端在波位内的剩余驻留时间作为触发切换的因素,该因素融合了终端速度、终端的航线、终端的地理位置三个变量。对于切换决策阶段,传统多波束卫星系统大都采用信道预留机制,相比于跳波束通信系统,终端需要分配到相应的时隙资源才能够传输信息,所以本文将根据呼叫优先级对终端分配时隙资源,通过理论推导,对切换算法的理论性能进行仿真分析。面向跳波束切换的系统仿真和验证。在跳波束场景下,波束切换可以分为簇内切换和簇间切换。对于簇内切换,实质上就是簇内时隙资源的分配,只要波束同步地跳变到相应波位为该终端分配时隙资源即看作切换成功;簇间切换涉及到通信链路的建立以及时隙资源的分配。本章详细阐述两种切换交互流程,同时为了进一步验证以上切换算法的性能,本章将业务时空二维模型作为输入,通过剩余时间切换机制处理终端的切换请求,判断时隙和信道资源利用情况,完成终端的呼叫请求。通过仿真结果,系统地验证了上一章的理论性能。

关键词：高通量卫星跳波束波束切换呼叫优先级时空二维模型资源分配

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基于跳波束技术的卫星网络波束资源分配

基于跳波束技术的卫星网络波束资源分配

作者：刘聪俐西安电子科技大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：跳波束差异化业务负载均衡分簇深度强化学习

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低轨卫星跳波束资源动态分配算法研究

低轨卫星跳波束资源动态分配算法研究

作者：周卓哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

由于高速率多媒体业务和电子产品设备数量的剧烈增长,为保证未来移动通信网通信速率的达到预期,卫星通信系统与地面移动通信系统进行有机的融合是未来的发展趋势。卫星互联网目前是国内国外的战略研究重点之一。在地面网络的基础上结合... 详细信息

由于高速率多媒体业务和电子产品设备数量的剧烈增长,为保证未来移动通信网通信速率的达到预期,卫星通信系统与地面移动通信系统进行有机的融合是未来的发展趋势。卫星互联网目前是国内国外的战略研究重点之一。在地面网络的基础上结合卫星通信特性,能够弥补地面网络在服务体验与广域覆盖方面的不足。低轨卫星由于运行轨道距离地面用户近,造成的路径损耗和传输时延较小,可以传输海量低时延的多媒体业务;同时由于卫星的体量不大,因此发射成本低,产生收益高,是目前备受学界关注的卫星系统。但低轨卫星也是典型的资源受限系统,为满足高速业务传输需求,宽带卫星系统中开始采用多波束天线技术。然而传统多波束系统与低轨卫星不断变化的通信请求无法相互匹配,难以达到随需覆盖。跳波束体制由于能够通过时间分片以少量载荷覆盖相同范围区域,同时灵活匹配分布不均匀的流量请求,因此脱颖而出。但目前已有对低轨卫星跳波束资源分配算法的研究中还未有应对不均匀业务的整体考虑,对干扰避免的手段几乎也都停留在控制距离阈值的阶段。因此本文重点研究面向覆盖区域不均匀业务的跳波束资源分配算法与基于动态部分频率复用的干扰避免手段,以更好地满足系统对动态资源分配方案指标的要求。第一,本文对面向覆盖区域不均匀业务的跳波束体制下的资源分配算法进行研究,为每个时隙设计合适的波束跳跃图案,以少量算法的复杂度为代价提升资源利用率,增强系统侧与用户侧的性能指标。先阐释覆盖区域内波束的划分原则,继而通过根据匹配覆盖区域业务对波束数量的选取以及根据流量位置分布对波位的集群方式两个子问题完成动态分簇算法的设计,达到均衡簇间通信业务的目的。最后以均匀簇内业务分布为目标为每个波位分配频率、功率和波束资源,得到适应用户流量且相对公平的资源调度结果。综合以上两者算法,应用于抽象出的数学模型内进行仿真并对结果进行分析。第二,本文设计一种基于动态部分频率复用的干扰避免方案能以少量的频带为代价提升波位边缘用户性能,有效解决波束间的同频干扰。首先对就目前存在的干扰问题进行详细分析,波束间产生同频干扰的场景,并简单阐述现已有的几种频率复用方式,根据本文提出的系统模型选择合适的频率复用方案来实现干扰避免。其次,以最大化吞吐量为目标,对选用的频率复用方案进行用户级的频率域资源调度过程设计,最大限度降低波束同频引发的影响。最后,就低轨卫星跳波束系统抽象出来的场景中进行仿真分析,得到该方案适用的场景和特性。

关键词：低轨卫星网络跳波束资源动态分配动态分簇干扰避免

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基于跳波束的低轨卫星资源分配策略研究

基于跳波束的低轨卫星资源分配策略研究

作者：麻世庆重庆邮电大学

学位级别：硕士

低轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星通信系统是近年来应用多波束天线技术的热门卫星系统之一,也是未来空天地一体化的优化发展方向。但是LEO卫星通信系统也是典型的资源受限系统,星上有效载荷以及频谱资源有限是限制发展的关键因素。跳波... 详细信息

低轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星通信系统是近年来应用多波束天线技术的热门卫星系统之一,也是未来空天地一体化的优化发展方向。但是LEO卫星通信系统也是典型的资源受限系统,星上有效载荷以及频谱资源有限是限制发展的关键因素。跳波束(Beam Hopping,BH)通过相控阵技术控制星载波束的空间指向,并灵活分配通信资源,在卫星研究领域中获得广泛的关注。本文重点研究了LEO卫星通信系统中跳波束的资源分配问题,论文的主要研究工作和创新点总结如下:1.针对LEO卫星通信场景下,传统均匀或按需资源分配方案无法匹配LEO网络动态资源需求的问题,提出一种基于迁移深度强化学习(Transfer Deep Reinforcement Learning,TDRL)的LEO卫星BH资源分配方案。首先,该方案联合星上缓冲信息、业务到达情况和信道状态信息(Channel State Information,CSI),建立支持BH技术的LEO卫星资源分配优化模型。其次,考虑动态随机变化的通信资源和通信需求,采用深度Q网络(Deep Q Network,DQN)算法利用神经网络作为非线性近似函数。进一步地,引入迁移学习(Transfer Learning,TL)概念,实现并加速DRL算法在其他目标任务中的收敛过程。仿真结果表明,所提出的算法能够优化卫星服务过程中的时隙分配,减少数据包的平均传输时延。2.针对当前LEO卫星BH的资源分配没有考虑结果对地面系统的干扰,且目前星地融合场景下的资源分配严重缺乏灵活性的问题,提出了一种基于星地融合架构下LEO卫星网络BH方案。首先,建立了一个最大化卫星用户业务处理公平性的随机优化问题,并将高耦合问题解耦为波束级和用户级资源分配两个子问题。其次,在波束级资源分配中,考虑到环境状态的动态变化以及卫星用户数增加导致的状态和行为空间激增,并有效增加卫星间的协作交互,基于多智能体架构强化学习(Multi-agent Reinforcement Learning,MARL)算法提出一个联合波束调度和功率分配的优化算法。再者,在用户级资源分配中,设计联合用户功率和子载波分配的优化算法,并通过凸优化理论将原优化问题凸性化,从而简化子问题的复杂程度。仿真结果表明,该算法既能保证用户公平性,又能提高系统资源利用率。

关键词：低轨卫星通信系统跳波束资源分配深度强化学习

GEO卫星通信系统跳波束资源动态分配方法研究

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GEO卫星通信系统跳波束资源动态分配方法研究

作者：韩永锋南京邮电大学

学位级别：硕士

近年来随着天地一体化信息网络和卫星互联网的发展,人们对卫星通信的业务需求呈爆炸式增长,而高通量卫星采用多点波束和频率复用技术,使得比传统多波束卫星具备更大的通信容量,能够较好的满足当前不断增长的业务需求。然而在高通量卫星... 详细信息

近年来随着天地一体化信息网络和卫星互联网的发展,人们对卫星通信的业务需求呈爆炸式增长,而高通量卫星采用多点波束和频率复用技术,使得比传统多波束卫星具备更大的通信容量,能够较好的满足当前不断增长的业务需求。然而在高通量卫星通信系统中,分配给各个波束的功率和频率资源是相对固定的;此外,由于卫星业务存在时空分布不均匀性、业务类型的多样性等因素,以上问题使得卫星资源分配缺乏灵活性,从而引起通信资源的浪费。跳波束技术可在功率、频率、空间、时间四个维度上进行资源分配,资源调度更加灵活,为卫星资源灵活动态分配提供了新的思路,是未来高通量卫星通信系统的关键技术。然而现有跳波束卫星通信系统中资源分配算法不适用于实时匹配业务动态变化的场景,本文主要研究GEO跳波束卫星通信系统中簇间功率优化和资源动态分配方式,同时完成了跳波束资源动态管理与接入仿真软件的设计及实现。首先,本文概述了跳波束卫星通信系统基本架构、卫星信道特性和跳波束时隙模型,在此基础上建立了跳波束前向链路业务模型,并以功率资源分配为优化目标,仿真了多种功率资源优化算法。仿真结果表明,功率优化算法能提高簇间功率资源的利用率。然后,在跳波束前向链路业务模型中,以最小化数据包传输时延为目标,提出了一种基于深度强化学习的跳波束资源分配算法。算法将卫星资源分配模块和前向链路数据包业务场景分别建模为智能体和环境,并设计了基于干扰避免准则的跳波束图案集合作为智能体的动作集。算法通过智能体与环境不断交互训练获得智能体的决策神经网络,以此求解跳波束卫星系统资源分配的最优方案。仿真结果表明,与传统分配算法相比,该方法能有效地降低数据包的平均传输时延,并提高系统吞吐量。最后,为了演示和验证在复杂环境下跳波束卫星通信系统的资源管理,本文基于MATLAB平台开发完成了跳波束资源动态管理与接入仿真软件的设计及实现。仿真软件场景设计中考虑了链路雨衰、频谱资源、地面波位干扰、用户终端波束切换等复杂环境因素。此外,考虑到场景中用户接入管理,提出一种基于用户优先级的接入管理策略,并通过跳波束资源管理模块实现资源分配。仿真测试表明,该仿真软件能够实现资源分配功能、用户接入管理功能和用户终端波束切换功能,并能够有效验证跳波束资源管理方法。

关键词：高通量卫星跳波束波束分簇资源分配跳波束图案深度强化学习