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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

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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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低轨卫星网络基于跳波束的资源调度算法

中国科学院大学学报（中英文） 2020年第6期37卷 805-813页

作者：刘婉莹夏师懿姜泉江李国通田丰孙思月中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050 中国科学院微小卫星创新研究院上海201203 中国科学院大学北京100049 上海科技大学上海201210

低轨卫星网络能够为用户提供全球范围的宽带接入服务,是目前卫星通信网络的主要发展方向。然而低轨卫星平台资源受限、地面业务分布不均匀,给星地接入方案设计带来诸多挑战。提出宽波束结合动态点波束的跳波束接入方案,由宽波束获取信... 详细信息

低轨卫星网络能够为用户提供全球范围的宽带接入服务,是目前卫星通信网络的主要发展方向。然而低轨卫星平台资源受限、地面业务分布不均匀,给星地接入方案设计带来诸多挑战。提出宽波束结合动态点波束的跳波束接入方案,由宽波束获取信令信息,辅助点波束进行跳波束按需服务用户业务的通信方案。针对不同用户分布场景,使用迭代算法进行仿真,验证相对于传统固定多波束方案,宽波束结合动态点波束的跳波束方案在用户分布不均匀的情况下,能达到更高的系统吞吐性能,且业务量小时具有更好的时延性能等。

关键词：低轨卫星跳波束吞吐量

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基于TDD的低轨卫星跳波束资源分配算法

太赫兹科学与电子信息学报 2024年第5期22卷 485-494页

作者：邹安银张晨张更新南京邮电大学通信与信息工程学院江苏南京210003 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

低轨(LEO)卫星跳波束技术可以灵活分配系统资源,适用于业务分布不均匀的场景。时分双工(TDD)方式可以减少星载和地面终端设备的天线数量,有效降低其复杂度,并有利于开展上下行非对称业务。本文提出一种基于TDD的LEO卫星跳波束资源分配算... 详细信息

低轨(LEO)卫星跳波束技术可以灵活分配系统资源,适用于业务分布不均匀的场景。时分双工(TDD)方式可以减少星载和地面终端设备的天线数量,有效降低其复杂度,并有利于开展上下行非对称业务。本文提出一种基于TDD的LEO卫星跳波束资源分配算法,在满足业务需求的基础上,以最小化时域资源消耗为目标,建立支持跳波束和多频时分多址接入(MF-TDMA)机制的LEO卫星反向链路资源分配模型;综合考虑星地动态时延补偿,采取一种多层次的跳波束时隙架构设计,以最大化可用时隙为目标,建立上下行时隙切换模型,并提出一种基于TDD的跳波束时隙排布优化方法。仿真结果表明,对比于传统的MF-TDMA资源分配方法或固定多波束均分算法,本文提出的算法能有效提高系统的时隙利用率和吞吐量。

关键词：低轨卫星网络跳波束资源分配时分双工多频时分多址接入

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基于干扰感知的多星协同跳波束资源分配

电信科学 2023年第8期39卷 17-28页

作者：胡金龙刘继红周一青曹欢刘子凡赵佳伟原进宏处理器芯片全国重点实验室中国科学院计算技术研究所北京100190 中国科学院大学北京100049 移动计算与新型终端北京市重点实验室北京100190 新南威尔士大学电气工程与通信学院新南威尔士州悉尼NSW2052

跳波束(beam hopping,BH)技术是解决低地球轨道(low earth orbit,LEO)卫星资源分配的波束个数受限及传输需求不均匀问题的关键技术,但是现有研究仅考虑了单颗LEO卫星的跳波束资源分配,即一颗卫星服务一个地面区域的跳波束资源分配方案... 详细信息

跳波束(beam hopping,BH)技术是解决低地球轨道(low earth orbit,LEO)卫星资源分配的波束个数受限及传输需求不均匀问题的关键技术,但是现有研究仅考虑了单颗LEO卫星的跳波束资源分配,即一颗卫星服务一个地面区域的跳波束资源分配方案。然而实际的LEO卫星覆盖是由多个轨道上的多颗卫星同时协同覆盖的。现有方案仅考虑单颗卫星的跳波束资源分配,会带来卫星间的波束干扰,导致通信质量下降,吞吐量降低。针对上述问题,提出了基于干扰感知的LEO多星协同跳波束资源分配(IARA-BH)方案,在满足用户需求的前提下,以优化网络的干扰分布水平、提升网络系统吞吐量为目标,寻找最优的跳波束资源分配方案。仿真结果表明,相比较仅考虑单星的跳波束资源分配方案,多星协同跳波束资源分配方案的平均信号干扰比(signal to interference ratio,SIR)提升了15.52%,同时系统吞吐量提升了5.72%。

关键词： LEO卫星跳波束资源分配

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基于多波束卫星系统的跳波束技术研究

南京邮电大学学报（自然科学版） 2019年第3期39卷 25-30页

作者：王琳张晨王显煜张更新南京邮电大学通信与网络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京2IOOO3 西安空间无线电技术研究所陕西西安710000

多波束卫星系统传统的固定资源分配方式缺乏足够的灵活性。文中在考虑多波束卫星系统各点波束业务需求多样性的基础上,基于全频率复用的“跳波束”技术,提出了一种灵活的资源分配方式。文中首先提出了两种不同的目标函数对资源进行优化... 详细信息

多波束卫星系统传统的固定资源分配方式缺乏足够的灵活性。文中在考虑多波束卫星系统各点波束业务需求多样性的基础上,基于全频率复用的“跳波束”技术,提出了一种灵活的资源分配方式。文中首先提出了两种不同的目标函数对资源进行优化,然后计算同频复用距离并引入新的约束机制以减轻同频干扰带来的性能下降,最后以最小同频率干扰为目标,结合时隙分配算法进行跳波束图案设计。仿真结果表明,相比于传统的分配方案,该方法能大大提高频谱利用率,使分配更能满足大容量动态需求。

关键词：多波束卫星跳波束同频干扰时隙分配

面向跳波束的Q/V频段卫星自适应传输优化研究

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面向跳波束的Q/V频段卫星自适应传输优化研究

作者：杨江涛南京邮电大学

学位级别：硕士

高通量卫星系统在极大提升通信容量的同时,能有效地降低每比特的传输成本,从而有效克服了卫星通信系统费用昂贵的缺陷,近几年来受到了广泛关注与研究。然而卫星通信固有长路径导致的强信号衰减以及频谱资源缺乏等问题,都将严重限制高通... 详细信息

高通量卫星系统在极大提升通信容量的同时,能有效地降低每比特的传输成本,从而有效克服了卫星通信系统费用昂贵的缺陷,近几年来受到了广泛关注与研究。然而卫星通信固有长路径导致的强信号衰减以及频谱资源缺乏等问题,都将严重限制高通量卫星系统的性能。采用Q/V频段和跳波束技术的高通量卫星以更高的频谱效率和系统容量为目标,有效克服了上述几个关键问题。但是Q/V频段高路径损耗和跳波束资源分配问题是设计卫星通信系统时不得不考虑的问题,鉴于此本文针对Q/V频段高链路衰减,分析了信号空间传播特性,重点分析了降雨衰减,为了提高系统链路频谱效率,对严重的降雨衰减开展了自适应编码技术研究,并利用仿真结果研究了动态雨衰影响下跳波束前向链路时隙资源分配问题,具体如下:本文首先概述了高通量卫星发展优势和国内外现状,在指出频段拓展和跳波束技术为高通量卫星的关键技术的基础上,分析了Q/V波段卫星通信信号在传播过程中受到的链路衰减,重点分析了降雨对于Q/V波段卫星通信的影响,研究了基于ITU-R模型的Q/V降雨衰减;给出了Q/V波段短期和长期降雨衰减时间序列的合成方法,仿真获得了Q/V波段降雨衰减时间序列,并验证了其有效性,为后文研究Q/V波段卫星自适应编码调制和跳波束资源分配打下了基础。接着针对Q/V频段高链路雨衰,为了提高卫星链路频谱效率,提高资源利用率,研究了自适应编码调制技术。首先阐述了常用的对抗降雨衰减策略,分析了自适应编码技术的优越性,介绍了自适应编码调制技术的基本原理,针对门限法忽略传输时延的影响,为了实现最优的自适应性能,设计了自适应编码调制模式选择方法,提出一种期望频谱效率最大的模式选择方法。最后,针对降雨影响下的自适应过程,通过Matlab仿真验证了提出优化算法的性能优劣。最后在讨论采用跳波束技术的高通量卫星系统前向链路资源分配问题时,区别以往计算链路衰减时将由降雨引起的信号衰减视为定值的情形,结合链路采用的自适应编码调制抗雨衰措施,提出了一种动态雨衰下跳波束时隙资源分配方法。考虑雨衰对链路性能造成的影响,在采用自适应编码调制动态调整链路速率时,以最小化二阶差分容量为目标建立了跳波束时隙资源分配模型。为了对所建立的目标函数模型求解出跳波束时间计划表,分析解空间跳波束时间计划表多维性和目标函数的非线性,引入遗传算法进行求解。仿真结果显示,提出的资源分配算法在满足约束条件下系统容量和业务需求满足度皆有提升。

关键词：高通量卫星 Q/V频段降雨衰减自适应编码调制跳波束资源分配

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低轨卫星网络基于跳波束的资源分配算法研究

低轨卫星网络基于跳波束的资源分配算法研究

作者：赵凌开哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

地面通信系统经过半个世纪的发展,已经具备了成熟的运作方式并实现大规模普及。但高质量的通信依赖于大量的地面基站,对于偏远地区来说成本巨大,且受灾害影响严重。卫星通信系统具有覆盖范围广,建设成本与距离无关的特点,能够很好解决... 详细信息

地面通信系统经过半个世纪的发展,已经具备了成熟的运作方式并实现大规模普及。但高质量的通信依赖于大量的地面基站,对于偏远地区来说成本巨大,且受灾害影响严重。卫星通信系统具有覆盖范围广,建设成本与距离无关的特点,能够很好解决地面通信系统存在的问题。卫星通信系统凭借其容量大、低时延、频谱利用率高的特点,可以很好的满足人们的通信需求。卫星通信系统作为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其发展的关键因素。因此,为了满足宽带高速业务以及卫星物联网的需求,多波束系统被提出。多波束系统采用多波束天线技术,其波束具有空间隔离和频率复用两大特点,是解决资源受限问题的有效途径。此外,还需要通过高效的资源管理方法来提升系统资源利用率,从而提升系统性能。本文重点研究多波束系统中基于跳波束的资源分配问题,跳波束中波束工作时隙短,调度灵活,可以更好的满足通信系统动态资源分配的需求。论文研究了低轨卫星系统中基于跳波束的资源分配算法。首先提出了一种基于多目标优化的跳波束资源分配算法。多波束卫星系统采用跳波束工作方式,应用凸优化中多目标优化函数将系统业务量请求等效为时隙资源的分配问题,其次针对系统中频率、功率以及波束多种维度的资源相互关联、相互制约的特点,进行整体的资源分配与调度,设计基于业务优先级、公平性、系统容量最大化约束的时隙、频率、波束联合分配方案。仿真结果表明,在不同业务分布情况下,本文算法在系统吞吐性能以及时延性能均优于轮询波束分配方式。其次,本文提出了一种基于深度强化学习的跳波束资源分配算法。将资源分配建模为马尔科夫决策过程,将通信系统中的业务量请求、等待时延以及波束调度抽象描述为状态重构。利用提取出的状态构建神经网络,以最优化实时数据时延和系统吞吐量为目标,应用深度Q网络算法学习该网络,通过大量的随机状态输入与多次迭代,训练得出稳定的波束分配策略。仿真结果表明,该方法时延及吞吐量性能优于随机波束分配算法、基于遗传算法的波束分配方法以及第三章提出的多目标优化算法。并且,该算法对于解决服务场景变化快、业务类型复杂的低轨卫星系统资源管理问题具有明显优势。

关键词：低轨卫星网络跳波束资源分配多目标优化强化学习

基于跳波束技术的高通量卫星的资源分配方法研究

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基于跳波束技术的高通量卫星的资源分配方法研究

作者：王琳南京邮电大学

学位级别：硕士

卫星通信作为地面通信强有力的补充,以其覆盖范围广、传输距离远、频带宽、适应性强等特点,得到越来越广泛的应用。为了满足不断增长的业务量需求,高通量卫星应运而生,其波束的覆盖面积和蜂窝相对更大,可以补充和扩展密集的地面网络。... 详细信息

卫星通信作为地面通信强有力的补充,以其覆盖范围广、传输距离远、频带宽、适应性强等特点,得到越来越广泛的应用。为了满足不断增长的业务量需求,高通量卫星应运而生,其波束的覆盖面积和蜂窝相对更大,可以补充和扩展密集的地面网络。由于业务类型的多样性,多波束卫星传统的固定资源分配方式容易造成卫星的功能受限和资源浪费。为了有效地利用星上资源,国内外许多学者对资源分配做了深入的研究,提出了一种从时域对卫星资源进行优化的跳波束技术,其资源分配算法和跳跃的波束图案设计也成为研究的热点。但现有的研究中存在频谱利用率低,同频干扰严重,计算量复杂,资源浪费,高业务量请求的波束不能被满足,波束的时隙分配离散,技术概念比较抽象等问题。针对以上问题,本文在首先在业务模型方面使用了全频率复用,在资源分配方面,簇间根据每个簇的业务量需求进行功率分配,簇内在时隙分配中对凸优化算法进行改进,使用组合算法完成时隙的再分配。仿真结果表明,改进后的算法提高了业务满意度,降低了计算复杂度,减少了资源的浪费,使得分配的时隙更能满足业务量的动态需求。其次以预分配为基础,以空分+时分的干扰避免机制为限制,结合高业务量波束优先分配准则进行跳波束图案设计,结果表明高业务量需求的波束得到了满足,单个波束的时隙分配也相对连续。最后本文基于STK+Matlab平台完成资源分配算法的场景展示,实现场景的建立、波束业务量需求的产生、资源的分配、波束的跳变等一系列过程,直观地展示该技术的灵活性,进一步验证算法的可行性和有效性。

关键词：卫星通信跳波束同频干扰资源分配跳波束图案