面向星地一体化网络的多粒度干扰管控方法

1.本发明属于通信技术领域，更进一步涉及一种多粒度干扰管控方法，可用于缓存受限的星地一体化网络的干扰管理，为星地一体化网络的接入设计提供指导。


背景技术：

2.近年来，无线移动数据流量需求呈现指数级增长的趋势，传统地面网络受限于基站的部署成本，难以实现广域全覆盖。同时随着用户对数据流量需求的增加，单纯的信号覆盖已经不能满足用户的要求，需要从信号覆盖向容量覆盖转变，而传统地面网络受制于回程容量的影响，难以提升整网的接入容量。由低轨卫星网络和地面网络融合构成的星地一体化网络成为解决容量覆盖问题的一种有潜力的解决方案，受到了人们的广泛关注。星地一体化网络通过部署超密集低轨卫星星座并与传统地面网络协同以提升网络接入容量，可以为边远地区提供信号覆盖，为热点地区提供高质量服务，在提供通信广度的同时，也保证了通信质量。随着未来信息服务对多维综合信息资源的需求逐步提升，国家战略安全、防灾减灾、航空航天航海、教育医疗、环境监测、交通管理这些领域的服务高效运行都将依赖于空、天、地多维信息的综合应用。在这样的背景下，建设星地一体化网络，深度融合天基网络、地基网络，充分发挥不同网络维度的功能，可以打破各自独立的网络系统之间数据共享的壁垒，实现广域全覆盖和网络的互联互通，将引发前所未有的信息革命。
3.尽管通过星地一体化网络能有效的提升网络的接入用户数和接入容量，为地面提供容量覆盖，但是在网络中会不可避免地会出现多种干扰。在卫星系统为地面用户服务时，不仅存在系统内的干扰，如不同轨道面、不同卫星之间的干扰；还存在与其他系统之间的干扰，如高低轨卫星系统之间的干扰、卫星系统与地面系统之间的干扰。这些干扰会严重影响用户的通信质量和网络的接入能力，因此，如何充分利用有限资源，针对网络中干扰提出有效的干扰管控方法，对系统间切换进行切换规避、对系统内干扰进行协调，成为星地一体化网络亟待解决的关键问题。
4.现有的干扰管控技术仅针对单一类型干扰，并未广泛地对星地网络中的复杂干扰展开研究。目前针对系统内干扰的管控，主要采用功率控制方法，其是将问题转化为一个以系统发射功率为优化目标的优化问题，通过对比吞吐量来评价方案的性能。针对系统间干扰管控的研究，主要采用空间隔离的方法，通过设置隔离区来避免高低轨卫星间的干扰，但是这种方法是以牺牲通信质量为代价的，在隔离区内低轨卫星不能正常通信。
5.文献《resource allocation in terrestrial-satellite-based next generation multiple access networks with interference cooperation》中研究了基于上行链路缓存的noma地面-卫星网络，其使用相同的频谱进行地面用户与卫星用户的通信，且由卫星为地面基站提供回程链路，并通过蜂窝用户的到达速率和基站对卫星造成的跨层干扰构造效用函数，再以最大化效用函数为目标，联合优化用户关联、带宽分配和功率分配。但是，该技术中并未考虑卫星的密集部署，也未涉及到高低轨卫星之间的共线干扰问题，没有兼顾用户的高效接入和高轨资源的有效保护。
6.哈尔滨工业大学在其申请号为：cn201711009842.3的专利文献中公开了一种“星地一体化网络中基于干扰避免的资源分配方法”。该方法主要针对地面终端上行链路对卫星进行干扰的情况，提出采用隔离度进行分级排序并向用户分配资源，保证了网络的吞吐量和小区簇之间的公平性。但是，该方法由于没有将卫星的移动性管理和资源分配相结合，导致网络的回程容量提升有限，同时由于该方法忽略了卫星系统内部的星间干扰，导致网络的下行合速率提升有限。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对上述现有干扰管控方法现有的不足，提出一种面向星地一体化网络的多粒度干扰管控方法，以解决由系统内同频干扰和系统间共线干扰引起的网络接入能力下降的问题，提升星地一体化网络的接入容量和下行合速率。
8.为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：
9.(1)初始化网络模型：
10.(1a)设置包括n
tbs
个基站，n
gu
个地面用户和n
sat
颗低轨卫星的星地一体化网络模型，每个基站拥有k个独立可分配的子载波，带宽为b；
11.(1b)初始化网络模型中地面基站集合m、地面用户集合j、低轨卫星集合s和拉格朗日算子λ分别为：
12.m＝{(tbsm)，m＝1，2，...，n
tbs
}，j＝{(guj)，j＝1，2，...，n
gu
}，
13.s＝{(sats)，s＝1，2，...，n
sat
}，λ＝{λi|i＝1，2，...，n
tbs
}；
14.(2)根据当前时刻卫星网络中链路状态对卫星网络资源进行最佳的资源调度，实现星座系统内部和系统间的干扰管理：
15.(2a)计算当前时刻可视范围内的卫星与地面通信链路的链路损耗；
16.(2b)根据链路状态对卫星网络资源进行最佳的资源调度，生成卫星资源调度矩阵x；
17.(2c)计算高轨卫星地面站的载波干扰信噪比cinr，设置地面站正常工作门限cinr
th
并判断cinr是否小于等于cinr
th
：
18.若是，则执行(2d)；
19.否则，不执行切换，跳转至(3)；
20.(2d)进行低轨卫星切换，使高轨卫星地面站的cinr高于阈值cinr
th
，更新资源调度矩阵x；
21.(3)根据卫星资源调度矩阵x，计算每个基站获得的回程容量；
22.(4)根据当前时刻地面网络中链路状态对地面网络资源进行最佳的资源调度：
23.(4a)将用户与距离最近的基站进行关联，计算地面网络链路的路径损耗pl；
24.(4b)根据用户的请求内容信息划分本地用户和回程用户；
25.(4c)计算每个基站消耗的回程资源um；
26.(4d)根据(4a)和(4b)的结果对子信道进行分配，生成地面资源调度矩阵b；
27.(5)计算地面用户的下行速率：
28.(5a)根据地面链路增益h和资源调度矩阵b对地面用户进行功率分配；
29.(5b)根据(5a)得到的功率分配结果计算每个地面用户的下行速率rj；
30.(6)根据当前时刻卫星网络资源调度矩阵x和地面网络资源调度矩阵b，迭代更新拉格朗日算子λ：
31.(6a)判断每个基站所消耗的回程资源um是否大于从卫星获取的回程容量cm：
32.若是，则执行(6b)；
33.否则，根据地面用户下行速率的升序将用户逐个移除出去直至约束被满足，更新卫星网络资源调度矩阵x和地面网络资源调度矩阵b；
34.(6b)使用梯度下降法将拉格朗日算子更新为其中，λ
(t)
为第t次迭代的拉格朗日算子，θ
(t)
是单调递减指数函数，表示关于λ的梯度；
35.(6c)设置拉格朗日迭代收敛参数ε，计算第t+1次迭代指数函数的值θ
(t+1)
，判断是否满足收敛条件|θ
(t+1)-θ
(t)
|≤ε：
36.若是，则输出经过干扰管理的卫星网络资源分配结果x和地面网络资源分配结果b；
37.否则，返回(6b)。
38.本发明与现有技术相比，具有如下优点：
39.第一，本发明兼顾地面用户的接入和高轨卫星的正常运行，考虑到了系统内的同频干扰及系统间的高低轨卫星共线干扰等多种类型干扰，通过对卫星网络资源和地面网络资源的调度，实现了系统内干扰的消除和系统间干扰的规避，提升了星地一体化网络的下行合速率；
40.第二，本发明将资源分配和卫星星间切换相结合进行星地一体化网络中的干扰管理，利用大规模卫星网络中频繁切换的特点，设计了高效的低轨卫星切换方案，在星上资源有限的情况下，提升了卫星星座系统的接入容量，实现了有效的容量覆盖。
附图说明
41.图1是本发明的实现流程图；
42.图2是本发明中的星地一体化网络场景示意图；
43.图3是本发明在不同用户密度情况下下行合速率的仿真结果图；
44.图4是本发明和现有技术下高轨卫星地面站处的载波干扰噪声比仿真结果图；
45.图5是本发明与其他干扰管控方案得到的接入容量的仿真结果图。
具体实施方式
46.下面参照附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
47.参照图2，本实例实现的场景包含一颗高轨卫星ge0、多颗低轨卫星leo、多个地面基站tbs和多个地面用户gu，基站缓存一定数量的网络文件，地面用户与距离最近的基站关联，并且独立地向关联的基站请求文件；低轨卫星为地面基站提供回程服务；通过对地面网络和卫星网络的资源进行调度实现对系统内和系统间干扰的管控。
48.参照图1，本实例的实现步骤如下：
49.步骤1，初始化网络模型。
50.1.1)设置包括n
tbs
个基站，n
gu
个地面用户和n
sat
颗低轨卫星的星地一体化网络模
型，每个基站拥有k个独立可分配的子载波，带宽为b；
51.1.2)初始化网络模型中地面基站集合m、地面用户集合i、低轨卫星集合s和拉格朗日算子λ分别为：
52.m＝{(tbsm)，m＝1，2，...，n
tbs
}，j＝{(guj)，j＝1，2，...，n
gu
}，
53.s＝{(sats)，s＝1，2，...，n
sat
}，λ＝{λi|i＝1，2，...，n
tbs
}；
54.步骤2，根据当前时刻卫星网络中链路状态对卫星网络资源进行最佳的资源调度，实现星座系统内部和系统间的干扰管理。
55.2.1)计算当前时刻可视范围内的卫星与地面通信链路的链路损耗，链路损耗可由下式计算：
[0056][0057]
其中l1是莱斯衰落系数，d
s，m
表示第s颗卫星和第m个基站之间的距离，l
p
(d
s，m
)为自由空间路径损耗，ac和ar分别表示云衰和雨衰，k
s，m
表示卫星天线的偏移角，g
t
(k
s，m
)和gr(k
s，m
)为天线在偏移角k
s，m
处的发射增益和接收增益。
[0058]
2.2)根据链路状态对卫星网络资源进行最佳的资源调度，生成卫星资源调度矩阵x：
[0059]
2.2.1)初始化卫星网络资源调度决策变量x，其中x
s，m，k
是卫星链路关联的决策变量，若基站m通过子载波k接入到低轨卫星s，则b
s，m，k
＝1；否则b
s，m，k
＝0；
[0060]
2.2.2)为卫星网络链路子信道匹配一组具备最佳信道的地面用户和地面基站(m
*
，s
*
)：
[0061][0062]
其中，m
un
是匹配未达上限基站的集合未匹配的地面基站集合，n
un，k
是基站在卫星链路子信道上所有超出信噪比门限且未匹配的卫星集合，h
s，m，k
为基站m与卫星s之间在卫星链路子信道k上的信道功率增益；
[0063]
2.2.3)为每个地面基站匹配nr个卫星网络链路子信道，如果地面基站接收到超出nr个卫星链路子信道，则按照信道质量的降序选择前nr个子信道；
[0064]
2.2.4)为每一个匹配成功的基站和卫星-子信道对，设置如下偏好函数：
[0065][0066]
其中为卫星s
p
与基站m
p
之间在地面链路信道k上的增益，为卫星s与基站m
p
之间在地面链路信道k上的增益；
[0067]
2.2.5)根据偏好函数为每一对已经匹配的卫星-基站匹配对选择小功率增益的潜在卫星-基站匹配对(m
′
，s
′
)和大功率增益的潜在卫星-基站匹配对的(m
′
，s
′g)，其中：
[0068][0069]
[0070]
其中，是卫星链路子信道k上未匹配的卫星集合，是和基站m在链路子信道k上的信道功率增益大于h
s，m，k
的未匹配的卫星集合；
[0071]
2.2.6)将链路子信道k上的候选匹配对(m
′
，(s
′
，k))和(m
′
，(s
′g，k))构成备选集合zk；
[0072]
2.2.7)为每个子信道设置如下效用函数：
[0073][0074]
其中b
ka
是ka波段子信道的带宽，x
s，m，k
是当前卫星网络链路资源调度的结果，p是低轨卫星的发射功率，是卫星受到的同频干扰，σ2是噪声功率；
[0075]
2.2.8)根据效用函数为每一个子信道从备选集合zk中选择当前最佳的卫星-基站匹配对，并更新卫星网络链路资源调度矩阵x；
[0076]
2.2.9)重复2.2.6)至2.2.8)，直到所有已匹配的卫星-基站匹配对的匹配偏好不再有效，得到最佳的卫星网络链路资源调度矩阵x。
[0077]
2.3)计算高轨卫星地面站的载波干扰信噪比cinr，设置地面站正常工作门限cinr
th
并判断cinr是否小于等于cinr
th
：
[0078]
2.3.1)计算2.2)中得到的卫星网络链路资源调度矩阵x中已经匹配的卫星数目ns；
[0079]
2.3.2)计算高轨卫星地面站的载波干扰信噪比cinr，其公式为：
[0080][0081]
其中p
t
为高轨卫星的发射功率，p为低轨卫星的发射功率，ns为卫星网络链路资源调度矩阵x中已经匹配的卫星数目，g
tns
(θ
1s
)和g
nre
(θ
2s
)分别为第s颗低轨卫星发射天线从视向和高轨卫星地面站接收天线从视向的增益，lf为自由空间的路径损耗，k为玻尔兹曼常数，t
rge
是高轨卫星地面站天线的接收噪声温度，b为带宽。
[0082]
2.3.3)设置地面站正常工作门限cinr
th
并判断cinr是否小于等于cinr
th
：
[0083]
若是，则执行2.4)；
[0084]
否则，不执行切换，跳转至步骤3；
[0085]
2.4)进行低轨卫星切换，使高轨卫星地面站的cinr高于阈值cinr
th
，更新资源调度矩阵x：
[0086]
2.4.1)计算可视范围内低轨卫星对高轨卫星地面站的干扰i：
[0087]is
＝hs·
p
[0088]
其中，is为第s颗低轨卫星对高轨卫星地面站的干扰，p为低轨卫星的发射功率，hs为高轨卫星地面站与卫星s之间在卫星链路子信道上的信道功率增益；
[0089]
2.4.2)将2.4.1)中计算的所有i按降序排列，将对高轨卫星地面站干扰最强的低轨卫星从资源调度矩阵x中移除；
[0090]
2.4.3)根据效用函数为未匹配的地面基站从备选集合zk中选择当前最佳的卫星
进行匹配，并更新卫星网络链路资源调度矩阵x；
[0091]
2.4.4)根据更新后卫星网络链路资源调度矩阵x，计算高轨卫星地面站的载波干扰信噪比cinr，判断是否小于等于正常工作的阈值cinr
th
：
[0092]
若是，则结束切换；
[0093]
否则，返回2.4.2)。
[0094]
步骤3，根据卫星资源调度矩阵x，计算每个基站获得的回程容量cm。
[0095]
3.1)根据卫星资源调度矩阵x，计算每个基站获得的回程容量cm，其公式为：
[0096][0097]
其中cm为第m个地面基站的卫星回程容量，nk为基站中子信道的个数，b
ka
是ka波段上每个子信道的带宽，p是低轨卫星发射的功率，x
s，m，k
是卫星网络资源调度结果，是卫星网络资源调度结果，为系统内同频干扰，σ2为噪声功率。
[0098]
步骤4，根据当前时刻地面网络中链路状态对地面网络资源进行最佳的资源调度。
[0099]
4.1)将用户与距离最近的基站进行关联，计算地面网络链路的路径损耗pl：
[0100]
4.1.1)计算用户和基站之间的距离d，将用户与距离最近的基站进行关联；
[0101]
4.1.2)计算地面网络链路的路径损耗，其公式为：
[0102]
pl＝36.7log
10 d+26log
10 fc+22.7
[0103]
其中d表示用户与基站之间的距离，fc表示c波段上的载波频率。
[0104]
4.2)根据用户的请求内容信息划分本地用户和回程用户：
[0105]
4.2.1)每个地面基站随机缓存网络中的n份文件，用vm表示基站的文件缓存情况；
[0106]
4.2.2)每个用户以服从zipf分布的请求概率独立地向网络请求文件，ξj为用户请求文件的情况；
[0107]
4.2.3)判断用户请求的文件是否被最近的基站缓存：
[0108]
若是，则用户被划分为本地用户；
[0109]
否则，用户被划分为回程用户。
[0110]
4.3)计算每个基站消耗的回程资源um，其公式如下：
[0111][0112]
其中nc为子信道个数，vm为基站的文件缓存情况，ξj为用户请求文件的情况，u
back
为每个用户消耗的回程资源。
[0113]
4.4)对子信道进行分配，生成地面资源调度矩阵b，；
[0114]
4.4.1)初始化地面网络资源调度矩阵b，b
m，j，c
是地面链路关联的决策变量，若地面用户j通过子载波c接入到基站m，则b
m，j，c
＝1，否则b
m，j，c
＝0；
[0115]
4.4.2)为地面链路子信道匹配一组具备最佳信道质量的地面用户和地面基站(j
*
，m
*
)：
[0116]
[0117]
其中，j
un
表示未匹配的用户集合，h
m，j，c
为基站m与用户j之间在地面链路子信道c上的信道功率增益；
[0118]
4.4.3)为每个匹配的用户j和基站-子信道对(m，c)设置偏好函数：
[0119][0120]
其中为地面用户j
p
与基站m
p
之间在地面链路信道c上的增益，为地面用户j
p
与基站m之间在地面链路信道c上的增益；
[0121]
4.4.4)为本地用户和回程用户根据偏好函数选择最优的基站进行匹配，得到最优匹配对(j
′
，m
′
l
)和(j
′
，m
′b)，其中：
[0122][0123][0124]
其中，和分别表示未匹配的本地用户组和回程用户组，是子信道c上的未匹配基站的集合；
[0125]
4.4.5)将每个子信道c中所有的(j
′
l
，(m
′
，c))和(j
′b，(m
′
，c))集合构成备选集和
[0126]
4.4.6)为地面链路子信道c设置如下效用函数：
[0127][0128]
其中b
m，j，c
为地面网络链路资源调度变量；
[0129]
4.4.7)判断每一个链路子信道c的效用函数的值是否为正值：
[0130]
若是，则根据该效用函数从备选集中选出最佳的匹配对；
[0131]
否则，更新效用函数，得到如下新的效用函数，并根据新效用函数从备选集中选择候选匹配对，
[0132]
其中新效用函数表示为：rj为每个地面用户的下行速率，vm为基站的文件缓存情况，ξj为用户请求文件的情况，u
back
为每个用户消耗的回程资源；
[0133]
4.4.8)返回4.4.6)，直到所有用户都已分配地面链路子信道或者所有地面链路子信道的效用函数不再有效，得到最佳的地面网络链路资源调度矩阵b。
[0134]
步骤5，计算地面用户的下行速率rj。
[0135]
5.1)根据地面链路增益h和资源调度矩阵b对地面用户进行功率分配：
[0136]
5.1.1)根据资源调度矩阵b计算每个基站接入的用户数n
m-gu
；
[0137]
5.1.2)对每一个地面链路子信道根据注水算法进行功率资源的分配，得到功率分配矩阵p，建立如下式所示的优化问题，优化目标是使得总的信道容量：
[0138][0139]
其中σ2代表噪声，n
m-gu
表示基站m接入的用户数，p
m，j
表示基站m分配给用户j的功率，h
m，j，c
为地面用户j与基站m之间在地面链路信道c上的增益。
[0140]
5.2)根据5.1)中的功率分配结果计算每个地面用户的下行速率rj，公式如下：
[0141][0142]
其中bc是c波段上每个子信道的带宽，p
m，j，c
是每个子信道分配到的功率，是每个子信道分配到的功率，为同信道干扰，σ2为噪声功率。
[0143]
步骤6，根据当前时刻卫星网络资源调度矩阵x和地面网络资源调度矩阵b，迭代更新拉格朗日算子λ。
[0144]
6.1)判断每个基站所消耗的回程资源um是否大于从卫星获取的回程容量cm：
[0145]
若是，则执行6.2)；
[0146]
否则，根据地面用户下行速率的升序将用户逐个移除出去直至约束被满足，更新卫星网络资源调度矩阵x和地面网络资源调度矩阵b；
[0147]
6.2)使用梯度下降法将拉格朗日算子更新为其中，λ
(t)
为第t次迭代的拉格朗日算子，θ
(t)
是单调递减指数函数，表示关于λ的梯度；
[0148]
6.3)设置拉格朗日迭代收敛参数ε，计算第t+1次迭代指数函数的值θ
(t+1)
，判断是否满足收敛条件|θ
(t+1)-θ
(t)
|≤ε：
[0149]
若是，则输出经过干扰管理的卫星网络资源分配结果x和地面网络资源分配结果b；
[0150]
否则，返回6.2)。
[0151]
本发明的效果可以通过以下仿真实验进一步说明：
[0152]
一，仿真条件
[0153]
本发明的软件平台为：windows 10操作系统和matlab r2018b。仿真实验场景为用户随机分布在一个3km
×
3km的区域，35个基站被统一固定部署。缓存策略为随机缓存，网络中共有50份流行文件，本地最大缓存容量为40份，即总量的80％。c波段带宽为100mhz，有273个子信道，ka波段带宽为400mhz，有8个子信道。地面网络采用城市微蜂窝损耗模型，卫星网络采用自由空间路径损耗模型。基于stk 11.6产生spacex卫星星座系统中的卫星实际轨迹数据。
[0154]
二.仿真内容
[0155]
仿真1：仿真本发明与现有贪婪算法和随机算法的下行合速率，结果如图3所示。
[0156]
图3的仿真结果显示，在用户密度较大时，本发明实现的下行合速率远大于其他两种方法，表明本发明能够有效提升系统的下行合速率。当用户密度为1600人/km2时，下行合速率至少提升157.3％。这是因为本发明考虑了系统内的同频干扰，用户可根据效用函数优先选择增益高且受干扰小的子信道提供服务，这样能显著提升接入用户数量和下行速率。
同时，由于本发明从多个粒度进行管控，通过对卫星网络的切换设计和资源分配设计，提升了系统的回程容量，使得更多的地面用户可以通过回程请求卫星的服务，使得系统的下行速率进一步得到提升。
[0157]
仿真2：仿真本发明和现有星内干扰管理方法的高轨卫星地面站载波干扰噪声比。结果如图4所示。其中图4(a)是现有星内干扰管理方法的高轨卫星地面站载波干扰噪声比随时间变化图，图4(b)是本发明的高轨卫星地面站载波干扰噪声比随时间变化图。
[0158]
从图4(a)和图4(b)可看出，现有星内干扰管理方法在第266时隙左右，高轨卫星地面站的cinr值急剧下降，表明其收到了低轨卫星的严重干扰，而本发明通过为地面站设置了阈值，使得高轨卫星的地面站的cinr保持在阈值之上保证卫星的正常运行。与现有星内干扰管理方法相比，本发明利用卫星的星间切换实现了低轨卫星业务的卸载，从而规避了可能发生的高低轨卫星共线干扰，保护了高轨卫星的正常运行。
[0159]
仿真3：仿真本发明和现有单粒度方法和随机资源分配方法的网络接入容量，结果如图5所示。
[0160]
图5的仿真结果显示：本发明将星间切换和资源分配结合起来对于系统的接入容量具有重要作用，相较于没有结合星间切换的单粒度方案和采用随机资源分配的方案分别提升15.9％和32.7％的接入容量。本发明通过星间切换与资源分配方案的结合，用户可以优先选择服务质量更好的卫星进行连接，并且获得合理分配的子信道资源，有效提升系统接入能力。另一方面，本发明设计的资源分配方案，通过引入串行干扰消除来避免消除系统内的同频干扰，相比于随机资源分配方案，能使卫星资源得到合理的分配和有效的利用，能够明显提升系统的接入容量。
[0161]
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并不构成对本发明的限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种星地一体化网络的多粒度干扰管控方法，其特征在于，包括如下：(1)初始化网络模型：(1a)设置包括n
tbs
个基站，n
gu
个地面用户和n
sat
颗低轨卫星的星地一体化网络模型，每个基站拥有k个独立可分配的子载波，带宽为b；(1b)初始化网络模型中地面基站集合m、地面用户集合j、低轨卫星集合s和拉格朗日算子λ分别为：m＝{(tbs
m
),m＝1,2,
…
,n
tbs
}，j＝{(gu
j
),j＝1,2,
…
,n
gu
}，s＝{(sat
s
),s＝1,2,
…
,n
sat
}，λ＝{λ
i
|i＝1,2,
…
,n
tbs
}；(2)根据当前时刻卫星网络中链路状态对卫星网络资源进行最佳的资源调度，实现星座系统内部和系统间的干扰管理：(2a)计算当前时刻可视范围内的卫星与地面通信链路的链路损耗；(2b)根据链路状态对卫星网络资源进行最佳的资源调度，生成卫星资源调度矩阵x；(2c)计算高轨卫星地面站的载波干扰信噪比cinr，设置地面站正常工作门限cinr
th
并判断cinr是否小于等于cinr
th
：若是，则执行(2d)；否则，不执行切换，跳转至(3)；(2d)进行低轨卫星切换，使高轨卫星地面站的cinr高于阈值cinr
th
，更新资源调度矩阵x；(3)根据卫星资源调度矩阵x,计算每个基站获得的回程容量；(4)根据当前时刻地面网络中链路状态对地面网络资源进行最佳的资源调度：(4a)将用户与距离最近的基站进行关联，计算地面网络链路的路径损耗pl；(4b)根据用户的请求内容信息划分本地用户和回程用户；(4c)计算每个基站消耗的回程资源u
m
；(4d)根据(4a)和(4b)的结果对子信道进行分配，生成地面资源调度矩阵b；(5)计算地面用户的下行速率：(5a)根据地面链路路径损耗pl和资源调度矩阵b对地面用户进行功率分配；(5b)根据(5a)得到的功率分配结果计算每个地面用户的下行速率r
j
；(6)根据当前时刻卫星网络资源调度矩阵x和地面网络资源调度矩阵b，迭代更新拉格朗日算子λ：(6a)判断每个基站所消耗的回程资源u
m
是否大于从卫星获取的回程容量c
m
：若是，则执行(6b)；否则，根据地面用户下行速率的升序将用户逐个移除出去直至约束被满足，更新卫星网络资源调度矩阵x和地面网络资源调度矩阵b；(6b)使用梯度下降法将拉格朗日算子更新为其中，λ
(t)
为第t次迭代的拉格朗日算子，θ
(t)
是单调递减指数函数，表示关于λ的梯度；(6c)设置拉格朗日迭代收敛参数ε，计算第t+1次迭代指数函数的值θ
(t+1)
，判断是否满足收敛条件|θ
(t+1)-θ
(t)
|≤ε：若是，则输出经过干扰管理的卫星网络资源分配结果x和地面网络资源分配结果b；
否则，返回(6b)。2.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述(2a)中计算当前时刻可视范围内的卫星与地面通信链路的链路损耗，其公式为：其中l1是莱斯衰落系数，d
s,m
表示第s颗卫星和第m个基站之间的距离，l
p
(d
s,m
)为自由空间路径损耗，a
c
和a
r
分别表示云衰和雨衰，k
s,m
表示卫星天线的偏移角，g
t
(k
s,m
)和g
r
(k
s,m
)为天线在偏移角k
s,m
处的发射增益和接收增益。3.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述(2b)中生成卫星资源调度矩阵x，其实现如下：2b1)初始化卫星网络资源调度决策变量x；2b2)为卫星网络链路子信道匹配一组具备最佳信道的地面用户和地面基站(m
*
,s
*
)：其中，m
un
是匹配未达上限基站的集合未匹配的地面基站集合，n
un,k
是基站在卫星链路子信道上所有超出信噪比门限且未匹配的卫星集合，h
s,m,k
为基站m与卫星s之间在卫星链路子信道k上的信道功率增益；2b3)为每个地面基站匹配n
r
个卫星网络链路子信道，如果地面基站接收到超出n
r
个卫星链路子信道，则按照信道质量的降序选择前n
r
个子信道；2b4)为每一个匹配成功的基站和卫星-子信道对，设置如下偏好函数：其中为卫星s
p
与基站m
p
之间在地面链路信道k上的增益，为卫星s与基站m
p
之间在地面链路信道k上的增益；2b5)根据偏好函数为每一对已经匹配的卫星-基站匹配对选择小功率增益的潜在卫星-基站匹配对(m
′
,s
′
)和大功率增益的潜在卫星-基站匹配对的(m
′
,s
′
g
)，其中：)，其中：其中，是卫星链路子信道k上未匹配的卫星集合，是和基站m在链路子信道k上的信道功率增益大于h
s,m,k
的未匹配的卫星集合；2b6)将链路子信道k上的候选匹配对(m
′
,(s
′
,k))和(m
′
,(s
′
g
,k))构成备选集合z
k
；2b7)为每个子信道设置如下效用函数：其中b
ka
是ka波段子信道的带宽，x
s,m,k
是当前卫星网络链路资源调度的结果，p是低轨卫
星的发射功率，是卫星受到的同频干扰，σ2是噪声功率；2b8)根据效用函数为每一个子信道从备选集合z
k
中选择当前最佳的卫星-基站匹配对，并更新卫星网络链路资源调度矩阵x；2b9)重复2b6)至2b8)，直到所有已匹配的卫星-基站匹配对的匹配偏好不再有效，得到最佳的卫星网络链路资源调度矩阵x。4.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述(2c)中计算高轨卫星地面站的载波干扰信噪比cinr，其公式为：其中p
t
为高轨卫星的发射功率，p为低轨卫星的发射功率，n
s
为卫星网络链路资源调度矩阵x中已经匹配的卫星数目，g
tns
(θ
1s
)和g
nre
(θ
2s
)分别为第s颗低轨卫星发射天线从视向和高轨卫星地面站接收天线从视向的增益，l
f
为自由空间的路径损耗，k为玻尔兹曼常数，t
rge
是高轨卫星地面站天线的接收噪声温度，b为带宽。5.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述(2d)中进行低轨卫星切换，实现如下：2d1)计算可视范围内低轨卫星对高轨卫星地面站的干扰i：i
s
＝h
s
·
p其中，i
s
为第s颗低轨卫星对高轨卫星地面站的干扰，p为低轨卫星的发射功率，h
s
为高轨卫星地面站与卫星s之间在卫星链路子信道上的信道功率增益；2d2)将2d1)中计算的所有i按降序排列，将对高轨卫星地面站干扰最强的低轨卫星从资源调度矩阵x中移除；2d3)根据效用函数为未匹配的地面基站从备选集合z
k
中选择当前最佳的卫星进行匹配，并更新卫星网络链路资源调度矩阵x；2d4)根据更新后卫星网络链路资源调度矩阵x，计算高轨卫星地面站的载波干扰信噪比cinr，判断是否小于等于正常工作的阈值cinr
th
：若是，则结束切换；否则，返回2d2)。6.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中计算每个基站获得的回程容量，其公式为：其中c
m
为第m个地面基站的卫星回程容量，n
k
为基站中子信道的个数，b
ka
是ka波段上每个子信道的带宽，p是低轨卫星发射的功率，x
s,m,k
是卫星网络资源调度结果，是卫星网络资源调度结果，为系统内同频干扰，σ2为噪声功率。7.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4a)中计算地面网络链路的路径损耗pl，其公式如下：pl＝36.7log
10
d+26log
10
f
c
+22.7
其中d表示用户与基站之间的距离，f
c
表示c波段上的载波频率。8.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，步骤(4b)中根据用户的请求内容信息划分本地用户和回程用户，实现如下：4b1)每个地面基站随机缓存网络中的n份文件；4b2)每个用户以服从zipf分布的请求概率独立地向网络请求文件；4b3)判断用户请求的文件是否被最近的基站缓存：若是，则用户被划分为本地用户；否则，用户被划分为回程用户。9.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，步骤(4c)中计算每个基站消耗的回程资源u
m
，其公式为：其中n
c
为子信道个数，v
m
为基站的文件缓存情况，ξ
j
为用户请求文件的情况，u
back
为每个用户消耗的回程资源。10.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，步骤(4d)中生成地面资源调度矩阵b，其实现如下：4d1)初始化地面网络资源调度矩阵b；4d2)为地面链路子信道匹配一组具备最佳信道质量的地面用户和地面基站(j
*
,m
*
)：其中，j
un
表示未匹配的用户集合，h
m,j,c
为基站m与用户j之间在地面链路子信道c上的信道功率增益；4d3)为每个匹配的用户j和基站-子信道对(m,c)设置偏好函数：其中为地面用户j
p
与基站m
p
之间在地面链路信道c上的增益,为地面用户j
p
与基站m之间在地面链路信道c上的增益；4d4)为本地用户和回程用户根据偏好函数选择最优的基站进行匹配，得到最优匹配对(j
′
,m
′
l
)和(j
′
,m
′
b
)，其中：)，其中：其中，和分别表示未匹配的本地用户组和回程用户组，是子信道c上的未匹配基站的集合；4d5)将每个子信道c中所有的(j
′
l
,(m
′
,c))和(j
′
b
,(m
′
,c))集合构成备选集和4d6)为地面链路子信道c设置如下效用函数：
其中b
m,j,c
为地面网络链路资源调度变量；4d7)判断每一个链路子信道c的效用函数的值是否为正值：若是，则根据该效用函数从备选集中选出最佳的匹配对；否则，更新效用函数，得到如下新的效用函数，并根据新效用函数从备选集中选择候选匹配对，其中新效用函数表示为：r
j
为每个地面用户的下行速率，v
m
为基站的文件缓存情况，ξ
j
为用户请求文件的情况，u
back
为每个用户消耗的回程资源；4d8)返回4d6)，直到所有用户都已分配地面链路子信道或者所有地面链路子信道的效用函数不再有效，得到最佳的地面网络链路资源调度矩阵b。11.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于：所述步骤(5a)中根据地面链路路径损耗pl和资源调度矩阵b对地面用户进行功率分配，其实现如下：5a1)根据资源调度矩阵b计算每个基站接入的用户数n
m-gu
；5a2)对每一个地面链路子信道根据注水算法进行功率资源的分配，得到功率分配矩阵p，建立如下式所示的优化问题，优化目标是使得总的信道容量：其中σ2代表噪声，n
m-gu
表示基站m接入的用户数，p
m,j
表示基站m分配给用户j的功率，h
m,j,c
为地面用户j与基站m之间在地面链路信道c上的增益。12.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于：所述步骤(5b)中根据(5a)得到的功率分配结果计算每个地面用户的下行速率r
j
，其公式如下：其中b
c
是c波段上每个子信道的带宽，p
m,j,c
是每个子信道分配到的功率，是每个子信道分配到的功率，为同信道干扰，σ2为噪声功率。

技术总结
本发明公开一种面向星地一体化网络的多粒度干扰管理方法，主要解决现有技术管控干扰类型单一的问题，其实现方案是：初始化网络模型；根据卫星网络链路状态对卫星网络进行资源调度；根据卫星网络资源调度结果计算每个基站的回程容量；根据地面网络链路状态对地面网络资源进行资源调度；迭代更新网络参数，得到经干扰管理后的卫星和地面网络资源分配结果。本发明利用系统内和系统间干扰的不同特征，通过资源调度实现系统间干扰规避和系统内干扰协调，提高了网络资源的使用效率，通过本发明将网络干扰划分为多个粒度且进行联合管理，提升了系统回程容量和下行合速率，保障了星地一体化网络的接入能力，可用于缓存受限的星地一体化网络的干扰管理。化网络的干扰管理。化网络的干扰管理。


技术研发人员：盛敏 张子越 刘俊宇 史琰 李建东 白卫岗 张立文
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/28