一种低轨卫星中的低时延跳波束资源分配方法

1.本发明涉及卫星中的低时延跳波束资源分配方法，更详细地说涉及低轨卫星中的低时延跳波束资源分配方法。


背景技术：

2.随着互联网应用需求的不断增长，未来移动通信的目标是提供无缝覆盖、提高业务可靠性和网络可扩展性。卫星通信系统覆盖范围广、容量大、传输距离远、频谱利用率高、地理环境不受限制等特点，较好地解决了目前地面通信系统存在的问题，已成为天地一体化网络建设和发展的重要组成部分。卫星通信系统能够为自然灾害通信提供波束内远程终端之间的预测、预防、恢复等通信服务和卫星互联网、远程学习、远程医疗等卫星多媒体服务，也能够向人口稀少的偏远地区提供宽带连接和为更广阔地理区域提供广播电信服务。根据卫星轨道高度，将卫星划分为极低地球轨道卫星(very low earth orbit，vleo)、低地球轨道卫星(low earth orbit，leo)、中地球轨道卫星(medium earth orbit，meo)、静止/同步地球轨道卫星(geostationary/geosynchronous earth orbit，geo/gso)和高椭圆轨道卫星(highly elliptical orbit，heo)，本发明旨在leo卫星场景下的低时延跳波束资源分配方法。
3.跳波束技术的时间碎片化机制改变了传统多波束系统在卫星上的固定资源分配，在业务按需应变的需求驱动下，满足业务类型的多样性和分布的时空不均匀性，增加系统容量和提高系统整体性能，已经成为了卫星通信系统的一项关键技术。跳波束系统由网络控制中心、网关、跳波束卫星和各种地面用户终端组成，利用时间切片可以有效地提高带宽和功率等稀缺卫星资源的使用效率，更好地满足用户的动态业务需求。同时，跳波束中波束具有空间隔离和频率复用两大特点，波束工作时隙短，系统资源调度灵活，有效解决了卫星资源受限的问题。
4.卫星通信系统时延高、多普勒频移大、卫星平台功率有限，容量难以分析，且时间、频率、功率等资源管理困难，给卫星网络的发展带来了严峻的挑战。跳波束技术可以灵活分配系统资源，实现卫星通信系统的按需覆盖。然而，目前的大多数研究主要集中在系统容量的提高，而忽略了用户延迟和服务质量的优化，因此综合考虑一种既能提高系统传输速率，又能优化用户延迟提高用户体验的资源分配方案，有待深入研究。其次，卫星通信中波束间干扰对通信质量和功率分配带来极大的困扰，而直接忽略干扰因素所进行的优化难以投入实际工程，因此，考虑提出一种性能好、复杂度低且可实行性高的功率分配算法亟待解决。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的缺陷，本发明提出一种低轨卫星中的低时延跳波束资源分配方法。
6.所述低时延跳波束资源分配方法，包括以下步骤：
7.步骤1.根据最大延迟准则和串行的方式选择将要提供服务的用户；
8.步骤2.考虑相邻小区间存在干扰的情况，基于用户延迟最大和串行的用户选择方法，选择延迟最大的用户；
9.步骤3.采用两阶段功率分配的方法平衡不同用户之间的延迟值，以最小化所有用户间的最大延迟。
10.进一步地，步骤1中，所述根据最大延迟准则和串行的方式选择将要提供服务的用户，具体为：
11.为了使每个跳波束周期的最大延迟最小化，基于最大延迟准则进行用户排序，第n个用户在第i个时隙结束时的延迟表示为下式(1)：
[0012][0013]
上式中，ts为每个时隙的长度，表示第n个用户第i-1个时隙结束时的剩余业务量，b表示系波束带宽，n0表示噪声功率谱密度；表示波束分配情况，如果第k个波束在第i个时隙分配给第n个用户，令否则h
nk
和分别表示信道增益和发射功率；
[0014]
为了减少之前时隙的业务传输所引起的延迟，在每个时隙的所有用户中选择k个当前延迟值最大的用户，表示为下式(2)：
[0015][0016]
上式(2)中，k
(k)
即为选择出来的用户编号。
[0017]
进一步地，步骤2中，考虑相邻小区间存在干扰的情况，基于用户延迟最大和串行的用户选择方法，选择延迟最大的用户，包括以下步骤：
[0018]
步骤2.1在所有用户中选择延迟最大的一个用户1；
[0019]
步骤2.2在不相邻的其他用户中选择延迟最大的用户2；
[0020]
步骤2.3在与用户1、2不相邻的其他用户中选择延迟最大的用户3，直到选择完k个用户；
[0021]
步骤2.4选择至小于k个不相邻用户，直至当只剩下两个相邻用户的情况时，逐一进行服务，直到所有用户均完成服务或者跳周期结束，结束本次跳波束资源分配。
[0022]
进一步地，步骤3中，所述采用两阶段功率分配的方法平衡不同用户之间的延迟值，以最小化所有用户间的最大延迟，包括以下步骤：
[0023]
步骤3.1采用总传输速率最大化法算法(total rate maximization，trm)：
[0024]
为了使所选用户在每个时刻的总速率最大化，功率分配如下式(3)所示：
[0025][0026][0027][0028]
[0029]
上式(3)中：表示在当前时隙中所选择的用户的集合，当忽略单波束功率和实际剩余业务的约束时，根据注水定理(自适应地分配功率，信道状况好，分配功率大，信道状况差，分配功率少，以最大化传输速率)直接求解，即功率分配为下式(4)：
[0030][0031]
实际剩余业务的约束转化为则考虑单波束功率和实际剩余业务的约束之后，最终的trm功率分配为下式(5)：
[0032][0033]
上式(5)中：
[0034]
步骤3.2为了使所有用户的最大排队延迟最小化，二分法功率分配的结果通过以下步骤给出：
[0035]
步骤3.2.1初始化：误差门限ε，功率变化值δp，用户数u，所选用户等功率分配下的当前剩余业务量以及累计延迟总功率约束p
t
，单波束功率约束pm；
[0036]
步骤3.2.2找到功率分配不为0的用户集合
[0037]
步骤3.2.3令
[0038]
步骤3.2.4令
[0039]
步骤3.2.5计算此时的用户延迟和
[0040]
步骤3.2.6若或令和δp＝δp/2；
[0041]
步骤3.2.7若δp＞ε，继续步骤3.2.2；否则，计算此时的功率分配下的剩余业务量继续步骤3.2.8；
[0042]
步骤3.2.8遍历所选用户，若则根据信道容量公式计算该用户所需的功率并且令
[0043]
步骤3.2.9遍历所选用户，若且则令p＝0；若且则令
[0044]
步骤3.3结合用户排序和用户选择，采用累积时延感知功率分配算法(accumulated delay-aware，ada)，按照以下步骤求得跳波束周期结束后所有用户的累积延迟：
[0045]
步骤3.3.1初始化：用户业务需求量时隙数量i，最大波束数k，用户集合总功率约束p
t
，单波束功率约束pm，i＝1；
[0046]
步骤3.3.2若i＜i+1并且则根据基于延迟最大准则的用户排序方法和基于串行的用户选择方案从集合中选择出k个用户放入集合计算此时的功率分配下的剩余业务量继续步骤3.3.3；否则，继续步骤3.3.5；
[0047]
步骤3.3.3若则将该用户从集合中删除，继续步骤b)；否则，令i＝i+1，继续步骤3.3.4；
[0048]
步骤3.3.4根据trm算法得到功率分配结果继续步骤3.3.2；
[0049]
步骤3.3.5若i＜i+1并且则根据基于串行的用户选择方案和基于延迟最大准则的用户排序准则从集合中选择出k个用户放入集合继续步骤3.3.6；否则，结束此算法步骤；
[0050]
步骤3.3.6使用二分法功率分配算法步骤求得和
[0051]
步骤3.3.7计算此时的功率分配下的剩余业务量并且令i＝i+1，继续步骤3.3.5，
[0052]
则第n个用户在跳波束周期结束后的累积延迟为下式(6)：
[0053][0054]
上式(6)中：表示第n个用户在跳波束周期开始时的初始业务需求。
[0055]
进一步地，步骤3中，所述两阶段功率分配为累积时延感知功率分配(ada功率分配)，即第一阶段使用trm功率分配，第二阶段使用二分法功率分配。
[0056]
本发明所述一种低轨卫星中的低时延跳波束资源分配方法具有以下优越技术效果：
[0057]
1.本发明所述一种低轨卫星中的低时延跳波束资源分配方法将用户排队延迟作为目标进行功率分配，调度总体资源，从而联合优化通信资源的消耗和用户服务质量。
[0058]
2.本发明所述一种低轨卫星中的低时延跳波束资源分配方法的资源分配充分考虑了总传输功率的约束，在考虑波束间干扰的情况下，最小化低轨卫星场景中所有用户之间的最大累积延迟，确保了不同用户间的公平性。
[0059]
3.本发明所述一种低轨卫星中的低时延跳波束资源分配方法与传统算法相比，提出的资源分配方法能够显著降低每个跳波束周期内所有用户之间的最大延迟，在提高用户服务质量的同时，还兼顾了不同用户之间的公平性。
[0060]
4.本发明所述一种低轨卫星中的低时延跳波束资源分配方法提出的算法，无论小区数目多少、最大的工作波束数量或者总传输功率过大过小，均具备良好的性能，算法的稳定性好。
附图说明
[0061]
图1为本发明所述低轨卫星中的低时延跳波束资源分配方法与对照方法下最大用户延迟与总发射功率的关系图。
具体实施方式
[0062]
下面结合说明书附图1对本发明所述低轨卫星中的低时延跳波束资源分配方法的具体实施方式进行详细描述。
[0063]
实施例：
[0064]
所述低轨卫星中的低时延跳波束资源分配方法，包括：
[0065]
步骤1.根据最大延迟准则和串行的方式选择将要提供服务的用户；
[0066]
为了使每个跳波束周期的最大延迟最小化，基于最大延迟准则进行用户排序，第n个用户在第i个时隙结束时的延迟表示为下式(1)：
[0067][0068]
上式中，ts为每个时隙的长度，表示第n个用户第i-1个时隙结束时的剩余业务量，b表示系波束带宽，n0表示噪声功率谱密度；表示波束分配情况，如果第k个波束在第i个时隙分配给第n个用户，令否则h
nk
和分别表示信道增益和发射功率；
[0069]
为了减少之前时隙的业务传输所引起的延迟，在每个时隙的所有用户中选择k个当前延迟值最大的用户，表示为下式(2)：
[0070][0071]
上式(2)中，k
(k)
即为选择出来的用户编号；
[0072]
步骤2.考虑相邻小区间存在干扰的情况，基于用户延迟最大和串行的用户选择方法，选择延迟最大的用户：
[0073]
步骤2.1在所有用户中选择延迟最大的一个用户1；
[0074]
步骤2.2在不相邻的其他用户中选择延迟最大的用户2；
[0075]
步骤2.3在与用户1、2不相邻的其他用户中选择延迟最大的用户3，直到选择完k个用户；
[0076]
步骤2.4选择至小于k个不相邻用户，直至当只剩下两个相邻用户的情况时，逐一进行服务，直到所有用户均完成服务或者跳周期结束，结束本次跳波束资源分配；
[0077]
步骤3.采用两阶段功率分配的方法平衡不同用户之间的延迟值，以最小化所有用户间的最大延迟：
[0078]
步骤3.1采用总传输速率最大化法算法(total rate maximization，trm)：
[0079]
为了使所选用户在每个时刻的总速率最大化，功率分配如下式(3)所示：
[0080]
[0081][0082][0083][0084]
上式(3)中：表示在当前时隙中所选择的用户的集合，当忽略单波束功率和实际剩余业务的约束时，根据注水定理直接求解，即功率分配为下式(4)：
[0085][0086]
实际剩余业务的约束转化为则考虑单波束功率和实际剩余业务的约束之后，最终的trm功率分配为下式(5)：
[0087][0088]
上式(5)中：
[0089]
步骤3.2为了使所有用户的最大排队延迟最小化，二分法功率分配的结果通过以下步骤给出：
[0090]
步骤3.2.1初始化：误差门限ε，功率变化值δp，用户数u，所选用户等功率分配下的当前剩余业务量以及累计延迟总功率约束p
t
，单波束功率约束pm；
[0091]
步骤3.2.2找到功率分配不为0的用户集合
[0092]
步骤3.2.3令
[0093]
步骤3.2.4令
[0094]
步骤3.2.5计算此时的用户延迟和
[0095]
步骤3.2.6若或令和δp＝δp/2；
[0096]
步骤3.2.7若δp＞ε，继续步骤3.2.2；否则，计算此时的功率分配下的剩余业务量继续步骤3.2.8；
[0097]
步骤3.2.8遍历所选用户，若则根据信道容量公式计算该用户所需的功率并且令
[0098]
步骤3.2.9遍历所选用户，若且则令p＝0；若且则令
[0099]
步骤3.3结合用户排序和用户选择，采用累积时延感知功率分配算法(accumulated delay-aware，ada)，按照以下步骤求得跳波束周期结束后所有用户的累积延迟：
[0100]
步骤3.3.1初始化：用户业务需求量时隙数量i，最大波束数k，用户集合总功率约束p
t
，单波束功率约束pm，i＝1；
[0101]
步骤3.3.2若i＜i+1并且则根据基于延迟最大准则的用户排序方法和基于串行的用户选择方案从集合中选择出k个用户放入集合计算此时的功率分配下的剩余业务量继续步骤3.3.3；否则，继续步骤3.3.5；
[0102]
步骤3.3.3若则将该用户从集合中删除，继续步骤b)；否则，令i＝i+1，继续步骤3.3.4；
[0103]
步骤3.3.4根据trm算法得到功率分配结果继续步骤3.3.2；
[0104]
步骤3.3.5若i＜i+1并且则根据基于串行的用户选择方案和基于延迟最大准则的用户排序准则从集合中选择出k个用户放入集合继续步骤3.3.6；否则，结束此算法步骤；
[0105]
步骤3.3.6使用二分法功率分配算法步骤求得和
[0106]
步骤3.3.7计算此时的功率分配下的剩余业务量并且令i＝i+1，继续步骤3.3.5，则第n个用户在跳波束周期结束后的累积延迟为下式(6)：
[0107][0108]
上式(6)中：表示第n个用户在跳波束周期开始时的初始业务需求。
[0109]
进一步地，步骤3中，所述两阶段功率分配为累积时延感知功率分配(ada功率分配)，即第一阶段使用trm功率分配，第二阶段使用二分法功率分配。
[0110]
参考图1，图1示出本发明所述低轨卫星中的低时延跳波束资源分配方法与对照方案下最大用户延迟与总发射功率的关系。在对照方案1中，忽略波束间干扰，选择用户时直接使用最大延迟准则，并且仿真中也未考虑干扰；在对照方案2中，不考虑系统波束间干扰的情况下，在仿真时加入了波束间干扰值。从中能够看出，当给定小区数量和最大波束数时，用户最大时延随着卫星总发射功率的增加而逐渐减小；另一方面，根据图1可以得知，本发明所述低轨卫星中的低时延跳波束资源分配方法通过波束组合调度或用户选择以及功率分配，极大程度地避免了干扰并且显著降低了用户的最大延迟。
[0111]
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明实质内容的情况下，本领域技术人员能够想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种低时延跳波束资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.根据最大延迟准则和串行的方式选择将要提供服务的用户；步骤2.考虑相邻小区间存在干扰的情况，基于用户延迟最大和串行的用户选择方法，选择延迟最大的用户；步骤3.采用两阶段功率分配的方法平衡不同用户之间的延迟值，以最小化所有用户间的最大延迟。2.按照权利要求1所述低时延跳波束资源分配方法，其特征在于，所述步骤1中，所述根据最大延迟准则和串行的方式选择将要提供服务的用户，具体为：为了使每个跳波束周期的最大延迟最小化，基于最大延迟准则进行用户排序，第n个用户在第i个时隙结束时的延迟表示为下式(1)：上式中，t
s
为每个时隙的长度，表示第n个用户第i-1个时隙结束时的剩余业务量，b表示系波束带宽，n0表示噪声功率谱密度；表示波束分配情况，如果第k个波束在第i个时隙分配给第n个用户，令否则h
nk
和分别表示信道增益和发射功率；为了减少之前时隙的业务传输所引起的延迟，在每个时隙的所有用户中选择k个当前延迟值最大的用户，表示为下式(2)：上式(2)中，k
(k)
即为选择出来的用户编号。3.按照权利要求1所述低时延跳波束资源分配方法，其特征在于，步骤2中，所述考虑相邻小区间存在干扰的情况，基于用户延迟最大和串行的用户选择方法，选择延迟最大的用户，包括以下步骤：步骤2.1在所有用户中选择延迟最大的一个用户1；步骤2.2在不相邻的其他用户中选择延迟最大的用户2；步骤2.3在与用户1、2不相邻的其他用户中选择延迟最大的用户3，直到选择完k个用户；步骤2.4选择至小于k个不相邻用户，直至当只剩下两个相邻用户的情况时，逐一进行服务，直到所有用户均完成服务或者跳周期结束，结束本次跳波束资源分配。4.按照权利要求1所述低时延跳波束资源分配方法，其特征在于，步骤3所述采用两阶段功率分配的方法平衡不同用户之间的延迟值，以最小化所有用户间的最大延迟，包括以下步骤：步骤3.1采用总传输速率最大化法算法：为了使所选用户在每个时刻的总速率最大化，功率分配如下式(3)所示：
上式(3)中：表示在当前时隙中所选择的用户的集合，当忽略单波束功率和实际剩余业务的约束时，根据注水定理直接求解，即功率分配为下式(4)：实际剩余业务的约束转化为则考虑单波束功率和实际剩余业务的约束之后，最终的trm功率分配为下式(5)：上式(5)中：步骤3.2为了使所有用户的最大排队延迟最小化，二分法功率分配的结果通过以下步骤给出：步骤3.2.1初始化：误差门限ε，功率变化值δp，用户数u，所选用户等功率分配下的当前剩余业务量以及累计延迟总功率约束p
t
，单波束功率约束p
m
；步骤3.2.2找到功率分配不为0的用户集合步骤3.2.3令步骤3.2.4令步骤3.2.5计算此时的用户延迟和步骤3.2.6若或令和δp＝δp/2；步骤3.2.7若δp＞ε，继续步骤3.2.2；否则，计算此时的功率分配下的剩余业务量继续步骤3.2.8；步骤3.2.8遍历所选用户，若则根据信道容量公式计算该用户所需的功率并且令步骤3.2.9遍历所选用户，若且则令p＝0；若且则令步骤3.3结合用户排序和用户选择，采用累积时延感知功率分配算法，按照以下步骤求得跳波束周期结束后所有用户的累积延迟：步骤3.3.1初始化：用户业务需求量时隙数量i，最大波束数k，用户集合总功率约
束p
t
，单波束功率约束p
m
，i＝1；步骤3.3.2若i＜i+1并且则根据基于延迟最大准则的用户排序方法和基于串行的用户选择方案从集合中选择出k个用户放入集合计算此时的功率分配下的剩余业务量继续步骤3.3.3；否则，继续步骤3.3.5；步骤3.3.3若则将该用户从集合中删除，继续步骤3.3.2；否则，令i＝i+1，继续步骤3.3.4；步骤3.3.4根据trm算法得到功率分配结果继续步骤3.3.2；步骤3.3.5若i＜i+1并且则根据基于串行的用户选择方案和基于延迟最大准则的用户排序准则从集合中选择出k个用户放入集合继续步骤3.3.6；否则，结束此算法步骤；步骤3.3.6使用二分法功率分配算法步骤求得和步骤3.3.7计算此时的功率分配下的剩余业务量并且令i＝i+1，继续步骤3.3.5，则第n个用户在跳波束周期结束后的累积延迟为下式(6)：上式(6)中：表示第n个用户在跳波束周期开始时的初始业务需求。5.按照权利要求1所述低时延跳波束资源分配方法，其特征在于，步骤3中，所述两阶段功率分配为第一阶段使用trm功率分配，第二阶段使用二分法功率分配。

技术总结
本发明涉及一种低时延跳波束资源分配方法，包括以下步骤：步骤1，根据最大延迟准则和串行的方式选择将要提供服务的用户；步骤2，考虑相邻小区间存在干扰的情况，基于用户延迟最大和串行的用户选择方法，选择延迟最大的用户；步骤3，采用两阶段功率分配的方法平衡不同用户之间的延迟值，以最小化所有用户间的最大延迟。本发明所述低时延跳波束资源分配方法具有主要的优越技术效果是：在资源分配中充分考虑了总传输功率的约束，在考虑波束间干扰的情况下，最小化低轨卫星场景中所有用户之间的最大累积延迟，确保了不同用户间的公平性。确保了不同用户间的公平性。确保了不同用户间的公平性。


技术研发人员：赵龙 郭世琦 何佳定
受保护的技术使用者：北京邮电大学
技术研发日：2022.11.15
技术公布日：2023/8/5