一种上行多波束卫星的信道分配和功率控制方法转让专利
申请号 : CN202010020799.6
文献号 : CN111200459B
文献日 : 2022-01-28
发明人 : 史焱 , 李江华 , 齐东元
申请人 : 南京凯瑞得信息科技有限公司 , 丝路卫星通信有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种上行多波束卫星的信道分配和功率控制方法,其特征是:包括以下步骤:S1、提出一种博弈设计,所述博弈设计包括对上行多波束卫星系统模型进行设计和对每个参与者的效用函数进行设计;
S2、证明所述博弈设计为势能博弈,证明所述势能博弈的势能函数与系统容量等价、证明所述势能函数的最优解或者次优解即为系统容量的最优解或者次优解;
S3、计算出所述势能博弈的纳什均衡解;
所述上行多波束卫星系统模型设计为:设一个多波束卫星有L个波束,表示为L={1,
2,…,L},每个波束内的用户集为N={1,2,…,N},用Nl表示在波束l中的所有用户,并且有∑Nl=N;卫星上行总带宽设为Btot,可被分为K个子信道,其集合表示为Ω={1,2,…,K};每个信道的调度所有波束内的用户表示为S=[n1,n2,…,nl,…,nL],用户调度策略空间为发射功率的集合表示为P=[Pn1,Pn2,…,Pnl,…,max
PnL];发射功率的策略空间表示为 p 为地面用户最大发射功率,则该卫星系统总容量表示为 其中αl为用户的权重系数,
为用户ni到第l个波束之间的信道增益;
所述每个参与者的效用函数设计为:所述势能函数表示为G=[L,{Al}l∈L,{ul}l∈L],L={1,2,…,L}表示参与者集合;同一个信道在一个波束内只调度一个用户;参与者l的策略空间为Al,效用函数为ul;设计参与者l的效用函数为其中Al∈Al是参与者l的策略空间,并且有Al=Sl×Pnl,A_l∈A1×…Al‑1×Al+1×AL表示除了参与者l以外的其他参与者的ul(Al,Al)策略,其中×表示笛卡尔积,设计权重因子为
2.根据权利要求1所述的一种上行多波束卫星的信道分配和功率控制方法,其特征是:所述博弈设计为势能博弈的证明过程为:势能函数为 同时有F(A′l,A‑l)‑F(A′l,A‑l)=ul,k(A′l,A‑l)‑ul,k(Al,A‑l),根据势能博弈的定义,即证所述博弈设计为势能博弈,根据势能博弈的性质可知,所述博弈至少存在一个纳什均衡解。
3.根据权利要求2所述的一种上行多波束卫星的信道分配和功率控制方法,其特征是:所述势能函数与系统容量具有相同的单调性,因此势能博弈的势能函数与系统容量之间具有相关等价性,即证所述势能函数的最优解或者次优解即为系统容量的最优解或者次优解。
4.根据权利要求3所述的一种上行多波束卫星的信道分配和功率控制方法,其特征是:计算出所述势能博弈的纳什均衡解的方法为:使用迭代算法算出所述势能博弈的纳什均衡解,所述迭代算法的步骤如下:
S11、随机初始化策略选择;
S12、信道分配:固定上一次迭代功率分配值,通过效用函数的最优响应选择进行信道的用户调度;
S13、功率控制:功率值是连续值,根据S2用户调度的结果,通过偏导数计算,每个用户采用梯度下降算法依次更新其功率值;
S14、不断重复S12和S13,直到用户调度和功率控制达到纳什均衡状态。
5.根据权利要求4所述的一种上行多波束卫星的信道分配和功率控制方法,其特征是:随机初始化策略选择的过程为:每个信道在每个波束内随机调度一个用户,被调度的用户在该信道上随机分配一个不超过最大功率限制的功率值。
6.根据权利要求5所述的一种上行多波束卫星的信道分配和功率控制方法,其特征是:信道分配的过程为:每个信道根据上一时刻迭代功率值,通过效用函数,通过的最优响应进行用户调度,可以表示为 其中用
户nl的功率取值为 为nl的剩余未使用的功率值,表示为
7.根据权利要求6所述的一种上行多波束卫星的信道分配和功率控制方法,其特征是:功率控制的过程为:更新的功率策略基于其中P′nl,k表示当前用户剩下功率,δ为迭代步长, 表示在当前用户调度以及其他用户功率策略没有改变的前提下,根据效用函数得出的最优功率值,即 由于功率值是连续的,所以最优功率的选取可以直接对效用函数的功率求偏导数,有因此,最
优的迭代功率值为
说明书 :
一种上行多波束卫星的信道分配和功率控制方法
技术领域
背景技术
被占用,出现了频谱不足的情况。为了提升频谱利用率,能够提升频谱利用率的多波束卫星
通信系统也得到业界广泛的关注。
在严重的同信道干扰。因此合理有效的无线资源分配是提高系统总容量和减少同道干扰的
关键。目前对于多波束卫星通信系统下行的资源分配的研究较为成熟,但是上行没有很好
地研究成果。由于功率控制和信道分配相耦合,使得问题更加复杂。传统的多色频率复用,
由于不考虑波束间的干扰,所以网络和速率最大化是一个凸问题,可以使用凸优化来解决。
但当频率复用因子为1时,用户存在波束间干扰,尤其是波束边缘用户。因此,针对网络和速
率最大化是一个非凸的NP‑hard问题。针对此问题,可以采用传统的启发式算法求解。但启
发式算法计算复杂度高,且无法保证找到最优解。因此,亟需一种高效的、以及低复杂度的
算法多波束卫星上行用户调度和功率分配算法。
发明内容
容量的目的。
有∑Nl=N;卫星上行总带宽设为Btot,可被分为K个子信道,其集合表示为Ω={1,2,…,K};
每个信道的调度所有波束内的用户表示为S=[n1,n2,…,nl,…,nL],用户调度策略空间为
发射功率的集合表示为P=[Pn1,Pn2,…,Pnl,…,
max
PnL];发射功率的策略空间表示为 p 为
地面用户最大发射功率,则该卫星系统总容量表示为 其中αl为用户的权
重系数,
为用户ni到第l个波束之间的信道增益;
者l的策略空间为Al,效用函数为ul;设计参与者l的效用函数为
其中Al∈
Al是参与者l的策略空间,并且有Al=Sl×Pnl,A‑l∈A1×…Al‑1×Al+1×AL表示除了参与者l以
外的其他参与者的ul(Al,Al)策略,其中×表示笛卡尔积,设计权重因子为
(Al,A‑l),根据势能博弈的定义,即证所述博弈设计为势能博弈,根据势能博弈的性质可知,
所述博弈至少存在一个纳什均衡解。
者次优解即为系统容量的最优解或者次优解。
的功率值。
其中用户nl的功率取值为
为nl的剩余未使用的功率值,表示为
功率,δ为迭代步长, 表示在当前用户调度以及其他用户功率策略没有改变的前提下,
根据效用函数得出的最优功率值,即 由于功率
值是连续的,所以最优功率的选取可以直接对效用函数的功率求偏导数,有
因此,最优的迭代功率值为
就是信道分配和功率控制达到最佳控制程度时,使得同信道干扰最小,同时,使得系统容量
实现最大化。
附图说明
具体实施方式
∑Nl=N;卫星上行总带宽设为Btot,可被分为K个子信道,其集合表示为Ω={1,2,…,K};每
个信道的调度所有波束内的用户表示为S=[n1,n2,…,nl,…,nL],用户调度策略空间为
发射功率的集合表示为P=[Pn1,Pn2,…,Pnl,…,PnL];
max
发射功率的策略空间表示为 p 为地面
用户最大发射功率,则该卫星系统总容量表示为 其中αl为用户的权重
系数,
为用户ni到第l个波束之间的信道增益所以最大系统容量表示为
为Al,效用函数为ul;设计参与者l的效用函数为
其中Al∈Al是参与者l的策
略空间,并且有Al=Sl×Pnl,A‑l∈A1×…Al‑1×Al+1×AL表示除了参与者l以外的其他参与者
的ul(Al,Al)策略,其中×表示笛卡尔积,设计权重因子为
(Al,A‑l),根据势能博弈的定义,即证博弈设计为势能博弈,势能函数与系统容量具有相同
的单调性,因此势能博弈的势能函数与系统容量之间具有相关等价性,即证势能函数的最
优解或者次优解即为系统容量的最优解或者次优解,并且根据势能博弈的性质可知,博弈
至少存在一个纳什均衡解,所以系统容量最大化必有结果。
值;
用函数,通过的最优响应进行用户调度,可以表示为
其中用户nl的功率取值为
为nl的剩余未使用的功率值,表示为
于 其中P′nl,k表示当前用户剩
下功率,δ为迭代步长, 表示在当前用户调度以及其他用户功率策略没有改变的前提
下,根据效用函数得出的最优功率值,即 由于
功率值是连续的,所以最优功率的选取可以直接对效用函数的功率求偏导数,有
因此,最优的迭代功率值
为
到最佳控制程度时,使得同信道干扰最小,同时,使得系统容量实现最大化。
退出的优点;所提的迭代算法复杂度低,可以方便的应用于处理卫星。
星的信道增益通过所在的位置确定, 其中fε为中心频率,d为卫星距
离地面用户的距离,λ为波长,gl(θ)表示第l个卫星波束天线增益:
di,n为用户到波束覆盖中心的距离,D为星地距离。假设每个波束内均匀分布20个用户,分布
示意图如图2所示。
率复用因子设为1,2,4,功率分配采用注水算法,方法4为使用按需分配的迭代算法实现,从
而能够本发明提出的方法优于传统的多色复用方法和注水算法。
的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,这些改进和润饰也
应视为本发明的保护范围。