高通量多波束通信衛(wèi)星系統(tǒng)資源分配方法.docx

1、中國空間科學(xué)技術(shù)CHheseSt&veaxiE3M-KUSEXCNRISE&VhM0二Iirj-GBEtcnL解放軍玉0部隊(duì)匕京.登】2北京跟蹤與通信技術(shù)研究所匕京Jr<i>sDCIgTSCBj-crK1G0D9B>C2221_GDro高通量多波束通信衛(wèi)星系統(tǒng)資源分配方法王磊二，擲軍n賀川三啟雪飛摘要資源分配是影響新一代高通量多波束通信衛(wèi)星函兇系統(tǒng)效能發(fā)揮的關(guān)鍵問題。以往基于非柔性載荷以及用戶容量需求均勻分布的靜態(tài)單維度資源分配方法己不能滿足現(xiàn)實(shí)需求圍繞基于有效載荷資源提升系統(tǒng)效能這一核心目標(biāo)針對(duì)波束間干擾、柔性載荷以及用戶需求非均勻分布特點(diǎn)為高通量多波束通信

2、衛(wèi)星系統(tǒng)構(gòu)建了功率和頻帶兩維度聯(lián)合優(yōu)化資源分配模型并實(shí)現(xiàn)了一種帶有尋優(yōu)控制策略的遺傳算法求解模型。面向多類場景實(shí)例的仿真結(jié)果表明本方法可以適應(yīng)不同用戶容量需求分布特點(diǎn)，為系統(tǒng)提供功率和頻帶資源聯(lián)合優(yōu)化解決方案。當(dāng)用戶需求總量分別為“、工10任蠟及壬“、工10任蠟及壬X時(shí)，相比平均、固定分配波束功率及頻帶資源，提出的方法可使系統(tǒng)未滿足容量需求JCD）分別減少NLCD%4147%和藍(lán)_丑,有效提升了系統(tǒng)效能。關(guān)鍵詞高通量多波束衛(wèi)星柔性載荷下行波束資源分配波束干擾文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼AWAN3Lei1，A'-FECKrrfAW4>5jc£5l3TTS3TTS1 FLA33ZEDTrcq

3、CB3DChraElTefictecFTraddrgandlaazmrrurifcrslG±rcfc/Jirpcr&tzicfeprfrmacfnBzcfi-triaLpLtzmMjGsmazrnrrvrifcnte<lHTMCSfens_TheaizandaTctreTHtnrndttTOb_&_tesxKeG£i3nvvaerornypcp£SEt&"pe/i3LSCDTm_rifcrisSAitnrcn=fe4zfeffc8cbandcrfcrncfebrixlfcnn-&i3EaTirm-drcancAbi&

4、#177;ihessaioL<rrEtea7ffid1hepjar&rnar<ecfiteHTMCSyfems-AjzrlzpEvoarcibandAizihlesoLtcecsiznmcEH-&1heHTMCSteTSAesbijft>ABh1he<ryHbfeLrfcrncfetefadfcjncfxMcferarcfc.FvrvxHfeafcpStrnAStnSoadtsschcodteclabbirpfeitertDsJue-lbfcmocH_Fiy>-pscfcteHdtwaeerpfcsdA>hcfiffeetcsriabniaT

5、cfcandcfertrlianpdtefadkTMfflnbffirnstDo/4hepq328Klmhod_legjferwlhlherrhodcanislfElhejg-SIurib®rA2bTarri<jQDX/7LC0%41/17%and3G_3L%ccrrisrtjIhecLnedtfcntol&lhBtlcffld/abrandcraXtitllXXtfeandaDGzieli/.Fv<cick二hyTttrotpdtmJfcffimozrrirnLrKfcri:It<hTMCSfe4fcfepfcBd；cbiArtH<basm；resa

6、jre收稿日期ZTTTKirR撼回日期22BMM1尋:用日期3ZEKMO捌絡(luò)出版時(shí)間22EKIL22CDZE基金項(xiàng)目垣家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目QUEEa5>*通信作者_(dá)E-rroi=Aa-tsr3ffirem引用格式3磊"鄭軍，賀川，等其通量多波束通信衛(wèi)星系統(tǒng)資源分配方法DJ_中國空間科學(xué)技術(shù)"NELHLO&.WANG1_,ZHENGJJHECx4ri-R23DLK3etacfcr»inkrttroLTx*1nxJtfossmazrnrnLrifcn:li1iytrmsDUandlGdrctQ/2J2LIL<riChre>_AEU-3EEt

7、rfcFdJturdcfEfaflio-*5axiCcrnrrxjifiDTS23I7/&_®GfMUCORASAGEFAiqDSKTTXG七_(dá)AedticrnadEHFmdcfc”-lEzEEJbLfranSrfefterJZgebriGzmmLrifcrE,30。)二331S33S.回JEZ,WANGY,FENGW,po-crdbmdA«dtt»tatSDTfcr-rruitkgaiiMi-ctvu»-DJ.IEEECcrnrnLriizjnsLFttns2801二©賈錄良孟艷.多波束衛(wèi)星通信功率帶寬聯(lián)合優(yōu)化算法DZL信號(hào)處理NHW

8、PZ38_JALLrMENGV_A|zidtcplirnEfcy-|at_pMmcFpoA«-andtandA<lh-ferrrLJtitean:勒<XTnrnLrfcfcnflfer)Dl-JbLtrdcfgTdRacegg220,OnCHheseX©GENDREAUMPCTTVINJY_MdebtfefccortrtTqdtimfefonDH_AncfCsrfcnBFtess5rch,2315,M)<L>3a&213-0?tIS1_EN-vfcfaDtiGHiaefrgCX/BAiTpfeTiatfcrgjbafrTS&thesg

9、rrndJOcti_nyylFm-Er*btGEctsBtWQbiifctdJbK?sfciEShbasanddhtr-trGBcfcandJkkdfcrs-pat2S2oanaDnsOVBSX)-titATRTCP37&2ZL_1_1<insai>Ed_sq±faAxfccfe<：er32ai5_口徐挺，蘭海漲宏江.靜止軌道衛(wèi)星通信鏈路的預(yù)算與分析DJ_中國空間科學(xué)技術(shù)"NBDNDG)冬耳XUT,LJXNH,ZHANGH-GBOneccmmLriiznKkbuzfccLfefcnandDU_CHhffleScfanEandfedrcfc<2

10、2BD43O)-®<riCHrese>_BITU-R-RqcfcncfeandpesfctfcnmatTEfcr-ied&lheGfesgicTCTrlhKE'fasDTirTLrifcinRaazrnmeufefcriIRJ-RP_6J&02R_Gar&jQ-ITU,2D15_0ITU-R一ZMttarifon<±ertD<±>jcfcar<±g二FternmoTcrnm>Rpax)eEd_Greuazmj_0-TTU-R-Lk±LtlijnkymzzjTBFizHES

11、*-RcjrnfcttAlizKimj-RPRJGaneLOZHU,231G_口POLITOISti-1tiazmrTurifcrsfitensahssT-rrchaizH<cfesgnandjylHriperfcrmaceDvl0_WaigD_C_-W/>2DJ7ZZ0O412-0OAZMA,COURVILLEN,MCSQUERA-IXtrvSnsB-rtafeexeticEcfcmdrmJtamszfedfensCGJ_XftnWcrt-xpcnSitaxigaeGzmmLrfcfcrs23CF<iwssztv)_sa±>_fg-Ibh-j-2U7-GLB

12、_田趙萍,陳志明.應(yīng)用丁衛(wèi)星自主任務(wù)調(diào)度的改進(jìn)遺傳算法D3-中國空間科學(xué)技術(shù),2316,350=471-ZHAOCHENNM-AnacdtedTfcriftTnqpfed-fc):"aJtroroLSlad<szhadJrD)_ChheseSzfenoeaidfetrciz36G二4Z540-iCTi-e>_0高賀，王玲，黃文德，等.北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)境外星數(shù)據(jù)快速回傳的路由優(yōu)化方法DJ_中國空間科學(xué)技術(shù),2203,380)13GAOH"WANGHUANGWRrtTgcpfimfefcnrretudfcr'feLrtmcfcacnouosaas:liB

13、8iinB±u±dra»tein：liB>iDJ_a-t-egesceSTEainfe±n±2D18,38Q356Cbitse>_回FERREIRAR,FAFFENROTHR,WYGLINSKEM一F&cht»1zfearTg&-a2rnrn_ritijTs-fcmLEO-fc)cfe>qaafcrsD-JEEEGzrnrri_rifcinsh/he2319"57_宙DffiK,JlINH_AneudlrraycptimtofcndrithmteroxpLrtfaeHadncn-gLjnsz

14、rtwQpt*l_I口(士dA®tibcxcotisrtsO-TioTScLlijnso»BxziutfcrayGznpJBfcn,231,38CD二577WL.作者簡介二王磊09蟲男北士食要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、任務(wù)規(guī)劃、空天信息技術(shù)£DTIoMultibcamcommunicationsatellite5859UseeterminalBeamcoverage1引言近年來，衛(wèi)星通信在應(yīng)急救災(zāi)、海事、航空、國防軍事等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，業(yè)務(wù)涵蓋廣播電視、移動(dòng)通信、高速寬帶接入等多種類型市場潛力和應(yīng)用價(jià)值愈加凸顯?？傮w來看全球衛(wèi)星通信面臨如下發(fā)展需求游量需求快速

15、增長之為效載荷柔性設(shè)計(jì)成持在軌動(dòng)態(tài)配置$口衛(wèi)訊公司衛(wèi)星多波束衛(wèi)星均己配置柔性載荷對(duì)系統(tǒng)資源管理高效靈活性要求更高。這些需求極大地推動(dòng)了高通量通信衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步通過數(shù)字載荷、高階編碼調(diào)制、多波束天線等新技術(shù)的應(yīng)用單星通信容量從以娣】代高通量衛(wèi)星'曾長到數(shù)百任代高通量衛(wèi)星為波束數(shù)量從兒個(gè)增加到兒十個(gè)預(yù)計(jì)下一代高通量通信衛(wèi)星容量將突破lGODGtit&單星波束規(guī)模達(dá)上百個(gè)相多波束及載荷柔性化設(shè)計(jì)雖然可以有效提升通信衛(wèi)星系統(tǒng)容量和資源使用效能a#1,但同時(shí)會(huì)引入大量待定參數(shù)傳統(tǒng)通信衛(wèi)星資源分配所采用的靜態(tài)、人工調(diào)配方式己不能滿足新一代高通量多波束通信衛(wèi)星資源管理需求。具體來說

16、在進(jìn)行資源分配時(shí)，系統(tǒng)需要基于業(yè)務(wù)時(shí)空分布和信道狀態(tài)動(dòng)態(tài)優(yōu)化決策波束功率、波束帶寬波束中心指向、波束賦形等諸多參量，資源自由維度的拓展以及可調(diào)參數(shù)規(guī)模增大使得該類系統(tǒng)資源分配問題的復(fù)雜度顯著提高曰。因此,對(duì)于新一代高通量多波束通信衛(wèi)星系統(tǒng)需要研充在柔性載荷約束下優(yōu)化用戶服務(wù)質(zhì)量每81口用戶體驗(yàn)勺高效資源分配方法達(dá)到基于有限載荷資源提升系統(tǒng)效能的目標(biāo)。隨著全球紛紛建設(shè)和部署高通量多波束通信衛(wèi)星系統(tǒng)資源分配問題逐漸成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)日5】。以往多從功率或帶寬單一維度開展研究各這2維度資源聯(lián)合開展優(yōu)化分析的研究還比較少政L鑒于多波束通信衛(wèi)星功率分配問題己被證明非凸田且屬于問題該類系統(tǒng)功率和

17、頻帶資源聯(lián)合優(yōu)化問題也是NRtadc.對(duì)此梁典的數(shù)學(xué)優(yōu)化方法往往通過松弛求解不僅消耗大量計(jì)算資源項(xiàng)且對(duì)于較大規(guī)模問題的求解效果欠佳團(tuán)。與經(jīng)典數(shù)學(xué)優(yōu)化方法相比啟發(fā)式或人工智能方法雖在有限時(shí)間內(nèi)難以求得最優(yōu)解但通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可以較快獲得高質(zhì)量可行解逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)恒，本論文面向帶有柔性載荷的高通量多波束通信衛(wèi)星系統(tǒng)構(gòu)建了針對(duì)下行波束的功率及頻帶聯(lián)合優(yōu)化資源分配模型模型考慮了多色復(fù)用、信道鏈路預(yù)算、調(diào)制編碼、波束間干擾以及衛(wèi)星功率和頻帶等實(shí)際工作約束。為高效求解該模型還設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了帶有尋優(yōu)控制策略的遺傳算法。仿真計(jì)算結(jié)果表明本文提出的資源分配方法能夠適應(yīng)不同用戶容量需求分布情況可為高通量多波束通

18、信衛(wèi)星系統(tǒng)提供功率和頻帶資源聯(lián)合優(yōu)化解決方案。2系統(tǒng)模型2L高通量多波束通信衛(wèi)星系統(tǒng)場景高通量多波束通信衛(wèi)星系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段組成如圖1所示?？臻g段由衛(wèi)星組成部署于地球同步軌道,衛(wèi)星采用多波束方式覆蓋地表一定區(qū)域地面段主要由信關(guān)站組成,主要為系統(tǒng)提供饋電鏈路并承我用戶入網(wǎng)和接入功能用戶段包括各類型用戶終端使用頻段為及化方式為圓極化分布在系統(tǒng)波束覆蓋范圍內(nèi)。系統(tǒng)下行波束集合為Q,波束數(shù)量為|Q.任一波束包含的裁波集合為C.任一波束圖1高通量多波束通信衛(wèi)星系統(tǒng)場景載波數(shù)量為C|。假設(shè)各波束中心存在一用戶終端其容量需求為該波束覆蓋范圍內(nèi)所有用戶終端容量需求總和?？紤]到本文主要研究系統(tǒng)下行波

19、束資源分配故假設(shè)饋電鏈路無噪聲,下行信道為加性高斯白噪聲信道。為支持波束功率和頻帶聯(lián)合優(yōu)化分配，衛(wèi)星配置柔性行波管放大器等柔性載荷。系統(tǒng)采用4色頻率復(fù)用體制由2個(gè)頻帶和2種極化方式G旋極化L_HCP和右旋極化RHGP)組成疽體復(fù)用方式如圖2所示如文方法也適用于其他頻率復(fù)用體制),系統(tǒng)采用第二代數(shù)字衛(wèi)星電視廣播拓展標(biāo)準(zhǔn)該標(biāo)準(zhǔn)包括自適應(yīng)調(diào)制編碼策略即根據(jù)鏈路信噪比系統(tǒng)選擇最佳的調(diào)制編碼體制MODOODLHCPFrequencyRHCP圖2系統(tǒng)四色復(fù)用示意F2ccfcisandhmdAizihN鏈路計(jì)算子模型本文鏈路建模包含全RF信道從數(shù)字信號(hào)的調(diào)制端到解調(diào)端包括調(diào)制器、功率放大器、發(fā)射天線、接收天

20、線、低噪放和解調(diào)器曲七用戶終端u接收的有用功率接收機(jī)輸入端近r為£=4丁+Ejt-E)boJ+iRFOfUEXMLJ為本文計(jì)算模型可設(shè)置參數(shù)變量期于模型輸入'用戶終端U接收的噪聲功率為EJ+廳s】+feNO式中二k=_B_6DE2cBW/Gte-為玻爾茲曼常數(shù)為等效噪聲帶寬Es】為等效系統(tǒng)噪聲溫度工BK計(jì)算方法參見文獻(xiàn)叨在確定接收機(jī)輸入端有用信號(hào)功率、噪聲功率基礎(chǔ)上可以計(jì)算單波束覆蓋接收機(jī)的輸入端載噪比這里將接收機(jī)輸入端接收的N干擾功率看作噪聲功率的一部分二§=i>R-AC-Sr式中二MrJ為當(dāng)前波束覆蓋下用戶終端接收到的干擾功率xBWo1R主要包括省前波束附

21、近具有相同顏色伺極化且同頻段敏束在用戶終端方向可能存在的少量能量輻射如天線旁瓣輻射干擾妒，具體計(jì)算方法見第23小節(jié)宏間去極化效應(yīng)導(dǎo)致的不同極化同頻段波束干擾崢無于非線性效應(yīng)導(dǎo)致的三階互調(diào)干擾同軌衛(wèi)星間干擾地。干擾功率-R組成如下心二IR=1°°+皓+1°+皓G為簡化計(jì)算刀：8工6及J：芯為模型可設(shè)置參數(shù)變量瑚于模型輸入則需要結(jié)合多波束功率及帶寬動(dòng)態(tài)計(jì)算決體方法參見第23小節(jié)。在CVBS頻譜效率與編碼調(diào)制方式列表的中"鏈路所能達(dá)到的頻譜效率門。位&r-LOSSO式中i為衛(wèi)星天線輻射功率為衛(wèi)星天線發(fā)射增益xB；為衛(wèi)星天線發(fā)射增益xB；baze-七以乂

22、i符號(hào)信噪比EN。辱位CB)有關(guān)假設(shè)鏈路信號(hào)帶寬為BW,No£丁為衛(wèi)星天線波束等效全向輻射功率xBW7則符號(hào)速率Rs需滿足BW=RSl-Fd單位EDBO3為衛(wèi)星功率放大器輸出回退值為用戶終端天線接收增益為鏈路損耗總和xB。鏈路損耗iLrw&l為ILOSE=EelJ-fIrflJ4-IamiJ-fIaaJ+QlJO匝必以為采樣時(shí)低通濾波器滾降系數(shù)。進(jìn)一步可推導(dǎo)烏與C的關(guān)系二NoNEsEs_xBWNo=NoxBW式中二為下行波束自由空間損耗yB；接收機(jī)饋線損耗為天線指向損耗為大氣損耗為極化失配損耗其中WL計(jì)算方法參見文獻(xiàn)H二IAATII口J計(jì)算參見1TU標(biāo)準(zhǔn)文件D2LLEsxRs

23、mQ+a=O根據(jù)6/BS2X標(biāo)準(zhǔn)"香柬得到該鏈路理想情況下Gc=。對(duì)應(yīng)的頻譜效率n，實(shí)際頻譜效率為=-0-0于是本鏈路載噪比C條件下.l-KX信息速率R=rrxBW建位K1容量需求大于該波束所能提供的容<7)|C|量,RE-則波束b未滿足容量需求為|UA|為終端u和波束i中心點(diǎn)A之間的距離。進(jìn)而根據(jù)天線波束方向圖可以得到干擾波一乏S反之波束b未滿足容量需求為O探示該波束能完全滿足覆蓋范圍內(nèi)所束在偏離主軸GC)=0羿妙的窘獲，有用戶終端容量需求。本文研究的高通量多波>AI2x入+式中py為波束云主軸方向增益N：l和分別為一階和三階貝塞爾函數(shù)人=2813X*乒七在式基礎(chǔ)上計(jì)算

24、終端U接收3TiC>到來自波束宣的干擾功率巨至為束通信衛(wèi)星系統(tǒng)資源分配的優(yōu)化目標(biāo)是未滿足容量需求總和UCD最小化。令衛(wèi)星下行可用總帶寬衛(wèi)星功放總功率為任一波束b所屬我波c的最大功率為P嚀"帶寬取值范圍是BWW.1模型的決策變量為分配給任一波束b所屬載波c的功率Pe：和帶寬BWbo定義極化方式均為p的為波束間干擾計(jì)算子模型波束間干擾妒計(jì)算原理如圖3所示。beamh圖3波束間干擾計(jì)算原理(同極化旦同頻：)F.3Sdtittiizefesmiitr&oxe在圖m中假設(shè)用戶終端u位于波束b覆蓋as*.%beamh圖3波束間干擾計(jì)算原理(同極化旦同頻：)F.3Sdtittiize

25、fesmiitr&oxe在圖m中假設(shè)用戶終端u位于波束b覆蓋as*.%能通過旁瓣被終端U天線接收即為詣波束間干擾功率計(jì)算方法如下。波束1.地面覆蓋范圍中心記為A,WGS34-坐標(biāo)系下經(jīng)度、緯度和高程分別為6伊波束b地面覆蓋范圍中心為坐標(biāo)為6b伊"Vb»用戶終端u位于U，坐標(biāo)為&食次U>用戶終端L1偏離波束主軸方向夾角記為<pi該夾角可根據(jù)余弦定理計(jì)算得到口J二lOBOiJ-i-BuZI-Less.6式中二它為波束云發(fā)射功率為波束立在偏離主軸爆大增益方向角度方向的增益£B；geo門為波束的輸出功率飽和回退值為終端U的接收增益xB；ILg&

26、amp;H】為從衛(wèi)星到終端U的鏈路損耗總和，計(jì)算方法參考式3問題建模高通量多波束衛(wèi)星系統(tǒng)具有Q|個(gè)下行波束,每個(gè)波束含有|C|個(gè)載波耘束形狀及指向固定波束功率和帶寬根據(jù)波束內(nèi)用戶終端需求以及相關(guān)約束進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配。系統(tǒng)未滿足容量需求<CrmdtcBcS鄉(xiāng)cferand"UCD總和是評(píng)估高通量多波束通信衛(wèi)星系統(tǒng)效能發(fā)揮和收益的關(guān)鍵指標(biāo)，定義為UCD="©f©4qoo)|C|式中二R為用戶終端對(duì)波束b所有載波0=1|C|的容量需求©己為波束b容量需求：VR尸為波束b所有載波所能提供的容量仁確束b所能提供的容量，從式<5o>可以看出，

27、若波束b相鄰空間波束集合為ZXR,?；谝陨隙x對(duì)高通量多波束衛(wèi)星系統(tǒng)資源分配問題建模如下二IQI|C|C|(Start)或區(qū)"臣1噫竺_密芝理<31>IQIKI云-pBBOwPmNP碧WQ，/WC<13bw«霎<bw,<BWAseQeecKIKI'BWiT<<j=1cr=1<uQC5)|C|C|、BWg+BW住<BWf1e=1VGb晃AF>,式優(yōu)化目標(biāo)汶i最小化系統(tǒng)未滿足容量需求總和；約束式確保所有載波分配功率總和最大不超過衛(wèi)星功放總功率為束式03必任一載波分配功率約束席勺束式街gj任一載波Conduct

28、wheelselectionGenerateinitialresourceallocationschemerandomlyConductsimulatedbinarycrossoverwithoptimizedcontrolstrategyg<max3?ConducteliteretentionNYOutputoptimizationsolution<ConductmutationwithoptimizedcontrolstrategyEnd)criterionismet?Theconvergence波束帶寬之和小于衛(wèi)星下行可用總帶寬避免同極化相鄰波束共用頻帶。4算法設(shè)計(jì)對(duì)于多波束

29、通信衛(wèi)星系統(tǒng)資源分配這樣的NP+d問題4青確的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法通常僅適用于決策參量及業(yè)務(wù)規(guī)模較少情況以可接受的計(jì)算代價(jià)獲得高質(zhì)量解的啟發(fā)式或智能優(yōu)化方法在實(shí)際工程環(huán)境下更具吸引力g】。針對(duì)本文研究問題設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種遺傳算法求解資源分配模型該方法將每種資源分配方案看成染色體染色體所含基因包括系統(tǒng)所有波束相關(guān)資源要素通過對(duì)染色體執(zhí)行選擇、交叉、變異和精英保留操作獲取高質(zhì)量資源分配方案。算法流程框架如圖4所示。為引導(dǎo)算法向高質(zhì)量可行解區(qū)域?qū)?yōu)加快算法收斂減少迭代次數(shù)在算法設(shè)計(jì)中嵌入可行解尋優(yōu)策略通過控制交叉和變異操作算子提高求解效率?？尚薪鈱?yōu)控制策略描述如下:令圖4高通量多波束通信衛(wèi)星系統(tǒng)由4做婚兒圖

30、4高通量多波束通信衛(wèi)星系統(tǒng)由4做婚兒操作算了執(zhí)行前波束b所屬載波c的容量需求為該波束載波分配功率和帶寬分別為和BVM“，該波束載波分配資源所能提供的容量為RW若該波束載波執(zhí)行交叉或變異操作算子可得新的功率和帶寬分別為P建和帶寬BW2。如果波束載波容量需求己小于當(dāng)前分配資源所能提供的容量則通過交叉或變異算子操作不能增加該載波功率和帶寬資源反之通過交叉或變異算子操作不能減少該載波功率和帶寬資源。具體控制策略描述二F>=min晚<R芒算法收斂標(biāo)準(zhǔn)是將第g次迭代產(chǎn)生的資源分配方案集合中的最佳方案即系統(tǒng)未滿足用戶容量需求最小的資源分配方案N己為第g代最佳方案。該方案未滿足用戶容量需求量記為各

31、UCEt與前L次平均值相比Jfl對(duì)變化小于門限ee+cid時(shí)，則認(rèn)為資源分配算法收斂必出迭代循環(huán)涕：體如下二UCD&I,么UCD,n<Ittencfcl<58本文算法由MatHD實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬件配置包括主頻為25GHz點(diǎn)虹點(diǎn)；G<TM>&=ZZ£)U處理器和8GB內(nèi)存。5系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案高通量多波束通信衛(wèi)星系統(tǒng)資源分配實(shí)現(xiàn)方案如圖5所示。圖5高通量多波束通信衛(wèi)星下行波束D高通量多波束通信衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃周期開始。高通量多波束通信衛(wèi)星系統(tǒng)下行波束任務(wù)規(guī)劃按照時(shí)間周期性開展任務(wù)規(guī)劃周期時(shí)長可以根據(jù)用戶需求動(dòng)態(tài)變化情況靈活調(diào)整。2用戶向系統(tǒng)地面運(yùn)管方發(fā)送容量需

32、求、終端及地理位置信息。用戶根據(jù)終端需求向高通使用申請(qǐng)具體提報(bào)內(nèi)容包括用戶終端編號(hào)、終調(diào)婕象廢蜘端位置楠鹿押鍛旅順螂歉、繾端端最小發(fā)射功率、終端最大發(fā)射功率、終端系統(tǒng)噪聲溫度及終端容量需求。3對(duì)高通量多波束通信衛(wèi)星系統(tǒng)下行波束實(shí)施資源動(dòng)態(tài)優(yōu)化分配。根據(jù)本文第4節(jié)所提方法實(shí)施系統(tǒng)資源優(yōu)化分配。4資源分配優(yōu)化所需計(jì)算模塊。鏈路的計(jì)算方法見第22小節(jié)耘束間干擾的計(jì)算方法見第23小節(jié)，大氣損耗計(jì)算方法見式6仿真校驗(yàn)a業(yè)務(wù)實(shí)例和場景設(shè)置高通量多波束衛(wèi)星系統(tǒng)資源分配仿真場景如圖1所示。1顆高通量多波束通信衛(wèi)星位于地球靜止軌道，共有65個(gè)固定指向點(diǎn)波束/頁段為億頻段與皮束形狀相同且均不可調(diào)耘束功率和帶寬可根

33、據(jù)波束覆蓋范圍內(nèi)用戶終端容量需求變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)采用四色復(fù)用體制。假設(shè)每個(gè)波束提供1個(gè)載波波束內(nèi)用戶終端容量需求集中在波束中心。鏈路和波束干擾模型計(jì)算所需參數(shù)如表所示。為了完整分析系統(tǒng)在不同規(guī)模用戶容量需求時(shí)的下行波束資源分配問題本文考慮了用戶需求總?cè)萘繛?DGtiNdUOGti和USDGtX三種情況。另外,鑒于在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行場景中各波束對(duì)應(yīng)的用戶容量需求分布不均而且可能隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化為檢驗(yàn)本文方法對(duì)不同容量需求分布情況的適應(yīng)能力在每種用戶需求總?cè)萘壳闆r下還考慮了2類需求分布學(xué)第1類場景為波束間用戶容量需求差異適中L般淇標(biāo)準(zhǔn)差約為系統(tǒng)單波束平均容量需求35%；第2類場景為波束間用戶容量需求差

34、異較大布準(zhǔn)差約為系統(tǒng)單波束平均容量需求GD%。在各類需求分布場景下分析如下4種資源分配方法的效果上波束載波功率、帶寬資源平均固定分配上波束載波功率動(dòng)態(tài)可調(diào)、帶寬平均固定分配3淀上波束載波功率平均固定分配、帶寬動(dòng)態(tài)可調(diào)nD星上波束載波功率、帶寬聯(lián)合動(dòng)態(tài)分配。表系統(tǒng)鏈路預(yù)算和波束干擾參數(shù)設(shè)置TcfelmSi<bctrdbeanr&feexeFamdterOtittBLcbStLtfccferfc>/t6l<Ti資源分配算法相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。表2算法參數(shù)設(shè)置racfe2FamdfescflhBpq$>«f1dLyiilF111ueFerra-SODMa

35、««TLmpcvacf=G5d>caT»IceLfefehmdAidhMa4rnLmtandA<ihcfCoSbliICcFfcr-MHrrLmbmcUtihcFGftB>ili11initti-garacfeiTfeQJpdthatkefFM<inLmancf7'tl'Tia?Emfttiarterecfemd&-reyiad&TjaCarstD3dcicTtaTnDELfafcri-VrifcziCfoxep>ttel83ZWpg3JDWReqjer<y22GHBWB90DMHZ：BW；技90

36、DM也BW.TOMUzDsu25mCBO3cBGNS2cESQ_5m忍7cS(XTyO2JCOKo>n3DcBC3BV127cBcBMSmurnn-rrbannafcnsTHecfcl1he±cfciF>ocs630DQQLQ冬JLOMiJBfcnpcfcdzSPrrvfctr,!Q.CB應(yīng)弟空蠢南屠方法仿真計(jì)算3種不同需求規(guī)模對(duì)應(yīng)的資源分配結(jié)果分別如表3表5所示"可以看出二D在不同規(guī)模容量需求以及波束容量需求差異場景中4種資源分配方法的結(jié)果存在明顯差異平均固定分配波束載波功率及帶寬資源時(shí)系統(tǒng)未滿足容量需求最大系統(tǒng)效能發(fā)揮最差。對(duì)功率或頻帶任一維度動(dòng)態(tài)分配資源時(shí)

37、均可有效壓縮系統(tǒng)未滿足容量需求并且功率、頻帶兩維度聯(lián)合動(dòng)態(tài)分配的改進(jìn)效果最明顯。當(dāng)系統(tǒng)用戶需求總?cè)萘糠謩e為gocMz“和：l3DGtiN&且均考慮兩種波束間容量需求差異情況L般、大時(shí)才目比平均固定分配波束載波功率及頻帶資源功率和頻帶聯(lián)合動(dòng)態(tài)分配可分別將系統(tǒng)未滿足容量需求平均壓縮NLCS%4!47%和lG.3L%o表m系統(tǒng)用戶需求總?cè)萘?DC±X時(shí)4種資源分配方法的效果UCD/fcHalES_craES-ZSDCD7,rrhodcterandbdtAffinbEErrispDAo/WfaaxiAcit/MFfe%ABjfepcvxeraxJbmcUfclhNzrrndl3SZ2

38、.M)81S_G0D29231.G0Dcri&ml/La81S_CBD29231.G0DZiB<jl4zlfcpJlLA/V9rillNzrrrd29251GGD58.35haxlA<±hLri&TYTB/aSXkBD293D.CBD3LMNzrrrS1S_GOD22B_3ZL55.29andpoAan_ri&m|/La5SZ1G3L81Z_CBDJ93EZ_618QC9ABjfepDAGraidbmcUfcihJ一.NzrnAix-*429yM_XB79.6Lacp4019128XBD2EZO.BS62么2當(dāng)系統(tǒng)需求總?cè)萘繛?DGtX<ff

39、l尸在壓縮系統(tǒng)未滿足容量需求基礎(chǔ)上進(jìn)一步減少容量需求規(guī)模較小功率和頻帶聯(lián)合動(dòng)態(tài)分配可功率和帶寬資源開銷。芒4項(xiàng)統(tǒng)用戶需求邑容量工100幺時(shí)4種資源分配方法的效果Ctf&Ef:x：its/UCD/IcM場taicUfcihhtrmdl81S_G0D2929D.G0D3815-12D81S_G0D2929D.G0DZioepmannerriyandNzrrni81S_G0D293D.G0D22.30taxlA<ihUT&ml/La2232L/B/8J2L98D293D.CBDM.3DtardAiihcnErriyNzrm6CB_LZL8225.003SZ.29B25.05an

40、dpcvan_ri&m|/2LZ2-D81Z.CED33SD.CI217_至ZicafepmaandtHnd/xidtnJ二Nzrrrei42EZ_0_3Z1曰CytiINLc=fl<Lacp83Z-CED224.383D.29nhodcfaTa-dbdkAeanbrarnspEvva/WbarcUfcit/MHz:%表5系統(tǒng)用戶需求總?cè)萘縈GzfeW時(shí)4種資源分配方法的效果Thefedtci=EoTesDLrcEtifcrirreHudsrrhodcterandbdtAsantrams<K/titscdo/WbandAfcit/MHz:%37313.382D.3132LL

41、90833CBa_122EEE霧81818181818181532923D.G0D293D.CBD29231CBD0CD29233.CBD12_M2/LCEQ.們Fzf=m坯JO28.3390R刀QI系統(tǒng)用戶需求總?cè)萘繛楣?O任X時(shí)/匕較本文方法在有、無尋優(yōu)控制策略條件下系統(tǒng)未滿足需求容量和消耗總功率分別如圖&圖7所示?？梢钥闯鱿啾葻o尋優(yōu)控制策略在本文方法中對(duì)交叉和變異算子實(shí)施尋優(yōu)控制可以使系統(tǒng)未滿足容量需求總和減少M(fèi)bfcJ功率資源消耗總和下降迎W,提升了算法性能。3xl(rINI8gooooo50505100998888777Msws.P38O=BSOH(-s二qsypuwop&g

42、t;專dp。KHUUQ2.51.510.5°020406080100IterationWithoutoptimizedstrategyWithoptimizedstrategycacoLcferandpy78。°204060Iteration80100WithoutoptimizedstrategyWithoptimizedstrategy圖7系統(tǒng)分配總功率迭代收斂曲線F_7crorTECLruecf=tl進(jìn)一步在與上述相同場景下將本文方法與一種基于粒子群優(yōu)化的多波束通信衛(wèi)星動(dòng)態(tài)資源分配方法昨丁比較。當(dāng)系統(tǒng)用戶需求總?cè)萘抠T時(shí)，采用這兩種方法分別計(jì)算系統(tǒng)未滿足用戶容量需求優(yōu)化

43、結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯霰任墨I(xiàn)E21提出的粒子群資源分配方法本文提出的功率和頻帶資源聯(lián)合優(yōu)化方法可使系統(tǒng)未滿足容量需求減少2C蟲Mad且收斂速度更快術(shù)文方法性能更優(yōu)。迭代收斂曲線(-s=q)、PLsu5pmwdccoauKsVASAXZACA匕GCFALR,RAVISHANKAR-ZbtelLjes-rro<t:"fillDJbLirdcF寶.CcrnrHLrifcjnsaxj34-朱立東_國外軍事衛(wèi)星通信發(fā)展及新技術(shù)綜述DJ-無線電通信技術(shù)_ZHULD_Ffei/vancbuqcrnadtazireArtadn±escfrratey:it1<XTnrri_rifcrsd