卫星通信系统中的功率分配方法技术方案

本发明专利技术公开了一种卫星通信系统中的功率分配方法，首先根据卫星通信系统中的卫星链路预算方程，确定每个用户容量与分配功率之间的关系；然后据此将卫星通信通信系统中的功率分配问题建模成一个非线性带约束的凸优化问题；最后根据对偶定理，通过求解该优化问题的对偶问题来获取最优的功率分配方案。与传统的均匀或者比例功率分配方法相比，本发明专利技术提出的功率分配方法在保持整个系统容量不变的前提下，提高了分配给每个用户的功率的公平性。此外，由于本发明专利技术中采用卫星链路预算方程来计算为每个用户分配的容量，因此其分配结果在实际的卫星通信系统中更加具有实用性。

【技术实现步骤摘要】
卫星通信系统中的功率分配方法
本专利技术属于资源分配的
，具体涉及一种卫星通信系统中的功率分配方法。
技术介绍
在现代卫星通信系统中，由于卫星平台的限制，星上的功率资源是有限及宝贵的。为了更好的满足用户的业务需求，必须要提高功率资源的使用效率。由于每个用户的业务申请量不同，并且不同用户的信道条件也不同。因此必须根据用户的业务申请量和信道条件将功率资源动态的分给不同的用户以提高资源利用率。由于功率分配影响到整个卫星通信系统的性能，因此其得到了广泛的研究。如著名的“注水算法”，该算法以最大化系统容量为目标，根据每个用户的信道条件来进行功率分配，信道条件好的用户将分配更多的功率资源，而信道条件差的用户将分配更少的功率资源。但是这种算法有个明显的缺点，即没有考虑到每个用户的业务需求，一个用户的信道条件虽然好，但是其业务需求量很小，因此给其分配较多的功率资源明显的会造成浪费；一个用户的信道条件虽然差，但是其业务需求比较大，而给其分配较小的功率资源明显的会造成功率分配之间不公平性。为此，J.P.ChoiandV.W.S.Chan等人以最小化所有用户业务需求和分配容量之差的平方和为优化目标，将功率分配问题建模成一个凸优化问题，并且分析出了不同的因素对于功率分配结果的影响。但是他们并没有提出具体的算法以解决该问题。为此，YangHong和QiFeng等人分别将二分法和次梯度法应用于求解该优化问题。上述研究中的一个主要问题在于，每个用户的分配到容量和分配到的功率资源的关系是通过香农公式来确定的，然而香农容量公式在实际的卫星通信系统中无法实现，其只具有理论参考意义，因此，以上研究中功率分配结果在实际的卫星通信系统中并不是最优的结果。为此，ApostolosDestounis等人通过实际的卫星链路计算方程来确定用户的容量，然后以最大化满足容量需要的用户数目为准则，来进行功率分配。但是其没有考虑系统的整体容量以及为每个用户分配功率的公平性问题。本专利技术的目的在于弥补上述研究中的不足之处。本专利技术通过卫星通信系统中采用的链路预算方程来确定用户的容量，以最小化所有用户的分配容量和业务申请量之差的平方和为准则，来进行功率优化。本专利技术选择的功率分配准则将会给业务申请量大的用户分配更多的功率资源，实现了功率资源分配的公平性。同时，该准则同样的也会尽最大努力的实现系统容量的最大化。因此，本专利技术选择的功率分配准则在系统容量最大和功率资源分配的公平性之间取折中。此外，由于本专利技术中采用链路预算方程来确定用户分配到得容量，因此，每个用户分配到的容量在实际的卫星通信系统中能够实现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种卫星通信系统中的功率分配方法，解决卫星通信系统中的功率分配问题，以提高系统功率资源的利用效率。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种卫星通信系统中的功率分配方法，分配步骤如下：步骤1：在卫星通信系统的公平性功率分配模型中，初始化对偶变量λ和σ=[σ1,σ2,…,σK]以及每个对偶变量的迭代步长；将每个σi的值设置为0，其中i∈{1,2,…,K}，并且其对应的迭代步长设置为0.001；选取业务申请量最小的用户Uj，给其分配的功率为Pj=Ptotal·Tj/Ttotal，其中Ttotal为所有用户业务申请量的总和，Ptotal为卫星通信系统中星上总功率，Tj为用户Uj的业务申请量；然后确定出对偶变量λ的初始值λ0，并且将其迭代步长设置为λ0/100000；步骤2：确定经过优化后的每个用户分配的功率资源步骤3：根据上一步中得到的分配给每个用户的功率值，更新对偶变量λ和σi的值；步骤4：判断下面两个条件是否同时满足：和如果同时满足则结束整个分配过程；否则，返回步骤2。步骤1中的卫星通信系统的公平性功率分配模型为：s.t.步骤1和步骤2根据如下公式确定对偶变量λ的初始值与经过优化后的每个用户分配到得功率资源其中，Li表示第i个用户的下行链路损耗，其主要由自由空间损耗、雨衰以及极化损耗等组成；(G/T)i表示第i个用户接收设备的增益与等效噪声温度之比；GS表示卫星发射天线的增益；k表示波尔兹曼常数，其值为1.379×10-23W/KHz；αi表示第i个用户采用的调制编码模式；(Eb/N0)i、ρ(αi)和η(αi)分别表示调制编码模式αi对应的解调门限比特信噪比、滚将因子和频谱效率。步骤3中，更新对偶变量的方法为其中，[x]+=max{0,x}；n表示迭代次数；Δ表示每个对偶变量的迭代步长；表示经过优化后的每个用户分配的功率资源；Ptotal表示系统总的功率资源；表示第i波束的总带宽；Wj表示第j个用户所占用的带宽资源；表示第i个波束所包括的用户集合。本专利技术与现有技术相比，其显著优点：其将会给业务申请量大的用户分配更多的功率资源，实现了功率资源分配的公平性。同时，该算法同样的也会尽最大努力的实现系统容量的最大化。因此本专利技术能够在系统容量最大和功率资源分配的公平性之间取得一个折中。此外，采用的容量计算公式是通过卫星链路预算方程得到的，因此，为每个用户分配的容量在实际的卫星通信系统中能够实现，提高了分配结果的实用性。附图说明图1是本专利技术卫星通信系统的功率分配方法的卫星通信系统配置图。图2是本专利技术提出的功率分配算法的流程图。图3是本专利技术卫星通信系统的功率分配方法的实施例中采用三种不同功率分配方法时，每个用户分配到的容量大小。图4是本专利技术卫星通信系统的功率分配方法的实施例中采用不同三种功率分配算法时，每个用户分配的容量与其申请业务量之差的平方。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。结合图1～4，设该系统中星上的功率资源可以任意的分配给不同波束内的不同的用户，但是每个波束的总带宽是固定的。本专利技术主要解决如何在下行链路中为不同的用户分配星上功率的问题，以提高系统的总体性能。在该系统中，设系统有K个波束和M个用户。其中每个波束用Bi表示，i∈{1,2,…,K}；每个用户用Ui表示，i∈{1,2,…,M}，并且在波束Bi中的所有用户的集合用表示。系统中星上总功率为Ptotal。第i个用户的业务申请量为Ti，为其分配的星上功率资源为Pi。在实际的卫星通信系统中，每个用户要发送的信息是通过调制编码后传送出去，根据每个用户采用的调制编码模式可以确定出其分配的容量和需要的功率资源之间的关系，而不是通过香农容量的公式来确定两者的关系。设第i个用户采用的调制编码模式为αi，并且其对应的解调门限比特信噪比为(Eb/N0)i。这样根据如下公式便可以确定出为第i个用户分配的容量Di。上式中(C/N0)i为第i个用户的下行链路载波与噪声功率谱密度之比，其可由如下卫星链路预算方程得到。上式中Li表示第i个用户的下行链路损耗，其主要由自由空间损耗、雨衰以及极化损耗等组成；(G/T)i表示第i个用户接收设备的增益与等效噪声温度之比；GS表示卫星发射天线的增益；k表示波尔兹曼常数，其值为1.379×10-23W/KHz。将公式(2)代入公式(1)中，便可以得到为第i个用户分配的容量与分配功率之间的关系。当卫星通信系统固定时，上式(3)中的参数除了为每个用户分配的功率Pi之外，其他参数都是已知量。因此由上述两个公式可以发现为第i个用户分配的容量取决于为其分配的星上功率P本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种卫星通信系统中的功率分配方法，其特征在于，分配步骤如下： 步骤1：在卫星通信系统的公平性功率分配模型中，初始化对偶变量λ和σ=[σ1,σ2,…,σK]以及每个对偶变量的迭代步长；将每个σi的值设置为0，其中i∈{1,2,…,K}，并且其对应的迭代步长设置为0.001；选取业务申请量最小的用户Uj，给其分配的功率为Pj=Ptotal·Tj/Ttotal，其中Ttotal为所有用户业务申请量的总和，Ptotal为卫星通信系统中星上总功率，Tj为用户Uj的业务申请量；然后确定出对偶变量λ的初始值λ0，并且将其迭代步长设置为λ0/100000；步骤2：确定经过优化后的每个用户分配的功率资源步骤3：根据上一步中得到的分配给每个用户的功率值，更新对偶变量λ和σi的值； 步骤4：判断下面两个条件是否同时满足：和如果同时满足则结束整个分配过程；否则，返回步骤2。

【技术特征摘要】
1.一种卫星通信系统中的功率分配方法，其特征在于，分配步骤如下：步骤1：在卫星通信系统的公平性功率分配模型中，初始化对偶变量λ和σ＝[σ1,σ2,…,σK]以及每个对偶变量的迭代步长Δ；将每个σi的值设置为0，其中i∈{1,2,…,K}，K为系统的波束数，并且其对应的迭代步长设置为0.001，n表示迭代次数；选取业务申请量最小的用户Uj，给其分配的功率为Pj＝Ptotal·Tj/Ttotal，其中Ttotal为所有用户业务申请量的总和，Ptotal为卫星通信系统中星上总功率，Tj为用户Uj的业务申请量；然后确定出对偶变量λ的初始值λ0，并且将其迭代步长设置为λ0/100000：其中卫星通信系统的公平性功率分配模型为：s.t.其中，Di表示第i个用户申请的容量；M表示用户个数；表示第j波束的总带宽；Wi表示第i个用户所占用的带宽资源；表示第j个波束所包括的用户集合；步骤2：确定经过优化后的每个用户分配的功率资源Piopt；步骤1和步骤2根据如下公式确定对偶变量λ的初始值与经过优化后的每个用户分配到得功率资源Piopt

【专利技术属性】
技术研发人员：刘爱军，张邦宁，王恒，潘小飞，郭道省，潘克刚，童新海，张应宪，叶展，杨思祥，丁科，方华，晋军，龚超，续欣，
申请(专利权)人：中国人民解放军理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32