基于多目标优化的太赫兹频段分布式星群接入控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多目标优化的太赫兹频段分布式星群接入控制方法，其步骤为：构建太赫兹频段分布式星群网络模型，建立接入控制多目标优化模型；获取用户卫星发送的新接入任务请求信息，获取分布式星群各节点的资源状态；确定所有新接入任务请求的优先级并排序；读取优先级最高的任务请求信息；利用多目标蚁群优化算法求解最优传输路径；判断是否存在最优传输路径；对星上资源进行分配；判断集合L是否为空集；完成用户卫星请求的接入控制。本发明专利技术提供的分布式星群接入控制方法，综合考虑了用户接入请求在星群内部网络中的传输路径，能够更合理有效地实现用户的接入控制，提高资源利用率。

【技术实现步骤摘要】
基于多目标优化的太赫兹频段分布式星群接入控制方法
本专利技术涉及卫星通信网络
，尤其涉及一种基于多目标优化的太赫兹频段分布式星群接入控制方法。
技术介绍
近年来，随着信息技术的不断发展进步，天基骨干网络信息传输需求日益增长，对天基骨干节点的传输处理能力提出了更高的要求，因此，人们提出了分布式星群的概念。分布式星群是指利用共轨控制、组网协同技术，在同步轨道上将多颗卫星整合等效为一颗大卫星，实现服务能力增强的一种网络结构，是构建天基骨干网络的重要途径之一。分布式星群中，各卫星节点之间通过星间太赫兹链路实现海量数据的高速互联传输，因此，用户业务数据的处理与分布式星群网络状态关系密切。传统的用户接入控制方法主要面向单个节点的大卫星平台，无需考虑星群内部网络各节点和链路的资源状态，如果将传统的接入控制方法直接应用于空间分布式星群，将导致部分星间链路中因业务过于集中而拥塞，另一部分星间链路因用户业务少而处于空闲状态。星群节点资源不能合理有效地分配，严重制约了空间信息传输的时效性，因此，基于空间分布式星群网络的特点，设计适用于分布式星群的用户接入控制方法，提高节点资源分配合理性和资源利用率，是非常必要的。论文“非静止轨道卫星通信系统容量分析与接入控制策略研究”(电子科技大学硕士学位论文，2018年4月)中，重点分析了一种卫星通信系统的容量和大规模卫星星座通信系统下的接入控制策略；中国专利CN106454872A中提出了公开了一种基于定向天线的卫星编队网络信道接入控制方法，该专利解决由于引入定向天线导致的聋节点问题和隐藏终端问题,提高了无线自组织网络中节点建立数据链路的成功率,有效的提高数据的吞吐量和减少数据接入时延,能较好地应用到各类无线自组织网络中，但上述技术都未考虑在分布式星群下的用户接入控制。
技术实现思路
针对分布式星群下的用户接入控制问题，本专利技术公开了一种基于多目标优化的太赫兹频段分布式星群接入控制方法，包括以下步骤：S1，构建太赫兹频段分布式星群网络模型，建立接入控制多目标优化模型；S2，获取用户卫星发送的新接入任务请求信息，获取分布式星群各节点的资源状态；S3，确定所有新接入任务请求的优先级，按照其优先级从高到底的顺序对所有新接入任务请求进行排序，并将所有新接入任务请求信息存入集合L；S4，读取集合L中优先级最高的任务请求信息；S5，将步骤S4中读取的任务请求信息输入多目标蚁群优化算法，利用多目标蚁群优化算法，求解该任务在分布式星群网络中的最优传输路径；S6，根据步骤S5的求解结果，判断是否存在最优传输路径，若不存在最优传输路径，则将当前任务请求信息从集合L中移除，则执行S7；若存在最优传输路径，则执行S7；S7，根据步骤S5求得的最优传输路径，对星上资源进行分配，并将当前任务请求信息从集合L中移除；S8，判断集合L是否为空集，若是，则执行S9；否则跳转至S4；S9，完成用户卫星请求的接入控制。本专利技术公开了一种于多目标优化算法的太赫兹频段分布式星群接入控制方法，包括以下步骤：S1，构建太赫兹频段分布式星群网络模型，建立接入控制多目标优化模型；太赫兹频段分布式星群网络采用多波束技术和频分多址体制，具有一个全局波束和K个点波束，其中全局波束为控制信道，点波束为数据传输信道；所述的太赫兹频段分布式星群网络模型，分布式星群网络由μ个分布式卫星节点组成，卫星节点的集合表示为V0＝{v1,v2,...,vk,...,vμ}，其中vk，k＝1,2,…,μ，代表在集合V0中的第k个卫星节点，为在卫星节点vk和卫星节点vl之间的太赫兹通信链路，其中vk∈V0,vl∈V0,k＝1,2,…,μ,l＝1,2,…,μ；Θ＝{Θ1,Θ2,...,Θk,...,Θχ}是用户卫星的集合，Θk表示第k个用户卫星，χ为用户卫星的总数，用户卫星向太赫兹频段分布式星群网络发送用户接入请求。从用户卫星发送到太赫兹频段分布式星群网络的用户接入请求总数为M，为描述与第r个用户接入请求有关的卫星节点vk和卫星节点vl之间的太赫兹通信链路的二进制变量因子，r＝1,2,…,M,k＝1,2,…,μ,l＝1,2,…,μ，如果第r个用户接入请求通过太赫兹链路则的值为1，如果第r个用户接入请求没有通过太赫兹链路则的值为0。建立接入控制多目标优化模型，模型中要进行优化的三个目标分别表示为O1，O2和O3，O1是指在太赫兹频段分布式星群网络中所有接入请求的总时延最小，其表达式为，O2是指在太赫兹频段分布式星群网络中所有接入请求的吞吐量最大，其表达式为，O3是指在太赫兹频段分布式星群网络中所有接入请求的网络效益最大，其表达式为，多目标优化函数表示为：其中，从卫星节点vk到卫星节点vl的时延表示为为从卫星节点vk到卫星节点vl的太赫兹通信链路带宽，为从卫星节点vk到卫星节点vl的太赫兹通信链路功率，N0是太赫兹通信链路的高斯白噪声，为第r个用户接入请求的太赫兹链路带宽的效益权重因子，为第r个用户接入请求的太赫兹链路功率的效益权重因子,多目标优化函数的约束条件为：其中，为第r个用户接入请求的节点资源需求，p表示接入请求的状态，p＝1表示现有接入请求，p＝2表示新接入请求，Cl和Ck分别为卫星节点vl和vk的节点资源，为第r个用户接入请求的带宽需求，为第r个用户接入请求的功率需求，C1、C2、C3、C4分别为节点资源、带宽资源、功率资源、链路资源的约束条件，w1、w2、w3分别为3个目标函数的权重值，满足wi≥0,i＝1,2,3，w1+w2+w3＝1；得到综合目标函数为：G＝w1O1+w2O2+w3O3，接入控制方法包含三种策略，具体为：最小时延呼叫接入控制策略，最大吞吐量呼叫接入控制策略和最大网络效益呼叫接入控制策略；利用所述的最小时延呼叫接入控制策略进行接入控制时，首先为每个用户的接入请求计算一个可供选择的路径集；然后，根据每个路径的跳数，按跳数降序对可供选择的路径集中的路径进行排序；最后，选择跳数最少的路径来实现用户的呼叫接入控制；利用所述的最大吞吐量呼叫接入控制策略进行接入控制时，首先选出一部分路径作为用户接入请求的备用路径集；然后，计算备用路径集中每个用户接入请求的路径传输速率；最后，对备用路径集中的路径按其路径传输速率进行降序排列，然后选择具有最大路径传输速率的路径，来实现用户的呼叫接入控制；利用所述的最大网络效益呼叫接入控制策略进行接入控制时，首先将可用路径按照其特点进行划分并作为接入请求的备用路径集；然后，分别计算备用路径集中各路径的带宽和功率的总网络效益；最后，按照路径的带宽和功率的总网络效益递减的顺序，对备用路径集中的路径进行排序，选择具有最大总网络效益的路径来实现用户的呼叫接入控制。S2，获取用户卫星发送的新接入任务请求信息，获取分布式星群各节点的资源状态；S3，确定所有新接入任务请求的优先级，按照其优先级从高到底的顺序对所有新接入任务请求本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多目标优化的太赫兹频段分布式星群接入控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1，构建太赫兹频段分布式星群网络模型，建立接入控制多目标优化模型；/nS2，获取用户卫星发送的新接入任务请求信息，获取分布式星群各节点的资源状态；/nS3，确定所有新接入任务请求的优先级，按照其优先级从高到底的顺序对所有新接入任务请求进行排序，并将所有新接入任务请求信息存入集合L；/nS4，读取集合L中优先级最高的任务请求信息；/nS5，将步骤S4中读取的任务请求信息输入多目标蚁群优化算法，利用多目标蚁群优化算法，求解该任务在分布式星群网络中的最优传输路径；/nS6，根据步骤S5的求解结果，判断是否存在最优传输路径，若不存在最优传输路径，则将当前任务请求信息从集合L中移除，则执行S7；若存在最优传输路径，则执行S7；/nS7，根据步骤S5求得的最优传输路径，对星上资源进行分配，并将当前任务请求信息从集合L中移除；/nS8，判断集合L是否为空集，若是，则执行S9；否则跳转至S4；/nS9，完成用户卫星请求的接入控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多目标优化的太赫兹频段分布式星群接入控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，构建太赫兹频段分布式星群网络模型，建立接入控制多目标优化模型；
S2，获取用户卫星发送的新接入任务请求信息，获取分布式星群各节点的资源状态；
S3，确定所有新接入任务请求的优先级，按照其优先级从高到底的顺序对所有新接入任务请求进行排序，并将所有新接入任务请求信息存入集合L；
S4，读取集合L中优先级最高的任务请求信息；
S5，将步骤S4中读取的任务请求信息输入多目标蚁群优化算法，利用多目标蚁群优化算法，求解该任务在分布式星群网络中的最优传输路径；
S6，根据步骤S5的求解结果，判断是否存在最优传输路径，若不存在最优传输路径，则将当前任务请求信息从集合L中移除，则执行S7；若存在最优传输路径，则执行S7；
S7，根据步骤S5求得的最优传输路径，对星上资源进行分配，并将当前任务请求信息从集合L中移除；
S8，判断集合L是否为空集，若是，则执行S9；否则跳转至S4；
S9，完成用户卫星请求的接入控制。


2.如权利要求1所述的基于多目标优化的太赫兹频段分布式星群接入控制方法，其特征在于，所述的步骤S1，构建太赫兹频段分布式星群网络模型，建立接入控制多目标优化模型；太赫兹频段分布式星群网络系统采用多波束技术和频分多址体制，具有一个全局波束和K个点波束，其中全局波束为控制信道，点波束为数据传输信道；所述的太赫兹频段分布式星群网络模型，分布式星群网络由μ个分布式卫星节点组成，卫星节点的集合表示为其中vk，k＝1,2,…,μ，代表在集合V0中的第k个卫星节点，为在卫星节点vk和卫星节点vl之间的太赫兹通信链路，其中vk∈V0,vl∈V0,k＝1,2,…,μ,l＝1,2,…,μ；Θ＝{Θ1,Θ2,...,Θk,...,Θχ}是用户卫星的集合，Θk表示第k个用户卫星，χ为用户卫星的总数，用户卫星向太赫兹频段分布式星群网络发送用户接入请求；从用户卫星发送到太赫兹频段分布式星群网络的用户接入请求总数为M，为描述与第r个用户接入请求有关的卫星节点vk和卫星节点vl之间的太赫兹通信链路的二进制变量因子，r＝1,2,…,M,k＝1,2,…,μ,l＝1,2,…,μ，如果第r个用户接入请求通过太赫兹链路则的值为1，如果第r个用户接入请求没有通过太赫兹链路则的值为0；
建立接入控制多目标优化模型，模型中要进行优化的三个目标分别表示为O1，O2和O3，O1是指在太赫兹频段分布式星群网络中所有接入请求的总时延最小，其表达式为，



O2是指在太赫兹频段分布式星群网络中所有接入请求的吞吐量最大，其表达式为，



O3是指在太赫兹频段分布式星群网络中所有接入请求的网络效益最大，其表达式为，



多目标优化函数表示为：



其中，从卫星节点vk到卫星节点vl的时延表示为为从卫星节点vk到卫星节点vl的太赫兹通信链路带宽，为从卫星节点vk到卫星节点vl的太赫兹通信链路功率，N0是太赫兹通信链路的高斯白噪声，为第r个用户接入请求的太赫兹链路带宽的效益权重因子，为第r个用户接入请求的太赫兹链路功率的效益权重因子,多目标优化函数的约束条件为：



其中，为第r个用户接入请求的节点资源需求，p表示接入请求的状态，p＝1表示现有接入请求，p＝2表示新接入请求，Cl和Ck分别为卫星节点vl和vk的节点资源，为第r个用户接入请求的带宽需求，Prp为第r个用户接入请求的功率需求，C1、C2、C3、C4分别为节点资源、带宽资源、功率资源、链路资源的约束条件，w1、w2、w3分别为3个目标函数的权重值，满足wi≥0,i＝1,2,3，w1+w2+w3＝1；得到综合目标函数为：
G＝w1O1+w2O2+w3O3，
接入控制方法包含三种策略，具体为：最小时延呼叫接入控制策略，最大吞...

【专利技术属性】
技术研发人员：何元智，刘宏宇，
申请(专利权)人：军事科学院系统工程研究院网络信息研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11