一种面向异构场景的星间链路功率分配方法组成比例

本发明专利技术提供一种面向异构场景的星间链路功率分配方法，包括：更新当前的中低轨卫星之间的星间链路增益参数；根据低轨卫星的轨道周期、归一化吞吐量分别更新剩余可见时间收敛系数和剩余可见时间惩罚系数，进而得到剩余可见时间代价惩罚函数；基于整体效用博弈得到每个低轨卫星各自博弈后的功率输出结果；利用功率输出结果计算簇内每个低轨卫星的效用值和离簇阈值，对效用值低于离簇阈值的低轨卫星做离簇处理；进入下一时隙，更新所有低轨卫星的剩余可见时间，初始化新加入簇内的所有低轨卫星的剩余可见时间。本发明专利技术的面向异构场景的星间链路功率分配方法，通过设计合理的效用奖惩函数及离簇阈值方案，来优化中低轨卫星网络的整体性能。体性能。体性能。

【技术实现步骤摘要】
一种面向异构场景的星间链路功率分配方法


[0001]本专利技术属于卫星通信架构设计领域，具体涉及一种面向异构场景的星间链路功率分配方法。

技术介绍

[0002]非地面网络是对地面网络的延伸，用于补充地面网络无法服务或者难以有效服务的偏远地区。然而由于非地面网络特殊的地理性质，决定其对技术要求较高，同时非地面网络中卫星价格昂贵，使得非地面网络卫星数量远低于地面网络设备数量，另一方面我国卫星资源积累不足，多数中低轨卫星轨道资源已被其他国家瓜分殆尽。因此如何利用有限的中低轨卫星资源，并充分利用中低轨卫星轨道的高动态特性，搭建高效的中低轨星座互联网络，最大程度为用户提供低时延、无缝的业务体验，是一个亟待解决的议题。
[0003]处在同一个网络中的中低轨卫星，当低轨卫星和中轨卫星发生信令交互时，每一个低轨卫星的发送功率对本网络的其他低轨卫星来说都会造成干扰，然而任一个低轨卫星通过提升自身发送功率来提高信噪比，会对处于同一个网络中的其他低轨卫星成员造成严重干扰，网络整体性能大幅下降，也急剧增加了卫星功耗，造成资源浪费。同时由于中低轨卫星的高动态运行特性和中低轨卫星网络间复杂的拓扑结构，处在同一个网络的中低轨卫星会频繁进入彼此视线盲区，如果不能高效及时对处于盲区的低轨卫星进行管理，亦会对卫星资源造成浪费。
[0004]目前常见星上功率分配方式多借鉴地面网络，主要包括贪婪功率分配方案和注水功率分配方案等，但是它们多考虑每个用户自身性能，而忽略用户彼此间干扰，不能确保网络整体性能最优。同时针对低轨卫星时变特性，就低轨卫星何时离开所在网络，常用策略包括两种：
[0005]1)存储低轨卫星特定的轨道位置和周期等信息，当低轨卫星途径某个空间点位时，会主动触发该低轨卫星离开所在网络。若网络中存在多个复杂时变低轨卫星，这些低轨卫星彼此间相互干扰，由于受到干扰等因素影响，不能保证这些低轨卫星在固定点位离开网络时能够有益于网络整体性能，因此此种策略仅适用于网络中低轨卫星成员确定和单一的情形。
[0006]2)实时进行导频信道量测，当信道质量低于某个门限时触发低轨卫星脱离所在网络，但低轨卫星持续进行导频监测会大大增加卫星自身功耗，这对低轨卫星电池有限的情况来说，也并不适用。
[0007]因此，面向复杂异构场景需要建立一种合理的功率分配方案，该方案能够均衡考虑网络内各个用户，并针对不同场景均能提升网络整体性能。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种面向异构场景的星间链路功率分配方法，以对低轨卫星进行合理的功率资源分配，来优化中低轨卫星网络的整体性能。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种面向异构场景的星间链路功率分配方法，包括：
[0010]S1：设定低轨卫星相对于中轨卫星的动态场景，初始化当前簇内低轨卫星个数K；设置当前时隙k＝1，设置时隙间隔Δt；设置簇内N个低轨卫星对中轨卫星的初始剩余可见时间；设置低轨卫星的功率量级个数M和发送功率向量；
[0011]S2：若K≠0，更新当前时隙k的中低轨卫星之间的星间链路增益参数h(t
k
)＝[h1(t
k
) h2(t
k
)
…
h
K
(t
k
)]；根据簇内K个低轨卫星在当前时隙k的轨道周期、归一化吞吐量C(t
k
)分别更新剩余可见时间收敛系数k
i1
和剩余可见时间惩罚系数k
i2
，进而得到剩余可见时间代价惩罚函数Cost
time
(t
k
)；若K＝0，进入步骤S5；
[0012]S3：若K＝1，则进入步骤S4；否则，进入步骤S6；
[0013]S4：输出唯一的低轨卫星在当前时隙k的最佳效用及其对应的功率值，进入步骤S11；
[0014]S5：将在当前时隙k的最佳效用设置为零，进入步骤S11；
[0015]S6：固定第i个低轨卫星在当前时隙k上的发送功率p
ti
(t
k
)，遍历除第i个低轨卫星以外的簇内其他K
‑
1个低轨卫星的发送功率并在不同的发送功率的组合下分别计算第i个低轨卫星和除第i个低轨卫星外的全部低轨卫星在当前时隙k的整体效用，选取其中的最大值来组成第i个低轨卫星在当前时隙k的初始整体最大效用数组u
ini_max_i
，对应的簇内K个低轨卫星各自发送功率均保存于第i个低轨卫星的初始最佳发送功率响应数组p
ini_best_i_q_matrix
，对应的第i个低轨卫星的发送功率组成第i个低轨卫星的初始最佳发送功率数组p
ini_best_i
；
[0016]S7：i＝i+1，并回到步骤S6，直到簇内所有的低轨卫星遍历完成，此时得到初始整体最大效用集合u
ini_max
和对应的初始最佳发送功率响应集合，继续执行步骤S8；
[0017]S8：分别计算初始最佳发送功率响应集合中的其中一个作为参考卫星的低轨卫星的初始最佳发送功率响应数组与其余的任一个低轨卫星的初始最佳发送功率响应数组的矩阵间最小距离，分别选择最小距离所对应的发送功率的组合作为簇内每个低轨卫星各自博弈后的功率输出结果；
[0018]S9：利用簇内每个低轨卫星各自博弈后的功率输出结果计算簇内每个低轨卫星在当前时隙k上的效用值和离簇阈值，若任一个低轨卫星效用值低于离簇阈值，则将该低轨卫星做离簇处理，此时K＝K
‑
n，n指代低轨卫星效用值低于离簇阈值的卫星个数；
[0019]S10：将未离簇的簇内所有低轨卫星的博弈后的功率输出结果作为其最佳发送功率，计算簇内的所有低轨卫星在当前时隙k上的效用值之和，并作为当前时隙的最佳整体效用；
[0020]S11：令k＝k+1；随后，若K＞0，则分别对簇内所有低轨卫星的剩余可见时间进行更新，随后进入步骤S12：若K＝0，则直接进入步骤S12；
[0021]S12：初始化新加入簇内的所有低轨卫星的剩余可见时间，将K+l作为更新的K，l为在新的当前时隙新加入簇内的低轨卫星的个数；
[0022]S13：若所有时隙遍历完毕，则流程结束，否则返回步骤S2。
[0023]在所述步骤S1和步骤S12中，初始剩余可见时间t为：
[0024]t＝[t
10 t
20
…
t
N0
]，t
i0
是簇内第i个低轨卫星对中轨卫星的初始剩余可见时间；
[0025]t
i0
的取值范围为：
[0026]0≤t
i0
≤|t
i2
‑
t
i1
|，
[0027]其中，t
i1
、t
i2
是第i个低轨卫星相邻两次可见性切换时刻，t
i1
表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向异构场景的星间链路功率分配方法，其特征在于，包括：步骤S1：设定低轨卫星相对于中轨卫星的动态场景，初始化当前簇内低轨卫星个数K；设置当前时隙k＝1，设置时隙间隔Δt；设置簇内N个低轨卫星对中轨卫星的初始剩余可见时间；设置低轨卫星的功率量级个数M和发送功率向量；步骤S2：若K≠0，更新当前时隙k的中低轨卫星之间的星间链路增益参数h(t
k
)＝[h1(t
k
) h2(t
k
)
…
h
K
(t
k
)]；根据簇内K个低轨卫星在当前时隙k的轨道周期、归一化吞吐量C(t
k
)分别更新剩余可见时间收敛系数k
i1
和剩余可见时间惩罚系数k
i2
，进而得到剩余可见时间代价惩罚函数Cost
time
(t
k
)；若K＝0，进入步骤S5；步骤S3：若K＝1，则进入步骤S4；否则，进入步骤S6；步骤S4：输出唯一的低轨卫星在当前时隙k的最佳效用及其对应的功率值，进入步骤S11；步骤S5：将在当前时隙k的最佳效用设置为零，进入步骤S11；步骤S6：固定第i个低轨卫星在当前时隙k上的发送功率p
ti
(t
k
)，遍历除第i个低轨卫星以外的簇内其他K
‑
1个低轨卫星的发送功率并在不同的发送功率的组合下分别计算第i个低轨卫星和除第i个低轨卫星外的全部低轨卫星在当前时隙k的整体效用，选取其中的最大值来组成第i个低轨卫星在当前时隙k的初始整体最大效用数组u
ini_max_i
，对应的簇内K个低轨卫星各自发送功率均保存于第i个低轨卫星的初始最佳发送功率响应数组p
ini_best_i_q_matrix
，对应的第i个低轨卫星的发送功率组成第i个低轨卫星的初始最佳发送功率数组p
ini_best_i
；步骤S7：i＝i+1，并回到步骤S6，直到簇内所有的低轨卫星遍历完成，此时得到初始整体最大效用集合u
ini_max
和对应的初始最佳发送功率响应集合，继续执行步骤S8；步骤S8：分别计算初始最佳发送功率响应集合中的其中一个作为参考卫星的低轨卫星的初始最佳发送功率响应数组与其余的任一个低轨卫星的初始最佳发送功率响应数组的矩阵间最小距离，分别选择最小距离所对应的发送功率的组合作为簇内每个低轨卫星各自博弈后的功率输出结果；步骤S9：利用簇内每个低轨卫星各自博弈后的功率输出结果计算簇内每个低轨卫星在当前时隙k上的效用值和离簇阈值，若任一个低轨卫星效用值低于离簇阈值，则将该低轨卫星做离簇处理，此时K＝K
‑
n，n指代低轨卫星效用值低于离簇阈值的卫星个数；步骤S10：将未离簇的簇内所有低轨卫星的博弈后的功率输出结果作为其最佳发送功率，计算簇内的所有低轨卫星在当前时隙k上的效用值之和，并作为当前时隙的最佳整体效用；步骤S11：令k＝k+1；随后，若K＞0，则分别对簇内所有低轨卫星的剩余可见时间进行更新，随后进入步骤S12：若K＝0，则直接进入步骤S12；步骤S12：初始化新加入簇内的所有低轨卫星的剩余可见时间，将K+l作为更新的K，l为在新的当前时隙新加入簇内的低轨卫星的个数；步骤S13：若所有时隙遍历完毕，则流程结束，否则返回步骤S2。2.根据权利要求1所述的面向异构场景的星间链路功率分配方法，其特征在于，在所述步骤S1和步骤S12中，初始剩余可见时间t为：
t＝[t
10 t
20
…
t
N0
]，t
i0
是簇内第i个低轨卫星对中轨卫星的初始剩余可见时间；t
i0
的取值范围为：0≤t
i0
≤|t
i2
‑
t
i2
|，其中，t
i1
、t
i2
是第i个低轨卫星相邻两次可见性切换时刻，t
i1
表示第i个低轨卫星进入中轨卫星的可视区的时刻，t
i2
表示第i个低轨卫星离开中轨卫星的可视区的时刻；在所述步骤S1中，设置低轨卫星的发送功率范围[p
min
,p
max
]，设置发送功率步长Δp，则获得功率量级个数M＝(p
max
‑
p
min
)/Δp，获得的低轨卫星的发送功率向量为：[p
min p
min
+Δp
…
p
max
‑
Δp p
max
]。3.根据权利要求1所述的面向异构场景的星间链路功率分配方法，其特征在于，簇内第i个低轨卫星在当前时隙k上的效用值u
i
(t
k
)为：R
throughput
(t
k
)为当前时隙k上的收益函数，Cost
energy
(t
k
)为当前时隙k上的能耗代价惩罚函数，Cost
time
(t
k
)为剩余可见时间代价惩罚函数。4.根据权利要求3所述的面向异构场景的星间链路功率分配方法，其特征在于，簇内n个低轨卫星在当前时隙k上的剩余可见时间代价惩罚函数Cost
time
(t
k
)为：其中，系数k
i1
为剩余可见时间收敛系数，i∈(1,2,
…
,n)，其决定剩余可见时间代价惩罚函数收敛的快慢，k
i2
定义为剩余可见时间惩罚系数，k是当前时隙的序数，Δt是时隙间隔k
i1
∝
1/T
i
(k
i1
＞0)，k
i2
∝
1/log(1+ξ
i
(t
k
))(k
i2
＞0)，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘坤贝，李强，周斌，赵宇，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：