一种微纳卫星多目标优化资源分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种微纳卫星多目标优化资源分配方法，包括：通过微纳卫星资源分配问题的目标函数，确定优化目标为频谱效率与能量效率：假设搜索空间维数表示卫星通信网络中设备的数量，粒子群算法中各粒子表示波束资源分配情况，将波束资源分配的优化目标转化为获取粒子群算法的目标函数；对波束采用Tent混沌映射进行初始化，以确保各波束资源分配的均匀性；在粒子群算法中加入了正余弦思想，更新波束的速度和位置；通过多样性函数定期判断目标群体的状态，运用Tent混沌映射对各波束的资源分配情况进行混沌填充操作。本发明专利技术使得各波束资源初始分配均匀，提高了微纳卫星资源分配的效率，优化了系统性能。优化了系统性能。优化了系统性能。

【技术实现步骤摘要】
一种微纳卫星多目标优化资源分配方法


[0001]本专利技术涉及微纳卫星通信资源分配
，具体涉及一种微纳卫星多目标优化资源分配方法。

技术介绍

[0002]卫星通信网络由于其具有覆盖广、部署快、不受地面情况影响的优点，已经被用于多个商用系统，在空天互联网和5G网络中也是研究热点之一。随着卫星通信的快速发展，多点波束以高增益的点波束覆盖和频分复用的优势，在卫星通信系统中获得了广泛应用。而在多波束卫星通信系统中，由于星上信道、功率资源的严格制约，所以使用合适的资源分配方法尤为重要。近年来，传统资源分配算法是基于单目标的资源优化，已逐渐不能满足用户的需求，于是多目标优化的资源分配方法成为了备受关注的热点。
[0003]国内外学者对卫星系统资源分配方法的研究已经有很多，如运用各种启发式算法、采用拉格朗日对偶理论等。但现有方法也存在一些缺陷，如未考虑频信道干扰、收敛速度较慢、未兼顾能量效率和频谱效率等。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于，提供一种微纳卫星多目标优化资源分配方法，其使得各波束资源初始分配均匀，提高了微纳卫星资源分配的效率，优化了系统性能。
[0005]为实现上述目的，本申请提出一种微纳卫星多目标优化资源分配方法，包括：
[0006]通过微纳卫星资源分配问题的目标函数，确定优化目标为频谱效率与能量效率：假设搜索空间维数表示卫星通信网络中设备的数量，粒子群算法中各粒子表示波束资源分配情况，将波束资源分配的优化目标转化为获取粒子群算法的目标函数；
[0007]对波束采用Tent混沌映射进行初始化，以确保各波束资源分配的均匀性；
[0008]在粒子群算法中加入了正余弦思想，更新波束的速度和位置；
[0009]通过多样性函数定期判断目标群体的状态，运用Tent混沌映射对各波束的资源分配情况进行混沌填充操作。
[0010]进一步的，微纳卫星资源分配问题的目标函数设计如下：假设多波束卫星系统在理想状态下，用户能够达到最大速率则时刻t
j
系统的能量效率为：
[0011][0012]其中，用户编号是时间t
j
系统中的下行用户总数，为系统总的下行吞吐量，b＝1,2,
…
，M
b
代表波束数目编号，表示每波束的功率，P
O
为静态
电路消耗功率；
[0013]系统的频谱效率表示为：
[0014][0015]B为卫星系统总带宽，将多波束卫星系统资源分配问题的优化目标表示为：
[0016][0017][0018][0019][0020][0021]本专利技术优化的是T时间段系统累计性能；其中，Γ1为最大化总累计频谱效率，Γ2为最大化总累计能量效率，任意时刻t
j
下，系统总的分配功率、每波束的功率应不高于系统总功率门限和单波束功率门限P
totmax
；此外，任意时刻系统总的吞吐量满足最小需求速率要求
[0022]进一步的，所述粒子群算法的目标函数F
j
由所述频谱效率能量效率归一化处理后的加权和组成；首先，为了使两个指标对总的目标函数公平影响，将频谱效率能量效率都归一化到[0,1]；接着，根据优化目标的侧重对各指标变量赋予相应的权重，再通过加权和求得优化目标F
j
：
[0023][0024]其中a1、a2为两个指标的归一化参数，ω1、ω2为权重参数，惩罚值μ(μ＞0)解释为代价，当约束溢出时，通过惩罚值μ给予一定比例的惩罚。
[0025]进一步的，所述Tent混沌映射设计如下：先利用Tent映射关系将波束变量映射到混沌变量空间内，然后再将产生的混沌变量通过线性变换映射到需要优化的解空间内，Tent映射具体表达式如下：
[0026][0027]其中，x
k
表示第k个混沌波束资源数量。
[0028]进一步的，在粒子群算法中加入了正余弦思想，更新波束的速度和位置，具体为：
假设搜索空间为d维，资源总数为N，那么第t次迭代过程中第i个目标波束的位置更新公式为：
[0029][0030]其中X
id
(t)表示第t次迭代中第i个目标波束在第d维上的位置；R2、R3、R4为随机数，其中R2∈[0,2π],R3∈[0,2]，R4∈[0,1]；P*
d
为当前最优目标波束在d维上的位置，即粒子群算法中的Gbest；R1为转换参数，用于平衡算法的全局探索和局部开发，其公式如下：
[0031][0032]其中a为常数，t、N分别为当前迭代代数和最大迭代次数；R1控制了第i个目标波束在下一次迭代中移动到的位置区域，R2控制了第i个目标波束靠近或远离最优目标波束的移动距离，R3为目标波束位置的随机权重，控制目标波束位置对当前位置的影响力，R4为切换概率，即使用正弦操作还是余弦操作；当正弦函数R1sin(R2)或余弦函数R1cos(R2)的取值范围在(1,2]或[
‑
2,
‑
1)之间时，为全局搜索阶段；当正弦函数R1sin(R2)或余弦函数R1cos(R2)的取值范围在[
‑
1,1]之间时，为局部开采阶段。
[0033]更进一步的，通过多样性函数定期判断目标群体的状态，具体为：利用目标波束与群体内其他目标波束之间的平均Hamming距离来量化群体多样性，所述平均Hamming距离如式(12)，(13)所示：
[0034][0035][0036]其中，NP表示目标波束总量，H(a
i
,b
j
)表示多波束卫星通信系统中两个目标之间的汉明距离，D表示目标维度，a
ik
、b
ik
分别表示目标a
i
、b
i
在k维空间的位置；
[0037]在设置的时间间隔内，利用平均Hamming距离测量式对群体多样性进行测量，如果目标波束多样性低于给定的阈值，表示目标数量要么达到最大迭代次数，要么进入局部最优的搜索陷阱，此时需要执行混沌填充操作。
[0038]更进一步的，所述运用Tent混沌映射对各波束的资源分配情况进行混沌填充操作，具体为：
[0039]首先，将各目标波束按适应度函数值进行排序，然后去除50％适应度较低的目标波束；
[0040]若目标群体正进入早熟收敛阶段，此时通过Tent混沌映射引进新目标波束，替代去除50％的目标波束进行后续迭代。
[0041]本专利技术采用的以上技术方案，与现有技术相比，具有的优点是：
[0042](1)混沌具有强随机性、非周期性等优点，利用混沌序列对波束进行初始化，并将
产生的混沌变量通过线性变换映射到需要优化的解空间，使得各波束资源初始分配均匀。
[0043](2)在标准粒子群算法中加入了正余弦算法，提高寻优速度的同时，提高了微纳卫星资源分配的效率。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微纳卫星多目标优化资源分配方法，其特征在于，包括：通过微纳卫星资源分配问题的目标函数，确定优化目标为频谱效率与能量效率：假设搜索空间维数表示卫星通信网络中设备的数量，粒子群算法中各粒子表示波束资源分配情况，将波束资源分配的优化目标转化为获取粒子群算法的目标函数；对波束采用Tent混沌映射进行初始化，以确保各波束资源分配的均匀性；在粒子群算法中加入了正余弦思想，更新波束的速度和位置；通过多样性函数定期判断目标群体的状态，运用Tent混沌映射对各波束的资源分配情况进行混沌填充操作。2.根据权利要求1所述一种微纳卫星多目标优化资源分配方法，其特征在于，微纳卫星资源分配问题的目标函数设计如下：假设多波束卫星系统在理想状态下，用户能够达到最大速率则时刻t
j
系统的能量效率为：其中，用户编号其中，用户编号是时间t
j
系统中的下行用户总数，为系统总的下行吞吐量，b＝1,2,
…
，M
b
代表波束数目编号，表示每波束的功率，P
O
为静态电路消耗功率；系统的频谱效率表示为：B为卫星系统总带宽，将多波束卫星系统资源分配问题的优化目标表示为：B为卫星系统总带宽，将多波束卫星系统资源分配问题的优化目标表示为：B为卫星系统总带宽，将多波束卫星系统资源分配问题的优化目标表示为：B为卫星系统总带宽，将多波束卫星系统资源分配问题的优化目标表示为：B为卫星系统总带宽，将多波束卫星系统资源分配问题的优化目标表示为：本发明优化的是T时间段系统累计性能；其中，Γ1为最大化总累计频谱效率，Γ2为最大化总累计能量效率，任意时刻t
j
下，系统总的分配功率、每波束的功率不高于系统总功率门限和单波束功率门限P
totmax
；此外，任意时刻系统总的吞吐量满足最小需求速率要求
3.根据权利要求2所述一种微纳卫星多目标优化资源分配方法，其特征在于，所述粒子群算法的目标函数F
j
由所述频谱效率能量效率归一化处理后的加权和组成；首先，为了使两个指标对总的目标函数公平影响，将频谱效率能量效率都归一化到[0,1]；接着，根据优化目标的侧重对各指标变量赋予相应的权重，再通过加权和求得优化目标F
j
：其中a1、a2为两个指标的归一化参数，ω1、ω2为权重参数，惩罚值μ解释为代价，当约束溢出时，通过惩罚值μ给予一定比例的惩罚。4.根据权利要求1所述一种微纳卫星多目标优化资源分配方法，其特征在于，所述Tent混沌映射设计如下：先利用Tent映射关系将波束变量映射到混沌变量空间内，然后再将产生的混沌变量通过线性变换映射到需要优化的解空间内，T...

【专利技术属性】
技术研发人员：张然，陈成锴，孙明晨，丁元明，杨阳，
申请(专利权)人：大连大学，
类型：发明
国别省市：