基于多波束低轨卫星系统的功率带宽联合分配方法及系统与流程

本发明涉及卫星通信领域，尤其涉及一种基于多波束低轨卫星系统的功率带宽联合分配方法及系统。

背景技术：

1、当前低地球轨道（leo）卫星星座的建设热潮，极大推动了多波束leo卫星系统的发展。然而，多波束leo卫星系统也面临着诸多挑战。一方面卫星的功率和带宽资源受到严格的限制，制约了系统的容量和性能。另一方面，通信业务需求的不均衡分布对卫星通信系统的资源调度能力提出了更高的要求。此外，卫星的多波束特性也增加了波束间干扰的潜在性和复杂性。如何解决上述问题成为当前研究热点。

2、现有技术中，有的采用了启发式方法来搜索拉格朗日乘子，在满足总功率约束和单个服务水平协议约束的情况下，得到每个点波束的最佳功率分配，实现了卫星功率利用率的最大化。也有的现有技术考虑了波束间的同频干扰问题，并通过最小化星上功率开销来实现最佳流量匹配，同时证明了功率分配问题的np-hard特性。这一发现直接促进了元启发算法的应用，特别是模拟退火和遗传算法（ga）的混合使用，以解决多目标优化问题，有效提升了多波束卫星系统的效率。

3、此外，现有技术中也使用元启发算法对功率分配问题进行了进一步研究。例如，有现有技术提出了一种基于粒子群优化（pso）算法的功率分配方法来解决单目标优化问题，同时考虑了雨衰和波束干扰的影响，验证了pso算法在解决功率分配问题上的可行性和准确性。

4、这些研究共同表明，采用元启发算法进行资源分配是提升卫星系统性能的重要途径。然而，如何使这些算法更好地适应leo卫星的应用场景，仍需进一步的研究和探索。

5、目前的相关研究仍然存在相应的局限性，总结如下：

6、1.当前研究工作主要集中在功率分配方面，对功率带宽联合分配方法的研究较少。此外，在现有功率带宽联合分配方法的研究中，仅考虑理想状态下对频率双极化多色复用的场景，但在实际应用中，低轨星座（如spacex，oneweb和telesat）下行信号均采用单极化多色复用。随着低轨星座的蓬勃发展，亟需贴近实际开展相关研究，提升能量利用效率和频谱利用效率。

7、2.多数研究工作均仅考虑单一需求场景，即用户需求差异不大的情况。但在实际场景中，通信业务需求往往存在系统总需求波动大，用户间需求不均衡的问题，应关注不同条件下的需求场景，提升系统业务满意度和服务公平性。

8、3.已有研究工作多数假设波束之间没有同频干扰，但在实际应用中，波束间的干扰问题无法忽视。考虑动态调整不同波束的发射功率和带宽时，干扰的大小也会随之变化。因此在leo卫星通信系统的资源分配问题中，应根据实际情况，考虑波束间的干扰，保证系统的吞吐量和通信质量。

9、4.现有研究表明，利用元启发算法进行资源分配是提升卫星系统性能的重要途径，然而单一的元启发算法仍然存在相关问题。例如ga以其卓越的全局搜索能力而受到青睐，然而其局部搜索能力相对较弱，且算法收敛速度较慢。与此同时，pso算法以其实现简便和强大的局部搜索能力而备受推崇，但易陷入局部最优解，影响全局搜索性能，并可能导致早熟收敛。因此，针对leo卫星运动速度极快，需求高度波动的问题，研究适应能力强，收敛速度快的资源分配方法具有重要意义。

10、综上所述，在面向leo卫星通信系统资源分配问题时，现有资源分配技术有以下技术缺陷：

11、（1）没有完全考虑实际应用场景；

12、（2）用户需求场景单一；

13、（3）现有分配方法用户公平性有待进一步加强；

14、（4）没有考虑波束同频干扰问题；

15、（5）现有元启发法算法性能有待进一步提升。

16、因此，需要对需求场景、波束干扰、性能指标等方面综合考虑，对功率带宽分配策略及其复杂度、适应性等关键问题进行重新研究和设计。在本发明中，针对多波束leo卫星系统，我们提出了一种创新的功率带宽联合分配方法，旨在进一步缩小业务需求与分配容量之间的差距，并提升资源的利用率。结果验证了所提方法在多样化的应用场景中均展现出了优越的性能。特别地，在需求适度的场景下，该方法在降低未满足系统容量（usc）方面的成效尤为突出。此外，即便在用户需求较高的场景中，用户间需求的差异性对方法降低usc的效果影响甚微，这进一步证明了所提方法具备良好的适应性和鲁棒性。

技术实现思路

1、本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于多波束低轨卫星系统的功率带宽联合分配方法及系统，以减少业务需求与分配容量差异，提高频谱利用效率、能源效率、用户体验和资源分配灵活性等方面。

2、为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种基于多波束低轨卫星系统的功率带宽联合分配方法，包括：

3、构建步骤：构建功率带宽联合分配模型，所述模型的优化目标是通过动态分配波束功率和带宽，在满足模型的约束条件的前提下，使所述低轨卫星系统的系统容量usc最小化；所述模型的约束条件包括单个波束的功率值约束条件、所有波束的总功率约束条件、单个波束的带宽值约束条件、各波束带宽与总带宽之间的约束条件；

4、分配步骤：根据波束内用户终端需求以及对应的约束条件，采用预设混合粒子群遗传算法对所述模型进行求解，输出最优的功率带宽分配方案，并计算相应的usc。

5、相应地，本发明实施例还提供了一种基于多波束低轨卫星系统的功率带宽联合分配系统，包括：

6、构建模块：构建功率带宽联合分配模型，所述模型的优化目标是通过动态分配波束功率和带宽，在满足模型的约束条件的前提下，使所述低轨卫星系统的系统容量usc最小化；所述模型的约束条件包括单个波束的功率值约束条件、所有波束的总功率约束条件、单个波束的带宽值约束条件、各波束带宽与总带宽之间的约束条件；

7、分配模块：根据波束内用户终端需求以及对应的约束条件，采用预设混合粒子群遗传算法对所述模型进行求解，输出最优的功率带宽分配方案，并计算相应的usc。

8、本发明的有益效果为：本发明能够依据实时通信需求和网络状态，动态优化卫星的功率与带宽分配，从而提升资源利用率和系统性能；本发明有效减少了业务需求与分配容量之间的差异，增强了用户间的公平性，并确保了通信的稳定性与效率。

技术特征：

1.一种基于多波束低轨卫星系统的功率带宽联合分配方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的基于多波束低轨卫星系统的功率带宽联合分配方法，其特征在于，所述模型的优化目标表示为：

3.如权利要求2所述的基于多波束低轨卫星系统的功率带宽联合分配方法，其特征在于，单个波束的功率值约束条件表示为：

4.如权利要求3所述的基于多波束低轨卫星系统的功率带宽联合分配方法，其特征在于，预设混合粒子群遗传算法包括粒子群算法和粒子群-遗传混合算法，对所述模型进行求解包括以下步骤：

5.如权利要求4所述的基于多波束低轨卫星系统的功率带宽联合分配方法，其特征在于，所述预处理包括功率约束处理和带宽约束处理，其中，

6.一种基于多波束低轨卫星系统的功率带宽联合分配系统，其特征在于，包括：

7.如权利要求6所述的基于多波束低轨卫星系统的功率带宽联合分配系统，其特征在于，所述模型的优化目标表示为：

8.如权利要求7所述的基于多波束低轨卫星系统的功率带宽联合分配系统，其特征在于，单个波束的功率值约束条件表示为：

9.如权利要求8所述的基于多波束低轨卫星系统的功率带宽联合分配系统，其特征在于，预设混合粒子群遗传算法包括粒子群算法和粒子群-遗传混合算法，对所述模型进行求解包括以下步骤：

10.如权利要求9所述的基于多波束低轨卫星系统的功率带宽联合分配系统，其特征在于，所述预处理包括功率约束处理和带宽约束处理，其中，

技术总结本发明实施例公开了一种基于多波束低轨卫星系统的功率带宽联合分配方法及系统，所述方法包括：构建步骤：构建功率带宽联合分配模型，所述模型的优化目标是通过动态分配波束功率和带宽，在满足模型的约束条件的前提下，使所述低轨卫星系统的未满足系统容量USC最小化；分配步骤：根据波束内用户终端需求以及对应的约束条件，采用预设混合粒子群遗传算法对所述模型进行求解，输出最优的功率带宽分配方案，并计算相应的USC。本发明能够依据实时通信需求和网络状态，动态优化卫星的功率与带宽分配，从而提升资源利用率和系统性能；本发明有效减少了业务需求与分配容量之间的差异，增强了用户间的公平性，并确保了通信的稳定性与效率。技术研发人员：钟明权,李伟,孙俊杰,卢伟俊,周平,刘元媛受保护的技术使用者：国家无线电监测中心技术研发日：技术公布日：2024/11/4