[发明专利]功率资源分配方法及应用该方法的多波束卫星通信系统

说明书

本发明公开了一种功率资源分配方法，该方法通过将卫星功率单元与各波束传输速率需求建模为供求买卖双方的分配博弈模型，对多波束卫星系统中的功率单元进行分配，以满足各波束传输速率需求，所述方法包括如下步骤：步骤一、分配博弈建模；步骤二、分配博弈买方决策阶段；步骤三、分配博弈卖方决策阶段；步骤四、对分配博弈进行迭代，以确定功率资源分配方案。本发明能够抑制同频波束间同时获得较大功率而导致相互干扰较大的问题，提升了单位功率上的可达传输速率，能有效提升卫星网络性能。

技术领域

本发明涉及卫星通信系统中的资源分配技术，尤其是涉及一种用于多波束卫星通信系统中的功率资源分配方法。

背景技术

为了满足人们对卫星提供的高质量与低资费服务的迫切需求，卫星通信系统通过星载多波束配置实现高频谱效率及终端尺寸小型化。而星上灵活载荷与多波束配置方案则进一步提升了多波束卫星系统的频谱利用率。然而，卫星属于典型的资源受限系统，太阳能帆板尺寸等约束使得星上功率极为稀缺，如何在覆盖区域内的多个波束之间对有限的功率资源进行分配是本领域技术人员的研究重点。

现有的动态功率分配方案大多考虑当前各波束业务量及用户分布，且采用诸如蚁群算法、模拟退火算法等群智能优化方法。尽管这些方法在提升系统吞吐量方面性能比较好，但其存在的问题也不可忽视，即上述方法通常需要大量的迭代计算，且算法性能受初始解选取的影响。并且，在卫星多波束场景下，业务量与各波束信道质量的时变特性要求功率分配算法应当具有更快的收敛特性，上述方法在这方面也难以满足需求。

分配博弈方法作为博弈论的一种，由于具有收敛快速与性能较优的特点，已经被应用在例如功率分配等工程领域中。中国专利文献CN104869624B公开了一种基于博弈论的多用户多天线认知无线电系统功率分配方法，该方法采用博弈论算法来优化分配在多用户多天线系统中各个用户节点的发送功率，其首先将每个中继节点的所有天线作为一个整体参与博弈，采用非合作博弈，挑选出其中能够参与通信的中继节点并分配功率，达到纳什均衡后每个节点获得的功率作为它们自身的总功率；然后将每个节点内部的各根天线作为博弈的参与者，在总功率一定的约束条件下进行非合作博弈，得到每个节点内每根天线的实际发送功率。中国专利文献CN104581918B公开了一种基于非合作博弈的卫星跨层联合优化功率分配方法。该方法根据物理层提供的信道状态反馈信息，并考虑不同业务的QoS需要，将业务功率分配问题建模为多业务静态非合作博弈模型，同时根据不同的跨层解决方案在应用层针对不同业务采用相应的编码方式，可以综合提高移动通信系统中用户的通信质量，提升系统性能。

然而，一方面上述方法均包含复杂计算，导致整个过程计算量大，增加了卫星系统计算负担；另一方面，多波束卫星系统中由于波束间同频干扰对功率分配带来的相互耦合关系求解困难，波束可获得传输速率不仅取决于卫星系统为之分配的功率资源，还受到其他同频波束所分配的功率资源的影响，而上述方法由于面对的场景不同，因此难以应用于多波束卫星系统的功率资源分配。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种多波束卫星通信系统中功率资源分配方法，该方法基于分配博弈模型确定波束与功率间的匹配关系，抑制了同频波束间同时获得较大功率而导致相互干扰较大的问题，提升了单位功率上的可达传输速率，提升了卫星系统性能。

本发明的技术方案如下：

一种功率资源分配方法，该方法通过将卫星功率单元与各波束传输速率需求建模为供求买卖双方的分配博弈模型，对多波束卫星系统中的功率单元进行分配，以满足各波束传输速率需求，所述方法包括如下步骤：

步骤一、分配博弈建模，建立以波束为买方、功率单元为卖方且满足预定约束条件的分配博弈模型；

步骤二、分配博弈买方决策阶段，波束根据功率单元的售价以及在选择功率单元后自身可以获得的边界收益，确定待申请的功率单元；

步骤三、分配博弈卖方决策阶段，功率单元根据基于向其申请匹配的波束个数进行卖方决策；