[发明专利]基于理想点的卫星通信多用户并发接入防碰撞方法

权利要求书

1.一种基于理想点的卫星通信多用户并发接入防碰撞方法，其特征在于，具体步骤包括：

S1，将申请接入网络的用户划分为若干个用户组，以用户组为单位构建入网测距系统模型；

S2，以组网时间最短、碰撞率最低、占用信道数最少为目标，构建多目标优化问题；

S3，利用Pareto进化算法，对步骤S2中构建的多目标优化问题进行求解；

S4，通过优化算法获得Pareto最优解集，并构成预案库；

S5，确定实际组网用户量、碰撞率及时间需求、信道数限制条件；

S6，基于Logistic模型构建组网时间、碰撞率和占用信道的协商曲线，并将协商曲线输入预案库；

S7，获得符合实际组网需求的理想点，理想点信息包括分组用户数、到达率、分组信道数；

S8，根据理想点信息，进行用户分组、到达率设置、测距信道配置；

所述的步骤S1，具体包括：

将申请接入网络的用户划分为若干个用户组，MF-TDMA卫星通信网络载波数量为m，载波上的时隙宽度为T₀，当用户进行接入测距时，测距信道时间长度为T₁，测距信道需要占用a个时隙，其中aT₀＝T₁+Δ，Δ为保护时间，每个载波所提供的测距信道数为C_i，当共有U个用户进行入网并接入测距时，将用户划分为g组，每组u个用户，u＝U/g，每组分配k个测距信道，其中gk＝C₁+C₂+…+C_m；

用户入网测距流程为：

S101，参数设置，设置用户分组数目g、每组中的用户数u、分组测距信道数量k、用户到达率λ、占用载波及时隙信息参数；

S102，测距，各分组内用户向分组对应信道发送测距信息，第i个分组中的第j个用户在等待一定时间后发送测距信息，其等待时间服从到达率为λ的Poisson分布；

S103，碰撞后重传，若第i个分组中的第j个用户没有收到主站的应答信息，执行S102；

S104，入网成功，主站收到全部用户的测距信息并完成入网；

分组中每个用户的到达率均为λ，测距开始时分组中的用户数为u，分组的到达率为uλ，在c₀个测距信道的时间后，分组中部分用户完成入网测距，并停止发送测距信息，此时分组中的用户数变为u(c₀)，对应的分组到达率为u(c₀)λ，分组到达率为时间的函数，分组中用户的到达分布服从非齐次Poisson过程，分组到达率表示为Λ(c₀)＝u(c₀)·λ，其中c₀为开始测距后经过的时间，其单位时长为测距信道时间长度；

分组到达率与分组中未完成入网测距的用户即活动用户数量相关，根据分组中测距开始时活动用户数量，将分组到达率划分为u个阶段，具体包括阶段0、1、……、u-1，阶段i对应的分组到达率为Λ_i＝(u-i)·λ，在1个测距信道时间内，分组中有0个、1个及多个用户发送测距信息的概率分别为：

其中，u_arv(c₀)表示截止时间c₀时，分组用户发送的测距信道数；阶段i所持续的信道时间长度的期望为阶段u-1结束时，所有用户完成入网测距，分组用户入网所需总信道时间长度表示为所有阶段的信道时间长度期望之和：

各分组每个周期使用k个信道进行接入测距，整个分组完成入网所需周期为C_grp/k，若每周期总时隙数为S，则分组入网时间的期望值为：

所有用户的入网总时间即为分组入网时间期望，ζ＝max(ζ_grp)＝ζ_grp；

对于阶段i，其持续时间内发生测距信息碰撞的信道时间期望表示为：

在分组完成入网的过程中，发生碰撞的总信道时间为：

碰撞率为发生碰撞信道数与总信道数的比值，即：

用户接入测距所占用的总信道数为每周期内分配给各个分组的信道数之和：

所述的步骤S2，具体包括：

s.t.:u,k∈N^*

0＜λ≤1

u≤U，

其中，M(p)为优化目标集合，p表示符合组网需求的理想点信息，ζ(u,k,λ)、ρ(u,λ)和N(u,k)分别为不同分组参数下的组网时间、碰撞率和占用信道数；

所述的步骤S3，其所用的Pareto进化算法的具体步骤为：

S301，设置种群规模P_size、非支配解集规模N_size、迭代次数上限G、当前迭代次数gen＝0，初始化种群Pop；所述的多目标优化问题共有3个输入，分别为分组用户数u、到达率λ和分组信道数k，在多目标优化问题的约束条件范围内的一个(u,k,λ)组合即为问题的一组解，通过随机生成P_size组解，就构成了初始化种群Pop；

S302，对Pop进行非支配选择，将非支配解存入解集NDS_set；

S303，判断解集规模是否大于N_size，若大于则执行步骤S304，否则执行步骤S305；

S304，计算解集NDS_set中每个解与集合中其他解的距离，依次删除距离其他解最近的解，直至NDS_set规模等于N_size；NDS_set中每个解与集合中其他解的距离的计算公式为，

其中D_i为第i个解与其他解的距离，ζ_i+1、ρ_i+1、N_i+1分别为第i+1个解对应的组网时间、碰撞率和占用信道数目标值，ζ、ρ和N分别为全部解的组网时间、碰撞率和占用信道数目标值的集合；

S305，将NDS_set中的非支配解两两随机进行模拟二进制交叉以及多项式变异操作，将所得结果存入新种群newPop；

S306，在初始化种群Pop中以锦标赛方式选择解进行多项式变异操作，将所得结果存入新种群newPop，直至newPop的规模等于P_size；

S307，令Pop＝newPop、gen＝gen+1，判断当前迭代次数gen是否小于迭代次数上限G，若小于则转至步骤S302，否则，输出NDS_set，即为S2中构建的多目标优化问题的最优解；

所述的步骤S6，具体包括：

组网时间、碰撞率和占用信道的协商曲线表达式为：

其中y为指标的协商度，x为指标的相对取值、实际取值或取值上限，w为权重，a为常数；

所述的步骤S7，具体包括：

对于NDS_set中的任意解i，其组网时间、碰撞率和占用信道数为(ζ_i,ρ_i,N_i)，利用协商曲线分别计算三项指标对应的协商度

计算NDS_set中所有解的协商度，选定协商度方差最小的解为当前组网需求下的理想点，理想点的计算方法为：

其中，为三项指标协商度的均值。