[发明专利]一种多波束卫星带宽功率表联合优化分配方法及应用

说明书

本申请公开了一种多波束卫星带宽功率表联合优化分配方法及应用。该方法包括：构建多波束卫星通信系统资源分配模型，所述模型的优化目标是最小化各点波束通信容量需求向量与通信容量分配向量的差异，所述模型的约束条件包括最大通信容量分配向量约束条件、系统时延约束条件、可用总带宽资源约束条件和可用总功率资源约束条件，考虑波束间干扰、信道衰减下确定各点波束通信容量分配向量的表达式；采用基于量子粒子群优化算法对所述模型进行求解，其中，还可以通过在粒子适应度函数计算中引入惩罚策略，确保算法的优化解能够满足问题模型的约束条件。本发明在公平性指数、总系统容量方面显著优于现有技术。

技术领域

本申请涉及卫星通信技术领域，更具体地，涉及一种多波束卫星带宽功率 表联合优化分配方法及应用。

背景技术

多波束卫星带宽功率表联合优化分配是指将卫星的总带宽资源和总功率资 源分配给多个点波束。现有的多波束卫星带宽功率表联合优化分配主要有：(1) 固定分配算法：带宽采用平均分配或按需求占比分配，功率采用平均分配或按 需求占比分配；(2)典型凸优化算法：考虑干扰和时延的功率带宽联合分配算 法(OPBID,Optimal Power andBandwidth Co-allocation with Interference and Delay Constraint)，采用拉格朗日对偶和次梯度法进行求解；(3)遗传算法(GA, Genetic Algorithm)：主要对功率进行优化分配算法，采用实数编码和功率分量 最大最小值限制，在本文中使用时带宽可采用按需求比例分配或平均分配策略。 这些算法均有改进空间。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种多波束卫星 带宽功率表联合优化分配方法及应用，在公平性指数、总系统容量方面显著优 于现有技术。

为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种多波束卫星带宽 功率表联合优化分配方法，包括：

构建多波束卫星通信系统资源分配模型，所述模型的优化目标是最小化各 点波束通信容量需求向量与通信容量分配向量的差异，所述模型的约束条件包 括最大通信容量分配向量约束条件、系统时延约束条件、可用总带宽资源约束 条件和可用总功率资源约束条件，考虑信道衰减和/或波束间干扰下确定各点波 束通信容量分配向量的表达式；

采用基于量子粒子群优化算法对所述模型进行求解，其中，将单个粒子定 义为长度为2M的向量，其中M位编码分别表示M个点波束的带宽分配向量， 剩余M位编码分别表示M个点波束的功率分配向量，M为卫星配置的点波束数 量。

进一步地，所述模型的优化目标表示为：

所述模型的约束条件表示为：

满足

式中，B_total为卫星可用的总带宽资源；P_total为卫星可用的总功率资源；表示第个点波束；表示点波束的容量需求；表示分配给点波束 的带宽资源；表示分配给点波束的功率资源；表示点波束获得的通信 容量，minimize表示最小化，max表示最大化。

进一步地，考虑信道衰减时各点波束通信容量分配向量的表达式为：

式中，为信道衰减系数，N₀表示波束内信道的噪声功率谱密度。

进一步地，虑信道衰减和波束间干扰下时各点波束通信容量分配向量的表 达式为：

式中，表示波束ξ的天线旁瓣增益对使用同频信道的波束的干扰系数，