CN111163520A - 一种低轨卫星通信系统的动态资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低轨卫星通信系统的动态资源分配方法，针对低轨卫星通信系统中信道资源有限，设计了低轨卫星移动通信系统的资源分配系统模型，提出一种基于子载波和功率的动态资源分配技术，根据用户的信道信息动态地分配载波、功率等资源，首先通过导频位估计所有子载波的下行信道条件并通过上行链路传输系统定期反馈到基站端，在下行链路总发射功率的约束下执行资源分配，从而有效地提高了低轨卫星通信系统中资源利用率。

Description

一种低轨卫星通信系统的动态资源分配方法

技术领域

本发明属于低轨卫星无线资源管理技术领域，特别是涉及一种低轨卫星通信系统的动态资源分配方法。

背景技术

在低轨卫星通信系统中，由于卫星载荷限制，其星上资源极其有限。通过对星上有限资源进行分配、调度及优化，提升既定的系统效用，关系到整个低轨卫星通信系统的服务质量和系统性能。低轨卫星通信系统的资源分配技术主要是对载波、功率等资源的分配，合理的资源分配策略对于有效利用星上有限的资源至关重要。

资源分配方法包括固定分配方式、动态分配方式两大类，在实际的通信系统中，动态分配方式可以更好的满足未来卫星宽带通信业务高速率数据传输、高清电视传输等要求。另外，低轨卫星移动通信系统利用接收到的信道状态信息动态地为每个用户分配子载波，为各子载波分配功率和速率，以满足每个用户的各种QoS，这是低轨卫星通信系统设计的关键。

目前，根据多载波结构，系统中子载波自适应分配方式有如下两种准则：

1)先将子载波一个一个的分配，再在已分好的子载波中按照某种分块方式将子载波组合；

2)将一个块内的子载波看成一个整体，以块为单位，整体打包进行分配。

在优化性能时忽略了其较高的运算量。功率分配方法可以采用固定分配，按需分配和自适应分配方式，但这些方式只专注于解决功率分配问题，将功率与载波的分配问题分离，为更好提高星上资源利用率问题，基于载波和功率的资源动态分配的技术变得更加重要。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种低轨卫星通信系统的动态资源分配方法，着重于功率和载波的同时分配方法，有效提高卫星通信系统资源利用率。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

本发明设计了低轨卫星移动通信系统动态资源分配模型，考虑具有K个用户，N个子载波的下行链路传输系统，在基站和每个用户端配各备有一个天线，并假定通过利用多载波技术可以完全去除符号间干扰，使频率响应在每个子信道内变为平坦变化，此外，在接收机部分添加零均值独立同分布的高斯噪声，调制和解调时采用快速傅立叶(反)变换实现，以简化系统结构。将公平系数进行改进，定义多个用户之间的相对公平程度：

其中，R_k为第k个用户的平均吞吐量，

为用户k对应的公平因子，k为总的用户个数。FI在(0,1)内取值，FI的值越大，越能保证用户间的比例公平性。

所述动态资源分配包括如下步骤：

步骤S1:用户通过导频位(信道)估计所有子载波的下行信道条件，得到信道状态信息。

步骤2：通过上行链路传输系统定期将信道状态信息反馈到基站端。

步骤3：在下行链路总发射功率的约束下执行资源分配。在每个资源分配的瞬间，基站根据所有用户的信道估计参数，动态调整发送端的传输特性，可以改变的参数有用户分配子载波数目、调制方式和发送功率等。

步骤4：子载波块分配信息通过下行链路控制信令从基站端馈送到每个活跃用户用于数据恢复。

步骤5：对调制后的所有的子载波块内的数据进行快速逆傅里叶变换(IFFT)，并在串/并处理后对每个符号添加保护间隔来避免符号间干扰。

步骤6：系统将数据传输到宽带无线信道中。

步骤7：在接收机端，从所接收的数据中删除保护间隔并执行快速傅里叶变换(FFT)。估计子载波块的信道条件，根据子载波块的分配和由基站提供的调制结果对子载波块上的数据进行解调，得到恢复后的数据。

作为本发明的一种优选技术方案：本方法同时考虑载波和功率自适应分配问题，其中，子载波分配技术采用了基于实际信道相关带宽反馈信息，以子载波组为单位对每个用户进行动态分配的算法。所述基于子载波自适应分配方法包括如下步骤：

步骤a.通过计算每个用户得到的M×N个多径时延扩展值

计算出时延扩展值

进而获得相关带宽内的子载波数φ¹＝floor[B¹/b_w]，式中：B¹＝1/(2πΔ¹))；b_w＝B_w/N_c，B_w是系统带宽。

步骤b.分别计算出在第m个子载波上各个用户的简化信道矩阵

的最大特征值值

对所有值

进行比较后得到最大特征值最大的用户l。根据步骤A中得到的φ¹，将从m起连续φ¹个子载波作为一组分配给用户l作为该用户独占的子载波组，同时将子载波分配的起始位置更新到第(m+φ¹)个子载波的位置，等待下一轮分配。

步骤c.重复上述步骤至所有的子载波分配完毕。

上述的分配办法可用公式表示为：

式中

第i组子载波上的最大接收信噪比可表示为：

功率自适应分配方法着重于功率和载波同时分配，基于SINR条件下功率和载波联合分配优化目标函数可以表示为：

其中：

表示用户i的SINR需求量，

表征用户i的公平性指标P_tot为总的发射功率；P_max为每个载波的饱和功率；|ω_ij|²＝{0,P_max}表示的含义为：

由于上述描述的优化问题是一个非凸联合优化问题，因此联合最优解是很难获得的，故本方法采用分步优化算法来求解W，即一是分配子载波；二是确定各载波功率。该方法基于各用户需求度，提出以用户中最小满意度(公平性)最大化为目标的分配算法，充分利用了瞬时信道信息，具体包含以下步骤：

步骤a.对各用户波束通信需求量从大至小排序也就是用户分配优先级的排序，如：

步骤b.根据各用户波束优先分配级，依次为每个用户分配一个最佳的子载波。

i.k＝1；

ii.对用户波束1的SINR₁，矩阵中寻找载波n，使得|SINR_1,n|≥|SINR_1,j||_{j＝1,2,…,Q}；

iii.k＝k+1；

iv.重复步骤ii，直至k＝K为止。

步骤c.步骤b结束后，对用户波束满意度(公平性指标)重新排序，为最小满意度的用户优先分配最佳子载波。

i.寻找用户k，使得

ii.对用户k的SINR_k矩阵中寻找载波n，使得|SINR_k,n|≥|SINR_k,j||_{j＝1,2,…,Q}。

步骤d.重复步骤c直至

结束。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1)本发明的一种低轨卫星动态资源分配方法，考虑用户信道状况的差异性，将公平系数定义进行改进，定义了多个用户之间的相对公平程度，提高系统吞吐率和性能。

2)本发明的一种低轨卫星动态资源分配方法，本方法将子载波分配的方式变为子载波组分配的方式，将可分配给用户的最小单位变成了由数个连续子载波组成的子载波组。因此，减少了计算量。

3)本发明一种低轨卫星动态资源分配方法，在功率优化中，提出一种基于子载波块的资源分配方式，采用频域内相邻子载波的聚合技术以子载波块为单位进行资源分配，大大减小了资源分配的复杂度。

4)本发明一种低轨卫星动态资源分配方法，在功率优化中，考虑到比特的整数性质，提出了比特的数字化，动态功率分配与数字化过程的结合，大大提高了系统吞吐量。

5)本发明一种低轨卫星动态资源分配方法，相较于传统方法，本方法着重于功率和载波同时分配，有利于提高低轨卫星通信系统中资源利用率。

发明所设计的一种低轨卫星动态资源分配方法，针对低轨卫星通信系统中信道资源有限，设计了低轨卫星移动通信系统的资源分配系统模型，提出一种基于子载波和功率的动态资源分配技术，根据用户的信道信息动态地分配载波、功率等资源。首先通过导频位估计所有子载波的下行信道条件并通过上行链路传输系统定期反馈到基站端，在下行链路总发射功率的约束下执行资源分配，从而有效地提高了低轨卫星通信系统中资源利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的其中两幅，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明低轨卫星通信系统动态资源分配模型图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的较佳实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所要解决的技术问题是提供一种低轨卫星着重于功率和载波的同时分配方法，主要是侧重速率自适应算法的分析与研究，以容量最大化为优化目标，能够有效提高低轨卫星通信系统资源利用率。

本发明为实现上述目标采用以下技术方案：本发明设计了低轨卫星移动通信系统的资源分配系统模型，考虑具有K个用户，N个子载波的下行链路传输系统，在基站和每个用户端配各备有一个天线，并假定通过利用多载波技术可以完全去除符号间干扰，使频率响应在每个子信道内变为平坦变化，此外，在接收机部分添加零均值独立同分布的高斯噪声，调制和解调时采用快速傅立叶(反)变换实现，以简化系统结构。将公平系数进行改进，定义多个用户之间的相对公平程度：

其中，R_k为第k个用户的平均吞吐量，

为用户k对应的公平因子，k为总的用户个数。FI在(0,1)内取值，FI的值越大，越能保证用户间的比例公平性。

所述资源动态分配包括如下步骤：

步骤A.用户通过导频位(信道)估计所有子载波的下行信道条件，得到信道状态信息。

步骤B.通过上行链路传输系统定期将信道状态信息反馈到基站端。

步骤C.在下行链路总发射功率的约束下执行资源分配。在每个资源分配的瞬间，基站根据所有用户的信道估计参数，动态调整发送端的传输特性，可以改变的参数有用户分配子载波数目、调制方式和发送功率等。

步骤D.子载波块分配信息通过下行链路控制信令从基站端馈送到每个活跃用户用于数据恢复。

步骤E.对调制后的所有的子载波块内的数据进行快速逆傅里叶变换(IFFT)，并在串/并处理后对每个符号添加保护间隔来避免符号间干扰。

步骤F.系统将数据传输到宽带无线信道中。

步骤G.在接收机端，从所接收的数据中删除保护间隔并执行快速傅里叶变换(FFT)。估计子载波块的信道条件，根据子载波块的分配和由基站提供的调制结果对子载波块上的数据进行解调，得到恢复后的数据。

在步骤C中，设计了一种低轨卫星信道动态分配方法，基于优化的子载波和功率自适应分配技术。其中，子载波分配技术采用了基于实际信道相关带宽反馈信息，以子载波组为单位对每个用户进行动态分配的算法。所述基于子载波自适应分配方法包括如下步骤：

步骤a.通过计算每个用户得到的M×N个多径时延扩展值

计算出时延扩展值

进而获得相关带宽内的子载波数φ¹＝floor[B¹/b_w]，式中：B¹＝1/(2πΔ¹))；b_w＝B_w/N_c，B_w是系统带宽。

步骤b.分别计算出在第m个子载波上各个用户的简化信道矩阵

的最大特征值值

对所有值

进行比较后得到最大特征值最大的用户l。根据步骤A中得到的φ¹，将从m起连续φ¹个子载波作为一组分配给用户l作为该用户独占的子载波组，同时将子载波分配的起始位置更新到第(m+φ¹)个子载波的位置，等待下一轮分配。

步骤c.重复上述步骤至所有的子载波分配完毕。

上述的的分配办法可用公式表示为：

式中

第i组子载波上的最大接收信噪比可表示为：

步骤C中功率自适应分配方法着重于功率和载波同时分配，基于SINR条件下功率和载波联合分配优化目标函数可以表示为：

其中：

表示用户i的SINR需求量，

表征用户i的公平性指标P_tot为总的发射功率；P_max为每个载波的饱和功率；|ω_ij|²＝{0,P_max}表示的含义为：

由于上述描述的优化问题是一个非凸联合优化问题，因此联合最优解是很难获得。本方法采用分步优化算法来求解W，即一是分配子载波；二是确定各载波功率。本方法基于各用户需求度，提出以用户中最小满意度(公平性)最大化为目标的分配算法，充分利用了瞬时信道信息。具体包含以下步骤：

步骤a.对各用户波束通信需求量从大至小排序也就是用户分配优先级的排序，如：

步骤b.根据各用户波束优先级分配，依次为每个用户分配一个最佳的子载波。

i.k＝1；

ii.对用户波束1的SINR₁，矩阵中寻找载波n，使得|SINR_1,n|≥|SINR_1,j||_{j＝1,2,…,Q}；

iii.k＝k+1；

iv.重复步骤ii，直至k＝K为止。

步骤c.步骤b结束后，对用户波束满意度(公平性指标)重新排序，为最小满意度的用户优先分配最佳子载波。

i.寻找用户k，使得

ii.对用户k的SINR_k矩阵中寻找载波n，使得|SINR_k,n|≥|SINR_k,j||_{j＝1,2,…,Q}。

步骤d.重复步骤c直至

结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低轨卫星通信系统的动态资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1:用户通过导频位估计所有子载波的下行信道条件，得到信道状态信息；

S2：通过上行链路传输系统定期将信道状态信息反馈到基站端；

S3：在下行链路总发射功率的约束下执行资源分配，在每个资源分配的瞬间，基站根据所有用户的信道估计参数，动态调整发送端的传输特性，可以改变的参数包括用户分配子载波数目、调制方式和发送功率；

S4：子载波块分配信息通过下行链路控制指令从基站端馈送到每个活跃用户用于数据恢复；

S5：对调制后的所有子载波块内的数据进行快速逆傅里叶变换，并在串/并处理后对每个符号添加保护间隔来避免符号间干扰；

S6：系统将数据传输到宽带无线信道中；

S7：在接收机端，从所接收的数据中删除保护间隔并执行快速傅里叶变换，估计子载波块的信道条件，根据子载波块的分配和由基站提供的调制结果对子载波块上的数据进行解调，得到恢复后的数据。

2.根据权利要求1所述的低轨卫星通信系统的动态资源分配方法，其特征在于：所述步骤S3中，子载波自适应分配方法包括以下步骤：

S11：通过计算每个用户得到的M×N个多径时延扩展值

计算出时延扩展值

进而获得相关带宽内的子载波数φ¹＝floor[B¹/b_w]，式中：B¹＝1/(2πΔ¹))；b_w＝B_w/N_c，B_w是系统带宽；

S12:分别计算出在第m个子载波上各个用户的简化信道矩阵

的最大特征值值

对所有值

进行比较后得到最大特征值最大的用户l，根据步骤A中得到的φ¹，将从m起连续φ¹个子载波作为一组分配给用户l 作为该用户独占的子载波组，同时将子载波分配的起始位置更新到第(m+φ¹)个子载波的位置，等待下一轮分配；

S13：重复上述步骤至所有的子载波分配完毕。

3.根据权利要求2所述的低轨卫星通信系统的动态资源分配方法，其特征在于：所述子载波自适应分配方法的公式表示为：

式中，

第i组子载波上的最大接收信噪比表示为：

4.根据权利要求1所述的低轨卫星通信系统的动态资源分配方法，其特征在于：所述步骤S3的资源分配包括功率和载波同时分配，基于SINR条件下功率和载波联合分配的目标函数表示为：

其中：

表示用户i的SINR需求量，

表征用户i的公平性指标P_tot为总的发射功率；P_max为每个载波的饱和功率；|ω_ij|²＝{0,P_max}表示的含义为：

5.根据权利要求1所述的低轨卫星通信系统的动态资源分配方法，其特征在于：该方法基于各用户需求度，以用户中最小满意度最大化为目标，具体步骤如下：

S101：对各用户波束通信需求量从大至小排序也就是用户分配优先级的排序，如：

S102：根据各用户波束优先级分配，依次为每个用户分配一个最佳的子载波；

S103：步骤S12结束后，对用户波束满意度重新排序，为最小满意度的用户优先分配最佳子载波；

S104：重复步骤S13，直至

结束。

6.根据权利要求5所述的低轨卫星通信系统的动态资源分配方法，其特征在于：所述步骤S102的具体步骤如下：

(1)k＝1；

(2)对用户波束1的SINR₁，矩阵中寻找载波n，使得|SINR_1,n|≥|SINR_1,j||_{j＝1,2,…,Q}；

(3)k＝k+1；

(4)重复步骤(2)，直至k＝K为止。

7.根据权利要求5所述的低轨卫星通信系统的动态资源分配方法，其特征在于：所述步骤S103的具体步骤如下：

(1)寻找用户k，使得

(2)对用户k的SINR_k矩阵中寻找载波n，使得|SINR_k,n|≥|SINR_k,j||_{j＝1,2,…,Q}。

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