[发明专利]面向差异化业务的高吞吐跳波束调度方法

说明书

本发明提出了面向差异化业务的高吞吐跳波束调度方法，主要解决现有技术星上资源利用率低，计算复杂度高的问题。其实现方案是：将卫星覆盖范围内的波位小区划分不同的簇；根据各簇间负载均衡原则和簇内波位小区地理位置就近原则，建立簇间负载均衡的分簇模型：利用免疫算法对簇间负载均衡的分簇模型进行求解得到分簇结果；根据不同业务类型对时延的要求，确定以跳变时隙为单位的时延容忍度；建立基于时延容忍度的跳波束调度模型：在划分的每个簇内设置波束动态调度模型，并将其视为马尔科夫决策过程，根据深度强化学习算法进行求解，得到波束调度结果。本发明能在保障吞吐量的同时提高资源利用率，降低计算复杂度，可用于卫星资源分配。

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，具体而言涉及一种跳波束卫星波束分簇调度方法，可用于卫星覆盖区域业务需求动态变化较快的场景下，为不同业务需求小区进行合理的卫星资源分配。

背景技术

早期单波束多为全球波束或区域波束，波束宽度宽，天线增益小。为了应对业务需求的飞速增长，采用了以点波束为基础的多波束技术。其波束很窄，所以增益较高，再加上频率复用技术，显著提高了卫星的系统容量，服务了更多的业务。但随着通信及物联网的快速发展，地面业务呈现出时空分布不均匀的特性，尤其是低轨卫星的高动态性更加面临业务的不均匀性。为了解决这个问题，提高资源利用率，尽量避免出现“过劳不均”的情况，提出了跳波束技术，从而进一步提高系统容量。但现有跳波束技术在资源分配方面，通常只基于地面业务需求的非均匀性进行设计，集中在寻找最佳的吞吐量，以满足不同区域的容量需求，但未考虑业务类型、时延等因素。而在实际过程中，不同用户的业务时延要求是不同的。为了保障用户体验，需要综合考虑吞吐量及业务时延要求。在分簇方面，出于简化系统考虑以及提高资源利用率，通常采用均匀分簇、均匀功率分配、全频复用的方式，也就是说每个簇分配的功率都是一致且不可调的。在簇间资源相同的情况下，不考虑簇间业务的不均匀性，均匀分簇，会出现过载或欠载现象。

中国人民解放军陆军工程大学在其申请的专利文献“基于时隙分配算法的跳波图案优化方法及装置、存储介质”(专利申请号201910675600.0，申请公布号CN 110518956 A)中公开了一种分簇场景下的改进的跳波束时隙分配方法。该方法先通过预分配的方式为每个小区分配时隙数，然后再利用同频干扰距离门限进行再分配，在提升系统容量的同时有效排除干扰对信号质量的影响。但该方法由于未考虑业务时延性能，导致实时业务可能因超时等待而失效。

上海垣信卫星科技有限公司申请的专利文献“一种基于跳波束调度资源的方法”(专利申请号201811070246.0，申请公布号CN 109121147 A)中公开了一种针对低轨跳波束卫星波束调度方法。该方法将卫星覆盖区域用两个三维矩阵进行表征。其中，第一个矩阵为用户实际需求矩阵，加上一个时间维度构成三维矩阵；第二个矩阵为跳波束服务矩阵，同样添加一个时间维度。通过两个矩阵相乘得到待优化目标矩阵，然后求解。该方法解决了低轨卫星的快速移动场景下，卫星容量与地面需求匹配的问题。但随着卫星波束和波位小区数量的增加，该方法面向全局调度的优化算法的搜索空间急剧增大，算法复杂度提高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种面向差异化业务的高吞吐跳波束调度方法，以在保障吞吐量的同时，提高资源利用率，并降低计算复杂度。

本发明实现上述目的的具体思路是：通过建立基于免疫算法的负载均衡分簇模型，将卫星覆盖范围内的波位小区划分为不同的簇，降低计算复杂度；通过构建面向时延容忍度约束的波束资源调度模型，采用基于优先级回放的深度强化学习方法，完成波束资源调度。

根据上述思路，本发明技术方案包括如下：

(1)生成卫星覆盖范围内的分簇结果：

1a)将卫星覆盖范围内的波位小区划分不同的簇；

1b)根据各簇间负载均衡原则和簇内波位小区地理位置就近原则，建立簇间负载均衡的分簇模型：