[发明专利]一种多波束低轨卫星用户分组与资源分配方法

说明书

本发明公开了一种多波束低轨卫星用户分组与资源分配方法，属于卫星用户分组和资源分配领域；具体为首先，针对包括多低轨卫星和地面多用户的通信场景；以最大化用户平均信息速率为优化目标，将每个卫星下的用户进行分组；依据用户实时流量请求定义各小组的权重，对各用户小组进行当前时隙t内工作波束的分配，得到每个卫星下的用户小组集合；进一步根据用户信道条件以及实时流量请求，给集合中各小组的工作波束分配功率，输出分配功率的集合；最后，对系统存在剩余的工作波束功率资源，通过组间调配给更多其他的用户小组服务。本发明降低了动态波束用户分组的复杂度，提升了吞吐量和用户请求的满足率。

技术领域

本发明属于卫星用户分组和资源分配领域，具体涉及一种多波束低轨卫星用户分组与资源分配方法。

背景技术

低轨卫星通信网络相对于地面通信网络，有着可以用来提供无盲区的全时通信服务及增强地面无线网络等无可比拟的优势。然而卫星星载资源有限，如何利用有限的卫星资源满足人们日益增长的通信需求以及保证卫星的服务质量是一个巨大的挑战。

为了更有效地对卫星功率、带宽以及发射天线等资源进行利用，国内外学者提出了基于用户地理位置的动态波束用户分组，用更少更小的波束去覆盖所有用户，以提高系统的信息速率。

但现有的用户分组通过迭代的方式进行寻优，在用户较多时复杂度较高；并且多基于传统的多波束场景，在资源的分配上采用了固定分配的方式，未能更进一步利用系统资源。

而利用了时间分片的跳波束技术在适应流量需求和更有效地利用现有资源方面都优于传统系统，其资源分配更加灵活，能够实现少量的工作波束服务更多的用户小组。在跳波场景下，许多科研人员提出了动态的时隙、功率以及带宽等一系列资源分配算法，但少有适用于动态波束用户分组的资源分配方案。

发明内容

本发明针对上述问题，考虑低轨多波束下行通信系统，提出了一种多波束低轨卫星用户分组与资源分配方法，对多卫星覆盖下的用户分组以及波束半径优化，并在分组基础上对时隙和功率进行优化，使得系统的吞吐量最大化。

所述的多波束低轨卫星用户分组与资源分配方法，具体步骤如下：

步骤一、搭建包括多颗低轨卫星和地面K个用户的通信场景；

多颗低轨卫星为地面K个用户提供服务，用户分布在同一水平面上，卫星利用相控阵天线产生N_b个动态波束，通过跳波时分的方式为用户服务。

第s颗卫星下的用户数目记作K_s，第k(1≤k≤K_s)个用户的坐标记作u_k,s。

步骤二、针对卫星s，根据其下用户的地理位置，以最大化用户平均信息速率为优化目标R_M，利用P中心算法和最小圆覆盖算法将用户分成M小组并优化各小组中心点和半径，得到卫星s的用户分组结果G_s。

首先，初始随机选择M个用户坐标作为各组的中心点，每个用户分别计算各自与每个组中心点的距离，选择最近的小组加入；

用户的分组数目M取值服从1≤M≤K_s。

然后，利用P中心算法和最小圆覆盖算法不断更新各个组中心、组半径及其用户集合，直至收敛，计算当前优化目标R_M；

优化目标R_M计算如下：

为卫星s下第m个小组在一个跳波束周期内用户平均信息速率；