[发明专利]一种适用于大规模多层低轨卫星星座的协作跳波束方法

权利要求书

1.一种适用于大规模多层低轨卫星星座的协作跳波束方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、将地球表面按面积S均匀划分，并获取每块区域内的通信资源请求γ大小，以阈值γ_threshold作为业务密集型区域和业务稀疏型区域的分区标准；

步骤二、根据卫星星下点的映射关系得到每个分区内的卫星集合，作为该分区对应的初始星簇；

步骤三、计算每个初始星簇对应的分区中，各自卫星数与业务密度的比值Δ，根据Δ对业务密集型分区升序排列；对业务密集型分区通过依次借调相邻区域的边缘卫星，直至所有分区的负载均衡，形成最终的服务星簇；

卫星数与业务密度的比值Δ，计算公式如下：

其中，k为基本分区合并而成的业务密集型分区或业务稀疏型分区的个数，N_s表示面积S的区域对应的服务卫星数量；D为区域的业务密度；

卫星借调过程如下：

首先，对于当前卫星数与业务密度比Δ最小的业务密集型分区选取其相邻分区中Δ最大的一个业务稀疏型分区并由业务稀疏型分区向业务密集型分区提供卫星；

然后，每借调一颗卫星后，更新目前业务密集型分区和业务稀疏型分区的卫星数量以及Δ表；选择更新后的Δ最小的业务密集型分区借调相邻分区中Δ最大的业务稀疏型分区中的卫星，完成借调后再次更新Δ表；

直至所有分区的区域负载均衡都满足即可得到最终的服务星簇；

表示阈值；

步骤四、针对每个服务星簇，根据其覆盖范围内的若干小区的业务分级情况，为每个小区分别选择簇内各自的服务卫星；

簇内小区选星过程如下：

首先，针对当前小区c_n，根据卫星与小区的地理位置关系确定该小区对应的可视卫星集V_n；

然后，判断小区c_n属于分区的边缘小区还是中心小区，由边缘小区优先选择服务卫星；

对于边缘小区：

若小区所属业务密集型分区，可视卫星数量V_i较卫星借调前有增加，优先选择借调来的低层低轨卫星，或原始簇内低层低轨卫星；通过选择负载最小的卫星，实现每个卫星的负载均衡及时延需求；

若小区所属业务稀疏型分区，分区内卫星被借调走，则在没有低轨卫星覆盖的小区，选择可视的高层低轨卫星进行补充覆盖，即由高层低轨卫星为该小区提供服务；

对于中心小区：

若小区所属业务稀疏型分区，则根据负载均衡及小区内业务分级情况，选择原可视低层低轨卫星；

若小区所属业务密集型分区，可在选星时结合负载均衡策略，选取原可视低层低轨卫星或高层低轨卫星作为增强补充覆盖；

直至遍历所有小区，确定全部小区的服务卫星；

步骤五、将星簇内的每颗卫星视为一个智能体，负责对应服务小区的波束调度，使用深度DQN网络学习对星簇内卫星进行跳波束资源的协同调度，最终选出满足不同用户QoS需求且规避波束间干扰的跳波束方案；

所述深度DQN网络学习中，

(1)状态定义如下：

其中，表示簇内第l个卫星的状态，表示星簇收集到的簇内状态信息，表示实时业务，表示非实时业务；

(2)动作定义如下：

其中，表示第l个卫星的波束调度情况，N_S表示卫星的总数；φ_n＝1表示第n个小区被选择；N_C表示所有小区的数量；K表示卫星所能提供波束数；

(3)奖励：采用三个指标为智能体提供奖励价值；

首先，定义实时数据包的时延奖励如下：

其中表示数据包的时延，表示单颗卫星覆盖区域所有实时数据包时延总和；

其次，以时隙t_i下泄的非实时数据包总量作为其吞吐量奖励，定义如下：

表示时隙t_i的卫星波束图案，表示时隙t_i波束服务小区的信道容量；

最后，簇内所有卫星共享的，以空间隔离值作为干扰规避奖励，定义如下：

H表示每个小区的邻接矩阵，x_i∈{0,1}表示单颗卫星的跳波束图案的二进制向量，x_i＝1表示小区c_i受到波束服务；当单颗卫星服务波束都满足空间隔离条件时，应有x^THx＝0。