基于非合作博弈的衛星跨層聯合優化功率分配方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及空間通信技術領域，尤其涉及一種基于非合作博弈的衛星跨層聯合優 化功率分配方法。
【背景技術】
[0002] 隨著陸地蜂窩4G技術商用的逐漸成熟，5G技術的相關研究也正在如火如荼的開 展。為了解決陸地蜂窩移動通信系統覆蓋范圍的問題而引入的移動衛星通信系統也相應地 成為了研究熱點。其中將衛星移動通信系統與地面移動通信系統進行融合得到的綜合移動 通信系統被認為是下一代通信網絡的重要組成部分。
[0003] 對于同步衛星通信系統，由于衛星處于距離地面很遠的同步衛星軌道，數據包 的RTT(Round-Trip Time,往返時延）長達500ms，使得衛星難以及時獲得CSI (Channel State Information，信道狀態信息）進行資源管理，因此為提供有效的星上轉發業務的 QoS(Quality of Service,服務質量）保證，地面上成熟的、復雜的資源管理調度方案不適 于直接在星上使用。囿于現有衛星架構設計技術條件及衛星一地面距離、空間干擾等實際 因素，寬帶衛星通信系統實際上是一功率受限系統（這里特指星上架構），因此在設計衛星 資源管理方案時需要對功率控制及分配進行更深入的研究。
[0004] 從無線資源管理的功能實現方面看，無線資源管理體系包括衛星MAC(Media Access Control,媒體介入控制層）協議、接入控制協議、鏈路層帶寬分配和物理層資源分 配等核心功能。傳統的衛星無線資源管理體系是分層設計的，往往只針對各層獨立進行優 化，較少考慮網絡整體的聯合優化性能。為了進一步地充分利用星上稀缺的功率及帶寬資 源，需要采用跨層資源管理設計，在特定業務類型QoS保證和系統資源約束條件下進行聯 合優化，在實現了對時延要求嚴格的業務的時延保證的同時，最大化了其他業務的滿意度， 使寬帶衛星移動通信系統的整體性能達到最優。
【發明內容】
[0005] 針對上述缺陷，本發明提供了一種基于多用戶靜態非合作博弈的跨層優化功率方 法，保證對時延嚴格要求的業務的QoS的情況下，最大化其他業務的滿意度。
[0006] -種基于多用戶靜態非合作博弈的跨層優化功率方法，具體包括：
[0007] Sl :在衛星網絡控制中心的控制下，同步寬帶衛星物理層統計各業務的實時信息， 并上傳到衛星網絡控制中心；
[0008] S2 :衛星網絡控制中心基于所述物理層統計信息及不同業務的QoS要求定義網絡 的效用函數，并將業務功率分配問題建模為多業務靜態非合作博弈模型；
[0009] S3:根據所述模型的收益向量將整體有用功率依據業務和系統要求分配到不同的 波束中，并在應用層針對不同業務采用相應的編碼方式；
[0010] S4 :根據預定周期重復步驟Sl?S3。
[0011] 進一步地，步驟Sl所述同步寬帶衛星物理層統計的各業務的實時信息包括：編碼 調制方式、發送功率、信噪比、可用帶寬和誤碼率等；
[0012] 進一步地，步驟Sl所述實時信息用于在所述衛星網絡控制中心的控制下上層與 物理層的聯合優化方案設計，實現最大化多業務的滿意度；
[0013] 進一步地，步驟Sl所述衛星網絡控制中心對所述實時信息進行分析得到衛星信 道狀態信息；
[0014] 進一步地，步驟S2還包括所述衛星網絡控制中心根據衛星信道狀態信息估計以 前的多業務功率分配方案，并確定不同業務的QoS滿意程度；
[0015] 進一步地，步驟S2所述衛星網絡控制中心在星上發送功率約束條件下，根據反饋 衛星信道狀態信息及不同業務的QoS要求建立多業務靜態非合作博弈模型，具體包括：
[0016] S21 :假設系統中有N個衛星業務競爭衛星鏈路有用功率容量，每個業務i有最低 保障功率PJP可變增強功率P 2;
[0017] S22 :在模型中，每個業務迭代地更新自己的策略。在每次迭代中，當前用戶選擇一 個能夠最大化自己的效用函數的策略，而其他用戶的策略保持不變；
[0018] S23:根據所述模型在滿足功率約束條件下進行有限次迭代，直至得到收斂最優解 或迭代次數用盡。
[0019] 進一步地，每次迭代中，用戶依據終端的信道狀態及衛星控制中心反饋的衛星信 道信息選擇最優策略；
[0020] 進一步地，在一個時間窗口內衛星的信道和業務是恒定的，因此可以節省信令資 源；
[0021] 進一步地，所述效用函數為：
[0022]
【主權項】
1. 一種基于靜態非合作博弈的衛星跨層聯合優化功率分配方法，其特征在于，所述方 法具體包括： 51 :在衛星網絡控制中心的控制下，同步寬帶衛星物理層統計各業務的實時信息，并將 所述實時信息上傳到衛星網絡控制中心； 52 :衛星網絡控制中心基于所述物理層統計信息及不同業務的QoS要求定義網絡的效 用函數，并將業務功率分配問題建模為多業務靜態非合作博弈模型； 53 :根據所述模型的收益向量將整體有用功率依據業務和系統要求分配到不同的波束 中，并在應用層針對不同業務采用相應的編碼方式； 54 :根據預定周期重復步驟S1?S3。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S1所述同步寬帶衛星物理層統計的各 業務的實時信息包括：編碼調制方式、發送功率、信噪比、可用帶寬和誤碼率。
3. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S1所述實時信息用于在網絡控制中心 的控制下上層與物理層的聯合優化方案設計，實現最大化多業務的滿意度。
4. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S1所述網絡控制中心對所述實時信息 進行分析得到衛星信道狀態信息。
5. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S2所述靜態非合作博弈模型建立過程 還包括： 假設系統中有N個衛星業務競爭衛星鏈路有用功率容量，每個業務i有最低保障功率 和可變增強功率； 在所述模型中，每個業務迭代地更新自己的策略。在每次迭代中，當前用戶選擇一個能 夠最大化自己的效用函數的策略，而其他用戶的策略保持不變； 根據所述模型在滿足功率約束條件下進行有限次迭代，直到得到收斂最優解或迭代次 數用盡。
6. 如權利要求5所述的方法，其特征在于，每次迭代中，用戶依據終端的信道狀態及衛 星控制中心反饋的衛星信道信息選擇最優策略。
7. 如權利要求5所述的方法，其特征在于，在一個時間窗口內衛星的信道和業務是恒 定的。
8. 如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述效用函數為：
其中，< "為第i個業務選擇的功率分配請求，單位為bit/s; 為第i個業務基于其 他業務的功率分配請求得到的最大化效用函數。
9. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S3所述基于模型優化解的衛星整體有 用功率分配方法如下： 對每個終端的業務分配的有用功率不低于最低保障功率，不高于波束可分配的最大有 用功率； 根據模型最優解及業務QoS要求，優先為信道條件良好的終端或具有高QoS要求的業 務分配增強功率； 針對時延不敏感業務，在應用層自適應地調整編碼方式降低誤碼率。
10. 如權利要求9所述的方法，其特征在于，為每個終端的業務分配的整體有用功率不 高于波束可分配的最大有用功率值。
11. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟S4中的預定周期內認為衛星信道狀 態和業務是恒定的；在所述預定周期內不再統計信道狀態信息。
【專利摘要】本發明涉及一種基于靜態非合作博弈的衛星跨層聯合優化功率分配方法。所述方法包括：同步寬帶衛星物理層統計各用戶的實時信息；考慮衛星為功率受限系統，根據不同業務的QoS需要將功率分配問題建模為多用戶靜態非合作博弈模型；根據解決方案為不同業務分配功率并在應用層針對不同業務采用相應的編碼方式；定期重復以上步驟。本發明提供的跨層優化功率分配方法能夠使得衛星網絡控制中心根據物理層提供的信道狀態反饋信息，并考慮不同業務的QoS需要，將業務功率分配問題建模為多業務靜態非合作博弈模型，同時根據不同的跨層解決方案在應用層針對不同業務采用相應的編碼方式，可以綜合提高移動通信系統中用戶的通信質量，提升系統性能。
【IPC分類】H04B7-185, H04W52-34
【公開號】CN104581918
【申請號】CN201410778831
【發明人】崔琪楣, 李左琳, 宋恒國, 元天鵬, 劉寶玲
【申請人】北京郵電大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月15日