基于改進(jìn)SA-NSGAⅡ的多波束衛(wèi)星動(dòng)態(tài)資源分配方法

關(guān)鍵詞：多波束衛(wèi)星通信；用戶滿意度；頻譜效率；信道緩存；模擬退火帶精英策略的非支配排序遺傳算法

中圖分類號(hào)：ＴＮ９１１．７ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ DOI：１０．１２３０５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１-５０６Ｘ．２０２４．１２．３１

０引言

衛(wèi)星通信是通過(guò)衛(wèi)星傳遞信號(hào)，進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的技術(shù)，能夠解決地面通信無(wú)法實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)距離通信、海洋通信等問(wèn)題［１］。衛(wèi)星通信在軍事通信、航空航天［２］、廣播電視、電話通信、互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋郏常罚蓊I(lǐng)域應(yīng)用廣泛。為了滿足不同場(chǎng)景的通信需求，ＳｐａｃｅＸ［８］、歐洲航天局［９］等衛(wèi)星研究機(jī)構(gòu)的在軌衛(wèi)星部署越來(lái)越密集，出現(xiàn)頻段沖突等問(wèn)題已不可避免［１０］。隨著５Ｇ 通信技術(shù)不斷發(fā)展，衛(wèi)星通信系統(tǒng)也在不斷填充可用頻段，因此如何在有限的頻譜資源上進(jìn)行衛(wèi)星部署以達(dá)到有效傳輸已經(jīng)成為被廣泛關(guān)注的問(wèn)題［１１］。

傳統(tǒng)意義上的衛(wèi)星資源分配方案直接將總資源平均分配到各個(gè)波束內(nèi)［１２］，然而在個(gè)別波束用戶數(shù)量較少或者通信不繁忙的情況下，此分配方案雖然能夠滿足通信條件，卻造成了資源的浪費(fèi)；相反，在用戶數(shù)量眾多或通信傳輸擁擠的波束內(nèi)，此分配方案難以滿足通信要求。如何根據(jù)不同需求設(shè)計(jì)靈活、有效的衛(wèi)星資源動(dòng)態(tài)分配方案也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)［１３］。

Ｌｕｏ等［１４］指出并證明解決衛(wèi)星通信資源動(dòng)態(tài)分配等是一個(gè)非確定性多項(xiàng)式（ｎｏｎｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｍｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ，ＮＰ）難問(wèn)題，這表示該問(wèn)題使用常規(guī)方法無(wú)法在有效多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)求解。Ｎｉ等［１５］使用拉格朗日乘子法將動(dòng)態(tài)分配問(wèn)題分解為兩個(gè)子問(wèn)題并逐個(gè)解決，簡(jiǎn)化問(wèn)題復(fù)雜度，易于優(yōu)化。Ｆｕ等［１６］在此基礎(chǔ)上將計(jì)算資源分配問(wèn)題描述為一個(gè)以最小化供需方差為目標(biāo)的約束優(yōu)化問(wèn)題并采用增廣拉格朗日乘子法求解，驗(yàn)證了所提方案的有效性和收斂性。劉文文等［１７］在元啟發(fā)算法的基礎(chǔ)上提出一種基于非支配波束編碼方法的帶寬約束處理方法，能有效實(shí)現(xiàn)帶寬的靈活性。

此外，對(duì)于通信運(yùn)營(yíng)服務(wù)商而言，其需要實(shí)時(shí)關(guān)注用戶對(duì)于服務(wù)的需求和滿意度，前人的許多研究致力于提高通信速率［１８］。Ｌｉｎ等［１９］研究具有速率分裂多址的衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)綜合網(wǎng)絡(luò)的多播通信，提出一種基于迭代懲罰函數(shù)的求解算法，該方法能夠有效抑制相互干擾，提高系統(tǒng)傳輸速率。Ｙｉｎ等［２０］建立一個(gè)通用的發(fā)射功率約束優(yōu)化問(wèn)題來(lái)實(shí)現(xiàn)最大、最小公平性的速率性能，通過(guò)在地面和多波束衛(wèi)星系統(tǒng)中的仿真，證明基于速率分裂的多組波束形成相對(duì)于傳統(tǒng)線性預(yù)編碼的優(yōu)越性。魯偉鑫等［２１］針對(duì)衛(wèi)星地面無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的安全速率最大化問(wèn)題，利用基于變量替換和泰勒估計(jì)的迭代算法將原問(wèn)題轉(zhuǎn)化為滿足凸形式的優(yōu)化問(wèn)題，并證實(shí)算法的有效性及可行性。

非理想傳輸情況下的衛(wèi)星通信面對(duì)的另一個(gè)問(wèn)題是上行用戶與下行用戶之間的資源緩存問(wèn)題。上、下行用戶之間往往存在傳輸速率不對(duì)等的情況，若上行用戶傳輸速率大于下行用戶傳輸速率，則產(chǎn)生的緩存數(shù)據(jù)不能第一時(shí)間得到交換，從而影響通信系統(tǒng)效率。為了盡可能提升用戶滿意度，需要最小化上、下行用戶之間的緩存，或者將用戶對(duì)之間的總緩存控制在一個(gè)可接受的門限范圍之內(nèi)。Ｌｉ等［２２］通過(guò)計(jì)算傳播時(shí)延并對(duì)其進(jìn)行加權(quán)來(lái)緩解由路徑變化導(dǎo)致的擁塞窗口突然增長(zhǎng)。陳夢(mèng)婷［２３］將深度學(xué)習(xí)與強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)引入星地網(wǎng)絡(luò)中，提出一種基于分層強(qiáng)化學(xué)習(xí)的卸載算法，并對(duì)算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明其提高了計(jì)算卸載算法整體的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性及實(shí)現(xiàn)速度。Ｚｈａｎｇ等［２４］使用傳統(tǒng)模擬退火帶精英策略的非支配排序遺傳算法Ⅱ（ｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｎｅａｌｉｎｇ-ｅｌｉｔｉｓｔｎｏｎ-ｄｏｍｉｎａｔｅｄｓｏｒ-ｔｉｎｇｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ⅱ，ＳＡ-ＮＳＧＡⅡ）解決在緩存限制下提高用戶滿意度和優(yōu)化頻譜效率的問(wèn)題，但該算法存在以下問(wèn)題：

（１）在緩存限制的情況下，未考慮使用模擬退火（ｓｉｍｕ-ｌａｔｅｄａｎｎｅａｌｉｎｇ，ＳＡ）算法對(duì)用戶滿意度進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，由波束分配矩陣迭代未落入可行域內(nèi)造成的優(yōu)化信息丟失問(wèn)題；

（２）未考慮參數(shù)的變化對(duì)用戶滿意度的影響，如不同波束個(gè)數(shù)取值或退火降溫系數(shù)對(duì)最終迭代結(jié)果的影響。

針對(duì)問(wèn)題（１），本文對(duì)ＳＡ 算法進(jìn)行改進(jìn)，采用投影法將可行域外的迭代點(diǎn)投影到可行邊界，保留歷史優(yōu)化信息。

針對(duì)問(wèn)題（２），在解決問(wèn)題（１）的基礎(chǔ)上，設(shè)定不同波束個(gè)數(shù)場(chǎng)景和更改退火降溫系數(shù)條件進(jìn)行對(duì)比消融實(shí)驗(yàn)，選擇較佳參數(shù)，之后利用非支配排序遺傳算法Ⅱ（ｎｏｎ-ｄｏｍｉｎａｔｅｄｓｏｒ-ｔｉｎｇｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ⅱ，ＮＳＧＡ Ⅱ）［２５］繼續(xù)優(yōu)化，以達(dá)到在保證多用戶上、下行通信產(chǎn)生緩存不超過(guò)門限的前提下同時(shí)兼顧用戶滿意度和頻譜效率。

１系統(tǒng)模型的建立

１．１多波束衛(wèi)星通信模型

本文考慮單顆地球靜止軌道衛(wèi)星的情況，場(chǎng)景如圖１所示，其中衛(wèi)星包含有多個(gè)波束［２６］，且波束之間存在同頻串?dāng)_［２７］，地面通信網(wǎng)絡(luò)中的用戶移動(dòng)終端覆蓋在波束內(nèi)，在同一波束內(nèi)的用戶終端通信互不干擾。上行通道和下行通道均建模為高斯白噪聲信道。

作者簡(jiǎn)介

饒悅（２００１—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信。

楊健（１９８２—），男，研究員，博士，主要研究方向?yàn)槿后w電磁博弈。

孫國(guó)敏（１９８９—），女，助理研究員，博士，主要研究方向?yàn)檩椛湓粗悄茏R(shí)別、衛(wèi)星通信。

張偉（１９８５—），男，高級(jí)工程師，博士，主要研究方向?yàn)榉呛献餍盘?hào)與信息處理、電子對(duì)抗。

邵懷宗（１９６７—），男，教授，博士，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信、電子對(duì)抗。

林靜然（１９７８—），男，教授，博士，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信信號(hào)處理與優(yōu)化。