卫星通信系统中动态资源管理技术研究

发布时间：2020-08-18 12:42

【摘要】：卫星通信系统作为空间信息网络的重大基础设施,以其覆盖范围广、通信质量好、运行维护费用低等特点在保障国计民生等领域发挥着不可替代的作用。随着人们对由卫星通信系统所提供业务的多样性、高质量的需求愈加迫切,卫星通信系统在网络架构、关键技术等方面不断演进,以满足不断增长的用户需求。而作为一种典型的资源受限系统,卫星通信系统可用的频谱、功率、存储等资源都极为稀缺与珍贵,动态资源管理技术旨在通过动态灵活高效地资源管理方法以提升系统资源利用率,对提升卫星通信系统性能具有重要意义。本文针对卫星通信系统中的动态资源管理技术进行了研究,主要创新性工作如下:首先,针对卫星通信系统中现有波束间信道分配算法未考虑时域关联性而导致系统阻塞率较高的问题,提出了一种基于人工智能领域深度增强学习的动态信道分配(Deep Reinforcement Learning based Dynamic Channel Allocation,DRL-DCA)算法。该算法将卫星通信系统中动态信道分配问题建模为马尔科夫决策过程(Markov Decision Process,MDP),并利用卷积神经网络以提取多波束间业务的空间相关特征。仿真结果表明,所提算法可有效降低系统阻塞率,提升卫星通信系统中频谱资源利用率。其次,针对现有星地频谱共享算法并未考虑卫星终端移动性而导致终端受到干扰过大的问题,提出了基于自适应干扰抑制的频谱共享(Adaptive Interference Mitigation based Spectrum Sharing,AIM-SS)算法。该算法通过对基于预编码干扰零陷的天线辐射模式及卫星终端移动性的建模与分析,得出了不同运动速度卫星终端在保证同频干扰不超过一定阈值下,系统干扰抑制所需的预编码更新周期。结果表明,所提算法解决了终端受到同频干扰过大的问题,有效降低了星地组件间所需的隔离距离,提升了系统频谱资源利用率。再次,针对卫星通信系统由频谱等资源受限难以满足海量低时延多媒体业务需求的问题,基于以存储换取频谱的研究思路,提出了基于交换稳定匹配(Exchange Stable Matching,ESM)的动态缓存分配算法。该算法将卫星节点与缓存内容的分配问题建模为一个多对多匹配模型,并基于卫星节点间缓存内容相互影响以合理设计了双向偏好度,最终通过多次迭代过程得到了交换稳定匹配解。结果表明,所提算法降低了终端的内容获取时延,同时也有效降低了卫星节点所需的星上存储开销。最后,针对现有卫星通信系统仿真平台缺乏对多场景多资源类型资源管理算法性能评估的问题,设计并实现了一套适用于卫星通信系统中动态资源管理性能评估平台(DynamicResourceManagementPlatform,DRMP)。该平台中通过对多种物理量单位规范,多种空间坐标系转换及各功能模块间灵活调用,可支持对单颗GEO卫星、多颗LEO卫星组成的Walker星座等场景下的信道、功率、缓存等资源的动态分配,并评估动态资源管理算法在系统阻塞率及内容获取时延等方面的性能。结果表明,该平台在场景及业务建模、性能评估等方面具有较高可靠性,为动态信道分配、动态缓存分配等动态资源管理算法提供了可靠的验证平台。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN927.2
【图文】：

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卫星通信系统指通过在轨人造卫星作为中继站对无线电信号进行转发，实现地面及逡逑空间等用户之间信息传输的系统。卫星通信系统组成包括空间段及地面段，系统组成如逡逑图２－１所示。其中空间段主要指在轨卫星、对在轨卫星进行操控的地面站，这些地面站逡逑主要实现跟踪、遥测、遥控等功能，提供必要的卫星管理及控制以保证卫星正常在轨运逡逑行。地面段主要指通过卫星进行通信的用户终端，包括固定终端、机动终端和移动终端。逡逑其中，固定终端包括私营网络中使用的甚小口径终端（Ｖｅｒｙ邋Ｓｍａｌｌ邋Ａｐｅｒａｔｕｒｅ邋Ｔｅｒｍｉｎａｌ，逡逑ＶＳＡＴ）、安装于屋顶用于接收卫星广播信号的终端等；机动终端相较于固定终端具备了逡逑—定的灵活性，如新闻采集车、动中通等；移动终端通常指手持终端，如卫星电话〖１］。逡逑如图２－１中所示，通信卫星与用户终端间的通信链路称为用户链路（Ｕｓｅｒ邋Ｌｉｎｋ，ＵＬ），逡逑进一步可将用户发送至卫星及卫星发送至用户的链路，分别称之为用户上行链路和用户逡逑下行链路。卫星与信关站间的通信链路为馈电链路（ＦｅｅｄｅｒＬｉｎｋ，ＦＬ），星间通信的链路逡逑称之为星间链路（Ｉｎｔｅｒ－Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ邋Ｌｉｎｋｓ

示意图,交互过程,示意图,状态

图２－３智能体与环境交互过程示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２－３邋Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ａｇｅｎｔ邋ｗｉｔｈ邋ＲＬ邋ａｎｄ邋ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ逡逑图２－３表示了智能体与环境交互的过程，智能体通过对环境的观测以获得对环境逡逑的抽象表达即状态进而智能体基于决策网络（Ｑ网络）根据当前状态＇选择动作ａ，逡逑并执行。此时，智能体所处的环境随之发生变化，智能体感知到下一时刻状态＼＋｜，并逡逑从环境中获得立即收益ｒ；＋１。为更方便的表征上述过程，通常会将增强学习问题建模为逡逑一组马尔可夫决策过程（Ｍａｒｋｏｖ邋Ｄｅｃｉｓｉｏｎ邋Ｐｒｏｃｅｓｓ，邋ＭＤＰ），一组ＭＤＰ包括了状态、动逡逑作、收益及状态转移概率。具体而言，智能体在时刻／观测到状态然后执行动作逡逑ａ，逦进而环境发生变化时以概率进入下一个状态心＇＞Ｓ，同时获得逡逑立即收益ｒ

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束间动态信道分配问题进行建模。本节考虑卫星通信系统通过星载多波束发射机在地面逡逑上形成Ｗ个波束，为地面用户终端（ＵｓｅｒＴｅｒｍｉｎａｌ，邋ＵＴ）提供服务。卫星在地面上的多逡逑波束表示为石＝｜？｜？邋＝邋１，２，．．．，；＼＾，图３－２为７＾邋＝邋３７波束的通信场景示意图。其中，虚线逡逑圆表示了各波束的－３ｄＢ功率衰减边界，而标记“ｘ”表示在地面上分布的用户终端。逡逑ｉ－１逡逑－３－２－１０逦１逦２逦３逡逑与卫星中心波束的相对位置（／波宽）逡逑图３－２逦３７波gq卫星场景示意图逡逑Ｆｉｇ．邋３－２邋Ｍｕｌｔｉｂｅａｍ邋ｓａｔｅｌｌｉｔｅ邋ｓｃｅｎａｒｉｏ邋ｗｉｔｈ邋３７邋ｂｅａｍｓ逡逑系统可用带宽５，。，被分成Ｍ个信道，每个信道占用带宽记为尽系统可逡逑用信道集合记为Ｃ邋＝丨ｍ邋｜邋ｍ邋＝邋１，２，。记系统服务的用户终端为尺个，ＵＴ集合表示为逡逑Ｕ＝｛ｋ＼ｋ邋＝邋ｌ２，．．．．。卫星通信系统为每个终端Ａ分配的无线链路资源用一个信道分配逡逑矢量表征，记为％逦ｖｔ＾］７，其中＞＾表不了系统为用户Ａ在所分配的信逡逑道／Ｗ上的发射信号增益。系统服务用户集合中每个用户的信道分配矢量形成／卫星系统逡逑３１逡逑

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