針對(duì)頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星功率和轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔的聯(lián)合優(yōu)化算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信資源分配領(lǐng)域，具體設(shè)及一種針對(duì)頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星功率和轉(zhuǎn)發(fā) 器增益檔的聯(lián)合優(yōu)化算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的實(shí)現(xiàn)形式一般有兩種：頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星，目前大多數(shù)衛(wèi)星系統(tǒng)都 采用運(yùn)種形式；星上處理（OB巧衛(wèi)星，它在星上對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和重新調(diào)制，W提供兩條實(shí) 際上相互獨(dú)立的級(jí)聯(lián)（上行鏈路和下行鏈路）通信鏈路。對(duì)于星上處理衛(wèi)星，因?yàn)樯闲墟?路的惡化可W利用星上處理來(lái)補(bǔ)償，并不會(huì)轉(zhuǎn)移至下行鏈路，分配過(guò)程只用考慮下行鏈路 的影響，所W資源分配模型相對(duì)簡(jiǎn)單。對(duì)于頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星，由于上行鏈路的噪聲會(huì)被放大并 引入下行鏈路，因此發(fā)送端有效全向福射功率、星上轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔等在OBP衛(wèi)星中不需要 考慮的因素在頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星資源分配中也會(huì)有很大影響。目前對(duì)星通信系統(tǒng)功率和轉(zhuǎn)發(fā)器 增益檔聯(lián)合優(yōu)化算法尚未有人提出。
[0003] 目前在提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)資源利用效率方面已經(jīng)有了相當(dāng)多的研究。Jiang Lei,ZhuHanandMariaAngelesVazquez-Castro."SecureSatelliteCommunication SystemsDesignwithIndividualSecrecyRateConstrains, "（IEEETransactionson InformationForensicsandSecurity,vol. 6,no. 3,pp. 127-135, 2011) -文中，基于物理 層安全問(wèn)題，提出了一種在滿足系統(tǒng)安全容量目標(biāo)下的波束成型和功率聯(lián)合優(yōu)化算法，解 決波束成型和功率聯(lián)合優(yōu)化的問(wèn)題。ZheJi,YouzhengWangandWei!^ng. "Delay-Aware PowerandBandwidthAllocationforMultiuserSatelliteDownlinks, "(IEEE CommunicationsLetters,vol. 18,no. 11, 2014) 一文中，在考慮時(shí)延約束的情況下，W系統(tǒng) 吞吐量最大化為優(yōu)化目標(biāo)，提出了一種功率和帶寬聯(lián)合優(yōu)化算法，解決功率和帶寬聯(lián)合優(yōu) 化的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種針對(duì)頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星功率和轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔的聯(lián)合優(yōu)化 算法，解決了適用于頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星的功率和增益檔聯(lián)合分配的問(wèn)題，最大化地提高頻率轉(zhuǎn) 換衛(wèi)星的信道容量。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種針對(duì)頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星功率和轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔 的聯(lián)合優(yōu)化算法，方法步驟如下：（先不寫）
[0006] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：（1)首次針對(duì)頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星提出了功率和 轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔的聯(lián)合優(yōu)化算法，能夠同時(shí)計(jì)算出最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔的值和對(duì)應(yīng)的分配給 各個(gè)用戶的功率值；（2)同時(shí)考慮功率和轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔的聯(lián)合優(yōu)化，提高了衛(wèi)星的資源利 用效率；(3)考慮到了發(fā)送端有效全向福射功率、星上轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔等對(duì)頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星資 源分配中的影響，與實(shí)際情況相符。
【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1為本發(fā)明一種針對(duì)頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星功率和轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔的聯(lián)合優(yōu)化算法的對(duì) 偶變量丫的收斂性仿真圖。
[0008]圖2為本發(fā)明一種針對(duì)頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星功率和轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔的聯(lián)合優(yōu)化算法的對(duì) 偶變量P3、0e、Pe的收斂性仿真圖。
[0009]圖3為本發(fā)明一種針對(duì)頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星功率和轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔的聯(lián)合優(yōu)化算法的對(duì) 偶變量PS的收斂性仿真圖。
[0010] 圖4為本發(fā)明一種針對(duì)頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星功率和轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔的聯(lián)合優(yōu)化算法的對(duì) 偶變量P1。的收斂性仿真圖。
[0011] 圖5為本發(fā)明一種針對(duì)頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星功率和轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔的聯(lián)合優(yōu)化算法的優(yōu) 化變量Pi的收斂性仿真圖。
[0012] 圖6為本發(fā)明一種針對(duì)頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星功率和轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔的聯(lián)合優(yōu)化算法的不 同轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔時(shí)系統(tǒng)最大信道容量仿真圖。
[0013]圖7為本發(fā)明一種針對(duì)頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星功率和轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔的聯(lián)合優(yōu)化算法的最 優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔時(shí)用戶獲得的信道容量仿真圖。
[0014]圖8為本發(fā)明一種針對(duì)頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星功率和轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔的聯(lián)合優(yōu)化算法的整 體流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0016] 結(jié)合圖8, 一種針對(duì)頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星功率和轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔的聯(lián)合優(yōu)化算法，方法步驟 如下：
[0017] 步驟1、針對(duì)頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星，考慮衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器端到端全程鏈路性能，建立適用于頻 率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星的資源分配模型：
[0018] 設(shè)頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星共有M個(gè)用戶，衛(wèi)星分配給第i個(gè)用戶的功率為Pi,第i個(gè)用戶 的鏈路衰減因子為aI2,aI2主要受天氣條件的影響，自由空間路徑損耗為L(zhǎng)f,星上天線增 益為氏，每個(gè)用戶分配的帶寬為W，星上轉(zhuǎn)發(fā)器增益為G。在下行鏈路接收端，第i個(gè)用戶 的天線增益和接收到的功率分別為Gfi、Pfi。上行鏈路噪聲譜密度為成，下行鏈路噪聲譜密 度為Nf,系統(tǒng)噪聲譜密度為N。因此可知第i個(gè)用戶的香濃信道容量為：
[0022] 此處我們考慮帶寬為固定值。當(dāng)功率資源可W滿足所有用戶需求時(shí)討論資源分配 是沒(méi)有意義的，因此我們只考慮功率資源受限時(shí)的情況。由公式（19)和（20)可知，隨著衛(wèi) 星分配給每個(gè)用戶的功率Pi的增大，每個(gè)用戶獲得的信道容量Ci也隨之增加。然而分配給 用戶的總功率卻是有限的，所W系統(tǒng)信道容量也是有限的。由公式（21)可知隨著星上轉(zhuǎn)發(fā) 器增益G增大系統(tǒng)噪聲功率譜密度也會(huì)隨之增大。
[0023] 設(shè)衛(wèi)星上總功率為P，有效功率為P。。上行鏈路發(fā)送給第i個(gè)用戶信息的發(fā)送端 的有效全向福射功率為EIRPi,分配給接收端第i個(gè)用戶的峰值功率為Pm,由此可得：
[002引 由公式（22)和似）可知，分配給用戶的總功率i/V受限于衛(wèi)星總功率和上行鏈 ?=1 路噪聲占用功率的差值。星上有效功率P。隨著星上轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔G的減小而增大，從而分 配給用戶的總功率上限會(huì)增大。由公式（24)和（25)可知分配給下行鏈路用戶的峰值 :口-1 功率Pm隨著轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔G的減小而減小，從而導(dǎo)致P1的最大值變小。由于下行鏈路用 戶天線增益W及信道條件不同，較高天線增益W及較好信道條件的用戶的峰值功率Pm受 限將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的信道容量損失。
[0029] 本算法選取信道容量最大化為功率分配和轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔設(shè)置的優(yōu)化目標(biāo)。由于功 率和發(fā)送端有效全向福射功率受限，可W得到如下數(shù)學(xué)模型：
[0034] 式（1)表示選取信道容量最大化為功率分配和轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔設(shè)置的優(yōu)化目標(biāo)，約 束條件（2)表示第個(gè)用戶的香農(nóng)信道容量，約束條件（3)表示系統(tǒng)總功率受限，約束條件 (4)表示發(fā)送端用戶有效全向福射功率受限。
[0035] 步驟2、確定轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔的范圍[A，B]，根據(jù)實(shí)際需要，選擇頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星，其轉(zhuǎn) 發(fā)器增益檔查找現(xiàn)有資料，即可獲得。
[0036] 步驟3、確定關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)器增益范圍的黃金分割點(diǎn)RUR2 ;
[0037] 確定關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)器增益范圍的黃金分割點(diǎn)RUR2,其確定方法如下：
[0038]Rl=B+0. 382 度-A) (5)
[0039] R2 =A+0. 618 度-A) (6)
[0040] 步驟4、利用對(duì)偶理論和黃金分割法確定最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔的值和最優(yōu)的功率 分配值：
[0041] 步驟4-1、利用拉格朗日對(duì)偶算法分別計(jì)算G=Rl時(shí)的最大信道容量Cl和功率分 配值，W及G=R2時(shí)的最大信道容量C2和功率分配值：
[0042] 引入非負(fù)對(duì)偶變量丫和0 =[ 0 1，0 2,…0i，…0M]，確定優(yōu)化問(wèn)題的Lagrange 函數(shù)L:
[0044] 其中衛(wèi)星分配給用戶的功率P=虹，P2, . . .，Pm]。
[0045] 對(duì)應(yīng)的優(yōu)化問(wèn)題的拉格朗日對(duì)偶函數(shù)為：
[004引片化P)二玉瓜 棋)
[0047] 原始優(yōu)化問(wèn)題的對(duì)偶問(wèn)題為：
[004引二"1哨\>'的y'P) 餅
[0049] 對(duì)上述問(wèn)題的功率分配值和非負(fù)對(duì)偶變量更新進(jìn)行求解：
[0050] a、功率分配：因?yàn)長(zhǎng)(p，丫，0)關(guān)于P冰極大，在A處取得最大值，因此公式（7) 對(duì)^求偏導(dǎo)在最大值處的導(dǎo)函數(shù)為零，得到如下公式：
[00閲因此為每個(gè)用戶分配的最優(yōu)功率值括'=max; 0，知h
[0053] b、采用次梯度算法更新非負(fù)對(duì)偶變量：
[0056] 其中，[X]+=max{0，x}，m代表迭代次數(shù)，A代表迭代步長(zhǎng)。
[0057] 步驟4-1-1、初始化對(duì)偶變量丫、0 ;
[0058]步驟4-1-2、將對(duì)偶變量的值帶入公式（10)，求解優(yōu)化后的功率分配值；
[0059]步驟4-1-3、將優(yōu)化后的功率分配值和對(duì)偶變量值帶入公式（11)和（12)，更新非 負(fù)對(duì)偶變量；
[0060] 步驟4-1-4、如果滿足
其中正常數(shù)a為a-0且a聲t，則轉(zhuǎn)入步驟4-1-5,輸出分配給用戶的功率P;否則，返 回步驟4-1-2,繼續(xù)更新迭代；
[0061] 步驟4-1-5、將G=RUG=R2分別代入式（10)、式（11)和式（12)中，得到G= Rl時(shí)的最大信道容量Cl和功率分配值P，W及G=R2時(shí)的最大信道容量C2和功率分配值 P。
[006引步驟4-2、比較R1-R2和正常數(shù)t大小，其中t一0,如果滿足R1-R2>t，則轉(zhuǎn)入步 驟4-3,否則轉(zhuǎn)入步驟4-6;
[0063] 步驟4-3、比較增益為Rl的最大信道容量Cl和增益為R2時(shí)的最大信道容量C2的 大小，如果滿足CDC2則執(zhí)行步驟4-4,否則轉(zhuǎn)至步驟4-5;
[0064]步驟 4-4、令
[0065] B = R2 (13)
[0066] R2 = Rl (14)
[0067]Rl=B+0. 382 度-A) (15)
[006引更新Rl和R2,并轉(zhuǎn)至步驟4-1;
[0069]步驟 4-5、令
[0070] A = Rl (16)
[0071]Rl=R2 (17)
[0072]R2 =A+0. 618 度-A) (18)
[007引更新Rl和R2,并轉(zhuǎn)至步驟4-1;
[0074] 步驟4-6、輸出轉(zhuǎn)發(fā)器增益G=巧1+R2)/2,W及每個(gè)用戶分配的最優(yōu)功率分配值 疾。
[0075] 實(shí)施例1
[0076] 結(jié)合圖1-圖8,一種針對(duì)頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星功率和轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔的聯(lián)合優(yōu)化算法，方 法步驟如下：
[0077] 步驟1、針對(duì)頻率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星，考慮衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器端到端全程鏈路性能，建立適用于頻 率轉(zhuǎn)換衛(wèi)星的資源分配模型：
[0078] 取信道容量最大化為功率分配和轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔設(shè)置的優(yōu)化目標(biāo)，由于功率和發(fā)送 端有效全向福射功率受限，得到如下數(shù)學(xué)模型：
(4)
[0083] 式（I)表示選取信道容量最大化為功率分配和轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔設(shè)置的優(yōu)化目標(biāo)，約 束條件（2)表示第個(gè)用戶的香農(nóng)信道容量，約束條件（3)表示系統(tǒng)總功率受限，約束條件 (4)表示發(fā)送端用戶有效全向福射功率受限。
[0084] 步驟2、確定轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔的范圍[A，B]，本實(shí)施例中，采用增益檔范圍為[110地， 130 地]。
[0085] 步驟3、確定關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)器增益范圍的黃金分割點(diǎn)RUR2 ;
[0086] 確定關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)器增益范圍的黃金分割點(diǎn)RUR2,其確定方法如下：
[0087] Rl=B+0. 382 度-A) = 137. 64 (5)
[0088] R2 =A+0. 618 度-A) = 122. 36 (6)
[0089] 步驟4、利用對(duì)偶理論和黃金分割法確定最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)