基于改進SA-NSGAⅡ的多波束衛星動態資源分配方法

關鍵詞：多波束衛星通信；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：ＴＮ９１１．７ 文獻標志碼：Ａ DOI：１０．１２３０５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１-５０６Ｘ．２０２４．１２．３１

０引言

衛星通信是通過衛星傳遞信號，進行遠程通信的技術，能夠解決地面通信無法實現的遠距離通信、海洋通信等問題［１］。衛星通信在軍事通信、航空航天［２］、廣播電視、電話通信、互聯網和數據傳輸等［３７］領域應用廣泛。為了滿足不同場景的通信需求，ＳｐａｃｅＸ［８］、歐洲航天局［９］等衛星研究機構的在軌衛星部署越來越密集，出現頻段沖突等問題已不可避免［１０］。隨著５Ｇ 通信技術不斷發展，衛星通信系統也在不斷填充可用頻段，因此如何在有限的頻譜資源上進行衛星部署以達到有效傳輸已經成為被廣泛關注的問題［１１］。

傳統意義上的衛星資源分配方案直接將總資源平均分配到各個波束內［１２］，然而在個別波束用戶數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；相反，在用戶數量眾多或通信傳輸擁擠的波束內，此分配方案難以滿足通信要求。如何根據不同需求設計靈活、有效的衛星資源動態分配方案也是當前研究的熱點［１３］。

Ｌｕｏ等［１４］指出并證明解決衛星通信資源動態分配等是一個非確定性多項式（ｎｏｎｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｍｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ，ＮＰ）難問題，這表示該問題使用常規方法無法在有效多項式時間內求解。Ｎｉ等［１５］使用拉格朗日乘子法將動態分配問題分解為兩個子問題并逐個解決，簡化問題復雜度，易于優化。Ｆｕ等［１６］在此基礎上將計算資源分配問題描述為一個以最小化供需方差為目標的約束優化問題并采用增廣拉格朗日乘子法求解，驗證了所提方案的有效性和收斂性。劉文文等［１７］在元啟發算法的基礎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，能有效實現帶寬的靈活性。

此外，對于通信運營服務商而言，其需要實時關注用戶對于服務的需求和滿意度，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星和無人機綜合網絡的多播通信，提出一種基于迭代懲罰函數的求解算法，該方法能夠有效抑制相互干擾，提高系統傳輸速率。Ｙｉｎ等［２０］建立一個通用的發射功率約束優化問題來實現最大、最小公平性的速率性能，通過在地面和多波束衛星系統中的仿真，證明基于速率分裂的多組波束形成相對于傳統線性預編碼的優越性。魯偉鑫等［２１］針對衛星地面無線通信網絡中的安全速率最大化問題，利用基于變量替換和泰勒估計的迭代算法將原問題轉化為滿足凸形式的優化問題，并證實算法的有效性及可行性。

非理想傳輸情況下的衛星通信面對的另一個問題是上行用戶與下行用戶之間的資源緩存問題。上、下行用戶之間往往存在傳輸速率不對等的情況，若上行用戶傳輸速率大于下行用戶傳輸速率，則產生的緩存數據不能第一時間得到交換，從而影響通信系統效率。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，或者將用戶對之間的總緩存控制在一個可接受的門限范圍之內。Ｌｉ等［２２］通過計算傳播時延并對其進行加權來緩解由路徑變化導致的擁塞窗口突然增長。陳夢婷［２３］將深度學習與強化學習技術引入星地網絡中，提出一種基于分層強化學習的卸載算法，并對算法進行仿真驗證，仿真結果表明其提高了計算卸載算法整體的準確性、穩定性及實現速度。Ｚｈａｎｇ等［２４］使用傳統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化頻譜效率的問題，但該算法存在以下問題：

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

（２）未考慮參數的變化對用戶滿意度的影響，如不同波束個數取值或退火降溫系數對最終迭代結果的影響。

針對問題（１），本文對ＳＡ 算法進行改進，采用投影法將可行域外的迭代點投影到可行邊界，保留歷史優化信息。

針對問題（２），在解決問題（１）的基礎上，設定不同波束個數場景和更改退火降溫系數條件進行對比消融實驗，選擇較佳參數，之后利用非支配排序遺傳算法Ⅱ（ｎｏｎ-ｄｏｍｉｎａｔｅｄｓｏｒ-ｔｉｎｇｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ⅱ，ＮＳＧＡ Ⅱ）［２５］繼續優化，以達到在保證多用戶上、下行通信產生緩存不超過門限的前提下同時兼顧用戶滿意度和頻譜效率。

１系統模型的建立

１．１多波束衛星通信模型

本文考慮單顆地球靜止軌道衛星的情況，場景如圖１所示，其中衛星包含有多個波束［２６］，且波束之間存在同頻串擾［２７］，地面通信網絡中的用戶移動終端覆蓋在波束內，在同一波束內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。

作者簡介

饒悅（２００１—），男，碩士研究生，主要研究方向為衛星通信。

楊健（１９８２—），男，研究員，博士，主要研究方向為群體電磁博弈。

孫國敏（１９８９—），女，助理研究員，博士，主要研究方向為輻射源智能識別、衛星通信。

張偉（１９８５—），男，高級工程師，博士，主要研究方向為非合作信號與信息處理、電子對抗。

邵懷宗（１９６７—），男，教授，博士，主要研究方向為無線通信、電子對抗。

林靜然（１９７８—），男，教授，博士，主要研究方向為無線通信信號處理與優化。