面向測井應用的星地一體化網絡資源分配方法

一、引言

隨著流量需求的激增，傳統地面網絡很難滿足用戶對大容量、低時延服務的需求，特別是在偏遠的測井現場，很難部署大量地面基站為測井終端提供實時數據回傳服務。近年來，利用星地一體化網絡為測井現場提供覆蓋成為一種有潛力的方案。星地一體化網絡具有廣域覆蓋、大容量傳輸的優勢，可以為測井現場提供實時數據傳輸服務。具體而言，在星地一體化網絡中，可以利用衛星為地面基站提供回傳服務，地面基站在接收回傳服務后為測井終端提供接入服務，從而減輕傳統地面網絡的壓力。

然而，大多數現有針對星地一體化網絡覆蓋的研究沒有考慮數據傳輸需求的非均勻分布。隨著衛星部署數量增加，衛星間干擾加劇，對資源分配方法的設計提出了更高的要求。同時，如果不考慮測井終端的數據傳輸需求進行按需調度，測井終端的數據傳輸需求覆蓋率將惡化。因此，如何設計資源分配方法實現測井終端的實時回傳是一個值得研究的問題。

二、面向測井應用的星地一體化網絡

（一）網絡模型

面向測井應用的星地一體化網絡的典型場景如圖1所示，場景中存在低軌衛星、地面基站及測井終端。在此場景中，衛星通過饋電鏈路連接到信關站，通過回傳鏈路向地面基站提供回傳服務，地面基站在接受回傳服務后為測井現場的測井終端提供接入服務。

（二）傳輸模型

假設衛星有多個帶寬相等的正交子信道且每顆衛星都采用同頻復用的策略，在同一時刻，每顆衛星的任一子信道只能分配給一個基站，每個基站只能占用一顆衛星的一個子信道。由于衛星采用同頻復用策略，基站會受到來自其他衛星的同頻干擾。在本文場景中，地面基站均配備有多個天線，可以同時接受來自多顆衛星的回傳服務進一步提升回傳容量。

測井現場的每個測井終端選擇接收信號強度最大的基站接入。每個基站有多個正交的子信道且每個基站也采用同頻復用策略。在同一時刻，每個基站的任一信道只能分配給一個測井終端，每個測井終端只能占用基站的一個子信道。由于基站之間的同頻復用策略，測井終端將會受到來自其他基站的同頻干擾。

（三）測井終端數據傳輸需求模型

本文將測井終端按數據傳輸需求分為兩類：一類是高數據需求終端，傳輸速率為4Mbps—6Mbps；另一類是低數據需求終端，傳輸速率為1Mbps—3Mbps。定義測井終端的數據傳輸需求覆蓋率為終端的實際傳輸速率與數據傳輸需求速率的比值，測井現場總覆蓋率為所有測井終端數據傳輸需求覆蓋率的平均值。測井現場總覆蓋率越高，說明星地一體化網絡對測井現場的覆蓋效果越好。

三、問題建模與算法設計

（一）問題建模

本文建立的資源分配問題的優化目標為最大化測井現場總覆蓋率，該問題可以被分解為衛星和地面資源分配兩個子問題。衛星的信道分配可以轉化為一個多對一匹配問題，目標是最大化每個基站的回傳容量。然后，基站需要為測井終端提供接入服務，目標是最大化測井現場總覆蓋率。因此，首先需要設計資源分配算法對衛星信道和功率進行分配，然后根據得到的回傳容量，通過地面基站信道及功率分配提升測井終端的速率。

（二）衛星資源分配算法設計

由于基站可以同時連接多顆衛星，因此衛星信道分配問題可以被建模為多對一匹配問題，匹配的三方為基站、衛星及子信道，為每個匹配對設置了偏好函數和效用函數。在算法執行時，每個子信道選擇未匹配的最佳衛星-地面基站，每個已匹配的衛星-信道單元根據偏好函數選擇最優基站，未匹配的子信道根據偏好函數向候選的匹配對發出邀請，如果新匹配能提升系統效用，則該邀請被同意；否則將被拒絕。在信道分配完成后，統計終端的數據傳輸需求并對衛星的功率進行分配，以確保資源適應終端的需求。

（三）地面資源分配算法設計

與上一節類似，將地面信道分配問題轉化為一對一匹配問題，匹配的三方分別為地面基站、測井終端及子信道，為匹配對和系統設置偏好函數和效用函數。對終端來說，當收到多個匹配請求時，它將選擇高增益的基站子信道以滿足數據傳輸需求。算法中的信道分配過程與衛星信道分配過程類似。在信道分配完成后，通過注水算法向終端分配功率。

四、算法仿真

通過仿真對算法的性能進行了分析，仿真區域面積為25km2，其中400個測井終端隨機分布，10個地面基站均勻分布。地面基站的子信道數為20，衛星的子信道數為8，地面基站的最大連接衛星數為2。

仿真中的對比算法為平均功率算法和注水算法。首先仿真了三種算法得到的數據傳輸需求覆蓋率，在高需求終端占比為60%時，所提算法得到的需求覆蓋率為90%，而對比算法僅為70%，說明所提算法能滿足大部分終端的數據傳輸需求。然后對比了三種算法獲得的回傳容量，在高需求終端占比為60%時，所提算法獲得的回傳容量相比對比算法分別提升了18.3%和71.9%，表明所提方法能很好的滿足測井現場的數據回傳需求，實現測井現場的容量覆蓋。

五、總結

星地一體化網絡結合了衛星和地面網絡的優勢，能夠為偏遠測井地區提供無縫覆蓋及實時數據回傳服務。然而，由于測井終端的數據傳輸需求分布不均勻，難以實現資源的按需分配，惡化了測井終端的傳輸需求覆蓋率。為了解決這個問題，本文提出了一種資源分配方法，將衛星和地面信道分配問題轉化為匹配問題進行解決，并進一步通過注水功率分配算法來提升測井終端的數據傳輸速率。仿真結果表明，所提方法能有效提升測井現場的總數據傳輸需求覆蓋率，為測井數據傳輸提供保障。

作者單位： 李雄偉、梁銳知、代明忠 中國石油集團測井有限公司評價信息部

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