基于萤火虫算法的Ka多波束卫星通信系统资源分配方法与流程

本发明属于卫星通信技术领域，特别是一种基于萤火虫算法的ka多波束卫星通信系统资源分配方法。

背景技术：

在mf-tdma卫星通信系统中，待分配的系统资源是二维的频域和时域资源。ncc将频域和时域资源以载波和时隙的形式进行划分，把不同的载波上的不同时隙封装给不同的用户以满足其业务需求。与scpc系统中的一维资源分配问题相比，mf-tdma二维的资源分配策略更加灵活，但是也正是这种灵活性，增加了其资源分配的难度。此外，与scpc技术相比，mf-tdma技术需要多个载波在时间上都实现同步，增加了网络管理的复杂度。

mf-tdma卫星通信系统中，当地面站所支持的链接有业务需要时，地面站会向ncc发送链接申请。在一个帧时间内，ncc综合考虑所有接收到的链接申请，根据资源分配算法动态地将不同的链接申请，分配到不同的载波上的不同时隙中，然后将分配结果以突发时间计划(bursttimeplan,btp)的形式，周期性的下发给所有的地面站。地面站收到btp后，对其进行解析，寻找属于自己的载波和时隙，然后在相应的载波和时隙上发送业务数据。与fdma卫星通信系统不同，在mf-tdma卫星通信系统中，资源分配的对象不再是每个地面站(用户)，而是每个地面站所支持的链接。因为在mf-tdma卫星通信系统中，同一个地面站下链接可以在一个帧周期内与不同的地面站的链接进行通信。而fdma卫星通信系统无法做到这点，只能做到同一个地面站下的链接与另外一个地面站下的链接进行通信。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于萤火虫算法的ka多波束卫星通信系统资源分配方法，通过固定链接申请编码模式，在充分利用时频资源和满足链接申请业务量的基础上，尽可能的减小链路申请发送端地面站的发射功率。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于萤火虫算法的ka多波束卫星通信系统资源分配方法，包括以下步骤：

步骤1，确定每个波束内的链接申请的载波分配状态信息；

步骤2，采用萤火虫算法，对链接申请的调制编码模式进行动态调整；

步骤3，通过时隙封装将链接申请分配到载波上，完成该波束内的链路申请分配。

进一步地，步骤1所述的确定每个波束内的链接申请的载波分配状态信息，包括：波束载波的总数目n，链接申请的总数目w，载波速率总和stotal，链接申请的总业务量dtotal，所有载波的集合φ，φ＝{f1,f2,…,fn}，其中fj为第j条载波，并且按照载波速率的大小升序排列，即s1≤s2≤……sn，sj为第j条载波的载波速率；x为所有链接申请的集合，x＝{c1,c2,……,cw}，其中ci为第i个链接申请，并且按照链接申请业务量的大小升序排列，即d1≤d2≤……dw，di为第i个链接申请的业务量；yj为第j条载波的时隙数目。

进一步地，步骤2所述的采用萤火虫算法，对链接申请的调制编码模式进行动态调整，具体步骤如下：

步骤2.1，根据链接申请的载波分配情况，初始化萤火虫算法的参数和种群中每个萤火虫的位置向量，并确定萤火虫的目标函数值；

步骤2.2，计算群体中萤火虫的相对亮度和吸引度，根据相对亮度决定萤火虫的转移方向，确定目标函数最大的萤火虫位置；

步骤2.3，更新萤火虫的空间位置向量；

步骤2.4，检验新产生的萤火虫位置是否满足限制条件，如果满足，进入步骤2.5，否则，返回步骤2.3；

步骤2.5，重复步骤2.2～步骤2.4ng次，输出目标函数值的最优解，其中ng为萤火虫方法的最大迭代次数。

进一步地，步骤2.1所述的根据链接申请的载波分配情况，初始化萤火虫算法的参数和种群中每个萤火虫的位置向量，并确定萤火虫的目标函数值，具体为：

(1)初始化萤火虫种群大小nfp、萤火虫算法最大迭代次数nfg、光强吸收系数γ、最大吸引度β0、步长因子ε，其中nfp∈[100,130]、nfg∈[500,600]、γ∈[0.9,1.1]、β0∈[0.9,1.1]、ε∈[0.3,0.4]；令gen＝0，初始化每个链接申请的最高阶调制编码模式

(2)初始化第gen次迭代时种群中萤火虫位置向量x(gen)＝[c(gen),p(gen)]，其中c(gen)为第gen次迭代时种群中萤火虫链接申请向量，p(gen)为第gen次迭代时种群中萤火虫编码分配向量，并且k为多波束系统中波束数，n为多波束卫星通信系统中单个波束内的载波数目，w为多波束卫星通信系统中单个波束内的链接申请的数目，为时刻t波束k中链接申请w在载波n上分配载波指示变量，且满足公式(1)：

为时刻t波束k中链接申请w在载波n上调制编码分配指示变量，且满足公式(2)：

同时链接申请编码模式的选择必须满足预算方程(3)和(4)：

其中，[]表示一种运算，[x]＝10lg(x)；mⁱ为第i个链路申请ci的链路余量，con为大于0的常量；di为第i个链路申请ci的业务量；b为波尔兹曼常数；

(3)确定第gen次迭代时萤火虫i的目标函数值f(xi(gen))，如公式(5)：

其中，为t时刻波束k中链接申请w在载波n上发射功率，jfi(t)为时刻t用户的jain公平指数，α为罚函数因子且α∈[10,12]，令萤火虫的最大荧光亮度lf0＝f(xi(gen))。

进一步地，步骤2.2所述的计算群体中萤火虫的相对亮度和吸引度，根据相对亮度决定萤火虫的转移方向，确定目标函数最大的萤火虫位置计，具体为：

根据公式(6)计算群体中萤火虫的相对亮度lf：

lf＝lf0×exp(-γdi,j)(6)

其中，lf0为最大相对亮度；

根据公式(7)计算吸引度β：

其中，β0为最大吸引度

根据相对亮度决定萤火虫的移动方向，确定目标函数值最大的萤火虫位置xgbest(gen)，di,j为萤火虫i和j的空间距离。

进一步地，步骤2.3所述的更新萤火虫的空间位置向量，具体为：根据公式(8)更新萤火虫的空间位置，对处于最佳位置的萤火虫进行随机扰动；

设定为第gen+1次迭代时萤火虫i的空间位置，则：

其中，为第gen次迭代时萤火虫i的空间位置；为第gen次迭代时萤火虫j的空间位置；ε为步长因子；ξ为[0,1]上服从均与分布的随机因子。

进一步地，步骤2.4中所述的检验新产生的萤火虫位置是否满足限制条件，具体为：检验新产生的萤火虫位置是否满足公式(1)、(2)，如果满足则进入步骤2.5，否则返回步骤2.3。

进一步地，步骤2.5中所述的输出目标函数的最优解，具体为：

令gen←gen+1，重复步骤2.2～步骤2.4nfg次，输出xgbest(gen)作为最优解，并且采用公式(9)确定波束内的链接申请模式f(xgbest(gen))

其中，为t时刻波束k中链接申请w在载波n上分配载波指示变量；为t时刻波束k中链接申请w在载波n上分配发射功率指示变量。

进一步地，步骤3中所述的通过时隙封装将链接申请分配到载波上，具体为：在完成链接申请载波的分配和链接申请的编码模式分配之后，通过给定的启发式算法来实现实时隙封装，步骤如下：

步骤3.1，选择波束内空余时间最大的载波，如果存在空余时间相同的两个载波，则选择速率小的载波，为此载波上未分配时隙的链接申请分配时隙；

步骤3.2，若该载波上没有足够的时隙来容纳待分配的链接申请，则选择待分配队列的下一个链接申请；

步骤3.3，若选择的链接申请与载波上已分配的链接申请没有产生mf-tdma卫星限制条件冲突，则分配成功，否则分配失败；

步骤3.4，重复步骤3.1-3.3，直至波束内的载波可用时隙均分配完成，结束该波束的时隙封装过程。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)在卫星通信系统调制编码开始阶段，将所有链接申请编码模式定为最低阶的调制编码模式，通过动态调整编码，节省了地面站发射功率；(2)选择余量最大的链接申请可以充分利用现有的时频资源，尽量减小未利用的时频资源‘(3)载波和功率联合分配大大提高了多波束卫星系统的资源利用率。

附图说明

图1为本发明基于萤火虫算法的ka多波束卫星通信系统资源分配方法的流程图。

图2为本发明中基于萤火虫方法动态调整分配流程图。

图3为本发明中链路申请的调制编码模式分配算法流程图。

图4为本发明中链路申请的时隙封装流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。

结合图1，本发明基于基于萤火虫算法的ka多波束卫星通信资源分配方法，在充分利用在ka频段下的多波束卫星通信系统时隙资源和满足链接申请业务申请量的基础上，在最开始将每个波束内的所有链接申请的编码模式设置为最低阶，为了尽可能的减少链路申请发送端地面站的发射功率，通过采用萤火虫算法通过动态调整链接申请的载波编码模式：收集链接申请的编码的参数并确定萤火虫的目标函数值；确定群体中萤火虫的相对亮度和吸引度，并确定目标函数值最大的萤火虫位置；更新萤火虫的控件位置向量；检验新产生的萤火虫位置是否满足限制条件，如果满足进入下一步，否则返回上一步；重复多次，得到链接申请编码的最佳编码模式；最后通过时隙封装将链接申请分配到载波上，完成该波束内的链接申请分配。具体包括以下步骤：

步骤1，确定每个波束内的链接申请的载波分配状态信息；

所述的确定每个波束内的链接申请的载波分配状态信息，包括：波束载波的总数目n，链接申请的总数目w，载波速率总和stotal，链接申请的总业务量dtotal，所有载波的集合φ，φ＝{f1,f2,…,fn}，其中fj为第j条载波，并且按照载波速率的大小升序排列，即s1≤s2≤……sn，sj为第j条载波的载波速率；x为所有链接申请的集合，x＝{c1,c2,……,cw}，其中ci为第i个链接申请，并且按照链接申请业务量的大小升序排列，即d1≤d2≤……dw，di为第i个链接申请的业务量；yj为第j条载波的时隙数目。

步骤2，采用萤火虫算法，对链接申请的调制编码模式进行动态调整；

步骤2.1，根据链接申请的载波分配情况，初始化萤火虫算法的参数和种群中每个萤火虫的位置向量，并确定萤火虫的目标函数值，算法流程如图3所示；

(1)初始化萤火虫种群大小nfp、萤火虫算法最大迭代次数nfg、光强吸收系数γ、最大吸引度β0、步长因子ε，其中nfp∈[100,130]、nfg∈[500,600]、γ∈[0.9,1.1]、β0∈[0.9,1.1]、ε∈[0.3,0.4]；令gen＝0，初始化每个链接申请的最高阶调制编码模式

(2)结合图2，初始化第gen次迭代时种群中萤火虫位置向量x(gen)＝[c(gen),p(gen)]，其中c(gen)为第gen次迭代时种群中萤火虫链接申请向量，p(gen)为第gen次迭代时种群中萤火虫编码分配向量，并且k为多波束系统中波束数，n为多波束卫星通信系统中单个波束内的载波数目，w为多波束卫星通信系统中单个波束内的链接申请的数目，为时刻t波束k中链接申请w在载波n上分配载波指示变量，且满足公式(1)：

为时刻t波束k中链接申请w在载波n上调制编码分配指示变量，且满足公式(2)：

同时链接申请编码模式的选择必须满足预算方程(3)和(4)：

其中，[]表示一种运算，[x]＝10lg(x)；mⁱ为第i个链路申请ci的链路余量，con为大于0的常量；di为第i个链路申请ci的业务量；b为波尔兹曼常数；

(3)确定第gen次迭代时萤火虫i的目标函数值f(xi(gen))，如公式(5)：

其中，为t时刻波束k中链接申请w在载波n上发射功率，jfi(t)为时刻t用户的jain公平指数，α为罚函数因子且α∈[10,12]，令萤火虫的最大荧光亮度lf0＝f(xi(gen))。

步骤2.2，计算群体中萤火虫的相对亮度和吸引度，根据相对亮度决定萤火虫的转移方向，确定目标函数最大的萤火虫位置；

根据公式(6)计算群体中萤火虫的相对亮度lf：

lf＝lf0×exp(-γdi,j)(6)

其中，lf0为最大相对亮度；

根据公式(7)计算吸引度β：

其中，β0为最大吸引度

根据相对亮度lf决定萤火虫的移动方向，确定目标函数值最大的萤火虫位置xgbest(gen)，di,j为萤火虫i和萤火虫j的空间距离；

步骤2.3，更新萤火虫的空间位置向量，具体为：根据公式(8)更新萤火虫的空间位置，对处于最佳位置的萤火虫进行随机扰动；

设定为第gen+1次迭代时萤火虫i的空间位置，则：

其中，为第gen次迭代时萤火虫i的空间位置；为第gen次迭代时萤火虫j的空间位置；ε为步长因子；ξ为[0,1]上服从均与分布的随机因子；

步骤2.4，检验新产生的萤火虫位置是否满足限制条件，如果满足，进入步骤2.5，否则，返回步骤2.3；

所述检验新产生的萤火虫位置是否满足限制条件，包括检验新产生的萤火虫位置是否满足公式(10)～(11)，如果满足，进入步骤2.5，否则，返回步骤2.3；

步骤2.5，重复步骤2.2～步骤2.4ng次，输出编码模式和地面站发射功率即目标函数值的最优解，ng为返回萤火虫方法的最大迭代次数；具体为：

令gen←gen+1，重复步骤2.2～步骤2.4nfg次，输出xgbest(gen)作为最优解，并且采用公式(9)确定波束内的链接申请最佳编码模式f(xgbest(gen))：

其中，为t时刻波束k中链接申请w在载波n上分配载波指示变量；为t时刻波束k中链接申请w在载波n上分配发射功率指示变量。

步骤3，通过时隙封装将链接申请分配到载波上，完成该波束内的链路申请分配。

如图4所示，所述的通过时隙封装将链接申请分配到载波上，具体为：在完成链接申请载波的分配和链接申请的编码模式分配之后，通过给定的启发式算法来实现实时隙封装，步骤如下：

步骤3.1，选择波束内空余时间最大的载波，如果存在空余时间相同的两个载波，则选择速率小的载波，为此载波上未分配时隙的链接申请分配时隙；

步骤3.2，若该载波上没有足够的时隙来容纳待分配的链接申请，则选择待分配队列的下一个链接申请；

步骤3.3，若选择的链接申请与载波上已分配的链接申请没有产生mf-tdma卫星限制条件冲突，则分配成功，否则分配失败；

步骤3.4，重复步骤3.1-3.3，直至波束内的载波可用时隙均分配完成，结束该波束的时隙封装过程。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施实例1

结合图1，本发明基于萤火虫算法的ka多波束卫星通信系统资源分配优化方法，各步骤中参数如下：

步骤1，确定每个波束内的链接申请的载波分配状态信息。

帧长tframe为110ms，载波数目n为4，载波符号速率sn为64k,2×64k,4×64k,8×128k，每个载波时隙长度ln为10,7,5.5,3，时隙头长度hn为128符号，时隙尾长度tn为0.1，系统支持的调制编码模式为系统允许的最大误码率为e^-6，调制编码模式的解调时的门限比特信噪比为3,4.2,5.4,6.5,7.8,9.8，每种地面站的eirp值为76,68,64,60,48,43，链接申请的业务量服从均值为60k的指数分布，系统总带宽w＝500mhz，波束数k＝10。

步骤2，采用萤火虫算法，对链接申请的调制编码模式进行动态调整。

基于萤火虫算法的ka多波束系统中有k个波束，w个链接申请，n＝4个载波；结合图2中基于萤火虫方法的动态调整分配流程：首先，系统初始化萤火虫方法的参数、初始化种群中的每个萤火虫位置向量和确定萤火虫的目标函数值，nfp＝110、nfg＝560、γ＝1、β0＝1和ε＝0.35，令gen＝1，初始化初始化x(gen)＝[c(gen),p(gen)]，满足公式(1)，满足公式(2)，采用公式(5)确定f(xi(gen))，令lf0＝f(xi(gen))，α＝11，萤火虫的最大荧光亮度lf0＝1。然后，确定群体中萤火虫的相对亮度和吸引度，根据相对亮度决定萤火虫的移动方向，确定目标函数值最大的萤火虫位置，用公式(6)和公式(7)确定群体中萤火虫的相对亮度lf和吸引度β；根据相对亮度决定萤火虫的移动方向，确定目标函数值最大的萤火虫位置xgbest(gen)；其次，更新萤火虫的空间位置向量，根据公式(8)更新萤火虫的空间位置。对处于最佳位置的萤火虫进行随机扰动；再次，检验新产生的萤火虫位置是否满足公式(1)、公式(2)和公式(5)，如果满足，进入下一步，否则返回上一步重新更新萤火虫的空间位置向量；最后令gen←gen+1，重复上述步骤nfg次，输出xgbest(gen)作为最优解，并且采用公式(9)确定基于编码调整ka多波束系统中波束内的链接申请最佳编码和发射功率。

步骤3，通过时隙封装将链接申请分配到载波上，完成该波束内的链路申请分配。

综上所述，本发明基于萤火虫算法的ka多波束卫星通信系统资源分配方法，充分利用了载波的时隙资源，优化了链接申请的编码模式，使链接申请占用更少的时隙，可以容纳更多的链接申请。