一种基于微分博弈的星地通信上行链路的资源分配方法与流程

1.本发明涉及卫星通信技术领域，特别涉及一种基于微分博弈的星地通信上行链路的资源分配方法。


背景技术：

2.在星地通信系统中，卫星地面站通过上行链路实现业务请求，随着互联网技术以及5g技术的发展，数据流量以及业务请求量巨幅增长，地面频谱资源以及卫星所用频谱资源均呈匮乏态势，现有技术无法实现上行链路中服务资源的高效分配。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于微分博弈的星地通信上行链路的资源分配方法，为了实现服务资源分配的效用最大化，引入优先级概念以及微分博弈理论，将业务划分不同优先等级，结合中心控制器实现对不同业务的服务资源分配，实现星地通信系统中上行链路服务资源的最优分配和高效利用。
4.为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：
5.一种基于微分博弈的星地通信上行链路的资源分配方法，包括以下步骤：
6.s1、在星地通信中设置优先级，将参与服务资源分配的业务根据优先级划分为高优先级分组以及低优先级分组，后续通过中心控制器对不同分组中的业务分配服务资源；
7.s2、构建业务服务请求的效用函数，通过定义星地通信中服务资源分配效用和影响成本作为目标优化函数，最大化服务资源分配的效用；
8.s3、构建星地通信中服务资源动态变化状态；
9.s4、引入微分博弈理论，求解纳什均衡解，得到每个业务的最优服务资源分配。
10.优选地，所述步骤s2具体包括以下步骤：
11.s201、构建效用函数；
12.令高优先级分组为hbg，低优先级分组为lbg，s
h,i
(t)表示hbg中业务请求i在时刻t分配得到的服务资源，s
l,i
(t)表示lbg中业务请求i在时刻t分配得到的服务资源；则星地通信系统业务服务的效用可通过服务资源表示，即：
[0013][0014]
其中，μ
h,i
,ν
h,i
,π
h,i
为权重参数，整体的上行链路业务请求服务资源效用通过一个线性二次方程进行表示，可以表述为：
[0015][0016]
其中，η
h,i
(t)和η
l,i
(t)分别为引入中心控制器对高低优先级分组进行服务资源分
配所带来的成本单价，r为折现率，e-rt
为折现参数，通过折现参数，中心控制器可以决定分配给不同优先级业务的服务资源占比；求解上述公式，最优服务资源分配可表示为：
[0017][0018]
s202、构建影响成本函数；
[0019]
由于引入了优先级概念，当高优先级分组业务获得一定资源，则低优先级分组业务获得的资源就会减少；假设业务请求资源的分配影响是群组效应，即对于高优先级分组业务请求的资源响应对高优先级分组业务和低优先级分组业务请求均有影响；
[0020]
则对于高优先级分组内业务分配到的资源对低优先级分组业务和高优先级分组业务的影响成本分别为和同理可得低优先级业务的交叉影响成本以及组内影响成本。
[0021]
s203、构建目标优化函数；
[0022]
结合上述关于影响成本的描述，对于中心控制器以最大化每个业务分组的服务资源分配所带来的收益为目标，收益函数可以表达为：
[0023][0024][0025]
由上述最优服务资源分配表达式可知，每个业务请求所能分配的最优服务资源受控于服务资源成本单价，不同优先级分组根据中心控制器确定的服务资源成本单价进行相应的业务请求。
[0026]
优选地，所述步骤s3具体包括：
[0027]
对于整个星地通信系统上行链路中的业务服务请求而言，可用于响应请求的服务资源有限，即服务资源会随着业务请求的变化进行动态变化；x(t)表示在时刻t所能够分配的服务资源，服务资源的动态变化可以用下述的微分方程描述：
[0028][0029]
其中，服务资源的初始值为x0；δ是服务资源分配所带来的系统损耗，是一个常量；α和β为权重参数。
[0030]
优选地，所述步骤s4中，如果存在连续微分函数v
h,i
(t,x):[0,t]
×r→
r和v
l,i
(t,x):[0,t]
×r→
r满足下述的微分方程(7)和(8)，则公式(4)和公式(5)存在纳什均衡解；
[0031][0032][0033]
其中，
[0034][0035][0036]
将公式(3)的最优服务资源分配代入到公式(7)和(8)中，可以得到如下的优化目标函数：
[0037][0038][0039]
求解上述公式，可以得到最优服务成本单价η
h,i
(t)和η
l,i
(t)分别为，
[0040][0041][0042]
其中，和是连续微分函数对状态x求导数。
[0043]
优选地，所述步骤s4中，最优服务资源分配求解具体包括以下步骤：
[0044]
s401、假设连续微分方程组的表达式；
[0045]
具体的，连续微分函数v
h,i
(t,x)和v
l,i
(t,x)可以表示为：
[0046]vh,i
(t,x)＝e-rt
[a
h,i
(t)x+b
h,i
(t)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0047]vl,i
(t,x)＝e-rt
[a
l,i
(t)x+b
l,i
(t)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0048]
s402、求解组成微分方程组的参数{a
h,i
(t),a
l,i
(t)}和参数{b
h,i
(t),b
l,i
(t)}的表达式；
[0049]
具体的，参数{a
h,i
(t),a
l,i
(t)}和参数{b
h,i
(t),b
l,i
(t)}可以由下述微分方程所得
到；
[0050]ah,i
'(t)＝(r-δ)a
h,i
(t)+g
h,i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0051]al,i
'(t)＝(r-δ)a
l,i
(t)+g
l,i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0052][0053][0054]
s403、求解最优服务资源分配；
[0055]
具体的，基于上述的参数表达式，对公式(17)-公式(20)所给出的微分方程求解，可以得到，
[0056][0057][0058][0059][0060]
相应的，可以得到最优服务成本单价η
h,i
(t)和η
l,i
(t)分别为，
[0061][0062][0063]
以及两优先级分组中的业务请求所获取的最优服务资源为：
[0064]
[0065][0066]
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
[0067]
本发明实施例中，在星地通信中引入优先级概念，将参与服务资源分配的业务根据优先级划分为高优先级分组以及低优先级分组，后续通过中心控制器对不同分组中的业务分配服务资源；构建业务服务请求的效用函数，通过定义星地通信中服务资源分配效用和影响成本作为目标优化函数，最大化服务资源分配的效用；构建星地通信中服务资源动态变化状态；引入微分博弈理论，求解纳什均衡解，得到每个业务的最优服务资源分配。依据本发明方法，可以计算求解不同优先级分组中业务的最优服务资源分配，从而实现星地通信中业务请求的高效响应。
附图说明
[0068]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0069]
图1是本发明实施例提供的基于业务优先级的星地通信业务请求模型示意图；
[0070]
图2是本发明实施例提供的基于微分博弈的资源分配方法流程图；
[0071]
图3是本发明实施例提供的效用函数构建流程图；
[0072]
图4是本发明实施例提供的最优服务资源分配求解流程图。
具体实施方式
[0073]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0074]
本发明的实施例提供了一种基于微分博弈的星地通信上行链路的资源分配方法，图1为本发明方法提出的基于业务优先级的上行链路星地通信模型示意图，基于该通信模型，图2是本发明提供基于微分博弈的星地通信上行链路的的资源分配方法的流程图，所述资源分配方法包括以下步骤：
[0075]
s1、在星地通信中设置优先级，将参与服务资源分配的业务根据优先级划分为高优先级分组以及低优先级分组，后续通过中心控制器对不同分组中的业务分配服务资源。
[0076]
在星地通信系统中，不同的分组通过优先级进行业务请求。本实施例中，优先级的划分可以是军用通信和民用通信，例如以军用通信业务为高优先级分组，以民用通信业务为低优先级分组等，或者采用其他的分组方式，此处不再赘述。
[0077]
s2、构建业务服务请求的效用函数，通过定义星地通信中服务资源分配效用和影响成本作为目标优化函数，最大化服务资源分配的效用。
[0078]
根据业务的优先级不同，在高优先级分组中有n个业务，在低优先级分组中有m个业务，中心控制器通过构建业务服务请求的效用函数来确定每个业务的服务资源分配。
[0079]
具体地，中心控制器对于不同优先级的业务提供不同的资源来提供服务，从而满足较高优先级的业务获得相应服务。该模型中，中心控制器为服务资源分配的主导者，不同
的业务为服务资源分配的参与者，根据中心服务器的控制要求来获取相应的服务。
[0080]
图3是构建效用函数的具体流程，步骤s2包括以下步骤：
[0081]
s201、构建效用函数；
[0082]
令高优先级分组为hbg，低优先级分组为lbg，s
h,i
(t)表示hbg中业务请求i在时刻t分配得到的服务资源，s
l,i
(t)表示lbg中业务请求i在时刻t分配得到的服务资源；则星地通信系统业务服务的效用可通过服务资源表示，即：
[0083][0084]
其中，μ
h,i
,ν
h,i
,π
h,i
为权重参数，整体的上行链路业务请求服务资源效用通过一个线性二次方程进行表示，可以表述为：
[0085][0086]
其中，η
h,i
(t)和η
l,i
(t)分别为引入中心控制器对高低优先级分组进行服务资源分配所带来的成本单价，r为折现率，e-rt
为折现参数，通过折现参数，中心控制器可以决定分配给不同优先级业务的服务资源占比；求解上述公式，最优服务资源分配可表示为：
[0087][0088]
s202、构建影响成本函数；
[0089]
由于引入了优先级概念，当高优先级分组业务获得一定资源，则低优先级分组业务获得的资源就会减少；假设业务请求资源的分配影响是群组效应，即对于高优先级分组业务请求的资源响应对高优先级分组业务和低优先级分组业务请求均有影响；
[0090]
则对于高优先级分组内业务分配到的资源对低优先级分组业务和高优先级分组业务的影响成本分别为和同理可得低优先级业务的交叉影响成本以及组内影响成本。
[0091]
s203、构建目标优化函数；
[0092]
结合上述关于影响成本的描述，对于中心控制器以最大化每个业务分组的服务资源分配所带来的收益为目标，收益函数可以表达为：
[0093][0094]
[0095]
由上述最优服务资源分配表达式可知，每个业务请求所能分配的最优服务资源受控于服务资源成本单价，不同优先级分组根据中心控制器确定的服务资源成本单价进行相应的业务请求。
[0096]
s3、构建星地通信中服务资源动态变化状态。
[0097]
具体地，对于整个星地通信系统上行链路中的业务服务请求而言，可用于响应请求的服务资源有限，即服务资源会随着业务请求的变化进行动态变化；x(t)表示在时刻t所能够分配的服务资源，服务资源的动态变化可以用下述的微分方程描述：
[0098][0099]
其中，服务资源的初始值为x0；δ是服务资源分配所带来的系统损耗，是一个常量；α和β为权重参数。
[0100]
s4、引入微分博弈理论，求解纳什均衡解，得到每个业务的最优服务资源分配。
[0101]
本步骤中，如果存在连续微分函数v
h,i(
t,x):[0,t]
×r→
r和v
l,i
(t,x):[0,t]
×r→
r满足下述的微分方程(7)和(8)，则公式(4)和公式(5)存在纳什均衡解；
[0102][0103][0104]
其中，
[0105][0106][0107]
将公式(3)的最优服务资源分配代入到公式(7)和(8)中，可以得到如下的优化目标函数：
[0108]
[0109][0110]
求解上述公式，可以得到最优服务成本单价η
h,i
(t)和η
l,i
(t)分别为，
[0111][0112][0113]
其中，和是连续微分函数对状态x求导数。
[0114]
图4是本发明实例提供的最优服务资源分配求解流程图，具体包括以下步骤：
[0115]
s401、假设连续微分方程组的表达式；
[0116]
具体的，连续微分函数v
h,i
(t,x)和v
l,i
(t,x)可以表示为：
[0117]vh,i
(t,x)＝e-rt
[a
h,i
(t)x+b
h,i
(t)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0118]vl,i
(t,x)＝e-rt
[a
l,i
(t)x+b
l,i
(t)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0119]
s402、求解组成微分方程组的参数{a
h,i
(t),a
l,i
(t)}和参数{b
h,i
(t),b
l,i
(t)}的表达式；
[0120]
具体的，参数{a
h,i
(t),a
l,i
(t)}和参数{b
h,i
(t),b
l,i
(t)}可以由下述微分方程所得到；
[0121]ah,i
'(t)＝(r-δ)a
h,i
(t)+g
h,i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0122]al,i
'(t)＝(r-δ)a
l,i
(t)+g
l,i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0123][0124][0125]
s403、求解最优服务资源分配；
[0126]
具体的，基于上述的参数表达式，对公式(17)-公式(20)所给出的微分方程求解，可以得到，
[0127][0128]
[0129]
本发明实施例中，在星地通信中引入优先级概念，将参与服务资源分配的业务根据优先级划分为高优先级分组以及低优先级分组，后续通过中心控制器对不同分组中的业务分配服务资源；构建业务服务请求的效用函数，通过定义星地通信中服务资源分配效用和影响成本作为目标优化函数，最大化服务资源分配的效用；构建星地通信中服务资源动态变化状态；引入微分博弈理论，求解纳什均衡解，得到每个业务的最优服务资源分配。依据本发明方法，可以计算求解不同优先级分组中业务的最优服务资源分配，从而实现星地通信中业务请求的高效响应。
[0130]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。