CN108668352B - 一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法 - Google Patents

一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法 Download PDF

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Abstract

一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法，该方法具体包括如下步骤：第一步根据球形数字相控阵波束功率合成原理以及海洋通信***不同波束所处的通信链路不同，构建多波束球形数字相控阵单个波束的容量模型；第二步，建立多波束球形数字相控阵功率优化问题模型；第三步，采用拉格朗日辅助函数和二分法近似求解该优化问题。本发明的功率分配方案既能应对流量需求的波动情况，也能有效的利用功率资源，获得良好的***性能，保障球形相控阵不同通信链路的通信QoS水平。

Description

一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法
技术领域
本发明涉及海洋通信领域，具体涉及一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法。
背景技术
随着海上通信需求从2G到5G的迈进，未来海洋通信***将要处理类型繁多的业务，可全向同步数据传输和各个波束功率可自由分配的球形数字相控阵天线技术为解决日益增多海洋通信业务的运行提供了可能。然而，当球形数字相控阵天线同时与多颗卫星、多个搭载球形数字相控阵的船只、多个岛基与岸基基站或者通信节点进行数据传输时，一旦某个通信节点瞬时流量增多，在天线总功率一定的条件下，如果各个波束功率分配不合理，有可能造成此节点数据丢失甚至通信中断的情况。目前，针对多波束功率分配的问题，有学者提出了一些功率分配的算法，如Wang H等提出了一种考虑波束间干扰的情况下，提升波束间资源分配公平性的动态功率分配算法，Feng Q等对Ka频段多波束卫星的功率分配进行了研究，主要降低了雨衰对***的影响。然而，现有的功率分配算法都是针对卫星多波束来进行研究的，主要考虑了雨衰对***的影响，针对海洋环境下球形数字相控阵的多波束功率分配研究很少。近年来，随着我国空天一体信息网的建设，未来球形数字相控阵将在海洋通信中得到广泛应用，但是针对海洋环境下球形数字相控阵多波束功率分配来确保通信QoS考虑的很少。
发明内容
为解决球形数字相控阵天线同时与多颗卫星、多个搭载球形数字相控阵的船只、多个岛基与岸基基站或者通信节点进行数据传输时，波束发射功率的不合理分配会导致一些通信节点服务质量下降的问题，本发明提供一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法，具体技术方案如下：
一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：构建多波束球形数字相控阵单个波束的容量模型；
设在提供波束通信服务区域内有N个不同方向的波束进行通信，每个方向的流量的需求为Di，每个方向波束分配的发射功率为pi,每个方向波束的传输容量为Ci,根据球形数字相控阵波束功率合成原理以及海洋通信***不同波束所处的通信链路不同，可得到每个方向波束的传输容量Ci为
Ci＝Blog2(1+βihipi/N0) (1)
其中，βi表示影响业务服务质量的因子，hi表示为发射端到接收端的信道增益，N0表示噪声功率，B表示传输频带带宽；
步骤二：建立多波束球形数字相控阵功率优化问题模型；
Figure BDA0001644289730000021
Figure BDA0001644289730000022
Figure BDA0001644289730000023
其中，N为产生的波数个数，
Figure BDA0001644289730000024
为每个接收端的最小流量需求，
Figure BDA0001644289730000025
为每个接收端的最大流量需求，Ptot为***总功率；
步骤三：根据问题模型中的约束(4)建立拉格朗日辅助函数，通过求导，令导函数为零，得到关于功率的非线性方程，进一步求解可得最优功率分配。
优选地，所述的步骤三中采用拉格朗日辅助函数和二分法近似求解该优化问题实现功率优化问题模型的功率分配。
优选地，步骤三具体为：
上述功率优化问题模型的拉格朗日辅助函数为：
Figure BDA0001644289730000026
其中，λ为约束条件(4)对应的拉格朗日乘子,对J(P，λ)中的pi求偏导，得
Figure BDA0001644289730000027
为求解此非线性方程，获得最优功率pi，采用以下步骤：
(1)建立非线性方程组
f1(pi)＝Di-Blog2(1+βihipi/N0) (7)
Figure BDA0001644289730000028
(2)设
Figure BDA0001644289730000029
将Dsum和ptot合并到一个波束中，则可获得λ的初始值λ0，即
Figure BDA00016442897300000210
(2.1)设置λmin＝λ0/2和λmax＝2λ0，在λmin和λmax之间寻找最优的λ值；
(2.2)在pi∈[PtotDi/(10Dsum)，Ptot]范围内增大pi，直到满足[f1(pi)-f2(pi)]2小于设定的阈值，则可获得最优功率
Figure BDA00016442897300000211
(2.3)对每一个pi重复步骤(2.2)；
(2.4)设
Figure BDA00016442897300000212
若Psum≤Ptot，且[Psum-Ptot]2小于设定的阈值，则可获得最优功率分配；
若Psum＜Ptot，且[Psum-Ptot]2不小于设定的阈值，则设置λmax＝λ，然后令λ＝(λmax+λmin)/2，返回步骤(2.2)；
若Psum＞Ptot，则设置λmin＝λ，然后令λ＝(λmax+λmin)/2,返回步骤(2.2)；
(2.5)若
Figure BDA0001644289730000031
则最终获得的最优功率分配pi能满足各个波束最低能量需求；若
Figure BDA0001644289730000032
则从最优功率分配中去掉Cj与Dj，且波束总数N要去掉这些不满足需求的波束，返回步骤(2.1)，直到满足
Figure BDA0001644289730000033
使每个波束均获得最优的功率分配，又同时满足各个波束的最低流量需求。
优选地，所述的步骤一中的通信链路为微波前向散射通信、大气波导通信、海上无线通信、海洋卫星通信的混合。
优选地，所述的微波前向散射通信和大气波导通信链路是由目标船只上的球形数字相控阵天线和部署在海岸线上和其附近水域或岛屿上的固定无线基站接入点组成；海上无线通信链路是由目标船只上的球形数字相控阵天线和邻近船只上的球形数字相控阵天线组成；海洋卫星通信链路是由目标船只上的球形数字相控阵天线和低轨移动卫星组成。
优选地，所述的步骤一中的βi在瑞利信道中表征为
Figure BDA0001644289730000034
本发明的有益效果为：
本发明的海洋通信QoS保障方法既能应对流量需求的波动情况，同时保障了每个波束基本服务水平
Figure BDA0001644289730000035
由于本发明是针对海洋环境，波束容量模型中引入了参数β、h来描述不同波束的通信链路，与现有的一些算法相比，容量模型更为符合海洋通信的实际情况。
附图说明
图1为本发明的基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法所依据的海洋通信场景图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明考虑未来球形数字相控阵在海洋卫星通信的广泛应用，海洋通信***将会融合其他海洋通信方式，如微波散射通信、大气波导通信等。如果球形相控阵在同时利用多种通信方式进行协同通信时，波束发射功率分配不合理，将会导致业务服务水平下降。根据球形数字相控阵波束发射功率合成原理以及海洋通信***不同波束所处的通信链路不同，构建了多波束球形数字相控阵波束容量模型，选择以最小化二阶业务拒绝量总和为目标函数，把该功率资源优化问题转换为一个带约束条件限制的优化问题。最后利用拉格朗日辅助函数求导和二分法进行求解。
图1为本发明的基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法所依据的海洋通信场景图，目标船只除了与卫星和周围船只通信外，同步利用微波散射通信、大气波导通信与陆地联系。本发明主要解决搭载在目标船只上的球形数字相控阵多波束发射功率分配，保障多波束的通信服务质量提高和天线的功率资源利用效率。
一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：构建多波束球形数字相控阵单个波束的容量模型；
设在提供波束通信服务区域内有N个不同方向的波束进行通信，每个方向的流量的需求为Di，每个方向波束分配的发射功率为pi,每个方向波束的传输容量为Ci,根据球形数字相控阵波束功率合成原理以及海洋通信***不同波束所处的通信链路不同，可得到每个方向波束的传输容量Ci为
Ci＝Blog2(1+βihipi/N0) (1)
其中，βi表示影响业务服务质量的因子，在瑞利信道中，可表征为
Figure BDA0001644289730000041
hi表示为发射端到接收端的信道增益，N0表示噪声功率，B表示传输频带带宽；
步骤二：根据不同链路中通信容量和需求之间的关系，采用以最小化二阶业务拒绝量总和为目标函数，建立多波束球形数字相控阵功率优化问题模型；
Figure BDA0001644289730000042
Figure BDA0001644289730000043
Figure BDA0001644289730000044
其中，N为产生的波数个数，
Figure BDA0001644289730000045
为每个接收端的最小流量需求，
Figure BDA0001644289730000046
为每个接收端的最大流量需求，Ptot为***总功率；式(3)为每个波束方向的实际流量需求范围，式(4)为***总功率限制，该优化问题是一个凸优化问题；
步骤三：利用凸优化理论，实现功率优化问题模型的功率分配；
采用拉格朗日辅助函数和二分法近似求解该优化问题模型，该优化问题的拉格朗日辅助函数为：
Figure BDA0001644289730000047
其中，λ为约束条件(4)对应的拉格朗日乘子,对J(P，λ)中的pi求偏导，得
Figure BDA0001644289730000051
为获得最优功率pi，采用以下步骤：
(1)建立非线性方程组
f1(pi)＝Di-Blog2(1+βihipi/N0) (7)
Figure BDA0001644289730000052
(2)设
Figure BDA0001644289730000053
将Dsum和ptot合并到一个波束中，则可获得λ的初始值λ0，即
Figure BDA0001644289730000054
(2.1)设置λmin和λmax，在λmin和λmax之间寻找最优的λ值；此处设λmin＝λ0/2，λmax＝2λ0。
(2.2)在pi∈[PtotDi/(10Dsum)，Ptot]范围内增大pi，直到满足[f1(pi)-f2(pi)]2小于设定的阈值，则可获得最优功率
Figure BDA0001644289730000055
(2.3)对每一个pi重复步骤(2.2)；
(2.4)设
Figure BDA0001644289730000056
若Psum≤Ptot，且[Psum-Ptot]2小于设定的阈值，则可获得最优功率分配；
若Psum＜Ptot，且[Psum-Ptot]2不小于设定的阈值，则设置λmax＝λ，然后令λ＝(λmax+λmin)/2，返回步骤(2.2)；
若Psum＞Ptot，则设置λmin＝λ，然后令λ＝(λmax+λmin)/2,返回步骤(2.2)；
(2.5)若
Figure BDA0001644289730000057
则最终获得的最优功率分配pi能满足各个波束最低能量需求；若
Figure BDA0001644289730000058
则从最优功率分配中去掉Cj与Dj，且波束总数N要去掉这些不满足需求的波束，返回步骤(2.1)，直到满足
Figure BDA0001644289730000059
使每个波束均获得最优的功率分配，又同时满足各个波束的最低流量需求。
进一步地，步骤一中的通信链路为微波前向散射通信、大气波导通信、海上无线通信、海洋卫星通信的混合。
进一步地，所述的微波前向散射通信和大气波导通信链路是由目标船只上的球形数字相控阵天线和部署在海岸线上和其附近水域或岛屿上的固定无线基站接入点组成；海上无线通信链路是由目标船只上的球形数字相控阵天线和邻近船只上的球形数字相控阵天线组成；海洋卫星通信链路是由目标船只上的球形数字相控阵天线和低轨移动卫星组成。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：构建多波束球形数字相控阵单个波束的容量模型；
设在提供波束通信服务区域内有N个不同方向的波束进行通信，每个方向的流量的需求为Di，每个方向波束分配的发射功率为pi，每个方向波束的传输容量为Ci，根据球形数字相控阵波束功率合成原理以及海洋通信***不同波束所处的通信链路不同，可得到每个方向波束的传输容量Ci为
Ci＝Blog2(1+βihipi/N0) (1)
其中，βi表示影响业务服务质量的因子，hi表示为发射端到接收端的信道增益，N0表示噪声功率，B表示传输频带带宽；
步骤二：建立多波束球形数字相控阵功率优化问题模型；
Figure FDA0002768192320000011
Figure FDA0002768192320000012
Figure FDA0002768192320000013
其中，N为产生的波数个数，
Figure FDA0002768192320000014
为每个接收端的最小流量需求，
Figure FDA0002768192320000015
为每个接收端的最大流量需求，Ptot为***总功率；
步骤三：根据问题模型中的约束(4)建立拉格朗日辅助函数，通过求导，令导函数为零，得到关于功率的非线性方程，进一步采用二分法近似求解该优化问题实现功率优化问题模型的功率分配，求解可得最优功率分配；具体为：
上述功率优化问题模型的拉格朗日辅助函数为：
Figure FDA0002768192320000016
其中，λ为约束条件(4)对应的拉格朗日乘子，对J(P，λ)中的pi求偏导，得
Figure FDA0002768192320000017
为求解此非线性方程，获得最优功率pi，采用以下步骤：
(1)建立非线性方程组
f1(pi)＝Di-Blog2(1+βihipi/N0) (7)
Figure FDA0002768192320000018
(2)设
Figure FDA0002768192320000021
将Dsum和ptot合并到一个波束中，则可获得λ的初始值λ0，即
Figure FDA0002768192320000022
(2.1)设置λmin＝λ0/2和λmax＝2λ0，在λmin和λmax之间寻找最优的λ值；
(2.2)在pi∈[PtotDi/(10Dsum)，Ptot]范围内增大pi，直到满足[f1(pi)-f2(pi)]2小于求单波束功率最优的阈值，则可获得最优功率
Figure FDA0002768192320000023
(2.3)对每一个pi重复步骤(2.2)；
(2.4)设
Figure FDA0002768192320000024
若Psum≤Ptot，且[Psum-Ptot]2小于求总功率最优的阈值，则可获得最优功率分配；
若Psum＜Ptot，且[Psum-Ptot]2不小于设定的阈值，则设置λmax＝λ，然后令λ＝(λmax+λmin)/2，返回步骤(2.2)；
若Psum＞Ptot，则设置λmin＝λ，然后令λ＝(λmax+λmin)/2，返回步骤(2.2)；
(2.5)若
Figure FDA0002768192320000025
则最终获得的最优功率分配pi能满足各个波束最低能量需求；若
Figure FDA0002768192320000026
则从最优功率分配中去掉Cj与Dj，且波束总数N要去掉这些不满足需求的波束，返回步骤(2.1)，直到满足
Figure FDA0002768192320000027
使每个波束均获得最优的功率分配，又同时满足各个波束的最低流量需求；
所述的步骤一中的通信链路为微波前向散射通信、大气波导通信、海上无线通信、海洋卫星通信的混合；
微波前向散射通信和大气波导通信是由目标船只上的球形数字相控阵天线和部署在海岸线上和其附近水域或岛屿上的固定无线基站接入点组成；海上无线通信链路是由目标船只上的球形数字相控阵天线和邻近船只上的球形数字相控阵天线组成；海洋卫星通信链路是由目标船只上的球形数字相控阵天线和低轨移动卫星组成。
2.根据权利要求1所述的基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法，其特征在于，所述的步骤一中的βi在瑞利信道中表征为
Figure FDA0002768192320000028
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多波束卫星通信功率分配算法与仿真分析;贾录良等;《***仿真学报》;20141130;第26卷(第11期);第2688-2689页和图1 *
海洋通信的发展现状与时代挑战;夏明华等;《中国科学》;20170609;第47卷(第6期);第678-691页和图1-10 *

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