【摘要】：衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為空間信息網(wǎng)絡(luò)的重大基礎(chǔ)設(shè)施,以其覆蓋范圍廣、通信質(zhì)量好、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)在保障國(guó)計(jì)民生等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。隨著人們對(duì)由衛(wèi)星通信系統(tǒng)所提供業(yè)務(wù)的多樣性、高質(zhì)量的需求愈加迫切,衛(wèi)星通信系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等方面不斷演進(jìn),以滿足不斷增長(zhǎng)的用戶需求。而作為一種典型的資源受限系統(tǒng),衛(wèi)星通信系統(tǒng)可用的頻譜、功率、存儲(chǔ)等資源都極為稀缺與珍貴,動(dòng)態(tài)資源管理技術(shù)旨在通過(guò)動(dòng)態(tài)靈活高效地資源管理方法以提升系統(tǒng)資源利用率,對(duì)提升衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能具有重要意義。本文針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)資源管理技術(shù)進(jìn)行了研究,主要?jiǎng)?chuàng)新性工作如下:首先,針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中現(xiàn)有波束間信道分配算法未考慮時(shí)域關(guān)聯(lián)性而導(dǎo)致系統(tǒng)阻塞率較高的問(wèn)題,提出了一種基于人工智能領(lǐng)域深度增強(qiáng)學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)信道分配(Deep Reinforcement Learning based Dynamic Channel Allocation,DRL-DCA)算法。該算法將衛(wèi)星通信系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)信道分配問(wèn)題建模為馬爾科夫決策過(guò)程(Markov Decision Process,MDP),并利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以提取多波束間業(yè)務(wù)的空間相關(guān)特征。仿真結(jié)果表明,所提算法可有效降低系統(tǒng)阻塞率,提升衛(wèi)星通信系統(tǒng)中頻譜資源利用率。其次,針對(duì)現(xiàn)有星地頻譜共享算法并未考慮衛(wèi)星終端移動(dòng)性而導(dǎo)致終端受到干擾過(guò)大的問(wèn)題,提出了基于自適應(yīng)干擾抑制的頻譜共享(Adaptive Interference Mitigation based Spectrum Sharing,AIM-SS)算法。該算法通過(guò)對(duì)基于預(yù)編碼干擾零陷的天線輻射模式及衛(wèi)星終端移動(dòng)性的建模與分析,得出了不同運(yùn)動(dòng)速度衛(wèi)星終端在保證同頻干擾不超過(guò)一定閾值下,系統(tǒng)干擾抑制所需的預(yù)編碼更新周期。結(jié)果表明,所提算法解決了終端受到同頻干擾過(guò)大的問(wèn)題,有效降低了星地組件間所需的隔離距離,提升了系統(tǒng)頻譜資源利用率。再次,針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)由頻譜等資源受限難以滿足海量低時(shí)延多媒體業(yè)務(wù)需求的問(wèn)題,基于以存儲(chǔ)換取頻譜的研究思路,提出了基于交換穩(wěn)定匹配(Exchange Stable Matching,ESM)的動(dòng)態(tài)緩存分配算法。該算法將衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)與緩存內(nèi)容的分配問(wèn)題建模為一個(gè)多對(duì)多匹配模型,并基于衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間緩存內(nèi)容相互影響以合理設(shè)計(jì)了雙向偏好度,最終通過(guò)多次迭代過(guò)程得到了交換穩(wěn)定匹配解。結(jié)果表明,所提算法降低了終端的內(nèi)容獲取時(shí)延,同時(shí)也有效降低了衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)所需的星上存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)。最后,針對(duì)現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)仿真平臺(tái)缺乏對(duì)多場(chǎng)景多資源類型資源管理算法性能評(píng)估的問(wèn)題,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套適用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)資源管理性能評(píng)估平臺(tái)(DynamicResourceManagementPlatform,DRMP)。該平臺(tái)中通過(guò)對(duì)多種物理量單位規(guī)范,多種空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換及各功能模塊間靈活調(diào)用,可支持對(duì)單顆GEO衛(wèi)星、多顆LEO衛(wèi)星組成的Walker星座等場(chǎng)景下的信道、功率、緩存等資源的動(dòng)態(tài)分配,并評(píng)估動(dòng)態(tài)資源管理算法在系統(tǒng)阻塞率及內(nèi)容獲取時(shí)延等方面的性能。結(jié)果表明,該平臺(tái)在場(chǎng)景及業(yè)務(wù)建模、性能評(píng)估等方面具有較高可靠性,為動(dòng)態(tài)信道分配、動(dòng)態(tài)緩存分配等動(dòng)態(tài)資源管理算法提供了可靠的驗(yàn)證平臺(tái)。
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN927.2
【圖文】：

衛(wèi)星通信系統(tǒng)指通過(guò)在軌人造衛(wèi)星作為中繼站對(duì)無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)地面及逡逑空間等用戶之間信息傳輸?shù)南到y(tǒng)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成包括空間段及地面段，系統(tǒng)組成如逡逑圖２－１所示。其中空間段主要指在軌衛(wèi)星、對(duì)在軌衛(wèi)星進(jìn)行操控的地面站，這些地面站逡逑主要實(shí)現(xiàn)跟蹤、遙測(cè)、遙控等功能，提供必要的衛(wèi)星管理及控制以保證衛(wèi)星正常在軌運(yùn)逡逑行。地面段主要指通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行通信的用戶終端，包括固定終端、機(jī)動(dòng)終端和移動(dòng)終端。逡逑其中，固定終端包括私營(yíng)網(wǎng)絡(luò)中使用的甚小口徑終端（Ｖｅｒｙ邋Ｓｍａｌｌ邋Ａｐｅｒａｔｕｒｅ邋Ｔｅｒｍｉｎａｌ，逡逑ＶＳＡＴ）、安裝于屋頂用于接收衛(wèi)星廣播信號(hào)的終端等；機(jī)動(dòng)終端相較于固定終端具備了逡逑—定的靈活性，如新聞采集車(chē)、動(dòng)中通等；移動(dòng)終端通常指手持終端，如衛(wèi)星電話〖１］。逡逑如圖２－１中所示，通信衛(wèi)星與用戶終端間的通信鏈路稱為用戶鏈路（Ｕｓｅｒ邋Ｌｉｎｋ，ＵＬ），逡逑進(jìn)一步可將用戶發(fā)送至衛(wèi)星及衛(wèi)星發(fā)送至用戶的鏈路，分別稱之為用戶上行鏈路和用戶逡逑下行鏈路。衛(wèi)星與信關(guān)站間的通信鏈路為饋電鏈路（ＦｅｅｄｅｒＬｉｎｋ，ＦＬ），星間通信的鏈路逡逑稱之為星間鏈路（Ｉｎｔｅｒ－Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ邋Ｌｉｎｋｓ

圖２－３智能體與環(huán)境交互過(guò)程示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋２－３邋Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ａｇｅｎｔ邋ｗｉｔｈ邋ＲＬ邋ａｎｄ邋ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ逡逑圖２－３表示了智能體與環(huán)境交互的過(guò)程，智能體通過(guò)對(duì)環(huán)境的觀測(cè)以獲得對(duì)環(huán)境逡逑的抽象表達(dá)即狀態(tài)進(jìn)而智能體基于決策網(wǎng)絡(luò)（Ｑ網(wǎng)絡(luò)）根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)＇選擇動(dòng)作ａ，逡逑并執(zhí)行。此時(shí)，智能體所處的環(huán)境隨之發(fā)生變化，智能體感知到下一時(shí)刻狀態(tài)＼＋｜，并逡逑從環(huán)境中獲得立即收益ｒ；＋１。為更方便的表征上述過(guò)程，通常會(huì)將增強(qiáng)學(xué)習(xí)問(wèn)題建模為逡逑一組馬爾可夫決策過(guò)程（Ｍａｒｋｏｖ邋Ｄｅｃｉｓｉｏｎ邋Ｐｒｏｃｅｓｓ，邋ＭＤＰ），一組ＭＤＰ包括了狀態(tài)、動(dòng)逡逑作、收益及狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。具體而言，智能體在時(shí)刻／觀測(cè)到狀態(tài)然后執(zhí)行動(dòng)作逡逑ａ，邐進(jìn)而環(huán)境發(fā)生變化時(shí)以概率進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)心＇＞Ｓ，同時(shí)獲得逡逑立即收益ｒ

束間動(dòng)態(tài)信道分配問(wèn)題進(jìn)行建模。本節(jié)考慮衛(wèi)星通信系統(tǒng)通過(guò)星載多波束發(fā)射機(jī)在地面逡逑上形成Ｗ個(gè)波束，為地面用戶終端（ＵｓｅｒＴｅｒｍｉｎａｌ，邋ＵＴ）提供服務(wù)。衛(wèi)星在地面上的多逡逑波束表示為石＝｜？｜？邋＝邋１，２，．．．，；＼＾，圖３－２為７＾邋＝邋３７波束的通信場(chǎng)景示意圖。其中，虛線逡逑圓表示了各波束的－３ｄＢ功率衰減邊界，而標(biāo)記“ｘ”表示在地面上分布的用戶終端。逡逑ｉ－１逡逑－３－２－１０邐１邐２邐３逡逑與衛(wèi)星中心波束的相對(duì)位置（／波寬）逡逑圖３－２邐３７波gq衛(wèi)星場(chǎng)景示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋３－２邋Ｍｕｌｔｉｂｅａｍ邋ｓａｔｅｌｌｉｔｅ邋ｓｃｅｎａｒｉｏ邋ｗｉｔｈ邋３７邋ｂｅａｍｓ逡逑系統(tǒng)可用帶寬５，。，被分成Ｍ個(gè)信道，每個(gè)信道占用帶寬記為盡系統(tǒng)可逡逑用信道集合記為Ｃ邋＝丨ｍ邋｜邋ｍ邋＝邋１，２，。記系統(tǒng)服務(wù)的用戶終端為尺個(gè)，ＵＴ集合表示為逡逑Ｕ＝｛ｋ＼ｋ邋＝邋ｌ２，．．．．。衛(wèi)星通信系統(tǒng)為每個(gè)終端Ａ分配的無(wú)線鏈路資源用一個(gè)信道分配逡逑矢量表征，記為％邐ｖｔ＾］７，其中＞＾表不了系統(tǒng)為用戶Ａ在所分配的信逡逑道／Ｗ上的發(fā)射信號(hào)增益。系統(tǒng)服務(wù)用戶集合中每個(gè)用戶的信道分配矢量形成／衛(wèi)星系統(tǒng)逡逑３１逡逑

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本文編號(hào)：2796233