【摘要】：衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為空間信息網(wǎng)絡的重大基礎設施,以其覆蓋范圍廣、通信質(zhì)量好、運行維護費用低等特點在保障國計民生等領域發(fā)揮著不可替代的作用。隨著人們對由衛(wèi)星通信系統(tǒng)所提供業(yè)務的多樣性、高質(zhì)量的需求愈加迫切,衛(wèi)星通信系統(tǒng)在網(wǎng)絡架構、關鍵技術等方面不斷演進,以滿足不斷增長的用戶需求。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、存儲等資源都極為稀缺與珍貴,動態(tài)資源管理技術旨在通過動態(tài)靈活高效地資源管理方法以提升系統(tǒng)資源利用率,對提升衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能具有重要意義。本文針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的動態(tài)資源管理技術進行了研究,主要創(chuàng)新性工作如下:首先,針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)中現(xiàn)有波束間信道分配算法未考慮時域關聯(lián)性而導致系統(tǒng)阻塞率較高的問題,提出了一種基于人工智能領域深度增強學習的動態(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)中動態(tài)信道分配問題建模為馬爾科夫決策過程(Markov Decision Process,MDP),并利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡以提取多波束間業(yè)務的空間相關特征。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,針對現(xiàn)有星地頻譜共享算法并未考慮衛(wèi)星終端移動性而導致終端受到干擾過大的問題,提出了基于自適應干擾抑制的頻譜共享(Adaptive Interference Mitigation based Spectrum Sharing,AIM-SS)算法。該算法通過對基于預編碼干擾零陷的天線輻射模式及衛(wèi)星終端移動性的建模與分析,得出了不同運動速度衛(wèi)星終端在保證同頻干擾不超過一定閾值下,系統(tǒng)干擾抑制所需的預編碼更新周期。結(jié)果表明,所提算法解決了終端受到同頻干擾過大的問題,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,針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)由頻譜等資源受限難以滿足海量低時延多媒體業(yè)務需求的問題,基于以存儲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)的動態(tài)緩存分配算法。該算法將衛(wèi)星節(jié)點與緩存內(nèi)容的分配問題建模為一個多對多匹配模型,并基于衛(wèi)星節(jié)點間緩存內(nèi)容相互影響以合理設計了雙向偏好度,最終通過多次迭代過程得到了交換穩(wěn)定匹配解。結(jié)果表明,所提算法降低了終端的內(nèi)容獲取時延,同時也有效降低了衛(wèi)星節(jié)點所需的星上存儲開銷。最后,針對現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)仿真平臺缺乏對多場景多資源類型資源管理算法性能評估的問題,設計并實現(xiàn)了一套適用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中動態(tài)資源管理性能評估平臺(DynamicResourceManagementPlatform,DRMP)。該平臺中通過對多種物理量單位規(guī)范,多種空間坐標系轉(zhuǎn)換及各功能模塊間靈活調(diào)用,可支持對單顆GEO衛(wèi)星、多顆LEO衛(wèi)星組成的Walker星座等場景下的信道、功率、緩存等資源的動態(tài)分配,并評估動態(tài)資源管理算法在系統(tǒng)阻塞率及內(nèi)容獲取時延等方面的性能。結(jié)果表明,該平臺在場景及業(yè)務建模、性能評估等方面具有較高可靠性,為動態(tài)信道分配、動態(tài)緩存分配等動態(tài)資源管理算法提供了可靠的驗證平臺。
【學位授予單位】：北京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN927.2
【圖文】：

衛(wèi)星通信系統(tǒng)指通過在軌人造衛(wèi)星作為中繼站對無線電信號進行轉(zhuǎn)發(fā)，實現(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、對在軌衛(wèi)星進行操控的地面站，這些地面站逡逑主要實現(xiàn)跟蹤、遙測、遙控等功能，提供必要的衛(wèi)星管理及控制以保證衛(wèi)星正常在軌運逡逑行。地面段主要指通過衛(wèi)星進行通信的用戶終端，包括固定終端、機動終端和移動終端。逡逑其中，固定終端包括私營網(wǎng)絡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)星廣播信號的終端等；機動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、動中通等；移動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)境交互的過程，智能體通過對環(huán)境的觀測以獲得對環(huán)境逡逑的抽象表達即狀態(tài)進而智能體基于決策網(wǎng)絡（Ｑ網(wǎng)絡）根據(jù)當前狀態(tài)＇選擇動作ａ，逡逑并執(zhí)行。此時，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程，通常會將增強學習問題建模為逡逑一組馬爾可夫決策過程（Ｍａｒｋｏｖ邋Ｄｅｃｉｓｉｏｎ邋Ｐｒｏｃｅｓｓ，邋ＭＤＰ），一組ＭＤＰ包括了狀態(tài)、動逡逑作、收益及狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。具體而言，智能體在時刻／觀測到狀態(tài)然后執(zhí)行動作逡逑ａ，邐進而環(huán)境發(fā)生變化時以概率進入下一個狀態(tài)心＇＞Ｓ，同時獲得逡逑立即收益ｒ

束間動態(tài)信道分配問題進行建模。本節(jié)考慮衛(wèi)星通信系統(tǒng)通過星載多波束發(fā)射機在地面逡逑上形成Ｗ個波束，為地面用戶終端（ＵｓｅｒＴｅｒｍｉｎａｌ，邋ＵＴ）提供服務。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)星中心波束的相對位置（／波寬）逡逑圖３－２邐３７波gq衛(wèi)星場景示意圖逡逑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個信道，每個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)服務的用戶終端為尺個，ＵＴ集合表示為逡逑Ｕ＝｛ｋ＼ｋ邋＝邋ｌ２，．．．．。衛(wèi)星通信系統(tǒng)為每個終端Ａ分配的無線鏈路資源用一個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)射信號增益。系統(tǒng)服務用戶集合中每個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：2796233