面向能效的低轨卫星联合跳波束调度和功率分配算法_梁承超.pdf

面向能效的低轨卫星联合跳波束调度和功率分配算法梁承超段瑞吉麻世庆唐伦陈前斌*(重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065)摘要：该文针对低轨(LEO)卫星载荷容量受限且功率资源稀缺的问题，面向搭载跳波束(BH)天线的低轨卫星通信系统，提出一种联合跳波束调度和功率分配机制，在满足用户服务质量需求的前提下降低卫星通信载荷功耗，提高卫星通信系统能效。首先建立时延受限下联合考虑波束调度和功率分配的卫星功耗最小化模型。针对网络拓扑的时变特性，基于李雅普诺夫优化方法，将原多时隙优化问题转化为单时隙优化问题，然后采用交替优化的方法获得单时隙问题的次优解。其中，证明波束调度子问题是凸问题，同时通过逐次凸近似和对数变换将功率分配子问题转为凸问题，并提出相应算法获得子问题最优解。仿真结果表明，提出的策略在保证用户平均时延要求的同时，降低了低轨卫星系统平均功耗，并且可通过调整控制参数实现时延和功耗的动态平衡。关键词：低轨卫星；能效；跳波束；功率分配；李雅普诺夫优化方法中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1009-5896(2023)02-0436-10DOI:10.11999/JEIT220392Joint Beam Hopping Scheduling and Power Allocation ofLEO Satellites Oriented Energy EfficiencyLIANGChengchaoDUANRuijiMAShiqingTANGLunCHENQianbin(School of Communication and Information Engineering,Chongqing University of Posts andTelecommunications,Chongqing 400065,China)Abstract:InLowEarthOrbit(LEO)satellitenetworks,thecapacityofsatellitepayloadislimitedstrictly,andonboardpowerresourceisextremelyscarce.Thus,ajointBeamHopping(BH)schedulingandpowerallocationschemeisproposedtoreduceonboardpowerresourcesconsumptionfortheLEOsystemwithBHantennas,whilemeetingqualityofservicerequirementsofusers,sothattheenergyefficiencyofthesatellitecommunicationsystemcanbeimproved.Firstly,thejointbeamschedulingandpowerallocationproblemwithdelayconstraintsisformulatedtominimizethepowerconsumptionofthesatellitesystem.Consideringthetime-varyingtopologicalcharacteristicsofthesystem,theoriginalmulti-slotoptimizationproblemistransformedintoasingle-slotoptimizationproblembasedontheLyapunovoptimizationmethod,andthenthealternateoptimizationmethodisemployedtoobtainthesub-optimalsolutionofthesingle-slotproblem.Specifically,thebeamschedulingsubproblemisprovedtobeconvex,thepowerdistributionsubproblemistransformedintoconvexbysuccessiveconvexapproximationandlogarithmictransformation,andthecorrespondingalgorithmisproposedtoobtaintheoptimalsolutionofthesubproblems.Simulationresultsshowthattheproposedschemecanreducetheonboardpowerconsumptionofthesatellitewhileensuringtheaveragetimedelayrequirementoftheusers,andthedynamicbalanceofthedelayandthepowerconsumptioncanbeachievedbyadjustingthecontrolparameter.Key words:LEOsatellites;Energyefficiency;Beamhopping;Powerallocation;Lyapunovoptimizationmethod收稿日期：2022-04-02；改回日期：2022-11-14；网络出版：2022-11-15*通信作者：陈前斌基金项目：“十三五”民用航天技术预先研究(D030301)，国家自然科学基金(62001076,62071078)FoundationItems:135CivilAerospaceTechnologyAdvanceResearchProject(D030301),TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(62001076,62071078)第45卷第2期电子与信息学报Vol.45No.22023年2月JournalofElectronics&InformationTechnologyFeb.20231 引言随着移动通信技术的发展，用户的通信速率、时延性能、可靠性得到显著提高。然而，在一些偏远地区，地面蜂窝基站部署困难，造成地球上仍有大部分地区无蜂窝信号覆盖1。作为6G网络的重要组成部分，空天地一体化信息网络通过将空基、天基以及地面网络进行融合，从而实现全球无缝覆盖。在各类天基网络中，多波束低轨道(LowEarthOrbit,LEO)卫星通信系统由于其覆盖能力强、时延短、传输容量高，近年来备受关注2。然而，为了降低卫星制造、发射和维护的成本，大规模低轨星座多采用小型卫星，这使得卫星的载荷质量和功率受到更严格的限制3。这意味着，卫星通信系统的功率资源相比于地面网络而言更为稀缺。因此，LEO卫星通信系统的能效优化问题具有重要研究意义。另外，LEO卫星网络服务区域较大，用户和流量需求分布通常呈现空间不均匀性，传统的资源分配方式可能会造成资源的浪费。跳波束(BeamHopping,BH)技术以时间切片技术为基础，通过较少的波束实现传统的多波束覆盖，从而减少了卫星所需天线数，有利于卫星小型化4。并且，相比于传统的资源分配方式，具有BH天线载荷的LEO卫星可以从空间、时间、带宽以及功率等4个维度上灵活地分配资源，从而能够更好地适应非均匀的流量需求分布以及拓扑的高动态性，进而提高资源的利用率和能量效率5。文献6表明，相比于无BH天线载荷的卫星通信系统，BH架构的应用可以显著地降低能耗并提高系统容量。目前，已有许多工作深入地研究了BH技术在卫星通信系统中的应用，并设计了相应的资源分配策略。文献4基于聚类算法研究了BH卫星通信系统容量最大化问题。文献7研究了BH传输策略下的卫星网络资源供求匹配问题，并设计了基于遗传算法的资源分配方案。文献8将非正交多址接入(NonOrthogonalMultipleAccess,NOMA)技术引入到BH系统中，通过设计联合的波束调度和功率分配策略，最小化流量需求与系统容量的差异，提高了星载资源的利用率。此外，由于BH技术的引入增加了数据包的排队时延，文献5基于最大队列准则(LargestQueuesPolicy,LQP)，通过减少波位(BeamPosition,BP)数降低了数据包的排队时延。文献9考虑了时延和吞吐量的双目标优化问题，并使用高效的遗传算法搜索全局最优解。进一步地，文献10在文献9的基础上额外引入了公平性的优化目标，并且引入深度强化学习的方法进行实时波束调度，从而适应网络拓扑和流量需求的时变性。然而，尽管BH架构下的资源分配研究已取得较好成果，但这些研究都主要围绕于系统容量、传输时延以及公平性等指标展开，而有关跳波束架构下卫星通信系统的能效优化的研究仍然相对较少。另外，文献11虽然研究多输入多输出(Mul-tipleInputMultipleOutput,MIMO)卫星通信系统的能效最大化问题，并提出了联合的用户关联和功率分配策略，但却未将波束调度引入到资源分配方案中。因此，本文首次面向搭载跳波束天线载荷的LEO卫星通信系统，提出了联合考虑跳波束调度和功率分配的卫星能效优化策略，旨在LEO卫星天线阵规模受限并保证用户服务质量(QualityofService,QoS)需求的前提下降低通信系统功耗需求。具体而言，本文的贡献如下：(1)首次提出用户平均时延受限下LEO卫星联合跳波束调度和功率分配的时间平均功耗优化模型；(2)针对LEO卫星网络拓扑的高速时变特性，选用了李雅普诺夫随机优化理论将LEO卫星的时间平均优化问题转化为单时隙优化问题；(3)由于原问题非凸，本文利用交替优化方法将问题分解为波束调度子问题和功率分配子问题，进而通过子问题间迭代获得原问题局部最优解；(4)波束调度子问题被证明为凸问题，并利用逐次凸近似(SuccessiveConvexApproximation,SCA)和对数代换将功率分配子问题转为凸问题，进而通过内点算法求解；(5)仿真结果表明，提出的联合波束调度及功率分配方案在保证用户时延需求的前提下，显著降低了卫星的时间平均功耗。2 系统模型本文以一颗采用凝视波束成形的多波束LEO卫星为研究对象，系统模型如图1所示。LEO卫星具有1个星上调度器以及B个物理天线阵列，每个天线阵列形成1个窄波束为用户提供业务服务。由于卫星载荷的限制，能够部署在卫星上的物理天线阵列数B小于其需要服务的BP数N。另外，假设卫星上还存在一个额外的天线阵列，该阵列形成一个宽波束来对N个BP进行全覆盖，同时为用户提供控制信道。本文考虑LEO卫星通信系统的下行数据传输过程。卫星服务区域内的所有用户在每个调度时隙经过控制波束上报其测量得到信道状态信息(ChannelStateInformation,CSI)。星上调度器根据用户提供的CSI和储存在本地的下行队列状态信息(QueueStateInformation,QSI)，在保证每个用户时间平均时延的前提下，以最小化系统时间平均功耗为目的，对波束指向和功率资源进行实时调度以适应动态变化的网络拓扑和业务需求。第2期梁承超等：面向能效的低轨卫星联合跳波束调度和功率分配算法4372.1 网络模型fN=n|n=1,2,.,NB=b|b=1,2,.,BU=u|u=1,2,.,U为了充分地利用频谱资源，假设波束间使用全频率复用，整个系统带宽分为W个子信道，每个子信道带宽为。每个波束内的用户使用正交多址接入(OrthogonalMultipleAccess,OMA)，这意味着波束内的用户使用不同的子信道，用户间没有干扰。将上述LEO卫星的覆盖区域均分为N个波位，并用表示。上述区域被B个波束覆盖，表示为。另外，用户集合被定义为。假设每个用户拥有无限长的缓冲区，数据不会因为缓冲区溢出而丢失。2.2 物理层模型在无线通信场景中，信号传输不仅受到自由空间损耗和噪声的影响，同时也会经历各种随机变化的衰落。为简化研究，本文假设卫星-用户之间的信号经历块衰落，即认为在一个调度时隙中信道状态不变。因此，在第t个调度时隙内，用户u在波位n