北斗卫星导航系统星间链路功率与带宽联合分配方法研究

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根据北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)建设发展的“三步走”战略,2020年底将完成30颗卫星发射组网,全面建成北斗三号系统(BDS-3)。与北斗二号系统(BDS-2)相比,BDS-3的显著标志之一是通过星间链路(Inter-satellite Links,ISLs)技术实现了卫星间的互通互联。众所周知,导航卫星的功率和带宽资源受限,如何将卫星的有限资源在一定数量的星间链路中进行有效分配是一个值得研究的现实问题。对于各星间链路来说,所分得的功率和带宽资源决定了该条链路的信道容量,对功率和带宽资源进行联合分配不仅可以提高星间链路的信道容量,而且可以提高星上资源的利用效率。在导航系统中通常存在两种典型需求:一是需求骤增,应尽可能最大化系统信道容量来满足业务需求;二是需求平稳,应在短时间给出功率、带宽分配方案,从而在满足业务需求的同时降低功耗,并最大化系统能量效率。论文针对上述两种典型需求,基于BDS-3系统的星间链路模型开展功率与带宽联合分配方法的研究,完成的主要内容如下:第一,研究BDS-3星间链路模型。BDS-3星座中的卫星分布于三种不同的轨道,即地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(Inclined Geosynchronous Orbit,IGSO)以及中地球轨道(Medium Earth Orbit,MEO),根据分配资源的卫星所在的三种轨道,分为MEO/GEO/IGSO三种场景。这一部分的工作包括北斗系统的系统构型研究、星间链路的约束条件及动态特性研究、星间传输损耗研究、采用STK工具箱对北斗系统建模等。通过上述工作,可以实时获取任一时间节点下各卫星链路建立情况、链路信道条件等信息,为后续算法研究提供了必要基础。第二,针对遗传算法在处理资源分配问题中易早熟、种群多样性差、优化性能不稳定的问题,提出一种基于改进遗传算法的功率带宽联合分配方法。该算法以最大化系统信道容量为目标进行优化。在保证遗传算法全局搜索能力的前提下,提出了一种改进的种群初始化生成策略,并对轮盘赌算子进行了优化。最终所提算法对功率带宽资源进行了合理分配,相比于经典的次梯度法实现了系统总信道容量的显著提升。第三,针对业务需求平稳时需要提升算法收敛速度的需求,提出一种基于改进免疫遗传算法的功率带宽联合分配方法。该算法以最大化能量效率,降低系统总功耗为优化目标。提出了一种改进的疫苗记忆库结构来加快算法的收敛速度。在保留了改进遗传算法的全局搜索能力前提下,采用改进的疫苗记忆库结构来控制种群进化的方向,从而在保证系统能量效率提升的同时降低收敛迭代次数。仿真结果表明,本文所提算法在提升了能量效率的同时降低了算法的收敛代数,提升了运算效率。
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