關(guān)鍵詞：多波束衛(wèi)星通信；用戶滿意度；頻譜效率；信道緩存；模擬退火帶精英策略的非支配排序遺傳算法

中圖分類號：ＴＮ９１１．７ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ DOI：１０．１２３０５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１-５０６Ｘ．２０２４．１２．３１

０引言

衛(wèi)星通信是通過衛(wèi)星傳遞信號，進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的技術(shù)，能夠解決地面通信無法實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)距離通信、海洋通信等問題［１］。衛(wèi)星通信在軍事通信、航空航天［２］、廣播電視、電話通信、互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋郏常罚蓊I(lǐng)域應(yīng)用廣泛。為了滿足不同場景的通信需求，ＳｐａｃｅＸ［８］、歐洲航天局［９］等衛(wèi)星研究機(jī)構(gòu)的在軌衛(wèi)星部署越來越密集，出現(xiàn)頻段沖突等問題已不可避免［１０］。隨著５Ｇ 通信技術(shù)不斷發(fā)展，衛(wèi)星通信系統(tǒng)也在不斷填充可用頻段，因此如何在有限的頻譜資源上進(jìn)行衛(wèi)星部署以達(dá)到有效傳輸已經(jīng)成為被廣泛關(guān)注的問題［１１］。

傳統(tǒng)意義上的衛(wèi)星資源分配方案直接將總資源平均分配到各個波束內(nèi)［１２］，然而在個別波束用戶數(shù)量較少或者通信不繁忙的情況下，此分配方案雖然能夠滿足通信條件，卻造成了資源的浪費(fèi)；相反，在用戶數(shù)量眾多或通信傳輸擁擠的波束內(nèi)，此分配方案難以滿足通信要求。如何根據(jù)不同需求設(shè)計(jì)靈活、有效的衛(wèi)星資源動態(tài)分配方案也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)［１３］。

Ｌｕｏ等［１４］指出并證明解決衛(wèi)星通信資源動態(tài)分配等是一個非確定性多項(xiàng)式（ｎｏｎｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｍｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ，ＮＰ）難問題，這表示該問題使用常規(guī)方法無法在有效多項(xiàng)式時間內(nèi)求解。Ｎｉ等［１５］使用拉格朗日乘子法將動態(tài)分配問題分解為兩個子問題并逐個解決，簡化問題復(fù)雜度，易于優(yōu)化。Ｆｕ等［１６］在此基礎(chǔ)上將計(jì)算資源分配問題描述為一個以最小化供需方差為目標(biāo)的約束優(yōu)化問題并采用增廣拉格朗日乘子法求解，驗(yàn)證了所提方案的有效性和收斂性。劉文文等［１７］在元啟發(fā)算法的基礎(chǔ)上提出一種基于非支配波束編碼方法的帶寬約束處理方法，能有效實(shí)現(xiàn)帶寬的靈活性。

此外，對于通信運(yùn)營服務(wù)商而言，其需要實(shí)時關(guān)注用戶對于服務(wù)的需求和滿意度，前人的許多研究致力于提高通信速率［１８］。Ｌｉｎ等［１９］研究具有速率分裂多址的衛(wèi)星和無人機(jī)綜合網(wǎng)絡(luò)的多播通信，提出一種基于迭代懲罰函數(shù)的求解算法，該方法能夠有效抑制相互干擾，提高系統(tǒng)傳輸速率。Ｙｉｎ等［２０］建立一個通用的發(fā)射功率約束優(yōu)化問題來實(shí)現(xiàn)最大、最小公平性的速率性能，通過在地面和多波束衛(wèi)星系統(tǒng)中的仿真，證明基于速率分裂的多組波束形成相對于傳統(tǒng)線性預(yù)編碼的優(yōu)越性。魯偉鑫等［２１］針對衛(wèi)星地面無線通信網(wǎng)絡(luò)中的安全速率最大化問題，利用基于變量替換和泰勒估計(jì)的迭代算法將原問題轉(zhuǎn)化為滿足凸形式的優(yōu)化問題，并證實(shí)算法的有效性及可行性。

非理想傳輸情況下的衛(wèi)星通信面對的另一個問題是上行用戶與下行用戶之間的資源緩存問題。上、下行用戶之間往往存在傳輸速率不對等的情況，若上行用戶傳輸速率大于下行用戶傳輸速率，則產(chǎn)生的緩存數(shù)據(jù)不能第一時間得到交換，從而影響通信系統(tǒng)效率。為了盡可能提升用戶滿意度，需要最小化上、下行用戶之間的緩存，或者將用戶對之間的總緩存控制在一個可接受的門限范圍之內(nèi)。Ｌｉ等［２２］通過計(jì)算傳播時延并對其進(jìn)行加權(quán)來緩解由路徑變化導(dǎo)致的擁塞窗口突然增長。陳夢婷［２３］將深度學(xué)習(xí)與強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)引入星地網(wǎng)絡(luò)中，提出一種基于分層強(qiáng)化學(xué)習(xí)的卸載算法，并對算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明其提高了計(jì)算卸載算法整體的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性及實(shí)現(xiàn)速度。Ｚｈａｎｇ等［２４］使用傳統(tǒng)模擬退火帶精英策略的非支配排序遺傳算法Ⅱ（ｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｎｅａｌｉｎｇ-ｅｌｉｔｉｓｔｎｏｎ-ｄｏｍｉｎａｔｅｄｓｏｒ-ｔｉｎｇｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ⅱ，ＳＡ-ＮＳＧＡⅡ）解決在緩存限制下提高用戶滿意度和優(yōu)化頻譜效率的問題，但該算法存在以下問題：

（１）在緩存限制的情況下，未考慮使用模擬退火（ｓｉｍｕ-ｌａｔｅｄａｎｎｅａｌｉｎｇ，ＳＡ）算法對用戶滿意度進(jìn)行優(yōu)化時，由波束分配矩陣迭代未落入可行域內(nèi)造成的優(yōu)化信息丟失問題；

（２）未考慮參數(shù)的變化對用戶滿意度的影響，如不同波束個數(shù)取值或退火降溫系數(shù)對最終迭代結(jié)果的影響。

針對問題（１），本文對ＳＡ 算法進(jìn)行改進(jìn)，采用投影法將可行域外的迭代點(diǎn)投影到可行邊界，保留歷史優(yōu)化信息。

針對問題（２），在解決問題（１）的基礎(chǔ)上，設(shè)定不同波束個數(shù)場景和更改退火降溫系數(shù)條件進(jìn)行對比消融實(shí)驗(yàn)，選擇較佳參數(shù)，之后利用非支配排序遺傳算法Ⅱ（ｎｏｎ-ｄｏｍｉｎａｔｅｄｓｏｒ-ｔｉｎｇｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ⅱ，ＮＳＧＡ Ⅱ）［２５］繼續(xù)優(yōu)化，以達(dá)到在保證多用戶上、下行通信產(chǎn)生緩存不超過門限的前提下同時兼顧用戶滿意度和頻譜效率。

１系統(tǒng)模型的建立

１．１多波束衛(wèi)星通信模型

本文考慮單顆地球靜止軌道衛(wèi)星的情況，場景如圖１所示，其中衛(wèi)星包含有多個波束［２６］，且波束之間存在同頻串?dāng)_［２７］，地面通信網(wǎng)絡(luò)中的用戶移動終端覆蓋在波束內(nèi)，在同一波束內(nèi)的用戶終端通信互不干擾。上行通道和下行通道均建模為高斯白噪聲信道。

作者簡介

饒悅（２００１—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信。

楊健（１９８２—），男，研究員，博士，主要研究方向?yàn)槿后w電磁博弈。

孫國敏（１９８９—），女，助理研究員，博士，主要研究方向?yàn)檩椛湓粗悄茏R別、衛(wèi)星通信。

張偉（１９８５—），男，高級工程師，博士，主要研究方向?yàn)榉呛献餍盘柵c信息處理、電子對抗。

邵懷宗（１９６７—），男，教授，博士，主要研究方向?yàn)闊o線通信、電子對抗。

林靜然（１９７８—），男，教授，博士，主要研究方向?yàn)闊o線通信信號處理與優(yōu)化。