Ka波段多波束卫星功率分配算法研究

摘要

在多波束卫星通信系统中，存在星上资源（如:功率、带宽、计算量和存储区域等）资源受限的弊端，因此，如何针对星上资源进行合理的分配及管理，从而进一步提高星上资源的利用率，具有非常重要的研究意义。针对以上问题，论文深入开展了如下工作: 首先，主要介绍了Ka波段多波束卫星系统的信道特性，定性分析了天线仰角和电波工作频率对自由空间损耗、大气吸收损耗、大气层闪烁损耗、云雾损耗四种衰减的影响。研究了Ka波段多波束卫星通信系统下的降雨衰减特性，利用ITU-R雨衰模型分析了降雨率、天线仰角以及电波工作频率对雨衰值的影响，并计算了我国65个主要地面站点Ka波段降雨衰减值，为后续算法的研究提供数据支撑。 其次，针对实际情况中多波束卫星系统对于时延有所限制这一问题，通过引入时延限制的约束条件，对一种多波束卫星联合优化功率分配算法进行优化，构建了一种考虑时延限制的联合优化功率分配算法。对该算法在Matlab平台上进行仿真验证，仿真结果表明:优化后的算法能使每个波束获得的实际信道容量均不小于满足时延限制的最小业务请求量，达到系统对于时延的限制要求。 再次，研究了一种考虑波束间干扰的多波束卫星带宽功率联合分配算法。对该算法在Matlab平台上进行仿真验证，仿真结果表明:该算法与单独优化功率和单独优化带宽的分配算法相比，能够更加灵活和公平地分配带宽和功率资源，带宽和功率资源利用率更高。 最后，对考虑波束间干扰的带宽功率联合分配算法进行了优化，通过引入波束选择因子，在分配带宽和功率之前对有效波束进行选择，构建了一种具有波束选择的波束间带宽功率联合分配算法。对该算法在Matlab平台上进行了仿真验证，仿真结果表明:优化后的算法降低了计算量，提高了系统总容量，带宽和功率资源利用率更高。另外，优化后的算法相比单独优化带宽资源和单独优化功率资源的算法来说，资源分配更具公平性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1多波束卫星通信系统功率分配策略

1．2．2多波束卫星功率分配算法现状分析

1．3论文主要内容与章节安排

第2章Ka波段多波束卫星系统信道特性研究

2．1多波束卫星系统信道主要衰减

2．1．1自由空间中的传播损耗

2．1．2大气吸收中的损耗

2．1．3大气层中的闪烁损耗

2．1．4云雾中的损耗

2．2降雨对Ka波段信号衰减的特性分析

2．2．1 ITU-R模型理论

2．2．2 ITU-R模型预测雨衰的步骤

2．2．3雨衰特性分析

2．3我国主要城市Ka波段降雨衰减计算

2．4本章小结

第3章考虑时延限制下联合优化功率分配算法的优化

3．1凸函数优化问题理论

3．1．1凸函数概念及判别

3．1．2梯度下降法

3．1．3次梯度下降法

3．1．4拉格朗日对偶问题

3．1．5凸函数优化问题的KKT条件

3．2多波束卫星联合优化功率分配算法

3．2．1系统模型

3．2．2算法描述

3．3多波束卫星联合优化功率分配算法的优化

3．3．1优化原理

3．3．2问题建模与求解

3．4算法仿真及性能分析

3．4．1性能评估指标

3．4．2仿真结果分析

3．5本章小结

第4章干扰条件下有波束选择的带宽功率分配算法研究

4．1经典多波束卫星带宽功率联合分配算法

4．1．1系统模型

4．1．2算法描述

4．2考虑波束间干扰的多波束卫星带宽功率联合分配算法

4．2．1资源分配模型

4．2．2问题建模与求解

4．2．3仿真结果分析

4．3考虑波束间干扰的多波束卫星带宽功率联合分配算法优化

4．3．1优化原理及推导

4．3．2带宽功率值求解

4．3．3算法仿真及性能分析

4．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢