基于事件驱动的卫星通信系统建模与传输功率优化控制

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卫星通信是指在地球上的多个地球站之间利用在空中的人造通信卫星作为中继站而进行的无线电通信.卫星通信系统是由通信卫星和地球站这两部分组成.在社会需求的牵引以及技术发展的推动这双重作用力下,处在二十一世纪的卫星通信正在向着一个新的水平攀升,而随之带来的是许多新技术和新的发展动向正引起人们的关注.另外,在地面站之间利用通信卫星充当中继站来转发高速率通信业务,是现代卫星通信技术与宽带业务的需求相结合的产物,同时,这个结合也是当前卫星通信在未来的主要发展方向之一.而就宽带卫星通信业务来说,保证达到用户所需要的服务质量是该项业务成功的关键.本文讨论通信卫星为用户提供数据传输服务的通信系统的传输功率(Transmission Power Rate,TPR)的优化控制.该通信卫星具有随机的能量源,用户会随机地向通信卫星发出数据传输服务请求,在收到服务请求后,卫星在具有随机衰落信道中进行数据传输服务.本文首先给出服务请求、能量获取随机情形下,通信卫星在衰落信道下的通信系统随机模型,内容包括了通信卫星服务请求过程、通信信道衰落过程以及能量获取过程,而这三个过程构成了本文所讨论的通信卫星系统的背景过程,我们使用离散状态随机过程来描述通信卫星背景过程的演变.同时,我们用具有连续状态的随机流体过程来描述卫星能量缓存器中的剩余能量的演变过程.然后在该背景过程下,给出了基于吞吐量最大的基于事件驱动的TPR控制问题.基于事件驱动的TPR控制机制是系统只有在系统状态发生变化时,才重新调节传输功率以适应当前变化后的系统状态.从而我们得到了基于事件驱动的具有连续时间、混合状态的通信卫星控制系统模型.为了对得到的控制问题进行求解,本文通过嵌入离散决策时刻序列,将上述通信系统控制模型转换为一个无限阶段的具有混合状态且有限动作集合的离散时间马尔可夫决策过程(Markov decision processes,MDP),给出最优平稳传输功率控制策略的存在性的证明.根据上述模型,本文给出算法设计,本文采用的是状态空间离散化方法:首先对状态空间进行划分;然后构造有限离散状态马尔可夫决策过程序列;接着求解这个序列对应的优化控制问题,得到最优报酬函数及平稳最优策略;最后对上面得到的报酬函数和最优策略进行拓展.在给出算法后,本文又给出了事件驱动传输功率数值实例用以说明理论结果,同时分析了初始能量、能量缓存容量以及最大数据传输功率等参数对系统性能的影响特点.本文结论对通信卫星的通信设计与管理、资源配置优化及持续发展具有积极意义.
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