基于强化学习的中低轨卫星网络系统资源调度技术研究

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随着以SpaceX、Starlink、O3b等为代表的新一代中低轨卫星互联网星座的迅速发展,其与传统同步轨道通信卫星(GEO)相比,具备广域覆盖、全时空互联、多星协同等显著优势,在实现快速的为海量通信业务进行资源调度方面受到了世界各国的广泛重视。然而,与传统单颗GEO卫星资源调度方法所处的网络环境不同,中低轨卫星一般以多颗卫星组合为星座协同工作,中低轨卫星星座存在多星协同、联合组网、海量用户等资源调度问题,现有的传统卫星资源调度方法难以满足中低轨卫星星座通信业务资源调度需求。本文针对中低轨卫星网络系统中的通信业务资源调度技术展开了深入研究,具体研究工作如下:首先,对传统卫星网络系统中通信业务的资源调度方法进行了研究,在中低轨卫星网络环境下海量通信业务的资源调度中面临着多星资源联合优化、海量通信业务用户服务定制的个性化需求、通信业务服务质量等难题。为此,本文构建了基于用户满意度的强化学习多星协同智能资源调度模型,提出了一种面向用户偏好的智能化资源调度机制IRSUP(Intelligent Resource Scheduling for User Preference)。针对上述问题,本文设计的IRSUP包含基于强化学习的智能调度模块和用户服务偏好智能优化模块。基于强化学习的智能调度模块,通过利用强化学习方法从历史调度经验中自主学习更新知识,拟合成中低轨卫星网络资源调度问题中最优决策策略,给出合理的全局决策规划;同时,极大程度的减少了对海量业务资源进行分配所需的高复杂计算时间。用户服务偏好智能优化模块可以有效地针对不同用户的需求采用定制化的服务,避免了星上资源浪费和业务堵塞问题,极大地提高了用户业务服务质量和用户满意度。仿真结果表明:与传统资源调度方法相比,IRSUP能有效提高链路资源利用率、资源调度合理性和用户满意度等指标,其中业务容量提升30%~60%,用户满意度提升一倍以上。其次,针对中低轨卫星网络中的资源调度机制在对日常通信业务进行调度的同时,存在无法有效兼顾日常业务与紧急业务联合调度以及无法及时、有效的保障突发性紧急通信业务的调度等问题,提出了一种面向紧急业务的强化学习多星智能资源调度机制IRSE(Intelligent Resource Scheduling for Emergency business)。针对上述问题,本文设计的IRSE包含紧急业务智能化服务模块和优化后的强化学习智能调度模块。紧急业务智能化服务模块可为突发性紧急业务提供紧急化服务,以达到更快速的处理紧急业务的效果,极大地提高了紧急业务服务率。优化后的强化学习智能调度模块可以自主学习以往日常业务与紧急业务的调度经验,智能化的为不同业务选择对应的调度策略,并实时监控中低轨卫星网络系统中的调度情况,以兼顾通信业务全局服务质量最大化。仿真结果表明:IRSE能有效提高紧急业务服务率、业务容量和资源调度合理性等指标,其中紧急业务服务率基本恒定在100%,业务容量提升58%~84%,资源调度合理性提高21%~32%左右。
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