一种卫星通信系统的用户分组方法

1.本发明涉及无线通信技术领域，更具体地涉及一种卫星通信系统的用 户分组方法。


背景技术：

2.相对于地面网络而言，卫星网络具有广域覆盖优势。单颗卫星的覆盖 范围往往可以达到几十万到几百万平方公里，能够为较大规模的用户提供网 络服务。当卫星服务的用户数较多时，传统的基于单个用户的管理机制容易 触发星地链路拥塞等问题。举例来说，在低轨卫星系统的星间切换过程中， 位于卫星覆盖边缘、地理位置接近的多个用户一般会同时触发星间切换，此 时基于单个用户的星间切换过程将导致大量的信令开销，极易导致链路拥塞 和切换失败。此时，将符合预设条件的多个用户合并为一个用户组，并以用 户组的方式触发星间切换，将能够有效缓解上述影响。
3.目前，已经有研究使用k-means和谱聚类等聚类方法对用户进行分组。 这些方法能够保证组内用户的相关性最大、组间的相关性最小，但是这些方 法都需要在用户分组之前预先设置用户组的个数，然后不管待分组用户的属 性和网络状态如何，分组结束后均得到预设个数的用户组。在实际应用时， 提前预设用户组个数不能保证预设值完全符合用户终端的属性和网络状态， 会导致被分到一组的用户实际并不能作为一个整体参与相关调度，或者在参 与调度时损失一部分增益，从而降低分组效果，进而影响系统性能。


技术实现要素：

4.为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种卫星通信系统的用户 分组方法，不需要预先设置用户组的个数，并将用户属性、网络状态等信息 考虑在内，能够避免不当分组，获得更优的系统性能。
5.本发明提供的一种卫星通信系统的用户分组方法，包括：
6.步骤s1，获取待分组用户，并获取每个待分组用户的属性；
7.步骤s2，将每个待分组用户划分为一个独立的用户组，并将所有用户 组存储至用户组集合；
8.步骤s3，根据每个待分组用户的属性，计算所述用户组集合中任意两 个用户组之间的距离；
9.步骤s4，提取出所述用户组集合中当前距离最小的两个用户组；
10.步骤s5，判断所述当前距离最小的两个用户组的距离是否为预设最大 值，若是，则所述用户组集合中的全部用户组为最终的用户分组，结束流程； 若否，则进入步骤s6；
11.步骤s6，判断所述当前距离最小的两个用户组是否满足预设条件，若 是，则保持所述当前距离最小的两个用户组的距离不变，进入步骤s7；若否， 则将所述当前距离最小的两个用户组的距离作为预设最大值，返回步骤s4；
12.步骤s7，计算所述当前距离最小的两个用户组中全部用户所需的总资 源q，将所
需的总资源q与可选目标卫星中可用资源最少的卫星的资源w进行 比较，根据比较结果，得到新的用户组并更新用户组集合，随后或返回步骤 s3或返回步骤s4或结束流程。
13.进一步地，所述步骤s3包括：
14.步骤s31，根据每个待分组用户的属性，获取所述用户组集合中每个用 户组的属性；
15.步骤s32，根据所述用户组集合中每个用户组的属性，计算所述用户组 集合中任意两个用户组之间的距离。
16.进一步地，所述步骤s31中获取所述用户组集合中每个用户组的属性 的方法为：将每个用户组中头用户的属性作为该用户组的属性，或者将每个 用户组中所有用户每一维属性的均值作为该用户组对应维度的属性。
17.进一步地，所述步骤s32中计算两个用户组之间的距离采用基于欧式 距离的计算方法。
18.进一步地，任意两个用户组gi和gj之间的距离按照下式计算：
[0019][0020]
其中，αk(k∈{1,2,
…
,k})是取值在0到1之间的实数，满足 p
i,k
和p
j,k
分别为用户组gi和用户组gj的第k维属性，k表示用户组包含的属性 维度的个数，i,j∈{1,2,
…
,m}，m表示待分组用户的总数。
[0021]
进一步地，所述步骤s6中的预设条件的设置方法为：所述当前距离最 小的两个用户组脱离当前各自服务卫星的时刻差的绝对值小于预设的正实数， 且所述当前距离最小的两个用户组在脱离当前各自服务卫星后，存在同一颗 可选目标卫星。
[0022]
进一步地，所述步骤s7包括：
[0023]
步骤s71，若q《w，则将所述当前距离最小的两个用户组中的用户合 并为一个新的用户组，在所述用户组集合中删除所述当前距离最小的两个用 户组，添加合并后的新的用户组，返回步骤s3；
[0024]
步骤s72，若q》w，则将所述当前距离最小的两个用户组中所需资源 之和最接近w的用户合并为一个新用户组，作为最终的一个用户组；将所述 当前距离最小的两个用户组中的剩余用户合并为另一个新的用户组，在所述 用户组集合中删除所述当前距离最小的两个用户组，添加由所述剩余用户合 并得到的新用户组，返回步骤s3；
[0025]
步骤s73，若q＝w，则将所述当前距离最小的两个用户组合并为一个 新的用户组，作为最终的一个用户组；在所述用户组集合中删除所述当前距 离最小的两个用户组，若删除所述当前距离最小的两个用户组后的用户组集 合包含至少两个用户组，则返回步骤s4；若删除所述当前距离最小的两个用 户组后的用户组集合仅剩一个用户组，则所述仅剩的用户组为最终的一个用 户组，用户分组过程结束。
[0026]
本发明提供的一种卫星通信系统的用户分组方法，不需要预先设置用 户组的个数，且用户分组过程结合了卫星的资源情况、用户属性、用户需求、 网络状态等信息，能有效避免由于分组不恰当引起的额外信令开销和调度失 败。
附图说明
[0027]
图1是按照本发明的卫星通信系统的用户分组方法的流程图。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
[0029]
如图1所示，本发明提供的一种卫星通信系统的用户分组方法，包括 以下步骤：
[0030]
步骤s1，获取待分组用户，并获取每个待分组用户的属性。
[0031]
待分组用户的编号的集合表示为u＝{1,2,
…
,m}，m表示待分组用户的 总数。用户的属性用于表征该用户的特征，任一用户的属性可表示为 ui＝{u
i,1
,u
i,2
,
…ui,k
}，i∈{1,2,
…
m}，k表示用户的属性维度个数。属性维度个数和 表征内容可根据实际需求进行设置，包括但不限于：用户的二维位置坐标、 用户的三维位置坐标、用户的移动速度等。例如，若在分组过程中仅关注用 户的位置信息，则可以将k设置为3，第1维到第3维的属性分别表示x、y、 z三个方向的用户位置坐标。
[0032]
步骤s2，将每个待分组用户划分为一个独立的用户组，并将所有用户 组存储至用户组集合g。此时，用户组集合g＝{g1,g2,
…
,gg}，|g|＝m，m表示 待分组用户的个数，每个用户组gi(i∈{1,2,
…
,m})仅包括一个用户。
[0033]
需要说明的是，由于可能出现某个单一用户与其他用户的相关性均极 弱，不能够与任何其他用户被分为一组的情况。步骤s1将每个用户划分为一 组，能够将该用户作为一个独立用户组参与其他调度。并且，将每个用户划 分为一组能够与下述步骤进行配合。
[0034]
步骤s3，根据每个待分组用户的属性，计算用户组集合g中任意两个 用户组之间的距离。具体地，包括：
[0035]
步骤s31，根据每个待分组用户的属性，获取用户组集合g中每个用户 组的属性。
[0036]
对于用户组集合g中的任一用户组，有两种方法获取其属性：一是将 该用户组中头用户的属性作为该用户组的属性，二是将该用户组中所有用户 每一维属性的均值作为该用户组对应维度的属性。在方法一中，当一个用户 组仅包含一个用户时，该单个用户即为该用户组的头用户；当一个用户组包 含多个用户时，随机选取用户组中的一个用户作为该用户组的头用户。方法 一实现简单，而方法二能够较为全面地体现出用户组中每个用户的属性。在 实际应用中，可根据需要进行选择。
[0037]
步骤s32，根据用户组集合g中每个用户组的属性，计算用户组集合g 中任意两个用户组之间的距离。
[0038]
在本实施例中，两个用户组之间的距离采用基于欧式距离的计算方法。 以用户组gi和gj为例，它们之间的距离d
i,j
按照下式计算：
[0039]gi
∈g，gj∈g，1≤i,j≤m
[0040]
其中，αk(k∈{1,2,
…
,k})是取值在0到1之间的实数，满足 p
i,k
和p
j,k
分别为用户组gi和用户组gj的第k维属性，k表示用户组包含的属性 维度的个数，例如，用户组gi的属性可表示为pi＝(p
i,1
,p
i,2
,
…
,p
i,k
)。
[0041]
两个用户组之间的距离用于表征两个用户组的相关性大小，距离越大， 相关性越小；反之，距离越小，相关性越大。
[0042]
步骤s4，提取出当前距离最小的两个用户组。需要说明的是，当存在 多对用户组之间的距离最小(即这些距离都相等)时，则任选其中的一对用 户组作为距离最小的两个用户组。
[0043]
步骤s5，判断步骤s4得到的当前距离最小的两个用户组的距离是否为 预设最大值，若是，则当前用户组集合g中的全部用户组为最终的用户分组， 结束流程；若否，则进入步骤s6。其中，预设最大值为通过功能模块预先设 置的一个常数，该常数的取值大于全部可能的距离取值，全部可能的距离取 值可通过用户属性的取值范围进行估算。在功能模块允许的情况下，也可以 直接将该常数设置为能够配置的最大值。
[0044]
步骤s6，判断当前距离最小的两个用户组是否满足预设条件，若是， 则保持距离最小的两个用户组的距离不变，执行步骤s7；若否，则将距离最 小的两个用户组的距离作为预设最大值，返回步骤s4。
[0045]
其中，预设条件具有两种设置方法。一种设置方法为：当前距离最小 的两个用户组脱离当前各自服务卫星的时刻差的绝对值小于某个预设的正实 数，同时，当前距离最小的两个用户组在脱离当前各自服务卫星后，存在同 一颗可选目标卫星，该目标卫星能同时为这两个用户组提供服务。另一种设 置方法为：当前距离最小的两个用户组存在同一颗可选目标卫星，该目标卫 星能同时为这两个用户组提供服务。
[0046]
步骤s7，计算当前距离最小的两个用户组中的全部用户所需的总资源 q，将所需的总资源q与可选目标卫星中可用资源最少的卫星的资源w进行比 较，根据比较结果，得到新的用户组并更新用户组集合，随后或返回步骤s3 或返回步骤s4或结束流程。其中，资源是指带宽、时隙或波束等卫星可以用 于为用户提供服务的资源。
[0047]
具体地，步骤s7包括：
[0048]
步骤s71，若q《w，则将当前距离最小的两个用户组中的用户合并为 一个新的用户组，在用户组集合g中删除当前距离最小的两个用户组，添加 合并后的新的用户组，返回步骤s3进行用户分组的迭代过程。
[0049]
步骤s72，若q》w，则将当前距离最小的两个用户组中所需资源之和 最接近w的用户合并为一个新用户组，作为最终的一个用户组，不再参与后 续用户分组的迭代过程(即最终的用户组不需要计算其与其余用户组的距离)。 同时，将当前距离最小的两个用户组中的剩余用户合并为另一个新的用户组。 在用户组集合g中删除当前距离最小的两个用户组，添加由剩余用户合并得 到的新用户组，返回步骤s3进行用户分组的迭代过程。
[0050]
步骤s73，若q＝w，则将当前距离最小的两个用户组合并为一个新的 用户组，作为最终的一个用户组。同时，在用户组集合g中删除当前距离最 小的两个用户组。若删除当前距离最小的两个用户组后的用户组集合g仍包 含至少两个用户组，则继续返回步骤s4进行用户分组的迭代过程；反之，若 删除当前距离最小的两个用户组后的用户组集合g仅剩一个用户组，则该仅 剩的用户组为最终的一个用户组，用户分组过程结束。
[0051]
由上述各步骤得到的一个或多个最终的用户组，即为最终的用户分组。
[0052]
本发明提供的卫星通信系统的用户分组方法，具有以下有益效果：
[0053]
1)本发明不需要预先设定用户组的个数，且用户分组过程结合了卫星 的资源情况、用户属性和用户需求，能有效避免由于分组不恰当引起的额外 信令开销和调度失败。
[0054]
2)本发明提出的用户分组方法在卫星通信系统中，可以广泛应用于星 间切换、随
机接入控制等应用中，具有较好的通用性，并能够提高卫星通信 系统的资源利用效率。
[0055]
为了更好地理解本发明，以下通过一具体示例对本发明的用户分组方 法进行详细说明。
[0056]
由于本发明提出的方法在用户组合并的过程中进行了较为严格的检测 与限制，用户组中的用户均具有较强的相关性，因此将用户组中头用户的属 性作为该用户组的属性，也能够较为准确地反应整个用户组的属性。
[0057]
步骤s1，获取到4个待分组用户，待分组用户的编号的集合表示为 u＝{1,2,3,4},m＝4，每个用户均具有2个维度的属性，为用户位置在x
–
y坐 标平面的两个坐标值。其中，用户1的属性u1＝(u
1,1
,u
1,2
)，u
1,1
＝7，u
1,2
＝32，即 u1＝(7,32)；用户2的属性u2＝(u
2,1
,u
2,2
)，u
2,1
＝10，u
2,2
＝40，即u2＝(10,40)；用户 3的属性u3＝(u
3,1
,u
3,2
)，u
3,1
＝7，u
3,2
＝31，即u3＝(7,31)；用户4的属性u4＝(u
4,1
,u
4,2
)， u
4,1
＝7，u
4,2
＝34，即u4＝(7,34)。
[0058]
进入第一次迭代：
[0059]
步骤s2，将每个用户划分为一个独立的用户组，并将所有用户组存储 至用户组集合g。此时，用户组集合g＝{g1,g2,g3,g4}，|g|＝4，用户组集合g中 的每个用户组只包含一个用户，即g1包含用户1，g2包含用户2，g3包含用户 3，g4包含用户4。
[0060]
步骤s3，此时每个用户组内只有一个用户，用户的属性即为用户组的属性。以用户组g1和用户组g2为例，它们之间的距离按照下式计算：类似地，其他用户组间的距离 分别为：d
1,3
＝1,d
1,4
＝2,d
2,3
＝9.5,d
2,4
＝6.7,d
3,4
＝3。
[0061]
步骤s4，提取出距离最小的两个用户组g1和g3。
[0062]
步骤s5，预设一个常数值c＝1000作为预设最大值，预设最大值用于 表征一个大于全部用户组距离的最大值。用户组g1和g3的距离不等于预设最 大值c，则进入步骤s6。
[0063]
步骤s6，本示例的预设条件采用上述第一种设置方法，即当前距离最 小的两个用户组脱离当前各自服务卫星的时刻差的绝对值小于某个预设的正 实数，同时，当前距离最小的两个用户组在脱离当前各自服务卫星后，存在 同一颗可选目标卫星，该目标卫星能同时为这两个用户组提供服务。
[0064]
以用户i为例，用户的覆盖时刻矩阵如下：
[0065][0066]
其中，{sa1,sa2,
…
,san}表示能够为用户i提供服务的卫星集合， start_time
i,n
表示从该时刻起卫星san可以为用户i提供服务，end_time
i,n
表示该 时刻后用户i将不在卫星san的服务范围内，其中，1≤n≤n。当 start_time
i,m
≤end_time
i,n
＜end_time
i,m
时，卫星sam可以在时刻end_time
i,n
后 为用户i提供服务，因此sam是用户i脱离san后的一颗可选目标卫星。
[0067]
因而，判断用户组g1和g3是否满足预设条件的方法为：根据卫星星历 信息和用户
位置信息获取用户1的覆盖时刻矩阵和用户3的覆 盖时刻矩阵
[0068]
从上述用户1和用户3的覆盖时刻矩阵可以得出，用户组为g1和g3脱 离各自服务卫星的时间差的绝对值|3-2.5|＝0.5《1。并且，当前为用户1提供服 务的卫星为sa1，脱离sa1后满足2《3《6，因此卫星sa2是用户1脱离sa1后的一 颗可选卫星；当前为用户3提供服务的卫星为sa1，脱离sa1后满足2《2.5《6， 因此卫星sa2是用户3脱离sa1后的一颗可选卫星。即，这两个用户组在脱离各 自服务卫星后均存在可选目标卫星sa2。如此，则保持两个用户组g1和g3的距 离不变，执行步骤s7。
[0069]
步骤s7，可用资源最少的卫星资源w＝4，用户1、用户2、用户3、用 户4所需资源分别为1、4、2、2，则用户1和用户3所需总资源q＝3。此时， q《w(w＝4)，将用户组g1和g3合并为一个新的用户组，仍标记为用户组g3。 即用户组g3包含用户1和用户3两个用户。用头用户的属性来表征用户组的 属性，选取用户1为用户组g3的头用户，则用户组g3的属性 p3＝(p
1,1
,p
1,2
)＝(u
1,1
,u
1,2
)＝(7,32)。此时待分组的用户组集合更新为g＝{g2,g3,g4}， 返回步骤s3，进入第二次迭代。
[0070]
第二次迭代：
[0071]
步骤s3，用户组集合g＝{g2,g3,g4}中用户组之间的距离分别为： d
2,3
＝8.5,d
2,4
＝6.7,d
3,4
＝2。
[0072]
步骤s4，提取出距离最小的两个用户组g3和g4。
[0073]
步骤s5，用户组g3和g4的距离d
3,4
不等于预设常数c，进入步骤s6。
[0074]
步骤s6，用户4的覆盖时刻矩阵为用户组g3预计脱 离服务卫星的时间为则用户组g3和g4脱离各自服务卫星的时间 差的绝对值|2.7-2.75|＝0.05《1。
[0075]
并且，当前为用户4提供服务的卫星为sa1，脱离sa1后满足2《2.7《6， 因此卫星sa2是用户4脱离sa1后的一颗可选卫星。用户组g3脱离服务卫星后的 可选卫星为g1和g3可选卫星的交集sa2，即用户组g3和g4脱离各自服务卫星后 均存在可选目标卫星sa2。因此，满足预设条件，保持用户组g3和g4的距离不 变，进入步骤s7。
[0076]
步骤s7，用户组g3和g4中的所有用户所需的总资源q＝5，此时 q》w(w＝4)，将这用户组g3和g4中所需资源之和最接近w的用户，即用户3 和用户4(总需求资源为4)合并为一组，该包含用户3和用户4的用户组即 为最终的一个用户组。用户组g3和g4中除了被合并到上述最终用户组外的剩 余用户，即用户1，作为一个新的用户组，标记为g1。在用户组集合g中删除 用户组g3和g4，并添加用户组g1，更新后的用户组集合g＝{g1,g2}。返回步骤 s3，进入第三次迭代。
[0077]
第三次迭代：
[0078]
步骤s3，用户组集合g＝{g1,g2}中用户组之间的距离为d
1,2
＝8.5。
[0079]
步骤s4，提取出距离最小的两个用户组g1和g2。
[0080]
步骤s5，用户组g1和g2的距离d
1,2
不等于预设常数c，进入步骤s6。
[0081]
步骤s6，用户组g2(仅包含用户2)的覆盖时刻矩阵为用户组g1(仅包含用户1)的覆盖时刻矩阵为用户组g1和g2脱 离各自服务卫星的时间差的绝对值|3-2.5|＝0.5《1。
[0082]
并且，当前为用户2提供服务的卫星为sa1，脱离sa1后满足2《2.5《6， 因此卫星sa3是用户2脱离sa1后的一颗可选卫星；当前为用户1提供服务的卫 星为sa1，脱离sa1后满足2《3《6，因此卫星sa2是用户1脱离sa1后的一颗可选 卫星。用户组g1和g2脱离各自服务卫星后的可选卫星分别为sa3和sa2，不存在 相同可选目标卫星，不满足预设条件。因此，将用户组g1和g2之间的距离设 为预设常数c。返回步骤s4，进入第四次迭代。
[0083]
第四次迭代：
[0084]
步骤s4，用户组集合g＝{g1,g2}中仅包含一对用户组g1和g2，因此距离 最小的两个用户组即为用户组g1和g2。
[0085]
步骤s5，用户组为g1和g2的距离d
1,2
等预设常数c，则当前用户组集合 中的全部用户组(g1和g2)即为最终的用户分组，用户分组过程结束。
[0086]
经过上述四次迭代，待分组的用户1、用户2、用户3、用户4被分成 了三个用户组：用户1为一组，用户2为一组，用户3和用户4为一组。
[0087]
本发明设计了一种卫星通信系统的用户分组方法，该方法同时考虑了 卫星可用资源和用户属性信息，将满足资源要求且属性接近的多个用户合并 为一个用户组。基于本发明的用户分组方法，卫星通信系统在星间切换或随 机接入控制等过程能够以用户组为单位进行调度，在保证用户服务性能的同 时，能够有效降低系统信令开销，缓解链路拥塞。
[0088]
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围， 本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要 求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利 要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。