基于半監(jiān)督圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地球站組網(wǎng)方法

孫雪苗　趙洪華　胡谷雨

摘? 要： 合理分配衛(wèi)星通信資源是衛(wèi)星通信組網(wǎng)規(guī)劃的重要內(nèi)容。為了提高資源利用率，提出一種基于半監(jiān)督圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)規(guī)劃方法。基于現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)，根據(jù)衛(wèi)星與地球站的可互通條件構(gòu)建系統(tǒng)模型，將半監(jiān)督圖卷積方法應(yīng)用于地球站組網(wǎng)規(guī)劃。最后進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，所提方法可以根據(jù)設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)對(duì)地球站進(jìn)行快速組網(wǎng)，提高用戶體驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

關(guān)鍵詞： 衛(wèi)星通信; 組網(wǎng)規(guī)劃; 半監(jiān)督; 圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2022）04-17-04

Semi-supervised graph convolutional neural network based

Earth station networking method

Sun Xuemiao Zhao Honghua Hu Guyu

（Command and Control Engineering College， Army Engineering University of PLA， Nanjing， Jiangsu 210007， China）

Abstract： Rational allocation of satellite communication resources is an important element of satellite communication network planning. In order to improve resource utilization， a network planning method based on semi-supervised graph convolutional neural network is proposed. Based on the network management architecture of the existing satellite communication system， a system model is constructed according to the interoperability conditions between satellites and earth stations. The semi-supervised graph convolution method is applied to the network planning of earth stations. The simulation results show that the proposed method can quickly network the earth station according to the set optimization goal， and improve the user experience and the utilization of network resources.

Key words： satellite communications; network planning; semi-supervised; graphical convolutional neural networks

0 引言

近年來(lái)，隨著衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)需求急劇增加，業(yè)務(wù)種類(lèi)日益多樣化，快速增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求與有限的衛(wèi)星通信資源之間矛盾日益凸顯，衛(wèi)星通信資源的規(guī)劃利用成為一個(gè)實(shí)際難題[1]。

以機(jī)器學(xué)習(xí)[2]與深度學(xué)習(xí)[3]為代表的人工智能方法逐漸應(yīng)用于各種領(lǐng)域，組網(wǎng)規(guī)劃也在尋求更加智能合理高效的方法。文獻(xiàn)[4]對(duì)現(xiàn)有的衛(wèi)星地球站組網(wǎng)規(guī)劃問(wèn)題形式化建模，以地球站間盡可能多的一跳通信為目標(biāo)，使用社團(tuán)發(fā)現(xiàn)方法（community detection）對(duì)此問(wèn)題求解，結(jié)果表明，社團(tuán)發(fā)現(xiàn)方法確實(shí)在地球站組網(wǎng)規(guī)劃方面有效，但在該文獻(xiàn)中為了使用社團(tuán)方法，對(duì)組網(wǎng)規(guī)劃模型只考慮了簡(jiǎn)單的約束條件，而組網(wǎng)規(guī)劃是個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，不過(guò)社團(tuán)發(fā)現(xiàn)的方法仍為此類(lèi)問(wèn)題的求解提供了思路。

本文基于半監(jiān)督圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Semi-GCN，Semi-Supervised with Graph Convolutional Networks）方法[5-6]，提出一種新的組網(wǎng)規(guī)劃方法用于解決衛(wèi)星地球站的智能組網(wǎng)問(wèn)題，支持各類(lèi)衛(wèi)星通信資源的統(tǒng)一管理分配[7]。

1 系統(tǒng)模型

為了更好地描述衛(wèi)星通信地球站組網(wǎng)的問(wèn)題，我們建立了面向衛(wèi)星的地球站組網(wǎng)規(guī)劃模型，并制定了組網(wǎng)目標(biāo)。

1.1 對(duì)象建模

在系統(tǒng)模型中，各型號(hào)地球站可形式化為：

其中Position為一個(gè)二元組（X_i，Y_i），表示地球站ES_i所在的地理位置經(jīng)度和緯度坐標(biāo)。假設(shè)每個(gè)地球站只有一幅單頻段天線，同一個(gè)地球站的信道單元（CU）共用該地球站的天線和射頻線路，天線所支持的射頻工作頻段為ES_RF，在實(shí)際系統(tǒng)中具體可以劃分為C，Ku，Ka等頻段;ES_Polar代表地球站的天線極化方式，可劃分為線極化和圓極化兩種模式，具體地，線極化模式可根據(jù)實(shí)際通信需求調(diào)整為水平和垂直極化，圓極化模式可調(diào)為左旋圓極化和右旋圓極化。G_t表示地球站的信號(hào)發(fā)送幅度增益（dB），其數(shù)值等于發(fā)射機(jī)功放增益和天線發(fā)射增益之和。Gr為地球站天線的信號(hào)接收增益（dB）。P_max為地球站功率放大器的最大輸出功率（W），{CU}為地球站[ESi]支持的CU集合。具體地，地球站ES_i的第j個(gè)CU可表示為CU_ij={Mode， Rate， Vs}]，[Mode表示CU可以支持的傳輸體制集合，Rate表示CU所支持的信號(hào)傳輸速率集合;Vs為地球站的接收靈敏度（mV）。735EF330-3615-4D53-B292-BA567E9EE863

在該模型中，所討論的通信衛(wèi)星均為同步衛(wèi)星，各衛(wèi)星可以形式化為：

假設(shè)衛(wèi)星均為多波束衛(wèi)星，且只有一副天線，其中S_RF表示其支持的射頻頻段，S_Polar為該天線的極化方式，支持的點(diǎn)波束數(shù)量為K個(gè)。Area表示衛(wèi)星波束的覆蓋地理范圍，因此衛(wèi)星覆蓋范圍是各個(gè)波束覆蓋范圍的并集Area=Area₁∪Area₂∪…Area_K，{Tp}為衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器。

面向衛(wèi)星地球站通信的組網(wǎng)規(guī)劃問(wèn)題，目標(biāo)是根據(jù)各用戶通信需求，通過(guò)子網(wǎng)劃分實(shí)現(xiàn)對(duì)地球站進(jìn)行分配。各子網(wǎng)可以形式化為：

其中[ES]表示子網(wǎng)內(nèi)的地球站集合;Mode為子網(wǎng)的傳輸體制;{Rate}為收發(fā)地球站下的CU共有使用的數(shù)據(jù)傳輸速率集合，單位為Mbit/s;Sat是對(duì)子網(wǎng)進(jìn)行服務(wù)的通信衛(wèi)星。

1.2 條件建模

基于對(duì)衛(wèi)星地球站的對(duì)象建模，對(duì)于? ES_i，ES_j， 兩者可以進(jìn)行組網(wǎng)的約束條件為：

首先，加入到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的地球站地理位置需要位于同一顆衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)。

加入到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的地球站天線必須朝向同一顆通信衛(wèi)星，收發(fā)地球站，衛(wèi)星三者天線均支持相同的射頻頻段。

收發(fā)地球站的天線極化方式需要與該衛(wèi)星天線極化方式相同。

表示加入到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的CU需達(dá)到信號(hào)可接收條件，假設(shè)地球站發(fā)射信號(hào)電平均為Vt0，則該信號(hào)電平+發(fā)送幅度增益+接收天線增益-傳輸損耗至少應(yīng)達(dá)到地球站的接收靈敏度門(mén)限，單位為dB. 其中A_ij和A_ji表示星地鏈路上下行總的傳輸損耗，通常包括自由空間損耗、大氣衰減和天線跟蹤損耗等，主要受天氣和傳輸距離的影響。

收發(fā)地球站使用的CU需要采用同一種傳輸體制，即信道編碼、調(diào)制解調(diào)、多址接入方式等相同。

收發(fā)地球站使用的CU需要采用同一檔的信息傳輸速率。

在組網(wǎng)過(guò)程中，根據(jù)一定周期時(shí)間內(nèi)各個(gè)地球站之間的通信流量的大小，可以構(gòu)建通信關(guān)聯(lián)矩陣B_N×N，矩陣中元素[bij]表示地球站[i]向地球站j的發(fā)送流量，單位為MB。將可以一跳通信的地球站集合為τ，其流量占比采用式⑽計(jì)算：

2 基于半監(jiān)督圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方法

本文以提升地球站一跳通信流量的占比為組網(wǎng)目標(biāo)，根據(jù)圖的同質(zhì)性[8]，相鄰的節(jié)點(diǎn)往往具有相似的特征表示，使用Semi-GCN對(duì)地球站劃分，將地球站看作節(jié)點(diǎn)，地球站的通信矩陣看作節(jié)點(diǎn)間的信息，將波束看作節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽，在標(biāo)記節(jié)點(diǎn)上訓(xùn)練GCN網(wǎng)絡(luò)，需要部分節(jié)點(diǎn)帶有標(biāo)簽信息，從全部地球站中隨機(jī)選擇30%的地球站，為它們優(yōu)先選擇一跳通信流量占比高的最優(yōu)衛(wèi)星波束。再經(jīng)由GCN模型分類(lèi)后，可以得到地球站的最優(yōu)分群組網(wǎng)。最終，面向衛(wèi)星的地球站組網(wǎng)規(guī)劃問(wèn)題可以歸結(jié)為一個(gè)半監(jiān)督分類(lèi)問(wèn)題。

本文采用兩層的GCN，利用譜圖理論[9]，借助圖的拉普拉斯矩陣特征值和特征向量研究圖的性質(zhì)，在分類(lèi)操作前，為了加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)時(shí)的數(shù)值穩(wěn)定性，對(duì)拉普拉斯矩陣[L]進(jìn)行歸一化處理：

則當(dāng)前地球站組網(wǎng)場(chǎng)景下，半監(jiān)督圖卷積神經(jīng)網(wǎng)路的模型為：

其中y_L為帶標(biāo)簽的節(jié)點(diǎn)。

3 仿真與分析

本文仿真分析了提出的基于Semi-GCN的組網(wǎng)規(guī)劃方法的性能，首先介紹了用到的仿真場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)參數(shù)，將Semi-GCN與Cplex和基于遺傳算法[10]（Genetic Algorithm，GA）的組網(wǎng)方法在組網(wǎng)時(shí)間，一跳通信占比進(jìn)行對(duì)比。所有的實(shí)驗(yàn)在一臺(tái)裝有Intel Corei7-8700 CPU和8GB內(nèi)存的臺(tái)式電腦上完成，采用python3.7進(jìn)行模擬。

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

在仿真過(guò)程中，仿真參數(shù)如表1所示，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，我們?cè)诜抡孢^(guò)程中，假設(shè)：①每個(gè)地球站的功放增益和接收天線增益都足夠大，即滿足信號(hào)可接受條件;②每個(gè)通信波束對(duì)應(yīng)一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，且轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬容量相同。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)該問(wèn)題，還沒(méi)有其他已知的方法用來(lái)對(duì)比，因此我們將所提出的Semi-GCN與Cplex組網(wǎng)方法和GA的組網(wǎng)方法進(jìn)行對(duì)比。

首先，我們對(duì)不同組網(wǎng)方法的時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比，如表2所示，在不同組網(wǎng)方法下得到最終組網(wǎng)方案的所需要的時(shí)間，組網(wǎng)的時(shí)間是衡量組網(wǎng)的重要指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論在小規(guī)模地球站（100個(gè)ES）或大規(guī)模地球站組網(wǎng)條件下（10000個(gè)ES），Semi-GCN在時(shí)間成本上均優(yōu)于Cplex和GA，尤其在大規(guī)模組網(wǎng)條件下時(shí)間成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他兩種方法，且增長(zhǎng)趨勢(shì)遠(yuǎn)低于其他兩種方法。

圖1展示了使用不同算法得到最終組網(wǎng)方案中一跳通信流量在總流量中的占比，在該指標(biāo)中，可以看到Semi-GCN的一跳通信流量占比低于但接近Cplex方法和但遠(yuǎn)高于GA，隨著組網(wǎng)規(guī)模增大，一跳通信占比越高，用戶通信體驗(yàn)就會(huì)更好。在地球站規(guī)模達(dá)到10000的時(shí)候，Semi-GCN方法比僅比最高占比Cplex方法低不到2%，但是Cplex方法在進(jìn)行規(guī)劃求解的時(shí)候，由于地球站的位置需要和衛(wèi)星波束范圍對(duì)比，在約束條件中需要使用到平方項(xiàng)，但Cplex無(wú)法對(duì)含有平方項(xiàng)的約束條件求解，本文采用一次項(xiàng)的約束條件替代，所以部分地球站的位置與衛(wèi)星波束的范圍會(huì)有些許差異。所以對(duì)于該指標(biāo)，本文所提出的基于Semi-GCN的方法在大規(guī)模地球站計(jì)算下得出的解略低于Cplex組網(wǎng)方法，但對(duì)于地球站位置的約束更為精確。

4 總結(jié)

針對(duì)當(dāng)前衛(wèi)星通信系統(tǒng)無(wú)法調(diào)節(jié)通信業(yè)務(wù)增加而衛(wèi)星資源受限的問(wèn)題，本文從優(yōu)化衛(wèi)星資源利用率和提高Qos的角度出發(fā)，對(duì)地球站組網(wǎng)的可互通條件進(jìn)行了形式化約束，建立了衛(wèi)星通信地球站組網(wǎng)規(guī)劃模型，提出一種基于Semi-GCN的地球站組網(wǎng)方法，能夠有效進(jìn)行地球站智能組網(wǎng)規(guī)劃。735EF330-3615-4D53-B292-BA567E9EE863

在實(shí)際通信場(chǎng)景，用戶間的衛(wèi)星流量是動(dòng)態(tài)變化的，因此未來(lái)的研究方向，可以進(jìn)一步考慮采用在線學(xué)習(xí)方法進(jìn)行不同流量條件下的學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)適用于復(fù)雜組網(wǎng)場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方案。

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