An Optimal Power Allocation in Multi-Beam Satellite Communication Systems Including Inter-Beam Interference by Particle Swarm Optimization (PSO)

Rezaee, Alireza; Nobahari, Niloofar; Barghi Zanjani, Hakime

An Optimal Power Allocation in Multi-Beam Satellite Communication Systems Including Inter-Beam Interference by Particle Swarm Optimization (PSO)

Document Type : Original Research Paper

Authors

Alireza Rezaee

Niloofar Nobahari

Hakime Barghi Zanjani

Department of Modern Science and Technology Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran

Abstract

This paper aims to propose the interference and also investigates the channel effect on power allocation issue. Here, the particle swarm optimization (PSO) method is employed in order to find the optimal solution. Because of the value of resources in the satellite telecommunication systems, optimizing the use of power allocation is very important. In these systems, because of non-zero side lobe, there exists an interference between beams that affects the allocation problem. To assess the efficiency of PSO algorithm, the obtained results are compared with the Duality Theory. The analogy is conducted through three different scenarios: In the first scenario, it is supposed to have interference between each beam and the three adjacent beams. The second scenario assumes that the first beam interferes with other beams. Finally, in the third scenario, the analysis of channel conditions of each beam and its effect on the power allocation problem is provided. The objective functions for the proposed method are the total system capacity and sum of the square of difference between the requested traffic and the allocated beam power. The results indicate that the proposed algorithm improves the solution in each scenario and implements justice to the power allocation issue.

Keywords

Multi beam satellite communication systems

PSO optimization

Power allocation

Article Title Persian

تخصیص بهینة توان با الگوریتم ازدحام ذرات در سیستم‌های مخابرات ماهوارهای با تداخل بین‌ بیمی

Authors Persian

علیرضا رضائی

نیلوفر نوبهاری

حکیمه برقی زنجانی

دانشکدة مهندسی علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران

Abstract Persian

به دلیل با ارزش بودن منابع توان در سیستمهای مخابرات ماهوارهای، استفادة بهینه از آنها بسیار اهمیت می‌یابد. بنابراین برای این سیستمها، تخصیص توان حائز اهمیت است. در این سیستمها به دلیل غیر صفر بودن لوب جانبی، تداخل بین بیمی وجود دارد که روی مسئله تخصیص توان اثر می‌گذارد. در این مقاله این اثر مهم و همچنین تأثیر شرایط کانال روی تخصیص توان بررسی شده و برای بهینهسازی از الگوریتم ازدحام ذرات ((PSO استفاده شده است. همچنین برای نشان دادن کیفیت این الگوریتم برای مسئله مدنظر، این روش با تئوری دوگانگی در قالب سه سناریو مقایسه شده است. در سناریوی اول فرض میشود که هر بیم با سه بیم مجاور خود تداخل دارد و در سناریوی دوم فرض میشود که تنها بیم اول با سایر بیمها تداخل دارد و در نهایت در سناریوی سوم به بررسی وضعیت کانال هر بیم و تأثیری که روی تخصیص توان می‌گذارد، پرداخته می‌شود. معیار مورد بررسی برای بهبود پاسخ در این مسائل، ظرفیت کل سیستم و جمع مربع تفاضل بین ترافیک درخواستی و توان اختصاصی به هر بیم، در نظر گرفته شده است. با بررسی پاسخها مشاهده می‌شود، این الگوریتم در هر سه سناریو پاسخ را بهبود بخشیده و موجب تخصیص بهینه توان شده است

Keywords Persian

: سیستم‌های مخابرات ماهواره‌ای چند‌بیمه

الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات (PSO)

تخصیص توان

[1] Pérez-Neira, A. and Christopoulos, D., “Optimum Power and Beam Allocation Based on Trafic Demands and Channel Conditions over Satellite Downlinks,” IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 4, No. 6, 2005, pp. 2983–2992.

[2] Wang, H., Liu, A. and Pan, X., “Optimization of Joint Power and Bandwidth Allocation in Multi-Spot-Beam Satellite Communication Systems,” Mathematical Problems in Engineering, Vol. 2014, Article ID 683604, 2014, 10 Pages.

[3] Wang, H., A. Liu, Pan and Jianfei Yang, “Optimization of Power Allocation for Multiusers in Multi-Spot-Beam Satellite Communication Systems,” Mathematical Problems in Engineering, 2014.

[4] Available: [on line], http://www.swarmintelligence.org

[5] Hong, Y. Srinivasan,, A., Cheng, B., Hartman, L. and Andreadis, P., “Optimal Power Allocation for Multiple Beam Satellite Systems,” Proceedings of the IEEE Radio and Wireless Symposium (RWS’08), 2008, pp. 823–826.

[6] Feng, Q. Li, G., Feng, S. and Gao, Q., “Optimum Power Allocation Based on Traffic Demand for Multi-Beam Satellite Communication Systems,” Proceedings of the 13th International Conference on Communication Technology (ICCT ’11), pp. 873–876, September 2011.

[7] Park, U., Kim, H.W., Oh, D.S. and Ku, B.J., “Optimum Selective Beam Allocation Scheme for Satellite Network with Multi-spot Beams,” Proceedings of the 4^th International Conference on Advances in Satellite and Space Communications (SPACOMM’12), 2012, pp.78–81.

[8] Nakahira, K., Kobayashi, K. and Ueba, M., “Capacity and Quality Enhancement using an Adaptive Resource Allocation for Multi-Beam Mobile Satellite Communication Systems,” Proceedings of the IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC ’06), April 2006, pp. 153–158.

[9] Lei, J. and ´azquez-Castro, M. A.V “Joint power and Carrier Allocation for the Multibeam Satellite Downlink with Individual SINR Constraints,” Proceedings of the IEEE International Conference on Communications (ICC ’10), May 2010, pp 1-5.

[10] Ghazavi, M., Monsef, H., Ansari, J. and Kazemi, A., “An Effective Decentralized Scheme to Monitor and Control the Reactive Power Flow: A Holonic-Based Startegy,” International Transactions on Electrical Energy Systems, September 2015.

[11] Yu , W. and Lui, R. “Dual Methods for Nonconvex Spectrum Optimization of Multicarrier Systems,” IEEE Transactions on Communications, Vol. 54, No. 7, 2006, pp. 1310–1322.

[12] Rezaee, A., “LearningImprovments In Mobile Robot Behavior With Faulty Sensors Usings Baysians Network,” A ARaie, A Nadi, GsShiry Journal of Iranian Assosiation of Electrical and Electronics Engeenirs 2008.

[13] Wang, H., Liu, A. Pan, X. and Li, J., “Optimization of Power Allocation for a Multibeam Satellite Communication System with Interbeam Interference,” Journal of Applied Mathematics, Vol. 2014, Article ID 469437, 10.1155/2014/469437, January 2014.