面向多用戶的中繼衛(wèi)星空時頻域資源動態(tài)調度方法技術

本發(fā)明專利技術公開了一種面向多用戶的中繼衛(wèi)星空時頻域資源動態(tài)調度方法，包含以下步驟：一、接收各路用戶數(shù)據(jù)流；二、對每一路用戶數(shù)據(jù)流分別計算權重值；三、根據(jù)權重值為各用戶數(shù)據(jù)流分配時頻資源塊。本發(fā)明專利技術綜合考慮了任務優(yōu)先級、時延要求、丟包率、吞吐量以及申請時間先后等因素，在空時域上為多用戶分配合理的衛(wèi)星資源。對中繼衛(wèi)星控管中心而言，有利于提升中繼衛(wèi)星資源的頻譜利用率和網(wǎng)絡吞吐量；從用戶角度，有利于保證用戶不同業(yè)務的服務質量，滿足用戶需求。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術屬于中繼衛(wèi)星通信多用戶接入技術，解決多用戶使用中繼衛(wèi)星資源的動態(tài)調度問題。本專利技術綜合考慮系統(tǒng)吞吐量、任務優(yōu)先級、用戶信號質量、任務時延要求等影響因素，提出一種面向多用戶的中繼衛(wèi)星空時頻域資源動態(tài)調度模型。該技術創(chuàng)新性地在系統(tǒng)吞吐量和多用戶公平性間找到一種改進的中繼星資源調配方法，能夠提升中繼衛(wèi)星資源的頻譜利用率和網(wǎng)絡吞吐量。技術背景在中繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，空時頻域資源調度是一項不可忽視的研究內容，對提高用戶服務質量起著至關重要的作用。從中繼衛(wèi)星控管中心的角度，需要盡可能地提高中繼衛(wèi)星通信資源的利用率和網(wǎng)絡吞吐量，從用戶的角度，要保證用戶的各種不同業(yè)務的服務質量，滿足用戶的需求。關于調度算法的研究一直在進行，根據(jù)調度實現(xiàn)的目標不同，有幾種常見的算法，1)PF算法PF算法在最大載干比(MAX,C/I)和輪詢(RR)算法的基礎上，綜合考慮了系統(tǒng)吞吐量及公平性的指標。該算法將瞬時速率和平均速率的比值作為度量基準，不僅考慮了用戶當前的信號質量，它是總的吞吐量和每個用戶吞吐量之間的一個折中，由于沒有考慮時延和優(yōu)先級因素的影響，所以該算法僅適用于非實時業(yè)務。表達式為：其中是估計的用戶數(shù)據(jù)流i在時隙n處的平均速率，ε是值在0到1之間的可調節(jié)因子。由式(2)可以看出，用戶的瞬時速率在平均速率中所占的比重是ε，ε越小，瞬時速率對平均速率的影響就越小，也即公平性越高，反之則公平性越差。在實際應用中，可以根據(jù)需要動態(tài)調節(jié)ε，使之滿足服務需求。2)M-LWDF算法M-LWDF算法在PF算法的基礎上，綜合考慮了時延因素，使之適用于對時延比較敏感的實時業(yè)務，從而保證不同業(yè)務的QoS要求。表達式為其中DHOL,i為用戶數(shù)據(jù)流i的首包時延，τi為用戶數(shù)據(jù)流i的時延門限,δi為用戶數(shù)據(jù)流i的首包時延超過時延門限的最大丟包率，是一個常數(shù)。由式(5)可以看出，M-LWDF算法是在PF算法的基礎上，添加了αi和DHOL,i兩個權重因子，由于αi是僅和業(yè)務類型相關的一個常數(shù)，所以主要由DHOL,i體現(xiàn)實時業(yè)務的優(yōu)先性。當用戶數(shù)據(jù)流的首包時延越大時，由于越接近時延門限值，則其被丟棄的概率越大，所以數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級也就越高，保證了業(yè)務的實時性要求。3)EXP算法EXP算法是針對多類型業(yè)務提出的調度算法，適用于不同任務優(yōu)先級的業(yè)務調度。該算法在PF算法的基礎上，增加了一個指數(shù)權重因子，相對于優(yōu)先級較低的業(yè)務，能快速提高高優(yōu)先級業(yè)務的調度概率。表達式為：其中Nrt表示實時用戶數(shù)據(jù)流的數(shù)目，其余表達式含義與M-LWDF相同。對于沒有優(yōu)先級限制的非實時業(yè)務，αi的值趨近于0，而對于緊急程度較高(如軍事任務)的業(yè)務，αiDHOL,i的值始終大于0，所以增加的指數(shù)權重因子是為了提高業(yè)務調度的優(yōu)先級。在同等條件下，高優(yōu)先級業(yè)務的調度機會始終大于低優(yōu)先級業(yè)務，但是當高優(yōu)先級業(yè)務在一段時間之內連續(xù)獲得資源時，會使得整體的度量值下降，這時低優(yōu)先級業(yè)務將有機會獲得帶寬資源，保證了一定的公平性。此外，不同于M-LWDF算法中優(yōu)先級隨著時延增加而線性提升的特征，EXP算法中對任務優(yōu)先級的處理采用指數(shù)形式，優(yōu)先級呈指數(shù)級增長，確保緊急任務能夠首先獲得調度機會。隨著多用戶、多任務、多業(yè)務類型中繼通信的不斷發(fā)展，上述算法已經(jīng)不能滿足用戶的服務質量要求。由于調度需要考慮的因素很多，它作為影響多用戶中繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能的重要因素之一，具有很大的研究價值。
技術實現(xiàn)思路
隨著越來越多的無線通信應用中需使用到中繼衛(wèi)星，國內中繼衛(wèi)星通訊資源日趨緊張，針對多用戶使用中繼衛(wèi)星資源時容易產(chǎn)生時間沖突、優(yōu)先級沖突造成衛(wèi)星資源難以調配的問題，本專利技術的專利技術目的在于提供一種面向多用戶的中繼衛(wèi)星空時頻域資源動態(tài)調度方法，可以在保證多用戶多類型業(yè)務接入需求的前提下，進一步提高頻譜資源利用率，降低使用成本，增加用戶容量，提升經(jīng)濟效益。本專利技術的專利技術目的通過以下技術方案實現(xiàn)：一種面向多用戶的中繼衛(wèi)星空時頻域資源動態(tài)調度方法，包含以下步驟：一、接收各路用戶數(shù)據(jù)流；二、對每一路用戶數(shù)據(jù)流分別計算權重值；三、根據(jù)權重值為各用戶數(shù)據(jù)流分配時頻資源塊；所述權重值ωi(k,n)為：其中k：時頻資源塊；n：時隙；用戶數(shù)據(jù)流i在時隙n處的平均時延；τi：用戶數(shù)據(jù)流i的時延門限；plrreq,i：用戶數(shù)據(jù)流i的最大丟包率；plract,i：用戶數(shù)據(jù)流i的超過時延門限的實際丟包率。ri(k,n)：用戶數(shù)據(jù)流i的時頻資源塊k在時隙n處的數(shù)據(jù)傳輸速率；用戶數(shù)據(jù)流i在時隙n處的平均速率σ：控制丟包率的調節(jié)因子；U(DHOL,i)：用戶數(shù)據(jù)流i的任務優(yōu)先級效用函數(shù)a：控制優(yōu)先級提高速度的調節(jié)因子。進一步，在接收各路用戶數(shù)據(jù)流后，先對用戶數(shù)據(jù)流進行約束條件判斷，所述約束條件為：(1)一個時頻資源塊只能分配給一個用戶數(shù)據(jù)流。(2)一個用戶數(shù)據(jù)流可以擁有多個時頻資源塊，但總時頻資源塊不能超過緩存中的待傳用戶數(shù)據(jù)流；(3)分配給所有用戶數(shù)據(jù)流的時頻資源塊的功率之和不能超過中繼衛(wèi)星的發(fā)射總功率；(4)公平性指數(shù)盡可能趨近于1；(5)盡可能滿足用戶的QoS要求。進一步，根據(jù)權重值為各用戶數(shù)據(jù)流分配時頻資源塊包含以下步驟：(a)將各用戶數(shù)據(jù)流的權重值按大小進行排序；(b)檢查時頻資源塊是否已分配完，如有空閑的時頻資源塊，將空閑的時頻資源塊分配給權重值排在前面的用戶數(shù)據(jù)流；否則執(zhí)行(d)；(c)檢查獲得時頻資源塊的用戶數(shù)據(jù)流是否有足夠的時頻資源塊進行中繼傳輸，如有，則將用戶數(shù)據(jù)流從等待隊列中刪除，執(zhí)行(b)；否則直接執(zhí)行(b)；(d)確定各用戶數(shù)據(jù)流中繼傳輸資源分配方案。本專利技術中有以下三個主要的技術要點。(1)空域、時域與頻域多維資源動態(tài)實時調度機制。本專利技術通過建模非線性寬帶資源動態(tài)調度問題，在空域、時域和頻域上對多用戶進行聯(lián)合調度。在實際應用中，將一定頻率帶寬、一個調度周期作為一個時頻資源塊(RB)，并在同一RB上利用不同中繼衛(wèi)星進行空分復用，對所有中繼衛(wèi)星進行全局的統(tǒng)籌規(guī)劃，盡可能提高系統(tǒng)的吞吐量和頻譜利用率。(2)業(yè)務服務質量(QoS)保證機制。中繼衛(wèi)星通信需要能夠支持多類型媒體業(yè)務的傳輸，并且針對各種不同的業(yè)務類型，要提供相應的QoS保證。例如，對于語音、視頻等實時業(yè)務，調度需要考慮時延敏感性要求；對于數(shù)據(jù)類等非實時業(yè)務，調度需要考慮數(shù)據(jù)包的可靠性傳輸要求。本專利在多用戶比例公平調度的基礎上，綜合考慮了時延因素，使之適用于對時延比較敏感的實時業(yè)務，從而保證不同業(yè)務的QoS要求。(3)優(yōu)先級、公平性與有效性兼顧機制。加入了關于丟包率和任務優(yōu)先級的兩個函數(shù)權重因子，并各有一個調節(jié)參數(shù)，可以根據(jù)不同業(yè)務的需求對參數(shù)進行調節(jié)，使得調度更具靈活性。公平性是指各個用戶能夠獲得平等的調度機會，而有效性是指系統(tǒng)的頻譜利用率應盡可能地達到最大。公平性與有效性是相互制約的關系，當用戶信道條件較差時，若保證公平性，則必然會損失有效性，調度時應綜合考慮這兩個方面。對于軍事任務等任務優(yōu)先級較高的資源使用申請，使用本專利提出的調度算法，會快速提升其調度權重，提升其調度優(yōu)先級。本專利技術的有益效果為：(1)多用戶申請中繼衛(wèi)星資源提供了科學合理的調度方法，解決多用戶使用中繼衛(wèi)星資源時造成時間沖突、優(yōu)先級沖突造成衛(wèi)星資源難以調配的問題。(2)通過建模非線性寬帶資源動本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種面向多用戶的中繼衛(wèi)星空時頻域資源動態(tài)調度方法，包含以下步驟：一、接收各路用戶數(shù)據(jù)流；二、對每一路用戶數(shù)據(jù)流分別計算權重值；三、根據(jù)權重值為各用戶數(shù)據(jù)流分配時頻資源塊；所述權重值ωi(k,n)為：ωi(k,n)=Wi‾(n)τi(lg plrreq,ilg plract,i)σU(DHOL,i)ri(k,n)Ri‾(n),plract,i>0Wi‾(n)τiU(DHOL,i)ri(k,n)Ri‾(n),plract,i=0]]>U(DHOL,i)=1+ae-a(τi-DHOL,i)]]>?其中?k：時頻資源塊；?n：時隙；用戶數(shù)據(jù)流i在時隙n處的平均時延；τi：用戶數(shù)據(jù)流i的時延門限；plrreq,i：用戶數(shù)據(jù)流i的最大丟包率；plract,i：用戶數(shù)據(jù)流i的超過時延門限的實際丟包率；ri(k,n)：用戶數(shù)據(jù)流i的時頻資源塊k在時隙n處的數(shù)據(jù)傳輸速率；用戶數(shù)據(jù)流i在時隙n處的平均速率；σ：控制丟包率的調節(jié)因子；U(DHOL,i)：用戶數(shù)據(jù)流i的任務優(yōu)先級效用函數(shù)；a：控制優(yōu)先級提高速度的調節(jié)因子。...

【技術特征摘要】
1.一種面向多用戶的中繼衛(wèi)星空時頻域資源動態(tài)調度方法，包含以下步驟：一、接收各路用戶數(shù)據(jù)流；二、對每一路用戶數(shù)據(jù)流分別計算權重值；三、根據(jù)權重值為各用戶數(shù)據(jù)流分配時頻資源塊；所述權重值ωi(k,n)為：ωi(k,n)=Wi‾(n)τi(lgplrreq,ilgplract,i)σU(DHOL,i)ri(k,n)Ri‾(n),plract,i>0Wi‾(n)τiU(DHOL,i)ri(k,n)Ri‾(n),plract,i=0]]>U(DHOL,i)=1+ae-a(τi-DHOL,i)]]>其中k：時頻資源塊；n：時隙；用戶數(shù)據(jù)流i在時隙n處的平均時延；τi：用戶數(shù)據(jù)流i的時延門限；plrreq,i：用戶數(shù)據(jù)流i的最大丟包率；plract,i：用戶數(shù)據(jù)流i的超過時延門限的實際丟包率；ri(k,n)：用戶數(shù)據(jù)流i的時頻資源塊k在時隙n處的數(shù)據(jù)傳輸速率；用戶數(shù)據(jù)流i在時隙n處的平均速率；σ：控制丟包率的調節(jié)因子；U(DHOL,i)：用戶數(shù)據(jù)流i的任務...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：劉冰，蔣豐亦，魏春燕，朱赟恩，王偉長，
申請(專利權)人：中國航空無線電電子研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：上海;31