CN102752039A - 一种mf-tdma卫星系统中的载波信道内时隙分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种MF-TDMA卫星系统中的载波信道内时隙分配方法，该方法将时隙资源树作为管理模型，同时引入优先级定位方法和二进制编码转换时隙分割法，将接收到的各用户终端时隙申请数按照从大到小的顺序进行重排列并标注优先级，并用二进制转换法把每一个用户终端的时隙数分割为2ⁿ的时隙块之和。这样在分配的过程中可以保证时隙申请量大的用户优先得到分配，减少业务时延，采用靠右原则的优先级分配法还可以使得大的时隙块首先得到大的时隙空间，不会因为时隙空间先被小时隙块占用而造成申请的拒绝，从而有效杜绝时隙碎片的产生，提高了资源利用率。

Description

一种MF-TDMA卫星系统中的载波信道内时隙分配方法

技术领域

本发明属于航天信息技术领域，具体涉及一种应用于航天信息领域的MF-TDMA通信卫星无线资源管理器中载波信道内时隙分配管理的方法设计，尤其是一种适合于在卫星节点管理上行链路资源，实现多用户(包括地面用户或航空飞行器)多业务通信的天基移动通信系统无线资源管理方法。

背景技术

天基移动通信系统是一种以卫星网络为主，利用不同轨道上多种类型的卫星作为网络接入节点来实现移动用户之间或移动用户与固定用户之间相互通信的一种无线通信系统。该通信系统具有星上自主的信息获取、存储、处理及分发能力，能与陆、海、空基的信息系统互联，实现信息的多元、立体共享，成为下一代移动通信(4G)和国家信息高速公路的重要组成部分。

宽带多媒体卫星通信系统的无线资源分配与管理是系统的关键技术之一。资源管理器的本质就是要解决多用户业务的无线资源共享问题。多频时分接入技术(MF-TDMA)是时分技术和频分技术的结合，是宽带多媒体卫星通信系统关键技术之一，被广泛应用于ATM-based，DVB-based和IP-based等卫星通信系统的上行链路设计中，是目前卫星移动通信技术研究的热点。

MF-TDMA技术中上行链路由多个载波信道构成，每个信道又被细分为若干个时隙，这种设计可以保证多用户、多业务接入的灵活性，提高卫星系统无线资源的利用率。在业务接入阶段，需要针对每个连接的QoS请求在复杂的信道结构中分配时隙资源，时隙资源的有效管理面临着巨大的挑战，面向用户QoS的高效时隙资源分配算法一直都是MF-TDMA技术的难点。

如图1所示，若将MF-TDMA中的载波/时隙资源占用表看成是一个二维的矩阵，其中列代表不同频率的载波，行表示按时间划分的时隙。目前，对于宽带多媒体卫星通信系统中的MF-TDMA，时隙资源分配问题中的约束条件主要有如下4个：(1)资源管理器响应终端发起的请求，为一个连接分配的资源要限制在一个载波中；(2)资源管理器为同一终端分配的时隙资源，在时间上不能重叠；(3)为避免冲突的发生，同一个时隙资源不能同时分配给两个连接；(4)为一个终端分配的时隙总数不能超过一个载波的时隙容量。由于上述限制的存在，所以同一个终端的所有连接资源往往分配到一个载波中。因此，时隙分配过程可以分解为两个步骤：载波选择和载波内时隙分配问题。第一步是确定在哪个载波信道中为终端用户分配资源，第二步是如何在该信道中确定可用时隙资源分配给终端。

MF-TDMA时隙资源分配问题可以描述为：在一定约束条件下，针对某业务对时隙数的需求，如何从上述时隙矩阵中的空闲时隙中寻找最优时隙位置的问题。具体来说，当MF-TDMA时隙分配器收到某业务的时隙需求后，时隙分配器将从时隙资源占用表中查找空闲时隙，并从中找到最合适的时隙分配给该业务，这种分配是需要满足一定约束条件的，同时需要按照业务的QoS要求分配时隙。时隙资源利用率反映了一个MF-TDMA系统的带宽可利用率，是评价系统性能的重要指标。

作为下一代移动通信(4G)和国家信息高速公路的重要组成部分，天基移动通信系统需支持语音、视频、数据等多媒体综合业务的传输，其中视频、语音，这些业务产生的业务流有自己的特点，业务对时间抖动的要求严格，也就是说资源管理器为连接分配的资源要时间上尽量均匀分布。

如图2所示，载波内时隙组织结构常采用时隙资源树的方式，按照时隙二进制编号的首位或末位，可以将所有时隙分为两个组，按照第二位，可以进一步将每一个组分为两个组。这样，时隙资源可以逐步二分，生成时隙资源树。

如图3所示，时隙资源树中的一个节点代表若干个时隙的集合，称之为时隙组成或时隙块，组的编号可以从上而下由树枝编号得到。每一层节点包括的时隙数是上一层节点的一半。

载波时隙表的管理是一个连续的过程，每个连接可以在系统内驻留多个超帧。现有的时隙管理方法有两种，一种是每个超帧的开始都重新分配当前在线连接，第二种方法是基于上一超帧的分配结果继续进行管理。采用第一种方法，每一次重新分配都相当于一次时隙整理，资源能够得到最大限度的利用，但分配给一个终端的时隙也不可避免的会经常发生变化，这样每个超帧资源管理器都必须下发大量新的时隙分配信令，增加了信令处理单元的处理压力。由于星地的传输长延时特性，星地交互过程要以简单为原则，所以要尽量少的去改变当前连接的资源分配情况。所以相比较而言第二种方法更适合于卫星通信的时隙管理中，但是在连续管理过程中，多次分配释放后时隙资源表中必然会出现时隙碎片，相应的就带来了如何有效的管理时隙碎片和快速查找空闲时隙资源的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种MF-TDMA卫星系统中的载波信道内时隙分配方法，

以保证载波内时隙资源的合理利用，消除或者尽量减少多次连接释放后产生时隙碎片的问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种MF-TDMA卫星系统中的载波信道内时隙分配方法，按照以下步骤进行：

步骤(1)：连接开始，用户终端根据需要向星上资源管理器发出时隙申请；

步骤(2)：星上资源管理器接收用户终端发出的时隙申请，计算每个用户终端的时隙申请数；

步骤(3)：星上资源管理器判断是否只有当前一个用户终端发出时隙申请，如果只有当前一个用户终端发出时隙申请，则进入步骤(4)进行时隙分割；如果有多个用户终端发出时隙申请，则按照每个用户终端的时隙申请数由大到小对用户终端进行重排列，并标注优先级，时隙申请数大的用户终端优先级高，然后转至步骤(4)进行时隙分割；

步骤(4)：按照优先级顺序将用户终端的时隙申请数由十进制数转换为相应的二进制数，然后根据二进制数到十进制数的转换形式将用户终端的时隙申请数分割为2ⁿ的和，n为0～7；

步骤(5)：判断载波内是否有足够的空闲时隙资源来满足当前用户终端的时隙请求，若能满足，则转至步骤(6)进行时隙分配过程，若不能满足则拒绝当前用户终端的时隙申请，进入步骤(7)；

步骤(6)：将当前用户终端的时隙申请数按照2ⁿ由大到小的优先级在资源树中服从靠右原则进行时隙分配，直到当前用户终端的时隙申请数分配完毕；

步骤(7)：判断此次连接中所有用户终端的时隙申请数是否已经处理完毕，如果已经处理完毕，则转至步骤(8)，如果还有用户终端的时隙申请未处理，则返回步骤(5)；

步骤(8)：时隙申请处理结束，向分配资源发生变化的用户终端下发新的时隙分配结果，等待下一次连接的到来。

本发明的显著效果是：将时隙资源树作为管理模型，能有效的将用户申请的时隙平均分配到载波内，保证了通信中的连贯性和实时性，满足用户业务需求的多样性，同时引入优先级定位方法和二进制编码转换时隙分割法，降低时隙分配算法的难度并防止多次连接释放后时隙碎片的产生。在分配时采用优先级定位的方法，将接收到的各用户终端时隙申请数按照从大到小的顺序进行重排列并标注优先级，并用二进制转换法把每一个用户终端的时隙数分割为2ⁿ的时隙块之和。这样在分配的过程中可以保证时隙申请量大的用户优先得到分配，减少业务时延，采用靠右原则的优先级分配法还可以使得大的时隙块首先得到大的时隙空间，不会因为时隙空间先被小时隙块占用而造成申请的拒绝，从而有效杜绝时隙碎片的产生。

附图说明：

图1是MF-TDMA卫星系统中的载波时隙结构图；

图2是载波内时隙编号方法；

图3是时隙资源树管理模型；

图4是本发明的时隙分配方法流程图；

图5是第一次用户连接后的时隙分配状态；

图6是用户B、C、D连接释放后的时隙占用状态；

图7是用户J时隙分配完成后的结果图；

图8是用户J、G、K、H时隙分配完成后的结果图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图4所示，一种MF-TDMA卫星系统中的载波信道内时隙分配方法，按照以下步骤进行：

步骤(1)：连接开始，用户终端根据需要向星上资源管理器发出时隙申请；

步骤(2)：星上资源管理器接收用户终端发出的时隙申请，计算每个用户终端的时隙申请数；

步骤(3)：星上资源管理器判断是否只有当前一个用户终端发出时隙申请，如果只有当前一个用户终端发出时隙申请，则进入步骤(4)进行时隙分割；如果有多个用户终端发出时隙申请，则按照每个用户终端的时隙申请数由大到小对用户终端进行重排列，并标注优先级，时隙申请数大的用户终端优先级高，然后转至步骤(4)进行时隙分割；

步骤(4)：按照优先级顺序将用户终端的时隙申请数由十进制数转换为相应的二进制数，然后根据二进制数到十进制数的转换形式将用户终端的时隙申请数分割为2ⁿ的和，n为0～7；

步骤(5)：判断载波内是否有足够的空闲时隙资源来满足当前用户终端的时隙请求，若能满足，则转至步骤(6)进行时隙分配过程，若不能满足则拒绝当前用户终端的时隙申请，进入步骤(7)；

步骤(6)：将当前用户终端的时隙申请数按照2ⁿ由大到小的优先级在资源树中服从靠右原则进行时隙分配，直到当前用户终端的时隙申请数分配完毕；

步骤(7)：判断此次连接中所有用户终端的时隙申请数是否已经处理完毕，如果已经处理完毕，则转至步骤(8)，如果还有用户终端的时隙申请未处理，则返回步骤(5)；

步骤(8)：时隙申请处理结束，向分配资源发生变化的用户终端下发新的时隙分配结果，等待下一次连接的到来。

下面通过实例对上述过程进行详细说明。

假设第一次连接开始时，有5个用户申请时隙资源，通过步骤(2)计算出各个用户终端的时隙申请数，例如当前接收状态为A(16)、B(32)、C(28)、D(12)、E(40)，括号内表示用户的时隙申请数，括号前表示用户名，星上资源管理器为其中某个含有128个时隙的载波分配了这5个用户申请。按照步骤(3)对当前申请的5个用户终端进行重排列，排列后的分配顺序依次为E₁(40)、B₂(32)、C₃(28)、A₄(16)、D₅(12)，这样不管在以后的分配过程中怎样变化，资源管理器都会很容易的识别当前应该分配哪个优先级的用户，使得后面的分配过程得以实施，同时也简化了资源管理器的识别过程。接着按照步骤(4)进行时隙分割，因为40＝2⁵+2³，32＝2⁵，28＝2⁴+2³+2²，16＝2⁴，12＝2³+2²，计算得E₁(40)＝E(32)+E(8)，B₂(32)＝B(32)，C₃(28)＝C(16)+C(8)+C(4)，A₄(16)＝A(16)，D₅(12)＝D(8)+D(4)。按照步骤(5)、(6)、(7)依次对用户终端A、B、C、D、E进行时隙分配，其结果如图5所示，此时的时隙利用率为100％。

假如用户终端B、C、D连接释放，则载波内的时隙占用情况如图6所示，此时的空闲时隙数为72。

当下一次连接开始时，如果有4个用户终端发出连接请求，分别记为G(20)、H(4)、K(8)、J(40)，按照优先级定位方法，此时的处理过程应该为：

星上资源管理器分别计算每个用户终端的时隙申请，然后按照从大到小的原则进行重排列，为J(40)、G(20)、K(8)、H(4)，然后按照重排列后的顺序为用户标注优先级，为J₁(40)、G₂(20)、K₃(8)、H₄(4)。

此时按照二进制编码转换的时隙分割法，通过计算可得40＝2⁵+2³，20＝2⁴+2²，8＝2³，4＝2²，因此J₁(40)＝J(32)+J(8)，G₂(20)＝G(16)+G(4)。按照时隙块优先级靠右填充方法，时隙申请J₁(40)的处理过程应该为：

对J₁(40)里面的时隙块进行从大到小的排序，并标注优先级，标注后的结果应该为J₁(40)＝J₁(32)+J₂(8)，然后根据时隙资源树中目前的空闲时隙块，采用靠右填充的方法将J₁(32)和J₂(8)依次分配到资源树中，分配后的结果如图7所示，所谓靠右填充也就是说从资源树中的最右边开始，将时隙块填充到符合要求的第一个空闲时隙块中，如果资源树中同时出现两个符合要求的空闲时隙块，也要以右边的空闲时隙块为准。

按照同样的原理，分别对G₂(20)、K₃(8)、H₄(4)进行时隙分配，分配后的结果如图8所示。

可以看到，采用了优先级时隙分配算法之后，每一个用户的申请都能被很合理的分配到相应的时隙组中，避免了时隙碎片的产生，而且能够很好的降低时隙分配算法的复杂度，保证业务量大的用户能够优先得到处理，满足面向用户QoS的高效时隙资源分配。

Claims (1)

1.一种MF-TDMA卫星系统中的载波信道内时隙分配方法，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤(1)：连接开始，用户终端根据需要向星上资源管理器发出时隙申请；

步骤(2)：星上资源管理器接收用户终端发出的时隙申请，计算每个用户终端的时隙申请数；

步骤(3)：星上资源管理器判断是否只有当前一个用户终端发出时隙申请，如果只有当前一个用户终端发出时隙申请，则进入步骤(4)进行时隙分割；如果有多个用户终端发出时隙申请，则按照每个用户终端的时隙申请数由大到小对用户终端进行重排列，并标注优先级，时隙申请数大的用户终端优先级高，然后转至步骤(4)进行时隙分割；

步骤(4)：按照优先级顺序将用户终端的时隙申请数由十进制数转换为相应的二进制数，然后根据二进制数到十进制数的转换形式将用户终端的时隙申请数分割为2ⁿ的和，n为0～7；

步骤(5)：判断载波内是否有足够的空闲时隙资源来满足当前用户终端的时隙请求，若能满足，则转至步骤(6)进行时隙分配过程，若不能满足则拒绝当前用户终端的时隙申请，进入步骤(7)；

步骤(6)：将当前用户终端的时隙申请数按照2ⁿ由大到小的优先级在资源树中服从靠右原则进行时隙分配，直到当前用户终端的时隙申请数分配完毕；

步骤(7)：判断此次连接中所有用户终端的时隙申请数是否已经处理完毕，如果已经处理完毕，则转至步骤(8)，如果还有用户终端的时隙申请未处理，则返回步骤(5)；

步骤(8)：时隙申请处理结束，向分配资源发生变化的用户终端下发新的时隙分配结果，等待下一次连接的到来。

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