CN102752800A - 一种mf-tdma卫星系统中的载波信道选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种MF-TDMA卫星系统中的载波信道选择方法，该方法采用载波信道标签转换的方法，根据当前载波内的用户数及时更新经过调整后的载波信道标签，使后面接入的用户能正确的了解当前载波的实际情况，以便确定载波的负载情况，选择适当的载波进行接入，提高了信道资源利用率，避免用户拥有多业务连接时，由于载波信道标签的混乱和固定载波信道预约策略而引起的时隙资源分配失败情况，同时通过对调整后载波内的用户数实际情况的判断来合并时隙，有助于最大化程度减少时隙碎片的产生，提高载波信道内时隙碎片的重新利用，降低了用户时隙资源申请的拒绝率，有效提高了资源的利用率。

Description

一种MF-TDMA卫星系统中的载波信道选择方法

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选择方法，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。

如图1所示，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。

在对载波选择部分的研究中，最经典也是最具代表的是J.M.Park等人提出的RCP-FIT算法。RCP-FIT算法加入了载波标签的概念，将信道标志成为预约、共享和空载三种状态，采用了预约优先的信道选择方法，并与First-fit和Best-fit算法进行了比较并显示了较好的仿真结果。后来董启甲、张军等人针对RCP-FIT算法中不能适应多用户多业务接入场景的方面提出了可载波调整的载波预留算法(RCP-A)算法，在用户资源不能接入的情况下对业务资源进行整体的载波调整，解决了用户的信道选择问题。但此改进算法仍然不能解决在多用户多次连接和释放之后所造成的大量时隙碎片以及载波标签的混乱，需要针对其不足作出改进。

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选择方法，以保证载波信道的合理利用，降低由于载波信道负载不均衡引起的资源利用率低的问题，提高信道资源利用率。

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选择方法，其关键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)：星上资源管理器通过载波标签方式将载波预设为三种类型，分别为预约载波＝α、共享载波＝β、空闲载波＝γ，星上资源管理器接收用户终端发出的时隙申请，并判断用户终端是否为首次发出时隙申请，如果用户终端是首次发出时隙申请则按照步骤(3)进行处理；如果用户终端不是首次发出时隙申请则按照步骤(4)进行处理；

步骤(3)：用户终端属于首次发出时隙申请，按照以下步骤进行：

步骤3-1：星上资源管理器判断是否存在载波标签为γ的信道，如果存在，则选择一个载波标签为γ的信道分配给用户终端，并将该信道的载波标签改为α；如果不存在，则进入步骤3-2；

步骤3-2：星上资源管理器寻找当前系统中负载最小的载波信道作为目标载波信道；

步骤3-3：星上资源管理器在目标载波信道中进行时隙资源试分配，如果成功，则将该目标载波信道分配给用户终端，并将该载波信道签设为β；如果失败，则发送时隙申请失败消息，拒绝本次连接；

步骤(4)：用户终端不属于首次发出时隙申请，按照以下步骤进行：

步骤4-1：星上资源管理器将用户终端上次连接时分配的载波信道作为目标载波信道，并在该目标载波信道中进行时隙资源试分配，如果成功则进入步骤4-3；如果不成功，则进入步骤4-2；

步骤4-2：星上资源管理器进行载波信道调整，其具体过程如下：

步骤4-2-1：星上资源管理器查找系统当前是否存在载波标签为γ的信道，如果存在，则将用户终端的所有连接重置到该信道中，然后将该信道标签设为α，进入步骤4-2-4；如果不存在载波标签为γ的信道，则进入步骤4-2-2；

步骤4-2-2：获取用户终端的所有连接情况，计算调整用户终端所有连接所需的时隙总数，奖负载最小的载波信道调整为目标载波信道；

步骤4-2-3：在目标载波信道中进行时隙试分配，如果分配成功，则进入步骤4-2-4；如果分配失败，则进入步骤4-4；

步骤4-2-4：判断步骤4-2-2中被调整的载波中是否有多个用户终端占用的情况，如果只是单用户占用，则判断是否有时隙碎片，如果有时隙碎片，则合并时隙碎片并将信道标签改为α；如果是多个用户占用，则判断是否有时隙碎片，如果有时隙碎片，则计算当前时隙碎片的数量并将其纳入连接的可用时隙数中，将信道标签改为β，信道标签如果调整成功，进入步骤4-3；如果调整不成功，进入步骤4-4；

步骤4-3：载波分配成功，更新资源管理器中用户连接和资源分配信息，并向用户终端发送新的时隙分配结果；

步骤4-4：载波分配失败，拒绝用户终端本次连接。

本发明的显著效果是：采用载波信道标签转换的方法，根据当前载波内的用户数及时更新经过调整后的载波信道标签，使后面接入的用户能正确的了解当前载波的实际情况，以便确定载波的负载情况，选择适当的载波进行接入，提高了信道资源利用率，避免用户拥有多业务连接时，由于载波信道标签的混乱和固定载波信道预约策略而引起的时隙资源分配失败情况，同时通过对调整后载波内的用户数实际情况的判断来合并时隙，有助于最大化程度减少时隙碎片的产生，提高载波信道内时隙碎片的重新利用，降低了用户时隙资源申请的拒绝率，有效提高了资源的利用率。

附图说明：

图1是MF-TDMA卫星系统中的载波时隙结构图；

图2是本发明的控制流程图；

图3是图2中换载波调整方法的流程图；

图4是实施例中第一次用户时隙申请后的载波信道分配图；

图5是实施例中第二次连接开始后，用户A经过载波调整后的信道分配图；

图6是实施例中经过连续载波调整之后的载波信道分配图。

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2，图3所示，一种MF-TDMA卫星系统中的载波信道选择方法，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)：星上资源管理器通过载波标签方式将载波预设为三种类型，分别为预约载波＝α、共享载波＝β、空闲载波＝γ，星上资源管理器接收用户终端发出的时隙申请，并判断用户终端是否为首次发出时隙申请，如果用户终端是首次发出时隙申请则按照步骤(3)进行处理；如果用户终端不是首次发出时隙申请则按照步骤(4)进行处理；

步骤(3)：用户终端属于首次发出时隙申请，按照以下步骤进行：

步骤3-1：星上资源管理器判断是否存在载波标签为γ的信道，如果存在，则选择一个载波标签为γ的信道分配给用户终端，并将该信道的载波标签改为α；如果不存在，则进入步骤3-2；

步骤3-2：星上资源管理器寻找当前系统中负载最小的载波信道作为目标载波信道；

步骤3-3：星上资源管理器在目标载波信道中进行时隙资源试分配，如果成功，则将该目标载波信道分配给用户终端，并将该载波信道签设为β；如果失败，则发送时隙申请失败消息，拒绝本次连接；

步骤(4)：用户终端不属于首次发出时隙申请，按照以下步骤进行：

步骤4-1：星上资源管理器将用户终端上次连接时分配的载波信道作为目标载波信道，并在该目标载波信道中进行时隙资源试分配，如果成功则进入步骤4-3；如果不成功，则进入步骤4-2；

步骤4-2：星上资源管理器进行载波信道调整，其具体过程如下：

步骤4-2-1：星上资源管理器查找系统当前是否存在载波标签为γ的信道，如果存在，则将用户终端的所有连接重置到该信道中，然后将该信道标签设为α，进入步骤4-2-4；如果不存在载波标签为γ的信道，则进入步骤4-2-2；

步骤4-2-2：获取用户终端的所有连接情况，计算调整用户终端所有连接所需的时隙总数，奖负载最小的载波信道调整为目标载波信道；

步骤4-2-3：在目标载波信道中进行时隙试分配，如果分配成功，则进入步骤4-2-4；如果分配失败，则进入步骤4-4；

步骤4-2-4：判断步骤4-2-2中被调整的载波中是否有多个用户终端占用的情况，如果只是单用户占用，则判断是否有时隙碎片，如果有时隙碎片，则合并时隙碎片并将信道标签改为α；如果是多个用户占用，则判断是否有时隙碎片，如果有时隙碎片，则计算当前时隙碎片的数量并将其纳入连接的可用时隙数中，将信道标签改为β，信道标签如果调整成功，进入步骤4-3；如果调整不成功，进入步骤4-4；

步骤4-3：载波分配成功，更新资源管理器中用户连接和资源分配信息，并向用户终端发送新的时隙分配结果；

步骤4-4：载波分配失败，拒绝用户终端本次连接。

作为具体实施例，假设时隙申请＝Xi(n)，i＝1、2、3……，X为当前用户，n为当前用户所申请的时隙数。这时试着将接入用户数增大，首次有8个用户接入，分别为A1(4)、B1(6)、G1(4)、H1(6)、C1(3)、D1(6)、E1(2)、F1(3)，连接时间为6，即在包括此超帧以后的6个超帧中这8个用户都保持该连接状态。设定载波标签：预约载波＝α、共享载波＝β、空载载波＝γ，第一次连接后状态如图4所示。

例程1：如图5所示，当第二个超帧到来时，有5个用户发起第二次连接，分别为E2(2)、B2(8)、A2(2)、G2(8)、F2(2)，连接时间同样为6。这时我们可以看到用户A会进行载波调整，而在载波调整之后载波3变为共享信道，因此F2(2)到来时发现载波3中有可利用的时隙，这样管理器就不会对F用户再进行一次调整，F1(3)也不会留下时隙碎片，A1(4)留下的时隙碎片也会随之变为载波1的可用时隙。

例程2：如图6所示，当第二个超帧到来时，有4个用户发起第二次连接，为E2(2)、B2(8)、A2(2)、G2(8)，连接时间为6。载波调整后第三次连接到来，为A3(3)，这时资源管理器会再次为用户A进行载波调整，而当连续进行两次调整并采用本发明的方法之后，我们可以看到载波3的时隙碎片合并，而载波1的A1(4)为可用时隙，载波4为共享信道。此时的分配变得更加的合理，利用率也更高。

Claims (1)

1.一种MF-TDMA卫星系统中的载波信道选择方法，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)：星上资源管理器通过载波标签方式将载波预设为三种类型，分别为预约载波＝α、共享载波＝β、空闲载波＝γ，星上资源管理器接收用户终端发出的时隙申请，并判断用户终端是否为首次发出时隙申请，如果用户终端是首次发出时隙申请则按照步骤(3)进行处理；如果用户终端不是首次发出时隙申请则按照步骤(4)进行处理；

步骤(3)：用户终端属于首次发出时隙申请，按照以下步骤进行：

步骤3-1：星上资源管理器判断是否存在载波标签为γ的信道，如果存在，则选择一个载波标签为γ的信道分配给用户终端，并将该信道的载波标签改为α；如果不存在，则进入步骤3-2；

步骤3-2：星上资源管理器寻找当前系统中负载最小的载波信道作为目标载波信道；

步骤3-3：星上资源管理器在目标载波信道中进行时隙资源试分配，如果成功，则将该目标载波信道分配给用户终端，并将该载波信道签设为β；如果失败，则发送时隙申请失败消息，拒绝本次连接；

步骤(4)：用户终端不属于首次发出时隙申请，按照以下步骤进行：

步骤4-1：星上资源管理器将用户终端上次连接时分配的载波信道作为目标载波信道，并在该目标载波信道中进行时隙资源试分配，如果成功则进入步骤4-3；如果不成功，则进入步骤4-2；

步骤4-2：星上资源管理器进行载波信道调整，其具体过程如下：

步骤4-2-1：星上资源管理器查找系统当前是否存在载波标签为γ的信道，如果存在，则将用户终端的所有连接重置到该信道中，然后将该信道标签设为α，进入步骤4-2-4；如果不存在载波标签为γ的信道，则进入步骤4-2-2；

步骤4-2-2：获取用户终端的所有连接情况，计算调整用户终端所有连接所需的时隙总数，奖负载最小的载波信道调整为目标载波信道；

步骤4-2-3：在目标载波信道中进行时隙试分配，如果分配成功，则进入步骤4-2-4；如果分配失败，则进入步骤4-4；

步骤4-2-4：判断步骤4-2-2中被调整的载波中是否有多个用户终端占用的情况，如果只是单用户占用，则判断是否有时隙碎片，如果有时隙碎片，则合并时隙碎片并将信道标签改为α；如果是多个用户占用，则判断是否有时隙碎片，如果有时隙碎片，则计算当前时隙碎片的数量并将其纳入连接的可用时隙数中，将信道标签改为β，信道标签如果调整成功，进入步骤4-3；如果调整不成功，进入步骤4-4；

步骤4-3：载波分配成功，更新资源管理器中用户连接和资源分配信息，并向用户终端发送新的时隙分配结果；

步骤4-4：载波分配失败，拒绝用户终端本次连接。

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