CN103117830A - 多频时分多址接入系统非实时业务时隙封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合多频时分多址接入系统非实时业务的时隙封装方法，该方法包括时隙分配和时隙封装两个周期性顺序启动的操作步骤，其中时隙分配包括带宽请求列表更新和时隙调度两个操作步骤，时隙封装包括带宽请求聚合、轮转处理和顺序适应时隙封装三个操作步骤，该方法可以大大降低实现的复杂度和计算量，减小了时隙碎片出现的可能，有效提高了系统时隙封装的效率和非实时业务分组在系统中的传输时延性能。

Description

多频时分多址接入系统非实时业务时隙封装方法

技术领域

本发明涉及多频时分多址接入系统中的一种时隙封装方法，特别是多频时分多址接入系统中针对非实时业务的一种时隙封装方法。

背景技术

多频时分多址接入(Multi-frequency time division multiple accessMF-TDMA)是将频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)相结合的一种混合多址接入方式，是目前宽带卫星通信等无线通信系统所采用的主流多址接入技术。MF-TDMA将时域/频域上的资源以时隙/载波形式进行划分，允许众多用户终端共享一系列不同速率的载波，每个载波以时分方式使用。如图1所示，MF-TDMA帧是一个时隙/载波的二维矩阵，其中行表示载波，列表示时隙。与传统单载波TDMA体制相比，一方面可以降低对用户终端射频能力的要求，便于用户终端小型化；另一方面通过用户终端在多条载波上的灵活跳频可实现带宽的高效复用，易于实现大规模卫星网络的部署。

MF-TDMA系统的带宽分配与TDMA系统或FDMA系统相比有很大不同，需要解决时隙封装的问题。时隙封装是指根据终端带宽请求为每个终端在MF-TDMA帧中指定时隙位置的过程。经过时隙封装最终形成带宽分配信息用于指示全网终端的突发发送。时隙封装主要解决两个问题，一是确定终端在哪条载波上发射；二是确定终端在载波内哪些时隙内发射。时隙封装需要满足以下约束条件：

(1)每个时隙只能封装给一个用户终端，该约束主要是为了避免多个终端在同一时隙发送引起碰撞；

(2)每次为同一个终端封装的时隙总数不能超过一个载波所能容纳的总时隙数，该约束主要是为了避免为用户终端封装的时隙数超过其最大发射能力而造成带宽浪费；

(3)一个终端不能同时在两个或两个以上的载波上发射或接收，这是由于为了降低成本，MF-TDMA系统中用户终端通常只有一对收发信机，因此终端在同一时间只能在一条载波上发送和接收。

(4)针对同一个带宽请求封装的时隙应在一帧上连续分布，这样一方面可以提高帧效率，另一方面可以节省带宽分配信令的开销；

由于用户带宽请求大小及请求到达时间先后的随机性，时隙封装问题已被证明是一个NP Complete问题，很难从理论上给出最优算法和模型，因此现有算法均为启发式算法。

目前较为典型时隙封装算法为Park等人在文献“Allocation of QoSconnections in MF-TDMA satellite systems:a two-phase approach.IEEETransaction on Vehichular Technology.2005,54(1):177-190”中提出的预约信道优先(RCP Reserve Channel with Priority)算法，该算法将MF-TDMA载波分为“独占”、“共享”和“空闲”三类并分别进行标识。其中标识为“独占”的载波只能分配给某一个特定的用户终端，而标识为“共享”的载波可以在满足约束条件的基础上分配给不同的用户终端，标识“空闲”的载波表示该载波上没有分配任何业务。其工作流程如图2所示。具体如下：

(1)新连接到达首先应查看该连接所对应的用户终端在MF-TDMA帧中有无“独占”载波；

(2)如果有“独占”载波，进一步判断该载波是否有足够的空闲时隙满足新连接的带宽要求；

(3)如果“独占”载波能满足新连接的带宽需求，则在该载波上确定具体的时隙位置，完成时隙封装，如果载波中的空闲时隙不能满足该连接的请求，则拒绝该连接；

(4)如果该终端没有“独占”载波，在MF-TDMA帧中继续寻找是否还有空闲载波，如果有空闲载波，在该载波上为终端封装时隙，如果没有，继续寻找该终端是否有“共享”载波；

(5)如果该终端存在“共享”载波，则判断“共享”载波上是否有足够的空闲时隙满足新连接的带宽需求，如果“共享”载波上有足够的空闲时隙满足该连接的业务需求，则在该载波上为该连接进行时隙封装，如果共享载波上没有足够的空闲时隙，则拒绝该连接；

(6)如果终端既没有“独占”载波也没有“共享”载波，MF-TDMA帧中也没有“空闲”载波，则尝试搜索其它终端的“独占”载波中是否有足够的空闲时隙满足该连接的业务需求，如果存在，则在该载波上为进行时隙封装，并将该载波标识“共享”载波，如果其它终端的“独占”载波也没有足够的带宽满足该连接的业务需求就拒绝该连接的请求。

RCP方法的基本思想是通过“独占”方式使个别大业务量终端独占信道以保证其带宽需求。缺点主要有以下几个方面：

(1)将时隙分配与时隙封装过程一并实施，计算复杂度高；

(2)当终端数大于载波数，尤其是在多用户多连接的应用场景下，RCP算法的“独占”机制有可能会造成带宽的浪费，信道利用率不高；

(3)该算法主要针对慢速跳频终端，没有考虑快速跳频终端可以在帧内跳频的情况；

(4)该方法主要针对实时业务，为了避免业务在传输过程中产生时延抖动，在连续的MF-TDMA帧中为每条激活的业务连接保持了相同的时隙位置，这种作法会使信道产生大量时隙碎片，降低了时隙封装的效率。

另一种较为经典的是董启甲等人在文献“星上MF-TDMA系统信道管理方法.电子与信息学报.2009,31(10):2378-2384”中提出的动态调整子载波(RCP-A)方法，该方法是对RCP算法的改进，针对RCP算法时隙封装效率不高的问题，通过对载波负载的调整来实现各载波的负载均衡。然而RCP-A方法的不足之处在于：

(1)频繁的载波负载调整会增加信令的开销；

(2)无法彻底避免时隙碎片的产生，时隙封装效率还是会受到影响。

发明内容

本发明的目的是针对现有多频时分多址接入系统中时隙封装技术复杂度高，不区分业务特征，产生时隙碎片较多的问题，设计一种适合非实时业务特点的低复杂度时隙封装方法，该方法能够有效提高系统时隙封装效率，并且能够增强非实时业务分组的传输时延性能。

本发明的技术方案是提供了一种多频时分多址接入系统非实时业务时隙封装方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：时隙分配，即根据用户终端的带宽请求确定各请求能够获得的分配时隙数目；

步骤1.1：带宽请求列表更新，即根据用户终端的带宽请求信息，完成请求列表的更新；

步骤1.2：时隙调度，即根据系统可用时隙总数确定各带宽请求获得的分配时隙数目。

步骤2：时隙封装，即根据步骤1中时隙分配的结果，在MF-TDMA帧中为各终端指定时隙位置。

步骤2.1：带宽请求聚合，即根据获得分配时隙的带宽请求所属终端标识，确定每个终端所获取的分配时隙数目；

步骤2.2：带宽请求轮转，即根据上次用户终端进行时隙封装的顺序确定本次用户终端进行时隙封装的顺序；

步骤2.3：顺序适应封装，即按照步骤2.2中确定的用户终端时隙封装顺序，按照顺序适应方式依次确定各用户终端分配时隙在MF-TDMA帧中的具体位置。

进一步地，封装流程进一步通过以下步骤实现：

步骤2.3.1：根据A_UT和I_pre，判断当前载波剩余时隙是否能够满足该终端的时隙需求，如果满足则转入步骤2.3.2，如果不满足则转入步骤2.3.3

步骤2.3.2：根据式(1)-(3)分别确定I_start、I_end和I_FC，利用式(4)更新I_pre，本次时隙封装结束；

I_start=I_pre+1 (1)

I_end=I_pre+A_UT (2)

I_FC＝I_curr (3)

I_pre=I_end (4)

步骤2.3.3：判断T_ST-I_pre是否为0，如果为0则转入步骤2.3.4，否则转入步骤2.3.5；

步骤2.3.4：根据式(5)-(7)分别确定I_start，I_end和I_FC，根据式(8)和(9)分别更新I_pre和I_curr，本次时隙封装结束；

I_start=1 (5)

I_end＝A_UT (6)

I_FC＝I_curr+1 (7)

I_pre＝I_end (8)

I_curr＝I_curr+1 (9)

步骤2.3.5：根据式(10)-(12)分别确定I_start、I_end和I_FC，利用式(13)更新I_curr，转入步骤2.3.6

I_start=I_pre+1 (10)

I_end=M (11)

I_FC=I_curr (12)

I_curr=I_curr+1 (13)

步骤2.3.6：根据式(14)-(16)分别确定I_start、I_end和I_FC，利用式(17)更新I_pre，本次时隙封装结束；

I_start=1 (14)

I_end=M-I_pre (15)

I_FC＝I_curr (16)

I_pre＝I_end (17)

其中：载波标识I_FC，I_FC∈[1,…N]，

分配时隙起始标识I_start，I_start∈[1,…M]，

分配时隙终止标识I_end，I_end∈[I_start，…M]，

当前封装载波标识I_curr，I_curr∈[1,…N]，初值为1，终端获得的分配时隙数目为A_UT，前一个终端分配时隙终止标识I_pre。

本发明的有益效果是：将时隙封装分解为时隙分配和时隙封装两个步骤，在工程实现时可以大大降低各步骤实现的复杂度和计算量；在时隙封装过程中采用了带宽请求聚合处理，减小了时隙碎片出现的可能；在时隙封装过程中采用轮转处理的方式，有效保证了对各终端分配时隙在时延上的公平性，从而改善了系统中分组传输时延的整体性能。

附图说明

图1是本发明所涉及的MF-TDMA帧结构示意图；

图2是原有的RCP时隙封装方法工作流程图；

图3是本发明在MF-TDMA卫星通信系统中应用的场景示意图；

图4是本发明的操作流程图；

图5是本发明中步骤2.3的操作流程图；

图6a是已知的RCP算法的实施性能的一个示意图；

图6b是已知的RCP-A算法的实施性能的一个示意图；

图6c是本发明的实施性能的一个示意图；

图7是本发明与已有算法在时隙封装效率方面的仿真性能对比；

图8a是用户数为8个的本发明与已有算法在端到端分组传输时延方面的

仿真性能对比曲线图；

图8b是用户数为16个的本发明与已有算法在端到端分组传输时延方面的仿真性能对比曲线图；

图8c是用户数为32个的本发明与已有算法在端到端分组传输时延方面的仿真性能对比曲线图；

图9a是用户数为8个的本发明与已有算法在终端缓存平均分组个数方面的仿真性能对比曲线图；

图9b是用户数为16个的本发明与已有算法在终端缓存平均分组个数方面的仿真性能对比曲线图；

图9c是用户数为64个的本发明与已有算法在终端缓存平均分组个数方面的仿真性能对比曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图3-9对本发明的具体技术方案进行说明。

图3给出了本发明所应用的一种场景，该系统为基于MF-TDMA体制的宽带卫星通信系统，该系统由业务源、用户终端和卫星三大部分组成。用户终端由带宽管理代理、缓存队列和分组输出调度单元组成，带宽管理单元位于星上，主要包括星上处理单元和带宽管理单元两部分。来自业务源的分组根据业务类型不同分为实时业务和非实时业务在用户终端的缓存队列中分别缓存，带宽管理代理根据收到的带宽分配信息和当前缓存队列状态生成带宽请求并送至分组输出调度单元，分组调度单元通过MF-TDMA卫星信道将业务信息及带宽请求发送至星上处理单元，星上处理单元首先进行信息解析，将带宽请求信息送入带宽管理单元，带宽管理单元采用本发明的时隙封装方法生成带宽分配信息并通过TDM广播信道发送至带宽管理代理，带宽管理代理根据带宽分配信息指示分组调度单元进行业务发送。

本发明应用在该系统的带宽管理单元中，具体实施过程分为时隙分配和时隙封装两个周期性顺序启动的步骤，该周期可为MF-TDMA帧长，也可为帧长的整数倍。MF-TDMA帧长可以根据系统需求进行设计，例如可以参照欧洲电信标准化组织制定的数字视频广播-基于卫星回传信道(Digital video broadcasting-return channel via satellite DVB-RCS)标准中的设计，该标准规定MF-TDMA帧长为26.5ms。

如图4所示，本发明所述的多频时分多址接入系统非实时业务时隙封装方法包括如下步骤：

步骤1：时隙分配，即根据来自终端的带宽请求确定分配给每个带宽请求的时隙数目。进一步地可分为两个操作步骤：

步骤1.1：带宽请求列表更新，即根据用户终端的带宽请求信息，完成请求列表的更新。在本实施例中，来自终端的带宽请求R_i,j按照到达先后顺序存储在时隙分配单元的带宽请求列表中（如表1所示）。列表中每一项由带宽请求标识R_i，j和请求时隙数目k组成。不同的带宽请求通过两个角标进行区分，其中i为终端标识，j为同一终端内的请求标识，角标均按顺序编号。带宽请求列表更新启动时将来自终端的请求增加到带宽请求列表的尾部，同时删除上次获得分配时隙的带宽请求信息。

步骤1.2：时隙调度，即根据系统可用时隙总数确定各带宽请求获得的分配时隙数目。时隙调度策略可以根据先来先服务的方式顺序处理，也可以按照其它调度策略，表2给出按照先来先服务方式的时隙分配结果。受系统可用时隙数目限制，表1中位于R_3,1之后的带宽请求没有得到分配时隙。

表1带宽请求列表示例

表2时隙分配结果示例

序号	终端请求标识	分配时隙数目
			1	R1，1	11
2	R2,1	13
			3	R2,2	12
4	R1,2	8
			5	R3，1	20

步骤2：时隙封装，即根据时隙分配的结果，确定每个终端在MF-TDMA矩阵中占用时隙的位置。进一步地可分为以下三个操作步骤：

步骤2.1：带宽请求聚合，即根据获得分配时隙的带宽请求所属终端标识，确定每个终端所获取的分配时隙数目。在本实施例中，根据表2的时隙分配结果可以得出带宽请求聚合后各终端获得时隙数目的情况如表3所示。

表3带宽请求聚合后时隙分配表示例

序号	终端标识	分配时隙数目	对应带宽请求
				1	1	19	R1,1=11，R1,2=8
2	2	25	R2,1=13，R2,2=12
				3	3	20	R3，1=20

步骤2.2：轮转处理，即确定用户终端进行时隙封装的顺序。根据前一次轮转处理后终端进行时隙封装的顺序，将排在第1位的终端移至表尾，将其它终端前提一位，进行首次轮转处理时，将终端时隙封装的顺序按照终端序号从小到大排列。在本实施例中，假定前一次轮转处理为首次，则本次轮转处理将前一次处理时排在第1位的1号终端移至表尾，并将2、3号终端前移1位，轮转处理后时隙分配表如表4所示。从表中可以看出，2号终端排在表首，1号终端排在表尾。

表4轮转处理后的时隙分配表示例

序号	终端标识	分配时隙数目	对应带宽请求
				1	2	25	R1，1=11；R1,2=8
2	3	20	R2,1=13；R2,2=12
				3	1	19	R3,1=20

步骤2.3：顺序封装，即按照步骤2.2中确定的用户终端时隙封装顺序，按照顺序适应方式依次确定各用户终端分配时隙在MF-TDMA帧中的具体位置。在本实施例中，MF-TDMA帧中载波数为N，每载波时隙数为M，时隙位置由载波标识I_FC(I_FC∈[1，…N])，分配时隙起始标识I_start(I_start∈[1，…M])，分配时隙终止标识I_end(I_end∈[I_start，…M])唯一确定，在顺序封装过程中系统还需记录当前封装载波标识I_curr(I_curr∈[1，…N]，初值为1)，终端获得的分配时隙数目为A_UT，前一个终端分配时隙终止标识I_pre（初值为1）。封装流程如图5所示，进一步分为以下操作步骤：

步骤2.3.1：根据A_UT和I_pre，判断当前载波剩余时隙是否能够满足该终端的时隙需求，如果满足则转入步骤2.3.2，如果不满足则转入步骤2.3.3

步骤2.3.2：根据式(1)-(3)分别确定I_start、I_end和I_FC，利用式(4)更新I_pre，本次时隙封装结束；

I_start＝I_pre+1 (1)

I_end＝I_pre+A_UT (2)

I_FC＝I_curr (3)

I_pre=I_end (4)

步骤2.3.3：判断T_ST-I_pre是否为0，如果为0则转入步骤2.3.4，否则转入步骤2.3.5；

步骤2.3.4：根据式(5)-(7)分别确定I_start，I_end和I_FC，根据式(8)和(9)分别更新I_pre和I_curr，本次时隙封装结束；

I_start=1 (5)

I_end＝A_UT (6)

I_FC＝I_curr+1 (7)

I_pre＝I_end (8)

I_curr＝I_curr+1 (9)

步骤2.3.5：根据式(10)-(12)分别确定I_start、I_end和I_FC，利用式(13)更新I_curr，转入步骤2.3.6

I_start=I_pre+1 (10)

I_end=M (11)

I_FC=I_curr (12)

I_curr=I_curr+1 (13)

步骤2.3.6：根据式(14)-(16)分别确定I_start、I_end和I_FC，利用式(17)更新I_pre，本次时隙封装结束。

I_start=1 (14)

I_end=M-I_pre (15)

I_FC＝I_curr (16)

I_pre＝I_end (17)

当N＝2，M＝32时，本实施例时隙封装结果如表5所示。

表5时隙封装结果示例

为了说明本发明的实施效益，下面给出一个例子，如图6a-c所示。假设系统内有2条MF-TDMA载波和4个终端(A、B、C和D)，每载波为16个时隙，终端带宽请求到达的顺序为A1(3)、B1(4)、C1(5)、D1(7)、A2(3)和D2(4)，其中A1(3)表示来自终端A的第1个带宽请求，请求的时隙数为3，其它也类似。

若采用RCP方法：A1(3)和B1(4)首先分别被封装到两个载波上，接着C1(5)请求被封装的到负载较小的载波1中，此时载波1被标识为“共享”，因此D1(7)也被封装到载波1中。当再次收到终端A的带宽请求A2(3)时，由于根据RCP方法，A2(3)只能在载波1中进行封装，但此时载波1已无法满足A2(3)的带宽请求，与此同时载波2却由于被标识为“独占”，即使有空闲带宽也不能得到有效利用。

若采用RCP-A方法，通过将属于终端A的带宽请求整体搬移至载波2，可以满足A2(3)请求，但对于请求D2(4)，由于当前空闲的时隙位置均无法满足约束条件(3)，因此无法为请求D2(4)封装时隙。

采用本发明在时隙封装前先对来自同一终端的带宽请求进行聚合，如图6c)所示，来自终端A的两个请求A1(3)和A2(4)首先被一同封装至载波1，其次是将来自终端B和C的带宽请求B1(4)和C1(5)封装至载波1，由于载波1已被完全占用，最后将来自终端D的带宽请求D1(7)和D2(4)封装至载波2。三种方法相比，只有本发明的方法对所有带宽请求实现时隙封装，提高了封装效率。

为了进一步对本发明的有益效果进行验证，依照图2所示模型搭建仿真场景。衡量指标包括时隙封装效率、端到端分组传输时延和终端缓存平均分组个数。其中封装效率为成功实现封装的时隙数目与系统可用时隙数目之比。业务源采用PowONOFF模型，分组以ATM信元为基本传输单元，用户平均信息速率分别取1024kbps、512kbps和128kbps，用户数目分别取8、16和64，仿真参数如表6所示。

仿真所得时隙封装效率如图7所示，其中横轴为归一化系统负载，纵轴为时隙封装效率，从图中可以看出，本发明获得封装效率为100%，远高于RCP和RCP-A算法，这主要是由于时隙封装效率受约束条件(3)的影响，而本发明中的带宽请求聚合处理机制使时隙封装过程避免了约束条件(3)的限制。

图8a-c给出了各种用户数情况下，三种方法的分组端到端时延对比，横轴为归一化系统负载，纵轴为分组端到端传输时延。从图中可以看出，由于时隙封装效率高，本发明在不同用户数情况下分组传输时延性能均优于RCP及RCP-A算法，尤其是在高负载条件下体现得更为突出。

图9a-c给出了不同用户数下三种算法终端缓存平均分组个数的对比，横轴为归一化系统负载，纵轴为终端缓存平均分组个数。从图中可以看出，在各种用户数情况下，本发明都优于RCP和RCP-A算法，尤其是在高业务负载条件下，优势更为明显。

表6系统参数

参数	取值
		卫星波束数目	36
基本信息速率/载波(kbps)	2048
		帧长(s)	0.192
时隙/帧	1024
		信元/时隙	1
MF-TDMA载波数目	4
		用户数目	8/16/64
基本信息速率/用户(kbps)	1024/512/128
		业务源模型	PowONOFF

Claims (2)

1.一种多频时分多址接入系统非实时业务时隙封装方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：时隙分配，即根据用户终端的带宽请求确定各请求能够获得的分配时隙数目；

步骤1.1：带宽请求列表更新，即根据用户终端的带宽请求信息，完成请求列表的更新；

步骤1.2：时隙调度，即根据系统可用时隙总数确定各带宽请求获得的分配时隙数目；

步骤2：时隙封装，即根据步骤1中时隙分配的结果，在MF-TDMA帧中为各终端指定时隙位置；

步骤2.1：带宽请求聚合，即根据获得分配时隙的带宽请求所属终端标识，确定每个终端所获取的分配时隙数目；

步骤2.2：带宽请求轮转，即根据上次用户终端进行时隙封装的顺序确定本次用户终端进行时隙封装的顺序；

步骤2.3：顺序适应封装，即按照步骤2.2中确定的用户终端时隙封装顺序，按照顺序适应方式依次确定各用户终端分配时隙在MF-TDMA帧中的具体位置。

2.如权利要求1所述的多频时分多址接入系统非实时业务时隙封装方法，其特征在于，封装流程进一步通过以下步骤实现：

步骤2.3.1：根据A_UT和I_pre，判断当前载波剩余时隙是否能够满足该终端的时隙需求，如果满足则转入步骤2.3.2，如果不满足则转入步骤2.3.3；

步骤2.3.2：根据式(1)-(3)分别确定I_start、I_end和I_FC，利用式(4)更新I_pre，本次时隙封装结束；

I_start＝I_pre+1    (1)

I_end＝I_pre+A_UT    (2)

I_FC＝I_curr    (3)

I_pre＝I_end    (4)

步骤2.3.3：判断T_sT-I_pre是否为0，如果为0则转入步骤2.3.4，否则转入步骤2.3.5；

步骤2.3.4：根据式(5)-(7)分别确定I_start，I_end和I_FC，根据式(8)和(9)分别更新I_pre和I_curr，本次时隙封装结束；

I_start=1    (5)

I_end＝A_UT    (6)

I_FC＝I_curr+1    (7)

I_pre＝I_end    (8)

I_curr＝I_curr+1    (9)

步骤2.3.5：根据式(10)-(12)分别确定I_start、I_end和I_FC，利用式(13)更新I_curr，转入步骤2.3.6

I_start＝I_pre+1    (10)

I_end＝M    (11)

I_FC＝I_curr    (12)

I_curr=I_curr+1    (13)

步骤2.3.6：根据式(14)-(16)分别确定I_start、I_end和I_FC，利用式(17)更新I_pre，本次时隙封装结束；

I_start=1    (14)

I_end=M-I_pre    (15)

I_FC＝I_curr    (16)

I_pre＝I_end    (17)

其中：载波标识I_FC，I_FC∈[1,…N]，

分配时隙起始标识I_start，I_start∈[1,…M]，

分配时隙终止标识I_end，I_end∈[I_start，…M]，

当前封装载波标识I_curr，I_curr∈[1,…N]，初值为1，终端获得的分配时隙数目为A_UT，前一个终端分配时隙终止标识I_pre。

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