CN103944630A - 一种空间信息网络的信道动态带宽分配及接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种卫星网络越区切换的方法。具体为：(1)设计了通用媒体接入控制(MAC)帧格式，使MAC层能够支持LEO卫星与GEO卫星之间的各种关联，具体包括关联请求及响应帧、重新关联请求及响应帧和去关联帧等管理类MAC帧；(2)同时，为了保证越区切换的成功率和可靠性，我们在通用MAC帧头的帧控制域中设计了优先级，确保越区切换时关联类管理MAC帧的优先级最高；(3)在以上设计的通用MAC帧和具体关联类管理MAC帧的基础上，并结合天基或地基测控通信管理中心基于轨道六根数参数的姿态控制作用下，发明了一种快速可靠的卫星网络越区切换流程。本发明虽以GEO/LEO卫星为例进行说明，但可适用于GEO/MEO卫星之间的越区切换。

Description

一种空间信息网络的信道动态带宽分配及接入方法

技术领域

本发明涉及空间信息网络中信道的动态带宽分配以及接入方法的领域，主要是针对同步(GEO)卫星为其覆盖区中的中低轨(MEO/LEO)卫星及飞行器分配动态带宽的信道以及采用何种接入方式展开的讨论，旨在提高信道资源的利用率，在现有的科学基础上提出了此方法。

背景技术

MEO/LEO卫星或飞行器与GEO卫星间进行通信的基础是信道的分配和接入，每当有飞行器进入或离开GEO卫星的覆盖区域时，就需要一种技术来对信道进行重新分配，也需要一种技术使得飞行器能快速并且有序地接入到信道中去，以确保信道带宽资源得到充分利用。研究调查发现，目前存在一些针对于卫星网络信道分配的研究，而针对于卫星网络信道带宽动态分配的文献却很少。然而，随着时代的发展，科技的进步，我国MEO/LEO卫星数目的增加，各种数据的传输对卫星的依赖也越来越重，因此对空间信息网络中的通信服务质量的要求也越来越高，若只依赖于现有的信道分配方法，这样将使得空间资源不能得到充分利用，造成带宽资源的大量浪费；当飞行器数目急剧增加时，也会使得飞行器接入信道困难，造成数据拥塞传输甚至数据丢失等恶劣情况的发生，所以研究出一种解决空间信息网络信道带宽动态分配及有效的接入方法尤为重要。

根据上面所陈述的事实，本发明给出了一种空间信息网络信道带宽动态分配及有效接入方法，适用于MEO/LEO卫星或飞行器与类似于GEO卫星的接入点间的通信。为便于说明本发明内容，先以GEO卫星与MEO/LEO飞行器为例来阐述问题。

发明内容

本发明主要目的是为了解决信道带宽动态分配和如何有序、有效地接入信道进行通信的问题。GEO卫星的覆盖区域虽然是有限的，但是区域面积却很广，占到了地球表面的三分之一及其空间环境，因此可以预先将该覆盖区按位置划分为多个子区域，这样可以便于GEO卫星对区域中的飞行器进行管理，见附图1。当有飞行器进入GEO卫星的覆盖区域时，若飞行器有数据需要与GEO卫星进行通信，则会发生信道带宽变更与接入。此时飞行器i向GEO卫星发送请求关联帧，设计在请求关联帧上添加飞行器所在的位置、所要传输的数据类型和数据量等信息；GEO卫星收到请求关联帧后根据其位置信息将该飞行器划分到所属的子区域S_i中，同时计算该子区域中飞行器个数占GEO卫星覆盖区域中飞行器总数的比例a_i、计算该子区域中需要传输的总的数据量占GEO卫星覆盖区域中所有飞行器需要传输的总数据量的比例β_i、计算该子区域中非紧急数据的最高优先级(为1)飞行器数目占GEO卫星覆盖区域中所有非紧急数据的最高优先级(为1)飞行器数目的比例γ_i；为了更好地提供卫星的服务质量，设计给此三个比例分别分配权重0.3，0.5，0.2，然后按比例分配信道带宽，即为飞行器i所在的子区域分配的信道带宽为B_i＝(0.3a_i+0.5β_i+0.2γ_i)B，其中B是GEO卫星所能分配的带宽。

飞行器基于现有的高级在轨系统(AOS)的空间数据链路协议进行修改，向GEO卫星发送请求关联帧，具体基于AOS空间数据链路协议的传送帧结构的请求关联帧格式，见附图2所示，其中：

位置信息6字节，2字节表示经度，2字节表示纬度，最后2字节表示飞行器距地球表面的高度；1bit表示紧急数据，0表示将要传输的数据为紧急数据，1则相反；3bits用以表示数据类型，具体见附图5；数据长度28bits，可表示最长2²⁸＝268435456(KB)，最高可表示256GB数据量，这对于现有情况来说是够用的。

当为子区域分配完信道带宽后，为避免增加开销，GEO卫星采用数据链路层AOS协议向飞行器发送关联响应帧，告知其优先级P_i以及比该飞行器高一个优先级的飞行器个数a_i，具体基于AOS空间数据链路协议的传送帧结构的请求关联帧格式，见附图3所示，其中：

3bits用以表示飞行器需要传输数据的优先级，000表示最高优先级，仅供紧急数据使用，001表示非紧急数据的最高优先级，以此类推；1字节表示比该飞行器的优先级仅高一级的飞行器数目，2⁸＝256满足现目前的一般状况；中心频率和信道带宽各用2字节表示；1字节表示飞行器所属的子区域编号。

当飞行器i接收到该关联响应帧后，立即更新自身P_i与a_i值，并判断a_i是否为零，若为零，飞行器立即抢占信道，准备接入信道，反之则不参与信道竞争，继续采集数据。

GEO卫星定时向覆盖区内分子区域的向飞行器发射广播帧，根据不同子区域的波束频段不同采用相应的频率进行发射，取固定时间间隔3s，广播帧的帧格式见附图4所示，其中1字节表示子区域编号，广播当前飞行器所处的子区域；1字节表示信道宽度，广播飞信器所处的子区域所分配到的信道宽度；2字节表示信道带宽的中心频率；3bits表示该子区域中的当前最高优先级；1bit表示信道状态标志位，0表示信道空闲，1表示信道处于忙态；4bits预留。

飞行器收到该子区域的广播帧之后，获取到其现处的区域编号、所能通信的信道带宽大小、信道工作的中心频率、该子区域当前最高优先级，以及信道是否空闲等信息。若广播帧中最高优先级不为P_i且不为P_i-1，，则飞行器i不参与信道竞争，继续采集数据；若广播帧中最高优先级为P_i-1，且控制位为0时，则飞行器i储存的a_i值减1，此时，飞行器仍旧不参与信道竞争；若广播帧中最高优先级为P_i，且控制位为0时，则飞行器i立即抢占信道，准备接入信道。

若有飞行器离开GEO卫星覆盖区时，飞行器向GEO卫星发射去关联帧解除关联。

GEO卫星与MEO/LEO飞行器通信的信道动态带宽分配方法以及接入方法的具体流程如附图6所示。

步骤100：开始。

步骤110：飞行器i进入GEO卫星覆盖区，判定飞行器i是否要与卫星进行通信，若需要则进行下一步操作，否则不操作，结束。

步骤120：飞行器i向希望通信的GEO卫星发送包含位置信息、需要传输数据的类型和数据量信息的请求关联帧。

步骤130：GEO卫星收到请求帧后判断飞行器所在的子区域S_i。

步骤140：GEO卫星计算a_i、β_i和γ_i的值，同时计算出分配到该子区域的信道带宽为B_i＝(0.3a_i+0.5β_i+0.2γ_i)B。

步骤150：GEO卫星判断飞行器i所通信的数据是否紧急，若是则执行步骤160，反之，跳转到步骤180。

步骤160：GEO卫星将飞行器i优先级置0，获得预留优先级，进入步骤170。

步骤170：飞行器i开始抢占信道，利用所分配的信道带宽进行通信，通信完毕后，进入步骤230。

步骤180：GEO卫星统计比飞行器i所需传输数据优先级P_i仅高一个优先级的飞行器数a_i，并将该信息附加在关联响应帧中发送给飞行器i。

步骤190：飞行器收到响应帧后判定a_i是否等于0，若是则跳转执行步骤220，反之，跳执行步骤200。

步骤200：当a_i≠0，飞行器仅采集数据，不参与信道竞争，此时只有比飞行器i优先级高的优先级抢占信道。

步骤210：当有一个比飞行器i优先级高的优先级使用完信道并且释放信道后，GEO卫星通过广播帧将a_i＝a_i-1后，跳转到步骤190。

步骤220：当a_i＝0，飞行器i开始抢占信道，利用所分配的信道进行通信。

步骤230：结束。

以上GEO卫星与MEO/LEO飞行器通信的信道动态带宽分配以及接入方法的流程，可以确保空间网络信道资源得到充分利用，并且确保GEO卫星和MEO/LEO飞行器之间快速、可靠、有序、有效地通信。

附图说明

图1GEO卫星及其覆盖区域内MEO/LEO飞行器共存场景；

图2基于AOS空间数据链路协议的传送帧结构的请求关联帧格式；

图3基于AOS空间数据链路协议的传送帧结构的响应关联帧格式；

图4子区域的广播帧帧格式；

图5数据类型与优先级对应关系；

图6动态带宽分配方法以及接入方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明作进一步说明。

情景模拟：在GEO卫星覆盖区内，存在多个MEO/LEO卫星以及飞行器想与之进行通信。假设GEO卫星工作在L频段，中心频率为1.6GHz，GEO卫星可用带宽B为320MHz，用一个字节来划分信道带宽，将其平均划分为2⁸＝256份，即动态分配带宽的最小值为1.25MHz。假设此时GEO卫星覆盖区中有A(0x0000001)、B(0x0000002)、C(0x0000001)、D(0x0000002)、E(0x0000001)、F(0x0000002)、G(0x0000001)、H(0x0000007)、I(0x0000002)、J(0x0000001)、K(0x0000000)共10个飞行器进入(注：A(e)：A表示飞行器名称，e表示该飞行器需要传输数据量的长度，采用16进制表示)，部分飞行器需要与GEO卫星进行通信，而部分飞行器与GEO卫星并无数据传送。例如飞行器K并无与GEO卫星的通信数据，故对于飞行器K来说，GEO卫星并不采取任何行动。而对于飞行器A、B、C、D、E、F、G、H、I、J均与GEO卫星有数据需要发送，则会发生信道带宽变更与接入。

飞行器A、B、C、D、E、F、G、H、I、J先向GEO卫星发送请求关联帧，在请求关联帧上添加其所在的位置、所要传输的数据类型和数据量等信息；GEO卫星收到请求关联帧后根据各个飞行器所处位置信息将各飞行器划分到所属的子区域S_i中，例如：将A、B、C、D划分为子区域S₁，将E、F、G划分为子区域S₂，将H划分为子区域S₃，将I、J划分为子区域S₄。

根据各个飞行器所上报的数据量计算该子区域中飞行器个数占GEO卫星覆盖区域中飞行器总数的比例α_i，例如，S₁占GEO卫星覆盖区域中飞行器总数的计算该子区域中需要传输的总的数据量占GEO卫星覆盖区域中所有飞行器需要传输的总数据量的比例β_i，例如:S₁区域中，飞行器A携带的数据量为0x0000001＝(1)₁₀，飞行器B携带的数据量为0x0000002＝(2)₁₀，飞行器A携带的数据量为0x0000001＝(1)₁₀，飞行器A携带的数据量为0x0000002＝(2)₁₀。故S₁需要传输的总的数据量占GEO卫星覆盖区域中所有飞行器需要传输的总数据量的根据各个飞行器所上报的数据类型，自行划分优先级(划分依据见附图5)，如A[2]、B[3]、C[1]、D[1]、E[1]、F[1]、G[2]、H[2]、I[1]、J[0]。注：[]里面代表的是优先级，0代表优先级最高，预留为紧急数据所用，1代表非紧急数据的最高优先级，依次类推。根据上述假设，GEO卫星计算各个子区域中非紧急数据的最高优先级(为1)飞行器数目分别占GEO卫星覆盖区域中所有非紧急数据的最高优先级(为1)飞行器数目的比例γ_i，例如S₁该子区域中非紧急数据的最高优先级(为1)飞行器数目占GEO卫星覆盖区域中所有非紧急数据的最高优先级(为1)飞行器数目的

为了更好地提供卫星的服务质量，综合考虑多方面影响因素，给此三个比例分别分配权重0.3，0.5，0.2，然后按比例分配信道带宽，即为飞行器i所在的子区域分配的信道带宽为B_i＝(0.3a_i+0.5β_i+0.2γ_i)B，例如为飞行器A、B、C、D所在的子区域S₁分配的信道带宽为

$B_1=[(0.3\×\frac{2}{5}+0.5\×\frac{3}{10}+0.2\×\frac{2}{5})\×2^8]\×\frac{320\mathrm{MHz}}{2^8}=111.25\mathrm{MHz}$

注：这里的[]代表取整；此时GEO卫星通过响应关联帧，将上述的计算结果(见附图2)发送给飞行器。具体关联响应帧所携带的信息，上文已给出，此处不再累述。

飞行器收到关联响应帧后，按优先级高低抢占所分配的信道进行通信。根据GEO卫星发送的关联响应帧内容，飞行器首先提取并存储a_i的值，然后判定a_i是否等于0，若是则飞行器i开始抢占信道，利用所分配的信道进行通信。反之，若a_i≠0，飞行器仅采集数据，不参与信道竞争，此时只有具有最高优先级的飞行器抢占信道。当有一个比飞行器i的优先级仅高一级的飞行器使用完信道并且释放信道后，GEO卫星通过广播帧将a_i＝a_i-1后,然后飞行器继续判定a_i是否等于0。

以上是GEO卫星与MEO/LEO飞行器通信的信道动态带宽分配方法以及接入方法的流程，可以确保GEO卫星和MEO/LEO飞行器之间快速可靠地通信。

在此说明书中，本发明已参照特定的实施实例做了描述。但是，很显然仍可以做出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (3)

1.本发明提出一种空间信息网络中信道的动态带宽分配以及接入方法，具体为：(1)设计了同步(GEO)卫星对其覆盖区中的中低轨(MEO/LEO)卫星和飞行器的一种信道动态分配方法；(2)基于高级在轨系统(AOS)的空间数据链路协议的帧结构，在现有的基础上修改并设计关联请求帧、关联响应帧以及广播帧，在关联请求帧上添加飞行器的位置信息、需要传输的数据类型、紧急数据标志位与数据量，在关联响应帧中添加信道带宽、中心频率、子区域编号、飞行器传输数据的优先级以及比该飞行器的优先级高一级的飞行器个数信息，在广播帧中添加当前状态下各个子区域的信道带宽、中心频率以及最高优先级等信息；(3)基于上述方法，通过GEO卫星发送广播帧的形式动态更新飞行器信道带宽以及优先级状态，提供了一种可靠的信道动态带宽分配及接入方法，使带宽资源得到更为充分的利用。

2.根据权利要求1所述的一种空间信息网络的信道动态带宽分配及接入方法，其特征在于：

飞行器(编号i)进入GEO卫星覆盖区时，向GEO卫星发送关联请求帧，在关联请求帧上添加飞行器的位置信息、所要传输的数据类型和数据量等信息；GEO卫星收到这样的关联请求帧后根据其位置信息将该飞行器划分到所属的子区域S_i中，同时计算该子区域中飞行器个数占GEO卫星覆盖区域中飞行器总数的比例α_i、计算该子区域中需要传输的总的数据量占高轨GEO卫星覆盖区域中所有飞行器需要传输的总数据量的比例β_i、计算该子区域中非紧急数据的最高优先级(为1)飞行器数目占GEO卫星覆盖区域中所有非紧急数据的最高优先级(为1)飞行器数目的比例γ_i；为了更好地提供卫星的服务质量，设计给此三个比例分别分配权重0.3、0.5、0.2，然后按比例分配信道带宽，即为飞行器i所在的子区域分配的信道带宽为B_i＝(0.3α_i+0.5β_i+0.2γ_i)B，其中B是GEO卫星所能分配的带宽；

关联请求帧的帧实体：

6字节表示飞信器的位置信息，其中，2字节表示经度，2字节表示纬度，最后2字节表示飞行器距地球表面的高度；1bit表示紧急数据标志位，0表示将要传输的数据为紧急数据，1表示将要传输的数据为非紧急数据；3bits用以表示数据类型，000表示紧急数据，001表示视频数据，010表示音频数据，011表示图像数据，100表示文本数据，101—111预留；数据长度28bits，表示最长2²⁸＝268435456(KB)，最高可表示256GB数据量，这对于目前的一般情况来说是够用的；

当为子区域分配完信道带宽后，为避免增加开销，GEO卫星采用AOS的空间数据链路层协议向飞行器发送关联响应帧，告知其优先级P_i以及比该飞行器高一个优先级的飞行器个数a_i等信息；

关联响应帧帧实体：

3bits用以表示飞行器需要传输数据的优先级，000表示最高优先级，仅供紧急数据使用，001表示非紧急数据的最高优先级，以此类推；5bits预留；1字节表示比该飞行器的优先级仅高一级的飞行器数目，2⁸＝256满足现目前的一般状况；中心频率和信道带宽各用2字节表示；1字节表示飞行器所属的子区域编号；

当飞行器i接收到该关联响应帧后，立即更新自身P_i与a_i值，并判断a_i是否为零，若为零，飞行器立即抢占信道，准备接入信道，反之则不参与信道竞争，继续采集数据；

GEO卫星定时向覆盖区内所有飞行器发射广播帧，根据不同子区域的波束频段不同采用不同的频率进行发射，取固定时间间隔3s；

广播帧帧实体：

1字节表示子区域编号，广播当前飞行器所处的子区域；1字节表示信道宽度，广播飞信器所处的子区域所分配到的信道宽度；2字节表示信道带宽的中心频率；3bits表示该子区域中的当前最高优先级；1bit表示信道状态标志位，0表示信道空闲，1表示信道处于忙态，若广播帧中最高优先级为P_i-1，且控制位为0时，则飞行器i储存的a_i值减1；4bits预留；

飞行器收到该子区域的广播帧之后，获取到其现处的区域编号、所能通信的信道带宽大小、信道工作的中心频率、该子区域当前最高优先级，以及信道是否空闲等信息；若广播帧中最高优先级不为P_i且不为P_i-1，则飞行器i不参与信道竞争，继续采集数据；若广播帧中最高优先级为P_i-1，且控制位为0时，则飞行器i储存的a_i值减1,此时，飞行器仍旧不参与信道竞争；若广播帧中最高优先级为P_i，且控制位为0时，则飞行器i立即抢占信道，准备接入信道；

若有飞行器离开GEO卫星覆盖区时，飞行器向GEO卫星发射去关联帧解除关联。

3.根据权利要求2所述的一种空间信息网络的信道动态带宽分配及接入方法，其特征在于：

(1)飞行器i进入GEO卫星覆盖区，判定飞行器i是否要与卫星进行通信，若需要则进行下一步操作，否则不操作，结束；

(2)飞行器i向希望通信的GEO卫星发送包含位置信息、需要传输数据的类型和数据量信息的关联请求帧；

(3)GEO卫星收到关联请求帧后判断飞行器i所在的子区域S_i，并计算α_i、β_i和γ_i的值，根据计算的结果算出分配到该子区域的信道带宽B_i＝(0.3α_i+0.5β_i+0.2γ_i)B；

(4)GEO卫星判断飞行器i所通信的数据是否紧急，若是则执行步骤(5)，反之跳转到步骤(6)；

(5)GEO卫星将飞行器i优先级置0，获得紧急数据优先级(最高优先级)，进入步骤(8)；

(6)飞行器i收到关联响应帧后，判断a_i的值是否等于0，若a_i≠0，飞行器仅采集数据，不参与信道竞争，此时只有比飞行器i优先级高的飞行器抢占信道，仅当比飞行器i优先级高一个优先级的飞行器使用完信道并释放信道后，GEO卫星通过广播帧将a_i＝a_i-1；

(7)若a_i＝0，执行步骤(8)，否则跳转步骤(6)；

(8)飞行器i开始抢占信道，利用所分配的信道带宽进行通信。