CN104780569B - 多层卫星网络信道资源管理方法 - Google Patents

多层卫星网络信道资源管理方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104780569B
CN104780569B CN201510156025.5A CN201510156025A CN104780569B CN 104780569 B CN104780569 B CN 104780569B CN 201510156025 A CN201510156025 A CN 201510156025A CN 104780569 B CN104780569 B CN 104780569B
Authority
CN
China
Prior art keywords
user
bandwidth
satellite
layers
access
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510156025.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104780569A (zh
Inventor
孙力娟
郭小海
王汝传
周剑
韩崇
肖甫
郭剑
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing Post and Telecommunication University
Original Assignee
Nanjing Post and Telecommunication University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing Post and Telecommunication University filed Critical Nanjing Post and Telecommunication University
Priority to CN201510156025.5A priority Critical patent/CN104780569B/zh
Publication of CN104780569A publication Critical patent/CN104780569A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104780569B publication Critical patent/CN104780569B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W28/00—Network traffic management; Network resource management
    • H04W28/16—Central resource management; Negotiation of resources or communication parameters, e.g. negotiating bandwidth or QoS [Quality of Service]
    • H04W28/26—Resource reservation
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W72/00—Local resource management
    • H04W72/50—Allocation or scheduling criteria for wireless resources
    • H04W72/53—Allocation or scheduling criteria for wireless resources based on regulatory allocation policies
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W84/00—Network topologies
    • H04W84/02—Hierarchically pre-organised networks, e.g. paging networks, cellular networks, WLAN [Wireless Local Area Network] or WLL [Wireless Local Loop]
    • H04W84/04—Large scale networks; Deep hierarchical networks
    • H04W84/06—Airborne or Satellite Networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Radio Relay Systems (AREA)
  • Data Exchanges In Wide-Area Networks (AREA)

Abstract

本发明是一种多层卫星网络信道资源管理方法，首先提出了一段时间小区内允许接入新呼叫用户业务量的预测模型，准确预测了在一段时间内一个小区允许接入新呼叫用户的业务量，为不同用户接入多层卫星网络提供了决策支持；然后针对多层卫星网络进行信道资源分配，提高了整个卫星网络的信道资源利用率；再利用博弈论判断降级用户类型和降级数量，改进的升降级模型确定被降级用户具体的降级方法和被降级用户降级后的接入，使降级过程更加合理透明，保证高优先级用户接入的同时，提高了整体用户满意度。本发明使卫星网络中不同优先级的用户合理的接入到多层卫星网络，提高了整个卫星系统的信道资源利用率和用户满意度，降低了卫星信道资源浪费，提高了卫星通信效率。

Description

多层卫星网络信道资源管理方法
技术领域
本发明涉及一种多层卫星网络信道资源管理方法，属于卫星通信的技术领域。
背景技术
卫星通信相比于其他的通信方式，具有通信距离远(比如利用静止卫星进行通信，其通信距离最大可以达到18000km)、覆盖面积大、通信频带宽、传输容量大、机动灵活、通信线路稳定可靠等优势。21世纪以来，卫星通信迅速发展，无论在军事通信，还是商用通信以及个人通信中都发挥举足轻重的作用。随着4G网络的高速发展和移动终端的激增，人们对于多媒体业务和数据业务的需求越来越大，并且服务质量要求越来越高。针对用户日益增长的带宽和满意度要求以及卫星频带资源的稀缺性，怎样针对不同用户的不同需求来给用户分配带宽，提高卫星信道资源利用率的同时保证用户的满意度，成了卫星资源分配的关键问题。
目前卫星信道资源管理的研究中，在用户接入过程中，只是单独的考虑用户接入到卫星的某一层，没有从整个卫星系统来考虑不同用户的接入，并且升降级过程效率不高。通过文献调研，本发明提出了多层卫星网络信道资源管理方法，预测一段时间内小区允许接入新呼叫用户的业务量，将不同优先级的用户接入到整个卫星网络中，并且将博弈论和升降级与多层卫星相结合，提高了整个卫星网络信道资源利用率的同时，保证了用户满意度。
发明内容
技术问题：针对多层卫星网络的信道分配问题，本发明提供一种多层卫星网络信道资源管理方法，本发明解决主要技术问题有，卫星网络业务量预测不精确，不能为用户接入提供决策支持；只是在单层卫星网络中考虑卫星信道资源分配问题，导致整个卫星信道资源利用率不高，用户整体满意度较低；升降级模型只考虑用户带宽和接入时间，低优先级用户的降级过程不明确，降级后的用户满意度不高。
技术方案：本发明根据业务类型和用户类型将用户分为不同的优先级，通过对一个小区内新呼叫用户业务量的预测，再根据用户所需带宽的比较，将不同优先级的用户选择接入到最适合的那一层卫星，运用博弈论来判断对哪一类低优先级的用户进行降级以及降级数量，最后改进升降级模型确定被降级用户具体的降级方法和被降级用户降级后的接入。本发明通过预测、接入、博弈、升降级四个步骤来给用户分配卫星信道资源，提高了整个卫星系统的资源利用率的同时,也提高了用户的满意度。
本发明提出了一种多层卫星网络信道资源管理方法，用以解决多层卫星网络中的信道资源管理问题。首先，为了对一个小区内不同用户的接入控制提供决策支持，本发明预测了小区允许接入新呼叫用户的业务量；然后为了提高整个卫星网络的信道资源利用率，针对不同层卫星网络进行卫星信道资源分配；为了提高卫星的信道资源利用率和被降级用户满意度，用博弈论来判断降级用户类型和所需降级带宽；改进了升降级模型，使降级过程更加透明合理，提高了被降级用户满意度。
一、体系结构：
本发明主要由四个部分组成，一是预测部分，运用时间序列模型来预测一段时间内小区允许接入新呼叫用户的业务量；二是优先级不同的用户接入到多层卫星网络部分，根据新呼叫用户的业务量和用户的所需带宽来选择用户接入到哪一层卫星网络中；三是选择接入某一层卫星后，根据博弈模型来判断用户是否接入,以及判断降级类型和降级数量；四是针对多层卫星网络，根据升降级模型来确定具体对哪一个用户进行升降级，完成降级，确定用户能够接入哪一层卫星。
新呼叫用户业务量的预测：
研究表明，卫星网络业务量具有自相似性，即对于卫星网络业务量在时间t与过去时间t-s，不论s大小，t与t-s时刻的业务量都存在一定的相关性。对于一段时间小区允许接入新呼叫用户业务量的预测在卫星网络的信道资源分配具有重要参考价值和意义。本专利所考虑的小区是指(如图1)所示的三层卫星点波束同时覆盖的小区。本专利运用乘积季节求和自回归滑动平均模型来预测卫星网络允许接入不同用户的新呼叫业务量。
对于零均值平稳序列{Xt}中，对任意时刻的样本值满足线性差分方程:
Xt-φ1Xt-1-φ2Xt-2-...-φpXt-p＝at-θ1at-1-θ2at-2-...-θqat-q。
上式是自回归滑动平均模型的标准形式，记为ARMA(p,q),其中at是白噪声序列满足E(at)＝0，E(at 2)＝δ2＜∞，p和q分别为自回归项和滑动平均项的阶数。其中和θi分别称为自回归系数和滑动平均系数。在上述模型中序列{Xt}必须满足是平稳序列，但是在卫星网络中小区内新呼叫业务量序列是非平稳的，并且新呼叫业务量的产生伴随着一定的周期性。所以引入乘积季节ARIMA模型来预测卫星网络新呼叫业务量。
若时间序列{Xt}满足如下公式：
φ(B)Φ(B)▽d▽s DXt＝θ(B)Θ(B)at，
{Xt}满足乘积季节ARIMA模型，记为ARIMA(p,d,q)×(P,D,Q)s。
在上式中，
φ(B)＝1-φ1B-φ2B2-...-φpBp，
θ(B)＝1-θ1B-θ2B2-...-θqBq，
Φ(Bs)＝1-Φ1Bs-Φ2B2s-....-ΦPBPs，
Θ(Bs)＝1-Θ1Bs-Θ2B2s-....-ΘQBQs，
▽dXt表示对时间序列d阶差分，▽dXt＝▽d-1Xt-▽d-1Xt-1＝(1-B)dXt，满足φ(B)▽dXt＝θ(B)at。
▽s DXt表示对时间序列以周期s间隔处理后的D阶差分，称为季节性差分，▽s DXt＝▽s D-1Xt-▽s D-1Xt-s＝(1-Bs)DXt，满足Φ(B)▽s DXt＝Θ(B)at。季节性表明在某一特定的时间间隔的观察值和以前时间间隔内的值相关。
在以上公式中，▽Xt＝(1-B)·Xt▽X2 t＝(1-B)2·Xt，B称为后项移动算子，满足Xt-1＝B·Xt。d和D为非负整数，p、q、P和Q为阶数。
预测具体流程图如图2所示，具体预测步骤如下：
步骤1：获得卫星网络中不同新呼叫用户在一个小区内一段时间的允许接入新呼叫业务量。
步骤2：通过频谱分析，得到序列的周期。
步骤3：计算离散时间序列的自相关函数和偏相关函数，利用ADF(单根检验)来确定d、D的值。
步骤4：判断样本的平稳性，若样本为不平稳的，则对样本进行差分和季节性差分，以得到一个平稳的随机序列。
步骤5：利用AIC准则来确定对于ARIMA模型的阶数。得到p、q、P和Q的估计值。
步骤6：运用最小二乘法来估计模型的自回归参数和滑动平均参数。
步骤7：模型检验。确定模型后，判断模型的平稳性和合理性。
步骤8：根据观察值，预测出一段时间内小区允许接入卫星网络新呼叫用户的业务量。
预测步骤几点说明：
AIC准则：在ARMA模型中，使函数AIC(n)＝Nlnδ2+2n取得最小值时其对应的p、q的值。其中，N为拟合ARMA模型参数的随机序列的个数，δ2为ARMA模型中高斯白噪声的方差，n为ARMA模型中含有的独立参数个数,即n＝p+q+1,准则的评判标准是尽可能选取小的准则函数值对应的n，即准则函数值越小，模型准确度越高。
模型平稳性和合理性：平稳性是指自回归系数和滑动平均系数特征多项式的乘积的特征根在单位圆外。合理性是指把样本值代入后其残差可以通过白噪音检验。
不同优先级用户选择接入多层卫星网络过程：
将用户分为切换话音用户、新呼叫话音用户、切换流媒体用户、新呼叫流媒体用户、切换数据用户、新呼叫数据用户。由于切换用户的阻塞比新呼叫用户的阻塞更加难以接受，所以切换用户具有更高的优先级。话音业务对实时性要求最高，流媒体业务次之，数据业务最低。所以按照业务类型和用户类型确定用户的优先级顺序为：切换话音用户、新呼叫话音用户、切换流媒体用户、新呼叫流媒体用户、切换数据用户、新呼叫数据用户。
按照用户到达顺序进行接入。不同业务的用户根据业务特点分配的带宽不等，语音业务为恒定速率业务，分配带宽为RV，流媒体业务分配带宽范围的[RSmin,RSmax]，数据业务分配带宽范围[RDmin,RDmax](不同业务的所需带宽如表1所示)。
当到达用户为话音用户时，由于话音业务对时延要求高，所以话音业务接入到LEO(低地球轨道)层。
当到达用户为非话音用户时，即为流媒体用户或者数据用户，此时考虑到用户对时延的要求不高，如果全部接入到LEO(低地球轨道)层卫星，所有用户的整体效用值会变低，所以考虑将流媒体用户和数据用户接入到MEO(中地球轨道)层或GEO(地球同步轨道)层卫星中。假设LEO(低地球轨道)层卫星中所有信道带宽为BL，空闲带宽为BL'，MEO(中地球轨道)层卫星中所有信道带宽为BM，空闲带宽为BM'，GEO(地球同步轨道)层卫星中所有信道带宽为BG，空闲信道带宽为BG'。
当到达的用户为切换流媒体用户时，由于新呼叫话音用户优先级高于流媒体用户，由预测部分可知小区内允许接入的新呼叫话音用户业务量为N1，则在该小区内新呼叫话音用户所需带宽为RV*N1。在LEO(低地球轨道)层卫星中，优先为新呼叫话音用户预留带宽，此时能够给切换流媒体用户分配的空闲带宽为BL'-RV*N1；在MEO(中地球轨道)层卫星中，空闲带宽为BM'；在GEO(地球同步轨道)层卫星中，空闲带宽为BG'。比较各层能够分配给切换流媒体用户空闲带宽和RSmax的大小，如果只有某一层卫星提供的空闲带宽大于其所需带宽，则切换流媒体用户接入到该层卫星；如果不止一层卫星提供空闲带宽大于其所需带宽，则按优先级从高到低为LEO(低地球轨道)、MEO(中地球轨道)、GEO(地球同步轨道)接入；如果三层卫星都不能提供其所需带宽，则选择所需带宽和各层卫星提供空闲带宽差值最小的那一层卫星接入。再博弈选择在该层卫星对低优先级用户进行降级操作，让出带宽，判断能否接入该层卫星。
当到达用户为新呼叫流媒体用户时，处理方法和切换流媒体用户类似。
当到达用户为切换数据用户时，由预测部分可知在该小区内允许接入卫星网络的新呼叫话音用户预测业务量为N1，其总所需带宽为：RV*N1，新呼叫流媒体用户预测业务量为N2，其总所需最小带宽为：RSmin*N2。新呼叫话音业务只能接入到LEO(低地球轨道)层，而新呼叫流媒体用户可以接入到不同的三层(由于新呼叫流媒体用户总是优先接入LEO(低地球轨道)，然后接入MEO(中地球轨道)、GEO(地球同步轨道)，假设有NL(0≤NL≤N2)个新呼叫流媒体用户接入到LEO(低地球轨道)层，有NM(0≤NL≤N2-NL)个新呼叫流媒体用户接入到MEO(中地球轨道)层，有NG(0≤NL≤N2-NL-NM)个新呼叫流媒体用户接入到GEO(地球同步轨道)层，满足NL+NM+NG＝N2)。则此时LEO(低地球轨道)层能够为切换数据用户提供空闲带宽为：BL'-RV*N1-RSmin*NL，MEO(中地球轨道)层能够为切换数据用户提供空闲带宽为：BM'-RSmin*NM，GEO(地球同步轨道)层能够为切换数据业务提供空闲带宽为：BG'-RSmin*NG。除了空闲带宽不一致外，切换数据用户剩余接入过程与切换流媒体用户类似。
当到达用户为新呼叫数据用户时，由预测部分可知在小区内允许接入的新呼叫数据用户业务量为N3，处理方法和切换数据用户一致。但由于新呼叫数据用户优先级最低，不能对其他用户进行降级操作，所以若在t时刻LEO(低地球轨道)层能够为其提供的空闲带宽小于其所需最小带宽，则按顺序到达的t时刻后的新呼叫数据用户直接接入到MEO(中地球轨道)层或GEO(地球同步轨道)层，若MEO(中地球轨道)层能够提供空闲带宽不能满足要求，则其直接接入GEO(地球同步轨道)层，若GEO(地球同步轨道)层所能够提供空闲带宽也不能满足要求，则在该小区内的所有新呼叫数据用户被拒绝接入卫星网络中。
博弈选择过程：
博弈论是描述、分析多人决策行为的一种决策理论，是多个经济主体在相互影响下的多元决策，决策的均衡结果取决于双方或多方的决策。近年来有人将博弈论的方法运用到无线网络资源分配中，提高了业务的Qos，增加了信道利用率。
相关定义：
纳什均衡：纳什均衡是一种策略组合，使得每个参与人的策略是对其他参与人策略的最优反应。在博弈G＝﹛S1,…,Sn：U1,…，Un﹜中，策略s*＝(s1*,…,si-1*,si*,si+1*,…,sn*)满足条件：对每一个参与者i，都有对所有的si∈Si，Ui(s1*,…,si-1*,si,si+1*,…,sn*)≤Ui(s1*,…,si-1*,si*,si+1*,…,sn*)成立，则称s*为该博弈的一个纳什均衡。
效用：效用是指经济学中对于消费者通过消费或者享受闲暇等使自己的需求、欲望等得到的满足的一个度量。本专利中指用户对提供的信道资源服务质量的满意度。
效用函数：表示消费者在消费中所获得的效用与所消费的商品组合之间数量关系的函数。本专利中指信道给用户分配带宽与用户效用的关系函数。(不同优先级用户效用函数如表2所示)
总体效用：多用户到达时，根据用户的策略选择(接入或者不接入)以及对降级对象的策略选择，计算新用户和信道中初始用户的总体效用值，根据总体效用值选择纳什均衡点，决定用户是否接入或者选择哪个原始用户进行降级操作以接入新用户。
博弈过程：博弈的参与双方是用户和信道，其中用户切换话音用户、新呼叫话音用户、切换流媒体用户、新呼叫流媒体用户、切换数据用户、新呼叫数据用户。当多个用户到达时，首先区分话音用户和非话音用户，按照用户到达顺序进行接入。
当到达用户为切换话音用户时，按照接入过程将切换话音用户接入到LEO(低地球轨道)层卫星。在LEO(低地球轨道)层卫星中，其总带宽为BL，空闲带宽为BL'。如果BL'>＝RV,则信道为用户分配RV带宽，如果BL'<RV，则需要从LEO(低地球轨道)层卫星信道中找出部分用户进行降级操作，由于切换话音用户具有最高的优先级，因此可以从其他任何一种用户中选择降级对象进行降级(由于话音业务是恒定速率业务，因此新呼叫话音用户不能成为降级对象)。设分别从新呼叫流媒体用户以及新呼叫数据用户中分别提取s个Δs的带宽和d个Δd的带宽，从切换流媒体和切换数据用户中分别提取s'个Δs以及d'个Δd，则有
(s+s')*Δs+(d+d')*Δd≥Rv-BL'，
其中：
信道方BS可以采取的策略集合可以表示为
例如，在策略Ss',d',s,d中，BS要从切换流媒体用户中提取s'个Δs的带宽，从新呼叫流媒体用户中提取s个Δs的带宽，从切换数据用户中提取d'个Δd的带宽，从新呼叫数据用户中提取d个Δd的带宽。而用户方的策略分为接受或者拒绝两种，双方博弈的模型为各自的效用，当博弈双方达到纳什均衡的时候，对应纳什均衡解即为双方采取的策略，来决定是接入还是拒绝，以及确定让出带宽的用户类型和数量。
当到达用户为新呼叫话音用户时，其处理方法和切换话音用户类似。
当到达用户为切换流媒体用户时，按照接入过程选择适合流媒体用户的某一层卫星接入，例如此时切换流媒体用户选择MEO(中地球轨道)层接入为其最优选择，若其所需带宽BM'>＝RSmax,则信道为此切换流媒体分配RSmax带宽，若BM'<RSmax,则需要从MEO(中地球轨道)层卫星信道中找出部分用户进行降级操作。由于优先级关系，设从新呼叫流媒体用户中提取s个Δs的带宽，从切换数据用户中提取d'个Δd的带宽，从新呼叫数据用户中提取d个Δd的带宽。则有
s*Δs+(d'+d)*Δd≤RSmax-BM'，
其中：
信道方BS可以采取的策略集为：
用户方的博弈策略是接入或是拒绝。当博弈双方达到纳什均衡的时候，对应的纳什均衡解即为双方采取的策略，来决定是接入还是拒绝，以及确定让出带宽的用户类型和数量。
当接入用户为新呼叫流媒体用户时，处理方法和切换流媒体用户类似，只是由于优先级关系，能够降级的用户只有切换数据用户和新呼叫数据用户。
当接入用户为切换数据用户时，按照接入过程选择适合该切换数据用户的某一层卫星接入，例如此时切换数据用户选择接入GEO(地球同步轨道)层卫星为其最优选择，此时GEO(地球同步轨道)层卫星能够为切换数据用户提供的空闲带宽为BG'-RSmin*NG，若其所需带宽BG'-RSmin*NG>＝RDmax,则为切换数据用户分配RDmax带宽，若BG'-RSmin*NG<RDmax,则需要从GEO(地球同步轨道)层卫星信道中找出部分新呼叫数据用户进行降级操作，让出带宽。其博弈过程与切换流媒体用户类似。
当到达用户为新呼叫数据用户时，按照接入过程选择适合该新呼叫数据用户的某一层卫星接入。由于其优先级最低，没有用户为其让出带宽，若新呼叫数据用户选择接入的某一层卫星能够为其提供带宽大于其所需带宽，则允许新呼叫用户接入该层卫星，否则拒绝接入。
纳什均衡解：
对于信道BS分配给接入用户的带宽，接入用户NC有两种策略，接入或者拒绝，表示为(nc1，nc2)。
以到达用户为切换话音业务为例，在LEO(低地球轨道)层中求得博弈双方的整体效用，
pnc(ss',d',s,d,nc1)＝u(s'+d'+s+d+BL')，
pnc(ss',d',s,d,nc2)＝u(Bmax)-u(s'+d'+s+d+BL')，
pbs(ss',d',s,d,nc1)＝∑u(Bs'+d'+s+d)+pnc(ss',d',s,d,nc1)，
pbs(ss',d',s,d,nc2)＝∑u(B)。
其中，pnc是代表用户在选择不同策略下的效用，pbs是信道在用户选择不同策略下的效用；
∑u(B)表示新连接被接纳之前原信道的总体效用；
∑u(Bs'+d'+s+d)表示流媒体和数据用户降级让出部分带宽之后，原信道的总体效用。
在这个博弈中，如果存在一个策略组合(Si0,j0,k0,l0,NCm0),
使则这个策略组合是一个纯策略纳什均衡，求出纳什均衡的解，以此来判断用户的接入与否，并且判断需要降级的用户类型和数量。
升降级过程：
以上博弈选择过程解决了降级哪类用户以及降级多少带宽的问题，接下来解决具体降级哪个用户以及接入到达用户的问题。根据博弈的结果，找到对应的降级用户类型。
由于被降级的用户都为非话音用户，其接入带宽是变化的，为了更好的描述降级过程，本专利引入降级因子和柯布道格拉斯函数来描述降级模型。
降级因子：对于带宽需求范围为[Rmin,Rmax]的非话音用户，R为实际分配带宽，其降级因子FD(R)定义为
由公式可知，当实际分配带宽在最小所需带宽与最大所需带宽之间时，降级因子可以明显的表示用户被降级的程度。
降级模型：用改进过的柯布道格拉斯函数来描述降级模型，并且将降级因子加入到函数中。
W(R,T,M)＝[FD(R)]α·Tβ·M-γ，
其中，
(0＜α＜1,0＜β＜1,0＜γ＜1,α+β+γ＝1)。
FD(R)表示降级因子，T表示用户的服务持续时间，M表示用户被降级次数，α、β、γ为影响因子，W为权衡值。具体到本发明，根据图3的带宽效用关系，这里的权衡值W主要受带宽的影响，因此，这里设置α＞＞β＞＞γ，保证了降级操作优先由带宽决定，然后考虑用户接入时间和被降级次数。具体实现，转化如下：
在某一层卫星中，以降级对象为信道中的新呼叫数据用户为例，博弈的结果是需要降级d*Δd数量的带宽。查找信道中可以接受降级操作的新呼叫数据用户(实时带宽大于RDmin)，数目为Dd，各个新呼叫数据用户的实际接入带宽分别是b[i],(i＝1,2....Dd)。按照Wi的大小对b[i]进行由大到小排序得到a[j],(j＝1,2....Dd),按照a[1],a[2]......a[Dd]的顺序进行降级操作，每次降级大小为Δaj，Δaj＝a[j]-a[j-1],(j＝1,2.....Dd)，直到为止，如果新呼叫用户中的带宽降至RDmin，仍然不能让出d*Δd带宽，则降级失败，该用户不能接入，反之持续降级，让出带宽以供到达用户接入。
对于切换数据用户来说，只能通过降级新呼叫数据用户来获取带宽，具体降级操作类似。
当服务时间结束后，用户会离开信道，释放出部分带宽。释放出来的带宽用作预留带宽，实时的给切换用户提供预留带宽。
对于被降级的低优先级用户，例如被降级用户是新呼叫数据用户，如果该用户是在LEO(低地球轨道)层卫星中被降级，降级后LEO(低地球轨道)层卫星能够为其提供的带宽为RDL，而此时MEO(中地球轨道)层和GEO(地球同步轨道)层能够为该新呼叫数据用户提供空闲带宽分别为RDM和RDG。考虑用户总是优先选择接入LEO(低地球轨道)层，假设新呼叫数据用户在LEO(低地球轨道)、MEO(中地球轨道)、GEO(地球同步轨道)的数据传输时延分别为TDL、TDM、TDG。定义权值S(P,t)＝P'λtμ(λ+μ＝1，λ＞＞μ)，其中P为此时各层能够分配给新呼叫数据用户的空闲带宽为R时的效用值，Pmax为用户获取最大带宽时的效用值，Pmin为用户获取最小带宽时的效用值。t为用户选择接入各层后的传输时延归一化到0到1之间的值，λ＞＞μ表示权值S主要由效用决定。分别得到用户接入到各层不同的权值，此时被降级后的用户选择权值最大的那一层卫星接入。由用户小区模型可知，此时LEO(低地球轨道)层中被降级的用户可以接入到LEO(低地球轨道)、MEO(中地球轨道)或GEO(地球同步轨道)层；MEO(中地球轨道)层中被降级的用户只可以MEO(中地球轨道)和GEO(地球同步轨道)层；GEO(地球同步轨道)层中被降级的用户仍然只能留在GEO(地球同步轨道)层中。
二、方法流程：
该管理方法分为新呼叫用户业务量的预测、不同优先级用户接入多层卫星网络、博弈选择和升降级四个过程；准确预测了一段时间一个小区内允许接入新呼叫用户的业务量，对一个小区内不同用户的接入控制提供了决策支持；针对多层卫星网络进行信道资源分配，提高了整个卫星网络的信道资源利用率；利用博弈论和升降级模型选择低优先级用户进行升降级，提高了用户满意度；
具体方法流程图如图4所示，所述管理方法具体执行步骤如下：
步骤1：获取一段时间内小区内新呼叫用户业务量的历史值，运用季节差分时间序列模型来预测卫星覆盖该小区时新呼叫用户的业务量；
步骤2：持续监听，多用户到达，按照用户到达顺序接入，判断用户类型，如果是切换话音用户或者新呼叫话音用户则转步骤3，如果是切换流媒体用户转步骤4，新呼叫流媒体用户转步骤5，如果是切换数据用户则转步骤6；如果是新呼叫数据用户则转步骤7；
步骤3：直接接入LEO(低地球轨道)层卫星，如果空闲带宽足够则直接接入，否则用博弈论的方法进行判断，根据博弈结果在LEO(低地球轨道)层中接入的切换流媒体用户、新呼叫流媒体用户、切换数据用户以及新呼叫数据用户中选择降级用户类型以及求出降级带宽大小，再根据降级模型来确定具体哪些用户进行降级，让出相应的带宽；转步骤8；
步骤4：分别比较切换流媒体用户所需最大带宽RSmax和LEO(低地球轨道)、MEO(中地球轨道)、GEO(地球同步轨道)三层卫星中能够为切换流媒体用户提供的空闲带宽，如果只有某一层卫星满足流媒体业务带宽需求，则直接接入到这一层，如果有多层满足带宽要求，则按优先级从高到低为LEO(低地球轨道)、MEO(中地球轨道)、GEO(地球同步轨道)层接入，如果都不满足，则比较所需带宽和各层能够提供空闲带宽之间的差值，选择差值最小的那一层卫星接入；然后根据博弈论来对选择接入的那一层中新呼叫流媒体用户、切换数据用户以及新呼叫数据用户中选择降级用户类型以及求出降级带宽大小，再根据降级模型进行具体的降级操作，让出相应的带宽；转步骤8；
步骤5：分别比较新呼叫流媒体用户所需最大带宽RSmax和LEO(低地球轨道)、MEO(中地球轨道)、GEO(地球同步轨道)三层卫星中能够为切换流媒体用户提供的空闲带宽，如果只有某一层卫星满足流媒体业务带宽需求，则直接接入到这一层，如果有多层满足带宽要求，则按优先级从高到低为LEO(低地球轨道)、MEO(中地球轨道)、GEO(地球同步轨道)层接入，如果都不满足，则比较所需带宽和各层能够提供空闲带宽之间的差值，选择差值最小的那一层卫星接入；然后根据博弈论来对选择接入的那一层中切换数据用户以及新呼叫数据用户中选择降级用户类型以及求出降级带宽大小，再根据降级模型进行具体的降级操作，让出相应的带宽；转步骤8；
步骤6：分别比较切换数据用户所需最大带宽RDmax和LEO(低地球轨道)、MEO(中地球轨道)、GEO(地球同步轨道)三层卫星中能够为切换流媒体用户提供的空闲带宽，如果只有某一层卫星满足流媒体业务带宽需求，则直接接入到这一层，如果有多层满足带宽要求，则按优先级从高到低为LEO(低地球轨道)、MEO(中地球轨道)、GEO(地球同步轨道)层接入，如果都不满足，则比较所需带宽和各层能够提供空闲带宽之间的差值，选择差值最小的那一层卫星接入；查看是否有可以降级的新呼叫数据用户，如果有进行降级操作，让出带宽，转步骤8；
步骤7：分别比较新呼叫数据用户所需最大带宽RDmax和LEO(低地球轨道)、MEO(中地球轨道)、GEO(地球同步轨道)三层卫星中能够为新呼叫数据用户提供的空闲带宽，如果只有某一层满足其带宽需求，则直接接入到这一层，如果有多层满足带宽要求，则按优先级从高到低为LEO(低地球轨道)、MEO(中地球轨道)、GEO(地球同步轨道)层接入，如果都不满足，拒绝接入；
步骤8：空闲带宽加上让出的带宽是否能满足接入要求，如满足则接入，否则拒绝，转步骤2。
有益效果：本发明提出了一种多层卫星网络信道资源管理方法，用以解决卫星信道资源管理中频谱稀缺性在通信中带来的问题，解决的方式是首先提出了预测一段时间内小区允许接入新呼叫用户的业务量模型，然后将卫星信道资源分配考虑到整个卫星网络，还运用博弈论模型来判断用户的降级类型和降级数量的同时改进了升降级模型来适应与多层网络对低优先级用户降级。可以提高整个卫星网络的信道利用率和用户满意度。
传统的信道资源管理方法如信道预留策略、基于权重函数的信道资源分配策略和基于多业务的升降级策略等，能够在一定程度上提高卫星信道的资源利用率，由于现在非话音业务已经远远超过了话音业务的需求，人们对于服务的质量要求越来越高。而且之前的技术方案都是只考虑到将用户同时接入到某一层卫星中，并未对整个卫星系统进行一个宏观的考虑，对于整个卫星系统而言，不能够保证有最大的资源利用率和用户满意度。
因此，本发明的主要效果有第一，提出适用于卫星网络新呼叫业务量的预测方法，为一个小区内不同用户的接入多层卫星网络提供了决策支持。第二，针对多层卫星网络进行信道资源分配，提出了用户的具体接入模型。提高整个卫星网络的信道资源利用率的同时，提高了接入卫星网络的用户满意度。第三，提出适合于多层卫星网络的降级模型，使低优先级用户的降级将更加合理透明，并且考虑了用户被降级后具体怎么接入，提高了被降级用户满意度。本发明对于卫星中信道资源管理问题的解决，具有很好的效果，时延小，用户接入的误码率低，能够保证用户的QoS要求的，使整个卫星系统的资源利用率增大，适用于卫星信道资源管理问题和空天网络的发展。
附图说明
图1：多层卫星网络覆盖小区图，
图2：预测流程图，
图3：带宽与效用关系图，
图4：多层卫星网络信道资源管理流程图。
具体实施方式
步骤1：获取一段时间内小区内新呼叫用户业务量的历史值。对这段时间序列做频谱分析,得到序列的周期并计算离散时间序列的自相关函数和偏相关函数，利用ADF(单根检验)来确定d、D(d和D为非负整数，分别表示时间序列的d阶差分和周期s间隔处理后的D阶差分)的值；判断样本的平稳性，若样本为不平稳的，则对样本进行差分和季节性差分，以得到一个平稳的随机序列并运用最小二乘法来估计模型的自回归参数和滑动平均参数；对模型进行检验后，利用时间序列预测出小区的新呼叫用户业务量。新呼叫数据用户业务量为N1，新呼叫流媒体用户业务量为N2，新呼叫数据用户业务量为N3。
步骤2：持续监听，多用户到达，按照用户到达顺序接入，判断用户类型，如果是切换话音用户或者新呼叫话音用户则转步骤3，如果是切换流媒体用户转步骤4，新呼叫流媒体用户转步骤5，如果是切换数据用户则转步骤6；如果是新呼叫数据用户则转步骤7；
步骤3：直接接入LEO(低地球轨道)层卫星。此时LEO(低地球轨道)层的总带宽为BL，空闲带宽为BL'，如果BL'>＝RV,则信道为用户分配RV带宽，如果BL'<RV，则需要从LEO(低地球轨道)层卫星信道中找出部分用户进行降级操作，根据博弈论在LEO(低地球轨道)层中接入的切换流媒体用户、新呼叫流媒体用户、切换数据用户以及新呼叫数据用户中选择降级用户类型以及求出降级带宽大小，再根据降级模型来确定具体哪些用户进行降级，让出相应的带宽；转步骤8；
步骤4：切换流媒体用户所需最大带宽RSmax，假设LEO(低地球轨道)层卫星中所有信道带宽为BL，空闲带宽为BL'，MEO(中地球轨道)层卫星中所有信道带宽为BM，空闲带宽为BM'，GEO(地球同步轨道)层卫星中所有信道带宽为BG，空闲带宽为BG'。此时LEO(低地球轨道)、MEO(中地球轨道)、GEO(地球同步轨道)三层卫星中能够为切换流媒体用户提供的空闲带宽分别为BL'-RV*N1、BM'和BG'；分别比较RSmax与BL'-RV*N1、BM'和BG'的大小，如果BL'-RV*N1、BM'和BG'中只有一个大于RSmax，则切换流媒体用户接入到提供空闲带宽大于所需带宽的那层卫星；如果BL'-RV*N1、BM'和BG'中不止一个值大于RSmax，则按优先级为LEO(低地球轨道)、MEO(中地球轨道)、GEO(地球同步轨道)接入。如果三层卫星都不能提供其所需带宽，则选择所需带宽和各层卫星提供空闲带宽差值最小的那一层卫星接入，此时在该层卫星中，根据博弈论在新呼叫流媒体用户、切换数据用户以及新呼叫数据用户中选择降级用户类型以及求出降级带宽大小，再根据降级模型进行具体的降级操作，让出相应的带宽；被降级用户按升降级过程处理，转步骤8；
步骤5：新呼叫流媒体用户所需最大带宽RSmax，此时LEO(低地球轨道)、MEO(中地球轨道)、GEO(地球同步轨道)三层卫星中能够为切换流媒体用户提供的空闲带宽分别为BL'-RV*N1、BM'和BG'；分别比较RSmax与BL'-RV*N1、BM'和BG'的大小，如果BL'-RV*N1、BM'和BG'中只有一个大于RSmax，则切换流媒体用户接入到提供空闲带宽大于所需带宽的那层卫星；如果BL'-RV*N1、BM'和BG'中不止一个值大于RSmax，则按优先级为LEO(低地球轨道)、MEO(中地球轨道)、GEO(地球同步轨道)接入。如果三层卫星都不能提供其所需带宽，则选择所需带宽和各层卫星提供空闲带宽差值最小的那一层卫星接入，在该层卫星中，根据博弈论在切换数据用户和新呼叫数据用户中选择降级用户类型以及求出降级带宽大小，再根据降级模型进行具体的降级操作，让出相应的带宽；被降级用户按升降级过程处理，转步骤8；
步骤6：切换数据用户所需带宽为RDmax，此时LEO(低地球轨道)层能够为切换数据用户提供空闲带宽为：BL'-RV*N1-RSmin*NL，MEO(中地球轨道)层能够为切换数据用户提供空闲带宽为：BM'-RSmin*NM，GEO(地球同步轨道)层能够为切换数据业务提供空闲带宽为：BG'-RSmin*NG。由于新呼叫流媒体用户总是优先接入LEO(低地球轨道)，然后接入MEO(中地球轨道)、GEO(地球同步轨道)，假设有NL(0≤NL≤N2)个新呼叫流媒体用户接入到LEO(低地球轨道)层，有NM(0≤NL≤N2-NL)个新呼叫流媒体用户接入到MEO(中地球轨道)层，有NG(0≤NL≤N2-NL-NM)个新呼叫流媒体用户接入到GEO(地球同步轨道)层，满足NL+NM+NG＝N2)。比较各层能够分配给切换数据用户空闲带宽和其所需带宽的大小，如果只有某一层卫星提供的空闲带宽大于其所需带宽，则切换数据用户接入到该层卫星；如果不止一层卫星提供空闲带宽大于其所需带宽，则按优先级为LEO(低地球轨道)、MEO(中地球轨道)、GEO(地球同步轨道)接入；如果三层卫星都不能提供其所需带宽，则选择所需带宽和各层卫星提供空闲带宽差值最小的那一层卫星接入，在该层卫星中，查看是否有可以被降级的新呼叫数据用户，如果有则降级新呼叫数据用户让出带宽，被降级用户按升降级过程处理，否则拒绝接入；转步骤8；
步骤7：新呼叫数据用户所需带宽为RDmax，此时LEO(低地球轨道)层能够为新呼叫数据用户提供空闲带宽为：BL'-RV*N1-RSmin*NL，MEO(中地球轨道)层能够为新呼叫数据用户提供空闲带宽为：BM'-RSmin*NM，GEO(地球同步轨道)层能够为新呼叫数据用户提供空闲带宽为：BG'-RSmin*NG。比较各层能够分配给新呼叫数据用户空闲带宽和其所需带宽的大小，如果只有某一层卫星提供的空闲带宽大于其所需带宽，则新呼叫数据用户接入到该层卫星；如果不止一层卫星提供空闲带宽大于其所需带宽，则按优先级为LEO(低地球轨道)、MEO(中地球轨道)、GEO(地球同步轨道)接入；如果三层卫星都不能提供其所需带宽，则拒绝该新呼叫数据用户接入；转步骤8；
步骤8：空闲带宽加上让出的带宽是否能满足接入要求，如满足则接入，否则拒绝，转步骤2。
表1：不同用户所需带宽表
类型 最小带宽(kb) 最大带宽(kb)
话音 32 32
流媒体 64 128
数据 64 128
表2：不同用户的效用函数表

Claims (1)

1.一种多层卫星网络信道资源管理方法，其特征在于该管理方法分为新呼叫用户业务量的预测、不同优先级用户接入多层卫星网络、博弈选择和升降级四个过程，
新呼叫用户业务量的预测过程如下：
对于零均值平稳序列{Xt}中，对任意时刻的样本值满足线性差分方程:
Xt-φ1Xt-1-φ2Xt-2-...-φpXt-p＝at-θ1at-1-θ2at-2-...-θqat-q，
上式是自回归滑动平均模型的标准形式，记为ARMA(p,q),其中at是白噪声序列满足E(at)＝0，E(at 2)＝δ2＜∞，p和q分别为自回归项和滑动平均项的阶数，其中和θi分别称为自回归系数和滑动平均系数，在上述模型中序列{Xt}必须满足是平稳序列，但是在卫星网络中小区内新呼叫业务量序列是非平稳的，并且新呼叫业务量的产生伴随着一定的周期性，所以引入乘积季节ARIMA模型来预测卫星网络新呼叫业务量，
若时间序列{Xt}满足如下公式：
{Xt}满足乘积季节ARIMA模型，记为ARIMA(p,d,q)×(P,D,Q)s，
在上式中，
φ(B)＝1-φ1B-φ2B2-...-φpBp，
θ(B)＝1-θ1B-θ2B2-...-θqBq，
表示对时间序列d阶差分，满足φ(B)▽dXt＝θ(B)at，
表示对时间序列以周期s间隔处理后的D阶差分，称为季节性差分，
满足季节性表明在某一特定的时间间隔的观察值和以前时间间隔内的值相关，
在以上公式中，B称为后项移动算子，满足Xt-1＝B·Xt，d和D为非负整数，p、q、P和Q为阶数，
具体预测步骤如下：
步骤1：获得卫星网络中不同新呼叫用户在一个小区内一段时间的允许接入新呼叫业务量，
步骤2：通过频谱分析，得到序列的周期，
步骤3：计算离散时间序列的自相关函数和偏相关函数，利用单根检验ADF来确定d、D的值，
步骤4：判断样本的平稳性，若样本为不平稳的，则对样本进行差分和季节性差分，以得到一个平稳的随机序列，
步骤5：利用AIC准则来确定对于ARIMA模型的阶数，得到p、q、P和Q的估计值，
步骤6：运用最小二乘法来估计模型的自回归参数和滑动平均参数，
步骤7：模型检验，确定模型后，判断模型的平稳性和合理性，
步骤8：根据观察值，预测出一段时间内小区允许接入卫星网络新呼叫用户的业务量，
不同优先级用户选择接入多层卫星网络过程如下：
按照用户到达顺序进行接入，不同业务的用户根据业务特点分配的带宽不等，语音业务为恒定速率业务，分配带宽为RV，流媒体业务分配带宽范围的[RSmin,RSmax]，数据业务分配带宽范围[RDmin,RDmax]，
当到达用户为话音用户时，由于话音业务对时延要求高，所以话音业务接入到低地球轨道LEO层，
当到达用户为非话音用户时，即为流媒体用户或者数据用户，此时考虑到用户对时延的要求不高，如果全部接入到低地球轨道LEO层卫星，所有用户的整体效用值会变低，所以考虑将流媒体用户和数据用户接入到中地球轨道MEO层或地球同步轨道GEO层卫星中；假设低地球轨道LEO层卫星中所有信道带宽为BL，空闲带宽为BL'，中地球轨道MEO层卫星中所有信道带宽为BM，空闲带宽为BM'，地球同步轨道GEO层卫星中所有信道带宽为BG，空闲信道带宽为BG'，
当到达的用户为切换流媒体用户时，由于新呼叫话音用户优先级高于流媒体用户，由预测部分可知小区内允许接入的新呼叫话音用户业务量为N1，则在该小区内新呼叫话音用户所需带宽为RV*N1，在低地球轨道LEO层卫星中，优先为新呼叫话音用户预留带宽，此时能够给切换流媒体用户分配的空闲带宽为BL'-RV*N1；在中地球轨道MEO层卫星中，空闲带宽为BM'；在地球同步轨道GEO层卫星中，空闲带宽为BG'，比较各层能够分配给切换流媒体用户空闲带宽和RSmax的大小，如果只有某一层卫星提供的空闲带宽大于其所需带宽，则切换流媒体用户接入到该层卫星；如果不止一层卫星提供空闲带宽大于其所需带宽，则按优先级从高到低为低地球轨道LEO、中地球轨道MEO、地球同步轨道GEO接入；如果三层卫星都不能提供其所需带宽，则选择所需带宽和各层卫星提供空闲带宽差值最小的那一层卫星接入，再博弈选择在该层卫星对低优先级用户进行降级操作，让出带宽，判断能否接入该层卫星，
当到达用户为新呼叫流媒体用户时，处理方法和切换流媒体用户类似，
当到达用户为切换数据用户时，由预测部分可知在该小区内允许接入卫星网络的新呼叫话音用户预测业务量为N1，其总所需带宽为：RV*N1，新呼叫流媒体用户预测业务量为N2，其总所需最小带宽为：RSmin*N2，新呼叫话音业务只能接入到低地球轨道LEO层，而新呼叫流媒体用户可以接入到不同的三层，由于新呼叫流媒体用户总是优先接入低地球轨道LEO，然后接入中地球轨道MEO、地球同步轨道GEO，假设有NL个新呼叫流媒体用户接入到低地球轨道LEO层，其中0≤NL≤N2，有NM个新呼叫流媒体用户接入到中地球轨道MEO层，0≤NL≤N2-NL，有NG个新呼叫流媒体用户接入到地球同步轨道GEO层，0≤NL≤N2-NL-NM，满足NL+NM+NG＝N2；则此时低地球轨道LEO层能够为切换数据用户提供空闲带宽为：BL'-RV*N1-RSmin*NL，中地球轨道MEO层能够为切换数据用户提供空闲带宽为：BM'-RSmin*NM，地球同步轨道GEO层能够为切换数据业务提供空闲带宽为：BG'-RSmin*NG，除了空闲带宽不一致外，切换数据用户剩余接入过程与切换流媒体用户类似；
当到达用户为新呼叫数据用户时，由预测部分可知在小区内允许接入的新呼叫数据用户业务量为N3，处理方法和切换数据用户一致，但由于新呼叫数据用户优先级最低，不能对其他用户进行降级操作，所以若在t时刻低地球轨道LEO层能够为其提供的空闲带宽小于其所需最小带宽，则按顺序到达的t时刻后的新呼叫数据用户直接接入到中地球轨道MEO层或地球同步轨道GEO层，若中地球轨道MEO层能够提供空闲带宽不能满足要求，则其直接接入地球同步轨道GEO层，若地球同步轨道GEO层所能够提供空闲带宽也不能满足要求，则在该小区内的所有新呼叫数据用户被拒绝接入卫星网络中，
博弈选择过程如下：
博弈的参与双方是用户和信道，其中用户切换话音用户、新呼叫话音用户、切换流媒体用户、新呼叫流媒体用户、切换数据用户、新呼叫数据用户，当多个用户到达时，首先区分话音用户和非话音用户，按照用户到达顺序进行接入；
当到达用户为切换话音用户时，按照接入过程将切换话音用户接入到低地球轨道LEO层卫星，在低地球轨道LEO层卫星中，其总带宽为BL，空闲带宽为BL'，如果BL'>＝RV,则信道为用户分配RV带宽，如果BL'<RV，则需要从低地球轨道LEO层卫星信道中找出部分用户进行降级操作，由于切换话音用户具有最高的优先级，因此可以从其他任何一种用户中选择降级对象进行降级，由于话音业务是恒定速率业务，因此新呼叫话音用户不能成为降级对象；设分别从新呼叫流媒体用户以及新呼叫数据用户中分别提取s个Δs的带宽和d个Δd的带宽，从切换流媒体和切换数据用户中分别提取s'个Δs以及d'个Δd，则有
(s+s')*Δs+(d+d')*Δd≥Rv-BL'，
其中：
信道方BS可以采取的策略集合可以表示为
在策略Ss',d',s,d中，BS要从切换流媒体用户中提取s'个Δs的带宽，从新呼叫流媒体用户中提取s个Δs的带宽，从切换数据用户中提取d'个Δd的带宽，从新呼叫数据用户中提取d个Δd的带宽，而用户方的策略分为接受或者拒绝两种，双方博弈的模型为各自的效用，当博弈双方达到纳什均衡的时候，对应纳什均衡解即为双方采取的策略，来决定是接入还是拒绝，以及确定让出带宽的用户类型和数量，
当到达用户为新呼叫话音用户时，其处理方法和切换话音用户类似，
当到达用户为切换流媒体用户时，按照接入过程选择适合流媒体用户的某一层卫星接入，此时切换流媒体用户选择中地球轨道MEO层接入为其最优选择，若其所需带宽BM'>＝RSmax,则信道为此切换流媒体分配RSmax带宽，若BM'<RSmax,则需要从中地球轨道MEO层卫星信道中找出部分用户进行降级操作，由于优先级关系，设从新呼叫流媒体用户中提取s个Δs的带宽，从切换数据用户中提取d'个Δd的带宽，从新呼叫数据用户中提取d个Δd的带宽，则有
s*Δs+(d'+d)*Δd≤RSmax-BM'，
其中：
信道方BS可以采取的策略集为：
用户方的博弈策略是接入或是拒绝，当博弈双方达到纳什均衡的时候，对应的纳什均衡解即为双方采取的策略，来决定是接入还是拒绝，以及确定让出带宽的用户类型和数量，
当接入用户为新呼叫流媒体用户时，处理方法和切换流媒体用户类似，只是由于优先级关系，能够降级的用户只有切换数据用户和新呼叫数据用户，
当接入用户为切换数据用户时，按照接入过程选择适合该切换数据用户的某一层卫星接入，例如此时切换数据用户选择接入地球同步轨道GEO层卫星为其最优选择，此时地球同步轨道GEO层卫星能够为切换数据用户提供的空闲带宽为BG'-RSmin*NG，若其所需带宽BG'-RSmin*NG>＝RDmax,则为切换数据用户分配RDmax带宽，若BG'-RSmin*NG<RDmax,则需要从地球同步轨道GEO层卫星信道中找出部分新呼叫数据用户进行降级操作，让出带宽，其博弈过程与切换流媒体用户类似，
当到达用户为新呼叫数据用户时，按照接入过程选择适合该新呼叫数据用户的某一层卫星接入，由于其优先级最低，没有用户为其让出带宽，若新呼叫数据用户选择接入的某一层卫星能够为其提供带宽大于其所需带宽，则允许新呼叫用户接入该层卫星，否则拒绝接入，
对于信道BS分配给接入用户的带宽，接入用户NC有两种策略，接入或者拒绝，表示为(nc1，nc2)，
以到达用户为切换话音业务为例，在低地球轨道LEO层中求得博弈双方的整体效用，
pnc(ss',d',s,d,nc1)＝u(s'+d'+s+d+BL')，
pnc(ss',d',s,d,nc2)＝u(Bmax)-u(s'+d'+s+d+BL')，
pbs(ss',d',s,d,nc1)＝∑u(Bs'+d'+s+d)+pnc(ss',d',s,d,nc1)，
pbs(ss',d',s,d,nc2)＝Σu(B)，
其中，pnc是代表用户在选择不同策略下的效用，pbs是信道在用户选择不同策略下的效用；
∑u(B)表示新连接被接纳之前原信道的总体效用；
∑u(Bs'+d'+s+d)表示流媒体和数据用户降级让出部分带宽之后，原信道的总体效用，
在这个博弈中，如果存在一个策略组合(Si0,j0,k0,l0,NCm0),
使则这个策略组合是一个纯策略纳什均衡，求出纳什均衡的解，以此来判断用户的接入与否，并且判断需要降级的用户类型和数量，
升降级过程如下：
以上博弈选择过程解决了降级哪类用户以及降级多少带宽的问题，接下来解决具体降级哪个用户以及接入到达用户的问题，根据博弈的结果，找到对应的降级用户类型，
由于被降级的用户都为非话音用户，其接入带宽是变化的，为了更好的描述降级过程，引入降级因子和柯布道格拉斯函数来描述降级模型，
降级因子：对于带宽需求范围为[Rmin,Rmax]的非话音用户，R为实际分配带宽，其降级因子FD(R)定义为
由公式可知，当实际分配带宽在最小所需带宽与最大所需带宽之间时，降级因子可以明显的表示用户被降级的程度，
降级模型：用改进过的柯布道格拉斯函数来描述降级模型，并且将降级因子加入到函数中，
W(R,T,M)＝[FD(R)]α·Tβ·M-γ，
其中，
(0＜α＜1,0＜β＜1,0＜γ＜1,α+β+γ＝1)，
FD(R)表示降级因子，T表示用户的服务持续时间，M表示用户被降级次数，α、β、γ为影响因子，W为权衡值；权衡值W主要受带宽的影响，因此，这里设置α＞＞β＞＞γ，保证了降级操作优先由带宽决定，然后考虑用户接入时间和被降级次数，具体实现，转化如下：
在某一层卫星中，以降级对象为信道中的新呼叫数据用户为例，博弈的结果是需要降级d*Δd数量的带宽，查找信道中可以接受降级操作的新呼叫数据用户，数目为Dd，各个新呼叫数据用户的实际接入带宽分别是b[i],(i＝1,2....Dd)，按照Wi的大小对b[i]进行由大到小排序得到a[j],(j＝1,2....Dd),按照a[1],a[2]......a[Dd]的顺序进行降级操作，每次降级大小为Δaj，Δaj＝a[j]-a[j-1],(j＝1,2.....Dd)，直到为止，如果新呼叫用户中的带宽降至RDmin，仍然不能让出d*Δd带宽，则降级失败，该用户不能接入，反之持续降级，让出带宽以供到达用户接入，
对于切换数据用户来说，只能通过降级新呼叫数据用户来获取带宽，具体降级操作类似；
当服务时间结束后，用户会离开信道，释放出部分带宽，释放出来的带宽用作预留带宽，实时的给切换用户提供预留带宽，
对于被降级的低优先级用户，例如被降级用户是新呼叫数据用户，如果该用户是在低地球轨道LEO层卫星中被降级，降级后低地球轨道LEO层卫星能够为其提供的带宽为RDL，而此时中地球轨道MEO层和地球同步轨道GEO层能够为该新呼叫数据用户提供空闲带宽分别为RDM和RDG，考虑用户总是优先选择接入低地球轨道LEO层，假设新呼叫数据用户在LEO低地球轨道、中地球轨道MEO、地球同步轨道GEO的数据传输时延分别为TDL、TDM、TDG，定义权值S(P,t)＝P'λtμ(λ+μ＝1，λ＞＞μ)，其中P为此时各层能够分配给新呼叫数据用户的空闲带宽为R时的效用值，Pmax为用户获取最大带宽时的效用值，Pmin为用户获取最小带宽时的效用值，t为用户选择接入各层后的传输时延归一化到0到1之间的值，λ＞＞μ表示权值S主要由效用决定，分别得到用户接入到各层不同的权值，此时被降级后的用户选择权值最大的那一层卫星接入，由用户小区模型可知，此时低地球轨道LEO层中被降级的用户可以接入到低地球轨道LEO、中地球轨道MEO或地球同步轨道GEO层；中地球轨道MEO层中被降级的用户只可以中地球轨道MEO和地球同步轨道GEO层；地球同步轨道GEO层中被降级的用户仍然只能留在地球同步轨道GEO层中；
所述一种多层卫星网络信道资源管理方法具体执行步骤如下：
步骤1：获取一段时间内小区内新呼叫用户业务量的历史值，运用季节差分时间序列模型来预测卫星覆盖该小区时新呼叫用户的业务量；
步骤2：持续监听，多用户到达，按照用户到达顺序接入，判断用户类型，如果是切换话音用户或者新呼叫话音用户则转步骤3，如果是切换流媒体用户转步骤4，新呼叫流媒体用户转步骤5，如果是切换数据用户则转步骤6；如果是新呼叫数据用户则转步骤7；
步骤3：直接接入低地球轨道LEO层卫星，如果空闲带宽足够则直接接入，否则用博弈论的方法进行判断，根据博弈结果在LEO层中接入的切换流媒体用户、新呼叫流媒体用户、切换数据用户以及新呼叫数据用户中选择降级用户类型以及求出降级带宽大小，再根据降级模型来确定具体哪些用户进行降级，让出相应的带宽；转步骤8；
步骤4：分别比较切换流媒体用户所需最大带宽RSmax和低地球轨道LEO、中地球轨道MEO、地球同步轨道GEO三层卫星中能够为切换流媒体用户提供的空闲带宽，如果只有某一层卫星满足流媒体业务带宽需求，则直接接入到这一层，如果有多层满足带宽要求，则按优先级从高到低为LEO、MEO、GEO层接入，如果都不满足，则比较所需带宽和各层能够提供空闲带宽之间的差值，选择差值最小的那一层卫星接入；然后根据博弈论来对选择接入的那一层中新呼叫流媒体用户、切换数据用户以及新呼叫数据用户中选择降级用户类型以及求出降级带宽大小，再根据降级模型进行具体的降级操作，让出相应的带宽；转步骤8；
步骤5：分别比较新呼叫流媒体用户所需最大带宽RSmax和LEO、MEO、GEO三层卫星中能够为切换流媒体用户提供的空闲带宽，如果只有某一层卫星满足流媒体业务带宽需求，则直接接入到这一层，如果有多层满足带宽要求，则按优先级从高到低为LEO、MEO、GEO层接入，如果都不满足，则比较所需带宽和各层能够提供空闲带宽之间的差值，选择差值最小的那一层卫星接入；然后根据博弈论来对选择接入的那一层中切换数据用户以及新呼叫数据用户中选择降级用户类型以及求出降级带宽大小，再根据降级模型进行具体的降级操作，让出相应的带宽；转步骤8；
步骤6：分别比较切换数据用户所需最大带宽RDmax和LEO、MEO、GEO三层卫星中能够为切换流媒体用户提供的空闲带宽，如果只有某一层卫星满足流媒体业务带宽需求，则直接接入到这一层，如果有多层满足带宽要求，则按优先级从高到低为LEO、MEO、GEO层接入，如果都不满足，则比较所需带宽和各层能够提供空闲带宽之间的差值，选择差值最小的那一层卫星接入；查看是否有可以降级的新呼叫数据用户，如果有进行降级操作，让出带宽，转步骤8；
步骤7：分别比较新呼叫数据用户所需最大带宽RDmax和LEO、MEO、GEO三层卫星中能够为新呼叫数据用户提供的空闲带宽，如果只有某一层满足其带宽需求，则直接接入到这一层，如果有多层满足带宽要求，则按优先级从高到低为LEO、MEO、GEO层接入，如果都不满足，拒绝接入；
步骤8：空闲带宽加上让出的带宽是否能满足接入要求，如满足则接入，否则拒绝，转步骤2。
CN201510156025.5A 2015-04-02 2015-04-02 多层卫星网络信道资源管理方法 Active CN104780569B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510156025.5A CN104780569B (zh) 2015-04-02 2015-04-02 多层卫星网络信道资源管理方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510156025.5A CN104780569B (zh) 2015-04-02 2015-04-02 多层卫星网络信道资源管理方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104780569A CN104780569A (zh) 2015-07-15
CN104780569B true CN104780569B (zh) 2018-08-21

Family

ID=53621728

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510156025.5A Active CN104780569B (zh) 2015-04-02 2015-04-02 多层卫星网络信道资源管理方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104780569B (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105846885B (zh) * 2016-03-21 2018-10-12 南京邮电大学 基于流量预测的geo卫星信道分配策略
CN105743562A (zh) * 2016-03-21 2016-07-06 南京邮电大学 基于预测动态带宽分配的卫星网络接入方法
CN107277895B (zh) * 2017-06-28 2020-03-27 辽宁工业大学 一种基于博弈论的异构网络下接入网络选择方法及装置
CN114828073A (zh) * 2021-01-29 2022-07-29 大唐移动通信设备有限公司 资源配置方法、装置、设备以及存储介质
CN113784376B (zh) * 2021-09-28 2023-06-13 中国联合网络通信集团有限公司 通信系统处理方法、服务器和存储介质
CN113890592B (zh) * 2021-10-27 2022-05-24 广州爱浦路网络技术有限公司 通信卫星切换方法、天地一体化信息网络系统、装置和介质
CN114286408B (zh) * 2021-12-27 2022-10-11 广州爱浦路网络技术有限公司 基于天地一体化的网络性能优化方法、系统、装置及介质
CN114268364B (zh) * 2021-12-31 2022-10-21 广州爱浦路网络技术有限公司 卫星通信中的通信数据传输方法、计算机装置和存储介质

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103079273A (zh) * 2012-11-19 2013-05-01 南京邮电大学 一种适用于多层卫星系统的资源管理方法
CN103905306A (zh) * 2014-04-02 2014-07-02 中国人民解放军西安通信学院 一种适用于geo/leo双层星座网络的路由交换方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040081199A1 (en) * 2002-10-29 2004-04-29 Lopez Ricardo Jorge Multi-channel communication system and method based on class of service requirements

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103079273A (zh) * 2012-11-19 2013-05-01 南京邮电大学 一种适用于多层卫星系统的资源管理方法
CN103905306A (zh) * 2014-04-02 2014-07-02 中国人民解放军西安通信学院 一种适用于geo/leo双层星座网络的路由交换方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
An Admission Control Scheme Based On The Game Theory For LEO Satellite Networks;Jian Zhou, Lijuan Sun，Tianshi Liu，Tao Zhang, Fu Xiao;《2014 2nd International Conference on Systems and Informatics》;20141231;全文 *
Analysis of LEO, MEO, and GEO Global Mobile Satellite Systems in the Presence of Interference and Fading;Francesco Vatalaro et.al;《IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS》;19950228;全文 *
多层卫星网络研究概述;吴永辉 马冲 潘巍 梁涛;《卫星应用》;20090630;全文 *
多层卫星通信网络结构设计与分析;肖楠，梁俊，张基伟;《现代防御技术》;20120630;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN104780569A (zh) 2015-07-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104780569B (zh) 多层卫星网络信道资源管理方法
CN105657750B (zh) 一种网络动态资源的计算方法及装置
Van De Beek et al. TV white space in Europe
Anderson et al. Technology forecasting for wireless communication
CN101754381B (zh) 一种认知系统小区频谱分配方法、装置和系统
CN105846885B (zh) 基于流量预测的geo卫星信道分配策略
CN108495341A (zh) 一种基于流向预测的资源预留方法及系统、移动通信系统
CN103441790B (zh) 适用于卫星网络的多业务信道资源管理方法
Del Re et al. Different queuing policies for handover requests in low earth orbit mobile satellite systems
CN104079341B (zh) 低轨卫星网络星间链路分配方法
CN107302801A (zh) 一种5G混合场景下面向QoE的双层匹配博弈方法
US8355945B1 (en) Identifying and ranking high-impact churn sectors
Elias et al. Distributed spectrum management in TV white space networks
Ghosh et al. Telephone penetrations and economic growth: evidence from India
Fu et al. A multicriteria analysis on the strategies to open Taiwan's mobile virtual network operators services
CN110838077B (zh) 一种基于景区的游览管理方法
Hu et al. Satellite-UMTS traffic dimensioning and resource management technique analysis
Reynolds Prioritizing salmon habitat restoration with the AHP, SMART, and uncertain data
Petraki et al. Distributed resource allocation for delay-sensitive services in satellite networks using game theory
Parzy et al. QoS support in radio resource sharing with Cournot competition
Sumith et al. Enhanced model for spectrum handoff in cognitive radio networks
Zheng et al. Efficient design of indoor positioning systems based on optimization model
CN104023341B (zh) 基于博弈论的频谱移动性管理方法
Houngbonon et al. The Impact of Broadband Internet on Employment in France
Winston et al. Comparing performance of MLP and RBF neural networks for TV idle channel prediction in Cognitive Radio

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
EXSB Decision made by sipo to initiate substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20150715

Assignee: NUPT INSTITUTE OF BIG DATA RESEARCH AT YANCHENG CO., LTD.

Assignor: Nanjing Post & Telecommunication Univ.

Contract record no.: X2019980001249

Denomination of invention: Multilayered satellite network channel resource management method

Granted publication date: 20180821

License type: Common License

Record date: 20191224