CN105657843B - 一种出站容量受限非对称卫星信道出站资源调度方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种出站容量受限非对称卫星信道出站资源调度方法及装置，包括缓冲单元、业务类型参数配置单元、用户参数配置单元、优先调度确认单元、非优先调度确认单元和资源分配单元；出站消息先按出站波束进行分类，属于同一出站波束的数据业务再按业务优先等级进行分类；属于同一业务类型k的数据业务再按先进先出的顺序进行排列；对于任一出站波束的数据业务队列，从当前各个业务类型k的出站队列中挑选出ΔT_k,i<N*T_subframe的用户，确定为“紧急用户”；“紧急用户”按照ΔT_k,i进行排列，ΔT_k,i越小的出站数据优先发送；若没有“紧急用户”，则所有出站用户采用按加权的比例公平算法进行优先级排序，优先级高的用户先发送。其保证了用户各种业务的服务质量要求以及系统性能。

Description

一种出站容量受限非对称卫星信道出站资源调度方法及装置

技术领域

本发明涉及卫星移动通信技术领域，更具体而言，涉及RDSS(RadioDetermination Satellite Service)卫星移动通信系统出站资源调度的方法。

背景技术

RDSS业务系统主要由空间段、地面控制中心和用户段组成：

空间段由包含若干颗卫星的卫星星座组成，这些卫星(出站转发器、入站转发器)转发由地面中心站发出的出站信号和用户机发出的入站信号，具备一定的抗干扰能力。

地面控制中心使用大型天线，发射功率通常为数百瓦，担负信道分配，用户信号收发测量和信息收发处理，并对整个系统的运行进行管理控制。

用户段是指带有RDSS功能的用户机终端，接收来自地面控制中心的数据业务以及控制消息，并根据自身业务需求以及出站的控制信令发送入站消息，实现定位、定时、短报文通信等功能。

出站资源调度器，作为无线资源管理的核心组成部分，负责出站链路的空中接口资源控制，调节和分配，以实现将有限的无线资源，如频谱资源，时间资源，码资源，功率资源等合理地分配给众多用户。调度技术的优劣很大程度上决定了整个系统的性能。

通常对于一种调度算法的性能进行评估时，要用到以下主要参考指标：

1.系统总信息速率：单位时间内出站链路传输的数据量

2.用户公平性：所有用户按业务优先级是否都获得一定的服务机会

3.用户服务质量要求：不同业务对服务质量的要求，比如传输速率，响应时间，丢包率等。

4.算法复杂度：为及时得到每一出站帧的调度结果，对调度算法的运算周期有一定要求，尤其是当出站业务繁忙时期。

从系统吞吐量角度考虑，调度算法必须充分利用信道的时变特性，将有限的无线资源分配给信道条件最好的用户，以提高频谱效率；而从用户角度考虑，如果只将无线资源分配给信道质量最好的用户，势必造成信道条件较差的用户一直得不到服务机会，并且用户服务质量可能得不到保障。因此考虑到公平性和系统吞吐量的要求，需要将一部分资源分配给信道质量较差的用户，但这将导致系统吞吐量的下降。如何在系统吞吐量，用户公平性和服务质量之间进行平衡成为调度算法必须考虑的问题。

现有技术中，比例公平(Proportional Fair)调度算法同时兼顾了系统吞吐量和用户公平性，因此得到较为广泛的应用。比例公平调度算法是基于优先级的，即在传输时间间隔为t时，将资源分配给满足下式的用户v：

(式1)

其中，(C/I)_k表示用户k在时刻t的信道状况，R_k(t-1)表示用户k在t-1结束时刻之前固定长度T_PF内的平均数据传输速率，传输时间间隔t结束后，所有用户的R_k(t-1)按下式进行更新：

(式2)

u_k(t)表示被调度用户k在t时刻的数据速率；1/T_PF∈(0,1)，T_PF是时间窗口。可见若用户信道条件较好，会因为(C/I)_k值较大而得到较高优先级，同时如果用户长时间得不到调度，会因为历史平均数据速率R_k(t-1)下降而得到较高优先级，因此比例公平调度兼顾了系统吞吐量和用户公平性。

目前RDSS卫星移动通信系统的服务质量要求主要是响应时间，举例：

表1业务优先级

出站调度方案集中在应用层解决分配问题，即采用业务优先级排队算法：首先将高优先级队列中的数据包发出，只有当高优先级队列空了以后，才能为低优先级服务。这种调度算法虽然简单易行，但没有考虑其它信息对系统整体性能的影响，比如信道的变化，业务类型(点对点通信，组播/通播/广播)的不同，不同业务不同用户的时延要求等。

发明内容

为了实现资源的高效分配，本发明提供一种出站容量受限非对称卫星信道出站资源调度方法及装置，其综合考虑多个因素，根据系统应用层和物理层的动态变化调整出站链路的资源分配策略，从而保证系统所接纳的用户各种业务的服务质量要求以及系统性能。

本发明的技术方案是：

一种出站容量受限非对称卫星信道出站资源调度方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：出站消息先按出站波束进行分类，属于同一出站波束的数据业务再按业务优先等级进行分类；属于同一业务类型k的数据业务再按先进先出的顺序进行排列

步骤二：对于任一出站波束的数据业务队列，在每一个出站帧周期内，从当前各个业务类型k的出站队列中挑选出ΔT_k,i<N*T_subframe的用户，确定为“紧急用户”，并置于优先调度池中，其中ΔT_k,i为业务类型k队列中第i个用户的可再等待的时延，N为系统配置值，T_subframe为出站子帧持续时间，RTT(Round Trip Time)为信号在地面控制中心和用户之间传输的往返时间；

步骤三：若优先调度池非空，则这些“紧急用户”按照ΔT_k,i进行排列，ΔT_k,i越小的出站数据优先发送；

步骤四：若优先调度池为空，则所有出站用户采用加权后的比例公平算法进行优先级排序，优先级高的用户出站数据包先发送。

一种出站容量受限非对称卫星信道出站资源调度装置，包括缓冲单元、业务类型参数配置单元、用户参数配置单元、优先调度确认单元、非优先调度确认单元和资源分配单元。

所述缓冲单元用于缓冲需通过本出站波束发送的用户数据包；对各用户数据包按业务类型进行区分，属于同一业务类型的数据包按到达先后顺序进行排列；同时实时监控缓冲区队列总长度；

所述业务类型参数配置单元用于配置和保存各类业务对应的最大响应时间T_k和优先级权重Q_k；

所述用户参数配置单元用于保存和更新缓冲单元中的各用户或用户组的出站配置参数，包括出站数据包到达缓冲单元的时间T_arr,k,i，最新出站信道质量指示CQI_k,i和用户或用户组已获得的服务量C_k,i；

所述优先调度确认单元根据业务类型参数配置单元和用户参数配置单元中保存的参数，扫描缓冲单元中各类业务队列中满足ΔT_k,i<N*T_subframe的用户，将满足此条件的所有用户标记为“紧急用户”，并将“紧急用户”按ΔT_k,i的大小进行排序；

所述非优先调度确认单元用于当优先调度确认单元反馈没有“紧急用户”时，则根据业务类型参数配置单元和用户参数配置单元中保存的参数，采用加权比例公平算法挑选出优先级前M位用户；

所述资源分配单元为所述优先调度确认单元或非优先调度确认单元确定的参与调度的用户分配出站资源。

本发明的有益技术效果：

为了尽量满足不同用户服务质量的要求(本发明中为时延要求)，将用户分为“紧急用户”和“非紧急用户”，对两种用户采用不同的调度策略，从而一方面保证系统所接纳的用户各种业务的服务质量要求，另一方面尽量提高系统吞吐量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的出站容量受限非对称卫星信道出站资源调度方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的缓冲单元业务调度队列生成的流程示意图；

图3是本发明提供的出站容量受限非对称卫星信道出站资源调度系统的结构示意图；

具体实施方式

图1是本发明技术提供的一种出站容量受限非对称卫星信道出站资源调度方法的流程示意图。

步骤1：如图2所示，地面控制设备首先生成波束j对应的出站调度队列，所述出站调度队列按先进先出的方式进入缓冲单元；然后根据业务类型进行区分，即属于业务类型k的用户出站数据包，都进入业务调度队列k中，且同一业务类型的用户出站数据包按照到达先后次序排为独立的业务调度队列，先到达的数据包排在队列前面。

进一步，不同业务类型对应不同的最大响应时间T_k和优先级权重Q_k。表2给出了不同业务类型服务等级要求的一个实例。

表2业务类型服务等级要求

根据不同业务类型对应的最大响应时间，可以确定不同业务调度队列的最大缓冲长度L_k,max为，

(式3)

其中λ_k∈(0,1]，为不同业务调度队列k最大缓冲长度的调整因子，该参数可以固定配置，一种简单的配置方法是都设置为1，即不对业务类型进行区分；另外一种方法是不同业务类型配置不同参数，比如服务等级较高的业务可配置较大的λ_k值，服务等级较低的业务可配置较小的λ_k值；参数λ_k也可根据当前业务类型进行实时调整，比如当前某种业务类型的出站消息较多，那么可以提高λ_k值。M_data为单个出站帧平均可发送的用户数据包数目，T_k为业务类型k对应的最大响应时间，RTT(Round Trip Time)为信号在地面控制中心和用户之间传输的往返时间，以GEO(Geostationary Earth Orbit相对地球静止轨道)卫星通信系统为例，RTT大约为0.54秒。T_subframe为单个出站帧持续时间。当业务调度队列k已满时，不再接收新进入缓冲区的数据包，而是直接抛弃。

步骤2：在每一个出站帧周期内，优先调度确认单元从当前各个业务调度队列k中挑选出满足ΔT_k,i<N*T_subframe的用户，并确定为“紧急用户”，并置于优先调度池中，其中N为系统配置参数，ΔT_k,i为业务类型k队列中第i个用户的可再等待的时延，按下式计算：

ΔT_k,i＝T_k–(T_pre–T_arr,k,i)–RTT/2 (式4)

其中T_k为业务类型k对应的最大响应时间，T_pre为当前时间，T_arr,k,i为业务类型k队列中用户i数据包到达缓冲单元的时间，该参数由用户参数配置单元提供。

进一步，参数N为大于1的整数，可由地面控制设备自行配置。

为了降低运算次数，优先调度确认单元从各业务调度队列k中最早到达的用户开始计算，当计算到ΔT_k,i≥N*T_subframe时，停止计算。

步骤3：对于“紧急用户”，优先调度确认单元按照ΔT_k,i从小到大进行排序，ΔT_k,i值越小的出站数据包优先调度。

若出现ΔT_k,i值相同的用户，则按下式进行优先级排序，计算值大的用户v获得较高优先级。

(式5)

其中r_k,i(t)为用户或用户组i当前的出站数据速率，该参数由用户参数配置单元的最新出站信道质量指示CQI_k,i提供，信道条件越好的用户，所支持的最大数据传输速率就越高，基于系统吞吐量最大化的原则，信道条件越好，其调度优先级就越高；TrafficMode_k,i为用户或用户组i的通信模式，包括点对点通信，组播/通播/广播通信，不同通信模式由于单次服务用户数目不同，因此可配置不同的权重。考虑到卫星出站容量极其有限，为了能同时服务更多用户，组播/通播/广播可以配置较高的权重，从而获得更高的调度优先级；Q_k,i为用户或用户组i对应的业务服务等级权重，不同种类的业务由于其重要程度不同，因此权重也不同，如表2所示；C_k,i(t)为历史平均数据传输速率，即用户或用户组i在时刻t之前固定时间长度T_u内已获得的服务量，该参数由用户参数配置单元提供，按下式在每一个出站帧周期进行更新：

(式6)

考虑到用户间的公平性，C_k,i(t)与调度优先级成反比，保证T_u时间内很少或没有得到的调度的用户也有机会得到传输。

参数α，β，γ，η为非负数，用来调整信道条件，通信模式，业务优先级，以及历史平均传输速率对调度优先级的影响程度。地面控制设备可根据不同的调度策略进行调整，比如系统更关注总通信容量，那么可以设置γ<1,η<1。完成所有“紧急用户”排序后，挑选优先级前M位的用户进行资源分配，其中M为下一出站帧可发送的新用户的出站数据包数目。

步骤4：若优先调度确认单元反馈当前没有“紧急用户”，则缓冲单元内用户按照(式7)的加权比例公平算法，挑选优先级前M位的用户，其中M为下一出站帧可发送的新用户的出站数据包数目；

(式7)

进一步，若缓冲单元内待调度用户数目比较多，计算量和复杂度会快速增长。为降低运算次数和复杂度，非优先调度确认单元可先设置一定阈值，只有满足该阈值的用户才有资格参与进一步的优先级排序。

该阈值的设置方法可以是：

方法一：按先进先出原则直接读取各业务调度队列的前l_k位用户，作为有资格参与优先级排序的用户；l_k可以根据系统需求进行配置，比如对应业务服务等级较高的调度队列l_k可以配置较大值。

方法二：按最大化系统容量原则，读取各业务调度队列{r_k,i(t)·TrafficMode_k,i}值最大的前l_k位用户，作为有资格参与优先级排序的用户。

在本发明实施例中，通过对不同类型用户采用不同的调度策略，可有效地提高RDSS卫星通信系统出站总容量，并保证系统所接纳的用户各种业务的服务质量要求以及系统性能。

本领域普通技术人员可以理解，上述各实施例中的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来实现，上述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，上述的存储介质可以是ROM/RAM，磁盘，光盘等。

图3所示为本发明实施例提供的一种出站容量受限非对称卫星信道出站资源调度装置，能够实现本发明上述实施例所提供的出站容量受限非对称卫星信道出站资源调度方法。该系统包括：缓冲单元，业务类型参数配置单元，用户参数配置单元，优先调度确认单元，非优先调度确认单元，资源分配单元。

其中：缓冲单元用于缓冲需通过本出站波束发送的用户数据包；各用户数据包按业务类型进行区分，属于同一业务类型的数据包按到达先后顺序进行排列；同时实时监控缓冲区队列是否溢出。

业务类型参数配置单元，用于配置和保存各类业务对应的最大响应时间T_k和优先级权重Q_k。

用户参数配置单元，用于保存和更新各用户或用户组的出站配置参数，包括出站数据包到达缓冲单元的时间T_arr,k,i，最新出站信道质量指示CQI_k,i，用户或用户组已获得的服务量C_k,i等，将相关参数提供给优先调度确认单元和非优先调度确认单元。

优先调度确认单元，用于扫描各类业务队列中满足ΔT_k,i<N*T_subframe的用户，将满足此条件的所有用户标记为“紧急用户”；并将“紧急用户”按ΔT_k,i的大小进行排序。

非优先调度确认单元，当优先调度确认单元反馈没有“紧急用户”时，则根据加权比例公平算法挑选出优先级排列前M位用户；

资源分配单元，用于为所述优先调度确认单元或非优先调度确认单元确定的参与调度的用户分配出站资源。

需要特别说明的是，附图和相关描述只是为了说明本发明的原理，并非用于限定本发明的保护范围。例如，本发明实施例中的消息名称和实体可以根据网络的不同而有所变化，一些消息也可以省略。因此，凡这在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换，改进等均包含在本发明的保护范围内。虽然通过参照本发明的实施例，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (5)

1.一种出站容量受限非对称卫星信道出站资源调度方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：出站消息先按出站波束进行分类，属于同一出站波束的数据业务再按业务优先等级进行分类；属于同一业务类型k的数据业务再按先进先出的顺序进行排列；

步骤二：对于任一出站波束的数据业务队列，在每一个出站帧周期内，从当前各个业务类型k的出站队列中挑选出ΔT_k,i<N*T_subframe的用户，确定为“紧急用户”，并置于优先调度池中，其中ΔT_k,i为业务类型k队列中第i个用户的可再等待的时延，N为系统配置值，T_subframe为出站子帧持续时间，RTT为信号在地面控制中心和用户之间传输的往返时间；

步骤三：若优先调度池非空，则这些“紧急用户”按照ΔT_k,i进行排列，ΔT_k,i越小的出站数据优先发送；

步骤四：若优先调度池为空，则所有出站用户采用加权后的比例公平算法进行优先级排序，优先级高的用户出站数据包先发送。

2.根据权利要求1所述的出站容量受限非对称卫星信道出站资源调度方法，其特征在于：在步骤二中，ΔT_k,i按下式计算：

ΔT_k,i＝T_k–(T_pre–T_arr,k,i)–RTT/2

其中T_k为业务类型k对应的最大响应时间，T_pre为当前时间，T_arr,k,i为业务类型k队列中用户i数据包到达缓冲单元的时间。

3.根据权利要求2所述的出站容量受限非对称卫星信道出站资源调度方法，其特征在于：在步骤三中，若出现ΔT_k,i值相同的用户，则按下式进行优先级排序，计算值大的用户v获得较高优先级，

其中r_k,i(t)为业务类型k队列中用户或用户组i当前的出站信息速率；TrafficMode_k,i为用户或用户组i的通信模式所配置的权重，通信模式包括点对点通信，组播/通播/广播通信，其中组播/通播/广播通信配置的权重高于点对点通信配置的权重；Q_k,i为用户或用户组i对应的业务服务等级权重；C_k,i(t)为历史平均传输速率，即用户或用户组i在时刻t之前固定时间长度T_u内已获得的服务量，C_k,i(t)按下式在每一个出站帧周期进行更新：

参数α，β，γ，η为非负数；r_k,i(t)_min为业务类型k队列中用户或用户组i的最小出站信息速率；

完成所有“紧急用户”排序后，挑选优先级前M位的用户进行资源分配，其中M为下一出站帧可发送的新用户的出站数据包数目。

4.根据权利要求3所述的出站容量受限非对称卫星信道出站资源调度方法，其特征在于：在步骤四中，按下式为缓冲单元内用户数据包进行优先级排序，计算值大的用户获得较高优先级，并挑选出优先级前M位的用户，其中M为下一出站帧可发送的新用户的出站数据包数目；

其中：参数μ为非负数，是ΔT_k,i的幂指数。

5.一种出站容量受限非对称卫星信道出站资源调度装置，其特征在于：包括缓冲单元、业务类型参数配置单元、用户参数配置单元、优先调度确认单元、非优先调度确认单元和资源分配单元；

所述缓冲单元用于缓冲需通过本出站波束发送的用户数据包；对各用户数据包按业务类型进行区分，属于同一业务类型的数据包按到达先后顺序进行排列；同时实时监控缓冲区队列总长度；

所述业务类型参数配置单元用于配置和保存各类业务对应的最大响应时间T_k和优先级权重Q_k；

所述用户参数配置单元用于保存和更新缓冲单元中的各用户或用户组的出站配置参数，包括出站数据包到达缓冲单元的时间T_arr,k,i，最新出站信道质量指示CQI_k,i和用户或用户组已获得的服务量C_k,i；

所述优先调度确认单元根据业务类型参数配置单元和用户参数配置单元中保存的参数，扫描缓冲单元中各类业务队列中满足ΔT_k,i<N*T_subframe的用户，将满足此条件的所有用户标记为“紧急用户”，并将“紧急用户”按ΔT_k,i的大小进行排序；其中ΔT_k,i为业务类型k队列中第i个用户的可再等待的时延，N为系统配置值，T_subframe为出站子帧持续时间；

所述非优先调度确认单元用于当优先调度确认单元反馈没有“紧急用户”时，则根据业务类型参数配置单元和用户参数配置单元中保存的参数，采用加权比例公平算法挑选出优先级前M位用户；

所述资源分配单元为所述优先调度确认单元或非优先调度确认单元确定的参与调度的用户分配出站资源。