CN110943772B

CN110943772B - 大跨度天基数据链的时分双工时隙调度方法

Info

Publication number: CN110943772B
Application number: CN201911056936.5A
Authority: CN
Inventors: 梁荟萃; 袁田; 刘田
Original assignee: Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Current assignee: Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2039-10-31
Also published as: CN110943772A

Abstract

本发明公开的一种大跨度天基数据链的时分双工时隙调度方法，旨在解决时分双工工作模式下天基数据链的时隙调度问题。本发明通过下述技术方案实现：利用定向窄波束天线的空间复用性，在不同区域内同时传输数据分组；一条链路上通信的双方被划分在同一时隙内互相朝对方发送消息；规划时分双工工作方式下节点天线的收发状态：将所有节点的天线在一帧中均规划为先发射、后接收的状态；发射信号时，让通信双方同时朝对方发送业务，通过开关控制切换其中一个天线进行发射；接收信号时，天线同时切换为接收状态；利用卫星空间复用与大跨度传播时延特性，通过时隙编排和收发状态调整，在不同方向上同时传输业务，在邻居节点之间完成无冲突的数据包发送。

Description

大跨度天基数据链的时分双工时隙调度方法

技术领域

本发明属于天基数据链通信领域，具体涉及一种传输3000公里以上大跨度天基数据链的时分双工时隙调度方法。

技术背景

在现有的一个由60颗卫星组成的低轨道星座系统中，整个场景6个轨道面在赤道均匀分布，每个轨道面10颗卫星均匀分布。如图9所示为每一颗卫星节点配置4套窄波束定向天线，分别用于卫星与同轨上前后卫星、邻轨道上相邻卫星进行通信。同轨道面前后配置两个固定天线，异轨道面左右配置两个程控天线，波束扫描范围根据实际情况而定。大跨度天基数据链系统是将天基信息网络与数据链系统相结合，在三千公里以上的距离传递各种消息的系统。由于天基信息网络工作时间长、覆盖范围广，将其与面向作战的数据链系统相结合形成天基数据链，不仅可以在远离国土范围的区域扩展信息互联和保障的范围，同时还可以扩大数据链系统的作用范围、提高数据链系统的使用效能。数据链一个突出的重要特征是工作的“协同性”，只有形成集群的多成员密切配合，才能构成统一的系统，从而大幅度提升系统整体性能，超越传统的单个成员。而协同的基础在于以组网为手段实现数据交互与信息共享，因此利用星间链路完成卫星星座的组网一直是天基数据链研究的重要课题。随着数据量的指数级增长，能够支持声音、图像、视频、互联网和企业级大规模数据流的天基宽带通信载荷系统扮演着越来越重要的角色。数据链技术已从单向视距点对点、低速率、无保密、无抗干扰能力、功能单一发展到目前的超视距大规模组网、高速率、保密、综合抗干扰能力和多功能于一体。基于天基信息网络的卫星数据链是将卫星通信信道作为传统数据链系统的传输通道，综合利用空间资源(包括各类卫星的计算处理资源、无线通信信道等)，采用事先约定好的协议，大跨度传递指挥、控制等各种信息，为各终端用户提供端到端数据链应用服务的系统。

时分双工(TDD)是目前通信系统常用的双工通信技术。时分双工(TDD)也称为半双工，只需要一个信道或上下行链路。无论向下还是向上传送信息都采用这同一个信道。时分双工TDD是指上行和下行的传输使用同一频带的双工方式，上下行需要根据时间进行切换，物理层的时隙被分为发送和接收两部分。在TDD模式中，上行链路和下行链路中信息的传输可以在同一载波频率上进行，即上行链路中信息的传输和下行链路中信息的传输是在同一载波上通过时分实现的。在TDD方式的通信系统中，TDD无线帧结构划分为不同的时隙,通过交叉时隙传输上下行数据。TDD系统使用单一频率来进行收发。通过分配不同的时隙，利用单一频段来进行收发操作，接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，发送的信息，无论是语音、视频还是计算机数据，都是串行的二进制数据。每个时隙的长度可能为1字节，同时可以将多个字节组装在一起成帧。用时间来保证接收与发送信道的分离。为了避免上行数据流和下行数据流在发送时发生碰撞，通常通过最优调度不同终端间上下行业务还可以进一步减小该时间间隔。此外，在TDD系统中，还可以采用帧同步来控制时间间隔。TDD系统主要有如下特点：时分双工TDD支持不对称数据业务：TDD可以根据上下行业务量来自适应调整上下行时隙个数；不需要成对的频率，能使用各种频率资源，适用于不对称的上下行数据传输速率，特别适用于IP型的数据业务。该系统能够与接入手段结合使用。但在采用复用因子较低的组网方式时可能会产生接入困难和切换失败等现象。端到端时延是从一个网络的一端传送到另一个端所需要的时间。它包括了发送时延(又称为传输时延)，传播时延，处理时延，排队时延。时延＝发送时延+传播时延+处理时延+排队时延。其中传播时延是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。传播时延＝信道长度(m)/电磁波在信道上的传播速率(m/s)(电磁波在信道上的传播速率接近光速)。传输时延主要是传输通道造成的链路传输时延，取决于传输通道所采用的物理介质，是数据包的第一个比特开始发送算起，到最后一个比特发送完毕所需要的时间。在窄带链路上，不同大小数据包的传输时延差别较大。传输时延＝数据包长度(bit)/传输通道上传输信息的速度(bit/s)。接入控制策略是卫星星座组网的关键组成部分之一。由于天基数据链网络中业务端到端时延非常大，且节点间距离变化较大(主要指异轨之间)从而引起严重的时延抖动，给接入设计增加了难度。由于数据包传送的路径可能不同，因此不同的数据包到达接收端的时间也可能不同，对于语音、视频等对时延敏感的业务，接收端在回放语音或视频时产生时断时续的状况，称为抖动。数据包在网络中产生拥塞会被丢掉，在传输线路中产生的错误包同样也会被丢掉。通常当接收包的数量超过了输出端口的大小限制时就会产生拥塞，由此而产生丢包。如果在包到达的一端没有足够的输入缓冲，也会造成丢包。丢包率通常被定义为连续若干个包以一定的时间间隔在网络中传送时，被丢掉的包所占的百分比。当网络中业务流量突然增大时会产生拥塞，分组的排队时间增加，必然会有较低优先级的业务分组被丢弃，导致业务的服务质量下降。参考现有卫星星座系统的组网协议，并对几种多址接入方式的优缺点进行比较，可知时分多址接入方式和空分多址接入方式较适合作为星间组网的多址接入方式。时分多址方式采用单一频段通信，设备种类简单，组网灵活易实现，对于星上资源受限的卫星场景特别适用。空分多址方式一般与其他多址方式结合使用，在窄波束天线条件下，可利用空间复用性能有效提升网络容量，在无线通信场景下优势尤为明显。因为时分多址方式中的用户占用数据时隙来发送业务，高效及平稳的时隙调度对网络性能起着关键作用，如果时隙调度算法出错，将直接导致整个网络的混乱，因此在使用时分多址方式接入的网络系统中，时隙分配算法的优劣直接决定了整网性能的好坏。

目前针对卫星星座组网中接入控制策略的研究，在时分双工工作方式下对于所有节点收发状态的设置没有进行说明，对于时隙调度方案对网络性能影响的研究较为薄弱，在一定范围内检索，至今没有与大跨度天基数据链的时分双工时隙调度方法密切相关的报道，所以设计一种适用于大跨度天基数据链场景下的时分双工时隙调度方案势在必行。

发明内容

本发明的目的是针对卫星间传播时延大、且节点间距离变化较大引起严重时延抖动，接入难度增大的问题，提供一种能够提高时频资源利用率、提升系统容量、减小时延的大跨度天基数据链时分双工时隙调度方法，以解决时分双工工作模式下天基数据链的时隙调度问题。

本发明的上述目的可以一个以下介绍方案予以实现：一种大跨度天基数据链的时分双工时隙调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

传输数据分组：采用卫星与同轨上前后卫星、邻轨道上相邻卫星进行通信，卫星节点采用时分双工工作模式，在每个方向上配置一套窄波束定向天线，利用定向窄波束天线的空间复用性，在不同区域内同时传输数据分组，在不同方向的通信对之间实现时隙复用；

调整时隙调度：两跳之外的卫星节点复用同一个时隙，一条链路上通信的双方被划分在同一时隙内互相朝对方发送消息；

规划时分双工工作方式下节点天线的收发状态：时分双工工作方式下，将所有节点的天线在一帧中均规划为先发射、后接收的状态，并设置每帧中业务的总发送时长小于最小星间链路长度的传播时延；发射信号时，让通信双方同时朝对方发送业务，通过开关控制切换其中一个天线进行发射，节点天线将处于发射状态的时间平均分为4份，利用空分特性，在每帧的发射状态中按照时隙调度顺序依次切换4个方向的天线进行发射；接收信号时，将4套天线同时切换为接收状态；利用卫星星座的空间复用与大跨度传播时延特性，采用时隙编排、收发状态调整等手段，在不同的方向上同时传输业务，在邻居节点之间完成无冲突的数据包发送。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

网络容量提升。本发明针对卫星间传播时延大、且节点间距离变化较大引起严重时延抖动，接入难度增大的问题，采用在每个方向上配置一套窄波束定向天线，利用定向窄波束天线的空间复用性，在不同区域内同时传输数据分组，在不同方向的通信对之间实现时隙复用；利用卫星场景中传播时延较大的特性，让通信双方同时朝对方发送业务，缩短了信道的空闲时间，将信道利用率和网络容量提升了一倍。

时频资源利用率高。本发明采用两跳之外的卫星节点复用同一个时隙，一条链路上通信的双方被划分在同一时隙内互相朝对方发送消息。在时分多址与空分多址相结合的接入方式下，利用定向窄波束天线的空间复用性，其它方向的节点在同一时间使用不同区域来传输数据分组而不会互相干扰，节约时隙数量。由于充分利用空分特性进行时隙复用，在时频资源受限的情况下节点通过调度天线波束的切换及指向就可以提升网络吞吐量。

减小时延。本发明采用在时分双工工作方式下，将所有节点的天线在一帧中均规划为先发射、后接收的状态，并设置每帧中业务的总发送时长小于最小星间链路长度的传播时延，发射信号时，让通信双方同时朝对方发送业务，通过开关控制切换其中一个天线进行发射；接收信号时，将4套天线同时切换为接收状态。在时分双工工作方式下的时隙调度方案中，通过调整时隙交换点的位置可以很方便地动态分配上下行信道的容量，避免了出现某些业务端到端时延非常大的情况，在网络不拥塞、路由无环路的情况下，业务数据无论朝怎样的路径传输，基本等待一到两个时隙的时长就能继续转发至下一跳节点，网络中业务端到端时延的最大值和平均值显著降低。发射信号时，节点天线将处于发射状态的时间平均分为4份，利用空分特性，在每帧的发射状态中按照时隙调度顺序依次切换4个方向的天线进行发射，将卫星节点在某一方向获得服务的平均等待时间缩短为原来的四分之一，从而进一步减小了业务的端到端时延。

本发明利用卫星星座的空间复用与大跨度传播时延特性，采用时隙编排、收发状态调整等手段，保障天基数据链系统传递各种信息的服务质量。

附图说明

下面结合附图对本发明详细说明。

图1是本发明具体实施方式示意图；

图2是本发明中实施例1的时隙调度示意图；

图3是本发明中实施例2的时隙调度和节点A、B、C、D、E的通信时隙示意图；

图4是本发明中实施例3发送时长大于传播时延时的节点天线收发状态示意图；

图5是本发明中实施例3发送时长小于传播时延时的节点天线收发状态示意图；

图6是本发明中实施例3发送时长小于传播时延时优化后的节点天线收发状态示意图；

图7是本发明中实施例4的帧格式及通信流程示意图；

图8是本发明中实施例5优化后的帧格式及通信流程、服务时间间隔示意图。

图9是卫星天线配置示意图。

具体实施方式

参阅图1。在大跨度天基数据链的时分双工时隙调度中，采用如下步骤：

实施例1

参阅图2。每个节点天线从右侧开始按顺时针方向，以右、后、左、前的天线切换顺序各占一个时隙轮流发送信号，同一序号的线条代表可以复用同一个时隙进行通信的链路对。由于卫星节点相互之间距离较远，一般每个卫星的有效通信距离为一跳，因此可以忽略对一跳之外的卫星节点的干扰；并且星上配置的是定向天线，所以在实际中，每颗卫星只能与其前、后、左、右4个邻居卫星进行通信。此时，利用定向窄波束天线的空间复用性，其他方向的节点可以在同一时间使用不同区域来传输数据分组而不会互相干扰，那么时隙数量就可大大节约。因此在可选的实施例中，卫星节点采用时分双工工作模式，可以在每一颗卫星节点的四个方向上各配置一套窄波束定向天线，分别用于卫星与同轨上前后卫星、邻轨道上相邻卫星进行通信。同轨道面前后配置两个固定天线，异轨道面左右配置两个程控天线。发射信号时只能开关控制切换其中一个天线进行发射，接收信号时可四个天线同时接收。经分析，每个卫星只需要4个时隙就能保证各自与其邻居之间完成无冲突的数据包发送，在不同方向的通信对之间实现时隙复用，最终整网的卫星在一帧中只需要划分4个固定时隙就能够满足所有卫星间基本通信的需求。

实施例2

参阅图3。采用卫星与同轨上前后卫星、邻轨道上相邻卫星进行通信，每个卫星节点只能与其前、后、左、右4个一跳邻居卫星节点B、C、D、E进行通信；节点B、C、D、E是节点A可通信的一跳邻居节点，节点B在节点A的后方，节点C在节点A的左方，节点D在节点A的前方，节点E在节点A的右方，奇数列、奇数行的节点和偶数列、偶数行的节点以后、左、前、右的天线切换顺序各占一个时隙轮流发送信号；奇数列、偶数行的节点和偶数列、奇数行的节点以前、右、后、左的天线切换顺序各占一个时隙轮流发送信号；同一序号的线条代表可以复用同一个时隙进行通信的链路对。在不同区域内同时传输数据分组，在不同方向的通信对之间实现时隙复用，全网的卫星在一帧中共划分4个时隙就能满足所有卫星间基本通信的需求。

在实施例2中的时隙调度方案下，节点A在第一个时隙与节点B通信，第二个时隙与节点C通信，第三个时隙与节点D通信，第四个时隙与节点E通信。两跳之外的卫星节点复用同一个时隙，一条链路上通信的双方被划分在同一时隙内互相朝对方发送消息。在实施例2的时隙调度方案中，与实施例1对比，调整了时隙调度，避免了端到端时延极大的情况发生。在实施例2调整后的时隙调度方案中，由于邻居节点可在同一个时隙内互相朝对方发送消息，因此，在时分双工工作模式下，对节点天线的工作状态进行规划，有序进行时隙调度，在这种模式下，节点不能同时收发消息，发送状态和接收状态被分开。

实施例3

参阅图4。发送时长大于传播时延时，通信双方的节点天线将一个时隙分为前后分隔且长度相等的发送状态、接收状态两个部分，节点A在前半部分处于发送状态、后半部分处于接收状态；节点B则相应地在前半部分处于接收状态、后半部分处于发送状态；完成节点A发送经过一段传播时延后至节点B接收，节点B发送经过一段传播时延后至节点A接收。

参阅图5。在卫星场景中，传播时延较大，一般情况下发送时长小于传播时延，通信双方的节点天线仍然将一个时隙分为前后分隔且长度相等的发送状态、接收状态两个部分，节点A在前半部分处于发送状态、后半部分处于接收状态；节点B则相应地在前半部分处于接收状态、后半部分处于发送状态；完成节点A发送经过一段传播时延后至节点B接收，节点B发送经过一段传播时延后至节点A接收。

参阅图6。发送时长小于传播时延时，通信双方的节点天线将一个时隙分为前后分隔的发送状态、接收状态两个部分，发送状态比接收状态长度短；节点A和节点B在前小半部分均处于发送状态、后大半部分均处于接收状态；完成节点A发送经过一段传播时延后至节点B接收，同时节点B发送经过一段传播时延后至节点A接收。考虑充分利用卫星场景中传播时延较大的特性，将所有节点的天线在一帧中均规划为先发射、后接收的状态，并设置每帧中业务的总发送时长小于最小星间链路长度的传播时延；发射信号时，让通信双方同时朝对方发送业务；接收信号时，将天线同时切换为接收状态。缩短了信道的空闲时间，将信道利用率和网络容量提升了一倍。

实施例4

参阅图7。帧格式及通信流程示意图，使用场景同实施例1-3。节点A在第一个时隙与节点B通信，第二个时隙与节点C通信，第三个时隙与节点D通信，第四个时隙与节点E通信。最大星间链路长度的传播时延约为16ms，最小星间链路长度的传播时延约为8ms，本发明中的卫星采用时分双工工作方式，即同一天线下不可同时收发，每帧中发送占用的时间越长，相应的接收时间就越短，当发送的时间长度大于星间传播时延时，就会产生发送和接收冲突的问题，此时卫星将一直处于发送状态，永远无法收到其他节点发送过来的消息。因此两时隙间的间隔必须大于最大传播时延16ms，且每时隙中数据的发送时长及接收时长不能超过最小传播时延8ms。所以设每个时隙内业务的发送时长及接收时长均为7ms，此外在接收端还需约1ms的处理时延，以及设置的保护间隔1ms。每个时隙的长度应为发送时长+传播时延+处理时延+保护间隔＝7+16+1+1＝25ms，每帧4个时隙，则总帧长为：25×4＝100ms，此时每帧的信道利用率为：

卫星在同一方向两次服务的时间间隔为：100-7＝93ms，则其在某一方向获得服务的平均等待时间为：93÷2＝46.5ms。

实施例5

参阅图8。优化后的帧格式及通信流程、服务时间间隔示意图，使用场景同实施例1-3，规划时分双工工作方式下节点天线的收发状态：时分双工工作方式下，将所有节点的天线在一帧中均规划为先发射、后接收的状态，并设置每帧中业务的总发送时长小于最小星间链路长度的传播时延；发射信号时，将节点天线处于发射状态的时间平均分为4份，利用空分特性，在每帧的发射状态中按照时隙调度顺序依次切换4个方向的天线进行发射；接收信号时，将4套天线同时切换为接收状态。在这种设计方案下，参照实施例4，同样设置业务发送总时间为7ms，其中每个方向的发送时间为7÷4＝1.75ms；接收时加上1ms的处理时延和1ms的保护间隔，将接收状态设为18ms；则总帧长为发送状态时间+接收状态时间＝7+18＝25ms，此时利用率为：

卫星在同一方向两次服务的时间间隔为：25-1.75＝23.25ms，其在某一方向获得服务的平均等待时间为：23.25÷2＝11.625ms。

在实施例4中，当每个时隙内业务传输的时间为7ms时，利用率28％，节点在某一方向获得服务的平均等待时间为46.5ms。在实施例5中，当每个时隙内业务总传输的时间为7ms时，利用率28％，节点在某一方向获得服务的平均等待时间为11.625ms。由此可知，本发明的天线收发状态规划，与实施例4对比，在利用率不变的情况下，卫星在某一方向获得服务的平均等待时间缩短为原来的四分之一。

简而述之，本发明解决了大跨度天基数据链时分双工条件下的时隙调度问题。首先充分利用空分特性，在不同的方向上同时传输业务，以在资源受限的情况下提高吞吐量、降低时延；然后调整了各节点的时隙调度顺序，避免出现某些传输方向的业务端到端时延极大的情况；接着规划同一时隙内通信双方节点天线的工作状态，时分双工工作方式下，将所有节点的天线在一帧中均规划为先发射、后接收的状态，并设置每帧中业务的总发送时长小于最小星间链路长度的传播时延，将信道利用率和系统容量提升了一倍；最后进一步优化帧格式，在每帧的发射状态中按照时隙调度顺序依次切换4个方向的天线进行发射，显著缩短了节点获得服务的平均等待时间。本发明为时分双工工作模式下天基数据链的时隙调度提供了一种可行方法。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种大跨度天基数据链的时分双工时隙调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

传输数据分组：采用卫星与同轨上前后卫星、邻轨道上相邻卫星进行通信，卫星节点采用时分双工工作模式，在卫星节点的前、后、左、右四个方向上各配置一套窄波束定向天线，利用窄波束定向天线的空间复用性，在卫星节点的前、后、左、右四个不同区域内同时传输数据分组，在卫星节点前、后、左、右四个不同方向的通信对之间实现时隙复用；调整时隙调度：两跳之外的卫星节点复用同一个时隙，一条链路上通信的双方被划分在同一时隙内互相朝对方发送消息；规划时分双工工作方式下节点天线的收发状态：时分双工工作方式下，将所有节点的天线在一帧中均规划为先发射、后接收的状态，并设置每帧中业务的总发送时长小于最小星间链路长度的传播时延；发射信号时，让通信双方同时朝对方发送业务，利用空分特性，按照时隙调度顺序通过开关控制依次切换其中一个天线进行发射；接收信号时，将天线同时切换为接收状态；利用卫星星座的空间复用与大跨度传播时延特性，采用时隙编排和收发状态调整，在卫星节点前、后、左、右四个不同的方向上同时传输业务，在邻居节点之间完成无冲突的数据包发送。

2.根据权利要求1所述的大跨度天基数据链的时分双工时隙调度方法，其特征在于，卫星节点采用时分双工工作模式，在每一颗卫星节点的四个方向上各配置一套窄波束定向天线，分别用于卫星与同轨道上前后卫星、邻轨道上相邻卫星进行通信；同轨道面前后配置两个固定天线，异轨道面左右配置两个程控天线，发射信号时只能开关控制切换其中一个天线进行发射，接收信号时可四个天线同时接收。

3.根据权利要求1所述的大跨度天基数据链的时分双工时隙调度方法，其特征在于，采用卫星与同轨道上前后卫星、邻轨道上相邻卫星进行通信，每个卫星节点只能与其前、后、左、右4个一跳邻居卫星节点B、C、D、E进行通信；节点B、C、D、E是节点A可通信的一跳邻居节点，节点B在节点A的后方，节点C在节点A的左方，节点D在节点A的前方，节点E在节点A的右方，节点A在第一个时隙与节点B通信，第二个时隙与节点C通信，第三个时隙与节点D通信，第四个时隙与节点E通信；奇数列、奇数行的节点和偶数列、偶数行的节点以后、左、前、右的天线切换顺序各占一个时隙轮流发送信号；奇数列、偶数行的节点和偶数列、奇数行的节点以前、右、后、左的天线切换顺序各占一个时隙轮流发送信号；占用同一时隙序号的卫星节点链路代表可以复用同一个时隙进行通信。

4.根据权利要求3所述的大跨度天基数据链的时分双工时隙调度方法，其特征在于，发送时长小于传播时延时，通信双方的节点天线将一个时隙分为前后分隔的发送状态、接收状态两个部分，发送状态比接收状态长度短；节点A和节点B在前小半部分均处于发送状态、后大半部分均处于接收状态；节点A和节点B同时朝对方发送业务，发送完成后再同时切换为接收状态；完成节点A发送，经过一段传播时延后至节点B接收；节点B发送，经过一段传播时延后至节点A接收。

5.根据权利要求1所述的大跨度天基数据链的时分双工时隙调度方法，其特征在于，规划时分双工工作方式下节点天线的收发状态：时分双工工作方式下，将所有节点的天线在一帧中均规划为先发射、后接收的状态，并设置每帧中业务的总发送时长小于最小星间链路长度的传播时延；发射信号时，将节点天线处于发射状态的时间平均分为4份，利用空分特性，在每帧的发射状态中按照时隙调度顺序依次切换4个方向的天线进行发射；接收信号时，将4套天线同时切换为接收状态。