CN111294109B - 一种卫星通信信道资源分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多准则决策(MCDM)的卫星通信信道资源分配方法，通过对卫星通信信道资源分配策略进行设计和配置，建立分级MCDM模型，通过强制约束条件对获得的可用资源进行筛选，对满足强制约束条件的资源，依据卫星通信资源管理系统在不同场景下的策略要求，为各个非强制约束条件指标赋予不同的权重，对可用卫星通信资源进行综合排序，以排序结果作为可用资源候选排序，从而实现可用资源的合理评估，完成资源的合理分配。

Description

一种卫星通信信道资源分配方法
技术领域
本发明涉及卫星通信资源管理系统中信道资源的分配方法，属于卫星通信领域。具体地说，是一种卫星通信信道资源分配方法的设计。
背景技术
资源分配是卫星通信资源管理系统中的重要工作，主要研究在卫星空间段资源有限的情况下，针对各种不同的通信保障任务，采用有效的资源分配策略，优化卫星资源的分配。卫星通信具有许多其他通信方式无法比拟的优点，但是卫星通信资源十分紧张，所以在保障卫星通信系统中各类业务服务质量的同时，如何提高卫星通信资源的利用率，是卫星通信系统中需要解决的重要问题。
要解决这个问题，卫星通信资源分配需要综合考虑空间段可用资源及其覆盖特性、网络通信体制、地球站通信能力和行为特征、电磁干扰情况、保障区域气象信息以及资源历史使用情况等。当卫星通信资源管理系统收到通信保障任务申请时，首先需要对任务所需的资源总量进行计算，资源分配以此为输入对具体资源进行选择，通常情况下，有多个可用资源方案供通信保障任务选用。为提高分配资源的可用性、针对性和使用效率，本发明对资源分配过程中的策略进行设计和配置，基于策略信息进行资源分配方案的选择和优化，从而改善资源分配质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于MCDM(Multiple Criteria Decision Making，多准则决策)的卫星通信信道资源分配的方法，具体步骤如下：
S1.设计与配置相应的资源分配策略；
S2.根据S1步骤中设计的策略，从当前卫星通信资源中获取可用的资源集合；
S3.根据策略类型建立分级MCDM模型；
S4.对这些可用卫星资源进行综合排序；
S5.以排序结果作为可用资源分配顺序，为通信保障任务分配资源，并实时记录资源分配信息。
所述步骤S1中，进一步包含：设计与配置的资源分配策略有整波束分配策略、互调干扰最小分配策略、利用率最高分配策略、最佳匹配分配策略、时分频分互斥策略、载波连续策略和同址连续策略。
所述步骤S3中，进一步包含：在MCDM模型中，将强制约束作为第一阶段资源选择的强制约束条件，如果不满足强制约束条件，则该资源不能作为初始候选资源被分配。波束覆盖、整波束分配属于强制条件，而互调干扰最小、利用率最高、最佳分配策略、时分频分互斥策略、载波连续策略、同址连续策略都属于非强制约束条件，作为MCDM模型的一般性指标。
与现有技术相比，本发明的有益效果包含：
对多种资源分配过程中的策略进行设计和配置，有利于覆盖不同的资源分配场景和需求；
使用分级MCDM模型根据策略信息进行资源分配方案的选择和优化，有利于综合考虑各种资源分配策略；
支持在不同场景下定制MCDM模型中的各个指标的权重，能够提高分配资源的可用性、针对性和使用效率，从而改善资源分配质量。
附图说明
图1为本发明的卫星通信信道资源分配流程图。
图2为本发明的分级MCDM模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作更进一步的说明。
本发明提出一种基于MCDM的卫星通信资源分配方法，其流程如图1所示，具体步骤如下：
S1.设计与配置相应的资源分配策略。
根据空间段可用资源及其覆盖特性、网络通信体制、地球站通信能力和行为特征、电磁干扰情况、保障区域气象信息以及资源历史使用情况，设计与配置相应的资源分配策略，具体包含：
(1)整波束分配策略P1：先选择符合覆盖要求的通信卫星，再在该卫星上选择一个符合覆盖要求和频段要求的空闲波束，或在先回收已经分配出去的资源情况下，选择一个符合覆盖要求和频段要求的未执行任务的波束，最后在该波束转发器关联的功放上分配需要的功率资源。
当前转发器已经分配出去的所有资源集合为Ra＝{r1,r2,…,rn}，它们的中心频率集合为F＝{f1,f2,…,fn}。选取转发器的一段符合通信保障任务需求的空闲资源rk，其中心频率为fk。需要满足以下约束条件：(1)
Figure BDA0002380945070000031
fi≠fk，(2)
Figure BDA0002380945070000032
Figure BDA0002380945070000033
rk与ri之间不重叠，且存在信道间隔。
(2)互调干扰最小分配策略P2：先选择符合覆盖要求的通信卫星，再选择符合覆盖要求和频段要求的波束，最后在波束内选择符合频段要求的转发器，在转发器的频率资源范围内按互调干扰最小原则分配需要的频率带宽资源。
由于转发器的频率资源范围内存在正在使用的频率，该转发器的某些空闲频率会和正在使用的频率产生新的频率分量，即互调产物。互调干扰最小按照以下方法进行确定：
当前转发器已经分配出去的所有资源集合为Ra＝{r1,r2,…,rn}，它们的中心频率集合为F＝{f1,f2,…,fn}，选取转发器的一段符合通信保障任务需求的空闲资源rk，其中心频率为fk，需要满足以下约束条件：(1)
Figure BDA0002380945070000034
fi≠fk，(2)
Figure BDA0002380945070000035
Figure BDA0002380945070000036
rk与ri之间不重叠，且存在信道间隔；
Figure BDA0002380945070000037
计算fi和fk之间的三阶互调产物，互调产物的频点是：f’＝2fk–fi和f”＝2fi–fk；
Figure BDA0002380945070000038
计算互调产物与fi的距离，即d1(fi,f’)＝|fi,–f’|，d2(fi,f”)＝|fi,–f”|，得到一个距离集合D＝{d1(f1,f’),d1(f2,f’),…,d1(fk,f’),d2(f1,f”),d2(f2,f”),…,d2(fk,f”)}。
互调干扰最小分配策略就是找到一个可供分配的fk，使得集合D中大于阈值Δd的元素数量最多。该策略可以尽量减小互调产物带来的干扰。
(3)利用率最高分配策略P3：选择符合覆盖要求的通信卫星，选择符合覆盖要求和频段要求的波束，在波束内选择符合频段要求、满足资源分配范围需求和资源利用率最高的转发器，在转发器的可用频率资源范围内分配需要的频率带宽资源。
利用率最高分配策略用于提高转发器资源的利用率，优先选择那些资源利用率高的转发器。
(4)最佳匹配分配策略P4：选择符合覆盖要求的通信卫星，选择符合覆盖要求和频段要求的波束，在波束内选择符合频段要求的转发器。在这些转发器的所有可用频率资源范围内扫描寻找与所需频率带宽差额最小的频率带宽资源。
最佳匹配分配策略优先选择那些带宽差额最小的空闲频率带宽资源，可以减小剩余可用资源的碎片化。
(5)时分频分互斥策略P5：选择符合覆盖要求的通信卫星，选择符合覆盖要求和频段要求的波束，在波束内选择符合频段要求的转发器，在这些转发器的所有可用频率资源范围内扫描寻找与用户多址接入方式匹配的频率带宽资源。
在卫星通信资源管理系统中，转发器资源通常会预先设置给不同的多址接入方式使用，因此时分多址接入方式使用的资源与频分多址接入方式使用的资源需要互斥使用。因此时分频分互斥策略可以解决在这种场景下的资源分配问题。
(6)载波连续策略P6：选择符合覆盖要求的通信卫星，选择符合覆盖要求和频段要求的波束，在波束内选择符合频段要求的转发器。在这些转发器的所有可用频率资源范围内扫描寻找与上次分配信道连续、满足资源分配范围需求的频率带宽资源。
载波连续策略使得转发器连续的在相同的信道上分配资源，减小转发器频繁转换信道带来的开销。
(7)同址连续策略P7：针对一个资源需求量大且持续时间长的用户单位，进行资源分配时将该用户单位占用的资源尽量分配在一起，以便于后续该用户单位在其内部进行资源的调剂和分配。
S2.根据S1步骤中设计的各个策略，从当前卫星通信资源中分别获取对应的可用卫星资源集合，从而获得此次用于分配的资源集合R＝R1∩(R2∪R3∪R4∪R5∪R6∪R7)，其中Ri根据策略Pi得到的、当前所有可用的卫星通信资源的集合。同一个资源可能从不同策略得出，即对于一个资源r∈Ri，存在Rj，使得r∈Rj。如果R不为空集，则进入下一步骤；否则结束此次资源分配。
S3.根据策略类型建立分级MCDM模型，如图2所示，在MCDM模型中，通过强制约束条件对步骤S2获得的可用资源进行筛选，对满足强制约束条件的可用资源，再用所有非强制约束条件的加权组合进行排序。
本发明的分级MCDM模型包含强制约束和非强制约束两级，将强制约束作为第一阶段资源选择的强制约束条件，如果不满足强制约束条件，则该资源不能作为初始候选资源被分配。只有满足了强制约束条件的资源才能使用非强制约束条件进行排序。波束覆盖、整波束分配属于强制约束条件，而互调干扰最小、利用率最高、最佳分配策略、时分频分互斥策略、载波连续策略、同址连续策略都属于非强制约束条件，作为MCDM模型的一般性指标。使用花括号{}区分强制约束条件和非强制约束条件，得出本发明的分级MCDM模型为M＝{{P1},{P2,P3,P4,P5,P6,P7}}。
在实际资源分配实施中，依据卫星通信资源管理系统在不同场景下对策略要求的高低，为各个非强制约束条件指标赋予不同的权重，即非强制约束中各个策略的权重集合W＝{w2,w3,w4,w5,w6,w7}可以在卫星通信资源管理系统中进行定制。
举例而言，当前正在进行的通信业务较多，卫星通信资源管理系统已经分配出去许多资源，此时又来了一个新的资源分配请求。因该用户级别较高，系统管理员为避免新分配的频率与正在通信的频率之间产生互调干扰，因此其可以在定制权值的时候将w2设置得更高，而把其他权值设置较低，例如按1～5的权重区间，可将权重集合设置为W＝{5,1,1,1,1,1}。
S4.对步骤S3得到的可用卫星资源进行综合排序，综合排序使用所有非强制约束条件的加权组合方法，具体如下：
对于任一个资源r∈R，r所属的非强制约束条件权重集合为W’，则r的综合评分为sr＝∑w∈W’w。以此得到所有资源的综合评分，从而得到这些可用卫星资源的综合排序。
S5.以排序结果作为可用资源分配顺序，将排序最高的资源分配给当前通信保障任务，并实时记录资源分配信息。
对于那些已经分配并且尚未回收的资源，需要标记它们的状态为“占用”，“占用”状态的资源不能用于当前的资源分配。而一旦资源被回收，该资源则可用于本方法的资源分配当中。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种卫星通信信道资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.设计与配置相应的资源分配策略Pi，设计与配置相应的资源分配策略Pi包括整波束分配策略P1、互调干扰最小分配策略P2、利用率最高分配策略P3、最佳匹配分配策略P4、时分频分互斥策略P5、载波连续策略P6和同址连续策略P7；
S2.根据S1步骤中设计的各个策略，从当前卫星通信资源中分别获取对应的可用卫星资源集合，从而获得此次用于分配的资源集合R＝R1∩(R2∪R3∪R4∪R5∪R6∪R7)，其中Ri是根据资源分配策略Pi得到的、当前所有可用的卫星通信资源的集合，如果R不为空集，则进入下一步骤；否则结束此次资源分配；
S3.根据策略类型建立分级多准则决策(MCDM)模型：在多准则决策模型中，通过强制约束条件对步骤S2获得的可用资源进行筛选，对满足强制约束条件的可用资源，再用所有非强制约束条件的加权组合进行排序；依据卫星通信资源管理系统在不同场景下对策略要求的高低，为各个非强制约束条件指标赋予不同的权重；
S4.使用所有非强制约束条件的加权组合方法，对步骤S3得到的可用卫星资源进行综合排序：对于任一个资源r∈R，r所属的非强制约束条件权重集合为W’，则r的综合评分为sr＝∑w∈W’w，以此得到所有资源的综合评分，从而得到这些可用卫星资源的综合排序；
S5.以排序结果作为可用资源分配顺序，将排序最高的资源分配给当前通信保障任务，并实时记录资源分配信息。
2.如权利要求1所述的卫星通信信道资源分配方法，其特征在于，在步骤S1中，整波束分配策略P1，其步骤为：先选择符合覆盖要求的通信卫星，再在该卫星上选择一个符合覆盖要求和频段要求的空闲波束，或在先回收已经分配出去的资源情况下，选择一个符合覆盖要求和频段要求的未执行任务的波束，最后在该波束转发器关联的功放上分配需要的功率资源；
当前转发器已经分配出去的所有资源集合为Ra＝{r1,r2,…,rn}，它们的中心频率集合为F＝{f1,f2,…,fn}，选取转发器的一段符合通信保障任务需求的空闲资源rk，其中心频率为fk，其需要满足以下约束条件：(1)
Figure FDA0002734344720000011
fi≠fk，(2)
Figure FDA0002734344720000012
Figure FDA0002734344720000013
rk与ri之间不重叠，且存在信道间隔。
3.如权利要求1所述的卫星通信信道资源分配方法，其特征在于，在步骤S1中，互调干扰最小分配策略P2，其步骤为：先选择符合覆盖要求的通信卫星，再选择符合覆盖要求和频段要求的波束，最后在波束内选择符合频段要求的转发器，在转发器的频率资源范围内按互调干扰最小原则分配需要的频率带宽资源；互调干扰最小按照以下方法进行确定：
首先，当前转发器已经分配出去的所有资源集合为Ra＝{r1,r2,…,rn}，它们的中心频率集合为F＝{f1,f2,…,fn}，选取转发器的一段符合通信保障任务需求的空闲资源rk，其中心频率为fk，需要满足以下约束条件：(1)
Figure FDA0002734344720000021
fi≠fk，(2)
Figure FDA0002734344720000022
Figure FDA0002734344720000023
rk与ri之间不重叠，且存在信道间隔；
其次，计算可供分配的空闲资源的中心频率与已分配资源的中心频率的三阶互调产物频点，
Figure FDA0002734344720000024
计算fi和fk之间的三阶互调产物频点f’和f”，f’＝2fk–fi和f”＝2fi–fk，
Figure FDA0002734344720000025
计算三阶互调产物频点与fi的距离，即d1(fi,f’)＝|fi–f’|，d2(fi,f”)＝|fi–f”|，得到一个距离集合D＝{d1(f1,f’),d1(f2,f’),…,d1(fn,f’),d2(f1,f”),d2(f2,f”),…,d2(fn,f”)}；
最后，找到一个可供分配的fk，使得集合D中大于阈值Δd的元素数量最多。
4.如权利要求1所述的卫星通信信道资源分配方法，其特征在于，在步骤S1中，利用率最高分配策略P3，其步骤为：选择符合覆盖要求的通信卫星，选择符合覆盖要求和频段要求的波束，在波束内选择符合频段要求、满足资源分配范围需求和资源利用率最高的转发器，在转发器的可用频率资源范围内分配需要的频率带宽资源。
5.如权利要求1所述的卫星通信信道资源分配方法，其特征在于，在步骤S1中，最佳匹配分配策略P4，其步骤为：选择符合覆盖要求的通信卫星，选择符合覆盖要求和频段要求的波束，在波束内选择符合频段要求的转发器，在这些转发器的所有可用频率资源范围内扫描寻找与所需频率带宽差额最小的频率带宽资源。
6.如权利要求1所述的卫星通信信道资源分配方法，其特征在于，在步骤S1中，时分频分互斥策略P5，其步骤为：选择符合覆盖要求的通信卫星，选择符合覆盖要求和频段要求的波束，在波束内选择符合频段要求的转发器，在这些转发器的所有可用频率资源范围内扫描寻找与用户多址接入方式匹配的频率带宽资源，时分多址接入方式使用的资源与频分多址接入方式使用的资源需要互斥使用。
7.如权利要求1所述的卫星通信信道资源分配方法，其特征在于，在步骤S1中，载波连续策略P6，其步骤为：选择符合覆盖要求的通信卫星，选择符合覆盖要求和频段要求的波束，在波束内选择符合频段要求的转发器，在这些转发器的所有可用频率资源范围内扫描寻找与上次分配信道连续、满足资源分配范围需求的频率带宽资源。
8.如权利要求1所述的卫星通信信道资源分配方法，其特征在于，在步骤S1中，同址连续策略P7，其步骤为：针对一个资源需求量大且持续时间长的用户单位，进行资源分配时将该用户单位占用的资源尽量分配在一起。
9.如权利要求1所述的卫星通信信道资源分配方法，其特征在于，在步骤S3中，波束覆盖、整波束分配属于强制约束条件，互调干扰最小、利用率最高、最佳分配策略、时分频分互斥策略、载波连续策略、同址连续策略属于非强制约束条件。
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