CN111769865A - 一种基于星地协同处理的资源管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于星地协同处理的资源管理方法，包括如下步骤：S1、随机产生波束对应的初始资源分配方案，以随机将该波束覆盖下的部分用户业务分配给星上处理、剩余用户业务分配给地面处理，计算初始综合优化目标值；S2、对初始资源分配方案进行多轮预调整直至满足预设的调整停止条件，保留最小的综合优化目标值对应的资源分配方案；S3、按照最终的资源分配方案将当前波束覆盖下的所有用户业务分配给星上处理或地面处理，并调整用户链路和馈电链路的功率配置。本发明综合了波束覆盖下的业务类型分布、业务QoS保障需求及用户信道质量等，对波束覆盖下的业务进行星地协同处理分配，最大化利用网络资源以获得最小的平均时延和最大吞吐量。

Description

一种基于星地协同处理的资源管理方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体来说，涉及无线通信技术领域中的无线资源动态管理，更具体地说，涉及多波束卫星通信网络中的星地协同资源管理方法。

背景技术

当前卫星系统受承载能力的限制，通信载荷多采用弯管式透明转发载荷，且在资源管理上采用简单易实现的固定资源分配方法。固定资源分配方法缺乏资源灵活分配的能力，无法有效应对波束覆盖下的业务变化，导致资源管理器的资源利用效率低。另外，由于卫星轨道距离地面的高度较远，卫星网络中的业务传输时延通常比较大，对保障用户QoS面临难题。基于这些缺点，领域内研究学者对星上处理技术进行了研究，包括引入星上处理载荷、星上缓存等技术，允许部分业务如语音、多媒体文件传输等业务在星上进行处理，以降低业务传输时延。

针对卫星网络中用户业务传输时延大，资源管理器利用率低的问题，卫星领域学者从星上处理技术，包括星上处理架构、星上缓存技术等角度出发进行研究，探讨了这些技术在降低业务时延方面的作用。但是，没有进一步探讨这些技术对提升无线资源利用率的作用，比如对于改善波束吞吐量，降低丢包率等关键性能指标的作用，并且忽略了星上资源包括计算资源、存储资源以及星上馈电和用户链路的无线资源联合进行分配时，能够在降低时延、提升波束吞吐量等方面带来的增益。因此，针对上述研究的不足，在考虑卫星通信网络中对时延敏感的典型实时类业务如语音、视频的基础上，以优化网络业务平均传输时延、波束吞吐量等为优化目标，在联合使用星上计算资源、存储资源及无线资源等前提下，进行星地协同资源管理方法设计以此提升卫星通信网络的资源利用率具有重要的意义。

发明内容

因此，为了达到上述目的，本发明提供一种基于星地协同处理的资源管理方法，建立多目标资源优化问题模型，根据星上处理器的能力、星上缓存的能力以及星上用户、馈电链路的资源进行星地联合分析，在考虑多个综合优化目标的前提下，进行联合资源分配，优化业务时延及波束吞吐。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的第一方面，提供一种基于星地协同处理的资源管理方法，用于配置卫星系统中的用户链路、馈电链路的功率以及用户业务的星地传输方案，其中，将星上计算能力平均分配给用户链路的每一个波束，用户链路的每一个波束对应馈电链路中的一个载波，所述资源管理方法包括在某个波束被分配到的星上计算能力不能满足该波束覆盖下所有用户业务需求时执行步骤S1、S2和S3。

步骤S1、随机产生该波束对应的初始资源分配方案，以随机将该波束覆盖下的部分用户业务分配给星上处理、剩余用户业务分配给地面处理，计算初始资源分配方案对应的初始综合优化目标值；其中，资源分配方案包括当前波束覆盖下的每个用户业务的传输模式，所述传输模式包括单跳模式和双跳模式，其中，单跳模式是指用户业务在星上处理，双跳模式是指用户业务在地面处理；其中，所述综合优化目标值为当前波束覆盖下的所有用户业务的平均传输时延与所有用户业务的吞吐量的负值之和，不同的资源分配方案对应的综合优化目标值不同。

卫星网络中波束覆盖下的用户业务的平均传输时延通过如下方式计算：

其中，

表示波束i覆盖下的所有用户的平均传输时延，N_i,m表示波束i覆盖下的用户数量，M是用户的集合，

表示波束i覆盖下的用户m的平均传输时延且通过如下方式计算；

其中，

表示波束i覆盖下的用户m的第q个数据包从起始地开始发送到用户接收到数据包经历的传输时延，N_i,m,q表示用户m传递的总数据包个数，且不同类型的用户业务数据包在不同传输模式下的传输时延不同，不同类型的用户业务数据包在不同传输模式下的传输时延通过如下方式计算：

其中，t_trans1表示用户链路传输时延，t_trans2表示馈电链路传输时延，ε_i,m∈{1,2,3,4}表示不同用户业务使用的传输模式，ε_i,m＝1表示波束i覆盖下的用户m对应的业务为语音业务且传输模式为单跳模式，ε_i,m＝2表示波束i覆盖下的用户m对应的业务为语音业务且传输模式为双跳模式，ε_i,m＝3 表示波束i覆盖下的用户m对应的业务为语音业务且传输模式为单跳模式，ε_i,m＝4表示波束i覆盖下的用户m对应的业务为语音业务且传输模式为双跳模式。

卫星网络中波束覆盖下的用户业务的吞吐量通过如下方式计算：

其中，N_T表示卫星网络中系统运行的时间长度，单位是时隙个数，N_i,m表示波束i覆盖下的用户数量，δ_i,m(t)表示当前时隙t是否分配给用户m， 0表示不分配，1表示分配，并且一个时隙最多只能分配给一个用户；

表示当前时隙t分配给用户m时可获得的容量值，其中，

表示波束i的载波带宽，α为成型滤波器的滚降因子取值范围，

为用户m在采用第mcs种调制编码方案时的频谱效率。

所述用户业务包括语音类用户业务和视频类用户业务，一个用户同时只能支持一种类型业务的传输，所述综合优化目标值为：

F＝ω₁f₁(t)+ω₂f₂(t)+ω₃f₃(t)+ω₄f₄(t)

且

且

f₃(t)＝-T_i(t)且

f₄(t)＝-T_i(t)且

其中，f₁(t)为时隙t波束覆盖下所有语音类用户业务的平均传输时延，ω₁为所有语音类用户业务的时延优化权重，f₂(t)为时隙t所有视频类用户业务的平均传输时延，ω₂为所有视频类用户业务的时延优化权重，f₃(t)为时隙t所有语音类用户业务的吞吐量的负值，ω₃为所有语音类用户业务的吞吐量优化权重，f₄(t)为时隙t所有视频类用户业务的吞吐量的负值，ω₄为所有视频类用户的吞吐量优化权重。

S2、对初始资源分配方案进行多轮预调整直至满足预设的调整停止条件，其中，每轮预调整包括：随机产生新的资源分配方案，基于新的资源分配方案调整馈电链路和用户链路的功率配置以使馈电链路的载波提供的容量等于当前波束覆盖下需要经过馈电链传输的用户业务需求的容量，按照新的资源分配方案将用户业务分配给星上处理或本地处理，计算该随机产生的新的资源分配方案对应的综合优化目标值，并将其与本轮预调整前的资源分配方案对应的综合优化目标值进行比较，将小的综合优化目标值对应的资源分配方案作为此轮预调整结果。在每轮预调整中，基于新的资源分配方案调整馈电链路和用户链路的功率配置包括：在当前资源分配方案下，将星上已经分配给馈电链路中当前波束对应载波且因用户业务调整到星上处理而富余的部分功率协调到用户链路中的当前波束；其中，馈电链路所有载波信号发射功率和用户链路所有波束信号发射功率之和等于星上发射功率。优选的，以0.5dB为调整步长将星上已经分配给馈电链路中当前波束对应载波且因用户业务调整到星上处理而富余的部分功率协调到用户链路中的当前波束，进行多次调整直至馈电链路中当前波束对应的载波提供的容量等于当前波束覆盖下需要经过馈电链传输的用户业务需求的容量，且馈电链路的信息容量小于或等于用户链路的吞吐量。

在本发明的一些实施例中，采用模拟退火算法从预设的初始温度开始进行多轮预调整并在预设的停止温度停止调整。优选的，模拟退火算法预设的初始温度为10，温度衰退因子为0.99，预设的停止温度为10^-7，。

S3、按照最终的预调整结果对应的资源分配方案将当前波束覆盖下的所有用户业务分配给星上处理或地面处理，并调整用户链路和馈电链路的功率配置。

在本发明的一些实施例中，基于文件访问流行度，将流行度排行靠前的多个视频文件缓存在星上缓存，其中，缓存在星上缓存的视频文件个数等于星上缓存的大小；某个波束覆盖下命中星上缓存文件的视频类用户业务在分配给该波束的星上计算能力还有剩余时被分配为星上处理。

根据本发明的第二方面，提供一种基于星地协同处理的资源管理系统，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述电子设备实现如本发明第一方面所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明为了满足资源管理技术的实际使用需求，设计了具体的协同资源算法执行流程，基于优化目标模型，可以求出当前网络场景中的优化资源分配方案；通过本发明的星地协同资源分配技术，可以综合波束覆盖下的业务类型分布，业务QoS保障需求及用户信道质量等关键信息进行分析，在考虑改善业务平均时延，波束平均吞吐情况下，结合星上的处理能力、缓存能力和用户、馈电链路的无线资源等情况，与地面管理器协同分配，对波束覆盖下的业务进行星地处理分配，最大化利用网络资源以获得最小的平均时延和最大吞吐量。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为根据本发明实施例的基于星地协同处理的资源管理方法的用户业务传输模式示意图；

图2为根据本发明实施例的基于星地协同处理的资源管理方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的目的是解决多波束卫星网络中，业务传输时延大，资源管理器利用率低的问题，提出基于星地协同处理的资源分配方法。本发明在保障用户业务QoS的基础上联合考虑了星上计算能力、星上缓存能力及星上无线资源协调能力，并与地面资源管理器协同进行资源分配，以提升资源利用效率。

需要说明的是，全球移动卫星网络主要由卫星(GEO satellite)、地面关口站(GW)、配置在核心网中的地面控制中心(NCC)和地面网络管理中心(NMC)、用户终端(UT)构成。卫星通信系统的基本通信链路由用户链路、卫星节点、馈电链路连接互通。其中，卫星与用户终端时间的用户链路上有多个波束，在传输体制上,下行采用TDM的多址方式，单波束可以使用多子载波，每个波束覆盖多个用户终端，用户按照时间来共享下行的带宽、时隙、功率等资源；卫星与地面关口站之间的馈电链路上有多个载波，每个载波对应用户链路上的一个波束，载波与其对应的用户链路上的波束形成一条通信链路，各个通信链路之间的资源不会相互占用；另外，卫星网络系统采用频率复用技术来提升频率资源的利用率。

如背景技术所提到的，资源星上资源包括计算资源、存储资源以及星上馈电和用户链路的无线资源，下面分别介绍本发明如何对星上资源的协调分配以实现资源的合理化利用。

1、星地计算资源协调管理

星上计算资源能力是指星上计算载荷处理能力，由于受限于卫星的承载能力，星上的功率资源要弱于地面设备，导致星上计算载荷处理能力弱。因此星上通常采用透明转发模式，用户的信令、数据都不会在星上进行处理，而是直接在用户和GW之间透明转发，无论是语音业务、文件或视频等业务都要落地到GW中进行处理，但是透明转发的模式存在缺陷：一方面，增大了业务的平均传输时延；另一方面，增大了对馈电链路的吞吐量需求。随着星上载荷计算技术的不断增强，这种情况在不断改善，星上已经可以承担一部分业务处理、资源管理的功能，通过业务星上处理，可以减少业务在馈电传输带来的时延和吞吐量的开销。但是，总的来说星上的处理载荷能力还是要远弱于地面处理器。为了对协同机制的性能进行量化分析，假设地面GW的处理能力是CC，即GW同时可处理CC条业务，定义星上处理能力因子为c∈(0,1]，其表示星上处理能力和GW处理能力之间的关系，则星上可同时支持c×CC个业务的处理。根据卫星系统的设计，星上计算资源通常是平均分配给每一个波束，例如，假设卫星包含N_b个波束，则每个波束被分到的星上资源对应的计算能力为c×CC/N_b，每个波束之间的资源相互独立。对卫星通信系统来说，星上计算资源仍然是稀缺资源，尤其是无法保证星上的能力可以处理覆盖区内所有用户业务时，星地之间的资源管理器需要协调哪些业务走星上处理、哪些业务走地面关口站处理才能保障资源合理化使用。

2、星地存储资源管理

星上存储资源指的是星上缓存资源，对于缓存资源能力来说，与计算资源相同，星上的缓存同样受限，无法将核心网中存储业务的服务器上所有的业务文件都放到星上存储。根据文件访问流行度(即所有文件中，用户访问文件的热度排名)，将排名靠前的部分文件放到星上进行存储。假设地面存储系统的总文件数为N_f，星上缓存大小为Cache_Size，单位为文件个数。由现有研究可知，用户文件流行度服从Zipf概率密度分布，可表示如下：

其中，z为[0.6,1.2]之间的常数，则可以将用户流行度排行最高的前 Cache_Size个文件存到星上。当某个波束覆盖下的用户发起视频文件业务请求时，命中星上缓存区的文件概率服从上述分布。如果没有命中，则由 GW负责进行业务传输，如果命中了星上缓存中的文件，在星上计算资源充足的情况下可进行星上数据传输。当星上负载重、计算资源不充足时，仍需要结合当前星上业务的服务情况进行分析，确定该命中的文件走星上进行传输是否会造成性能指标的下降或上升，综合评价后再做决策，决定业务该如何传输。

3、空口无线资源协调管理

对于用户链路和馈电链路的无线资源(也叫空口无线资源)来说，主要指带宽、功率等资源，无线资源通过载波的形式承载用户链路、馈电链路中的信息传输。信息的传输方向分为上行方向和下行方向，假设上行和下行采用全双工模式(frequency divisionduplexing,FDD)，上行和下行独立传输，且带宽资源大小相等。其中，上行指的是用户链路的终端发送到卫星接收方向，及馈电链路的卫星发送到关口站接收方向；下行指的是馈电链路的GW发送到卫星接收方向，及用户链路的卫星发送到用户接收。为了方便理解，用户链路的总带宽表示为

馈电链路的总带宽表示为

在组网上，用户链路采用频率复用技术，复用因子为fr，则每个波束的可用载波带宽为

其中fr取值为3、4、7中的一个。馈电链路每个载波对应一个用户链路波束的信息传递，则馈电链路载波带宽为

N_b为卫星的波束数量。星上发射机的总功率表示为P_tot，由于卫星发射机功率用于信号发射，包括用户链路下行的信号发射及馈电链路上行信号的发射，而用户链路上行的是由终端发射信号卫星接收机进行接收，不消耗卫星发射机功率，同理馈电链路下行信号是由地面关口站发射，卫星接收，不消耗卫星的发射机功率，则星上发射机的功率主要分为下行用户链路第i个波束的发送功率，表示为

以及馈电链路传递第 i个波束信号的载波的发射功率，表示为

且

根据卫星系统设计的一级规划，在卫星系统设计完成后，就对星上功率的分配进行了规划，不同波束之间、不同波束对应的载波之间均不能相互占用功率资源，在同一个通信链路中的载波可将其自身富余的功率资源协调到其对应的用户链路中的波束。当部分用户业务在星上传输时，不用经过馈电链路落地处理，可以降低馈电链路的信息容量需求，那么节省出来的星上带宽和功率可以用于用户链路的下行传输，提高资源利用率。考虑到实际卫星系统中，带宽变化会带来载波重分配的影响，本发明定义用户链路、馈电链路之间的带宽资源不可调整，仅考虑功率的协调优化分配。

4、星地网络中业务的传输时延和吞吐量

本发明星地协同的目的是对星上和地面资源进行分配，确定用户业务哪些在星上处理，哪些在地面处理，才能使资源最大化利用，以获得最小平均传输时延和波束最大吞吐量。

其中，卫星网络中某个波束i覆盖下的用户业务的平均传输时延通过如下方式计算：

其中，

表示波束i覆盖下的所有用户的平均传输时延，N_i,m表示波束i覆盖下的用户数量，M是用户的集合，

表示波束i覆盖下的用户m的平均传输时延且通过如下方式计算；

其中，

表示波束i覆盖下的用户m的第q个数据包从起始地开始发送到用户接收到数据包经历的传输时延，N_i,m,q表示用户m传递的总数据包个数，且不同类型的用户业务数据包在不同传输模式下的传输时延不同。图1示出了不同传输模式对应的传输路径，在卫星网络中，用户业务的数据传输主要包含2种传输路径，对应传输模式为单跳传输和双跳传输，其中，单跳传输对应的是星上处理，用户终端作为发送源，通过用户将业务数据包发送给卫星，卫星处理完成之后通过用户链路将数据回传给用户终端，不经过地面关口站；双跳传输对应的是地面处理，用户终端作为发送源，通过用户链路将业务数据包发送给卫星，卫星通过馈电链路将业务数据包转发给地面关口站进行处理，地面关口站处理完成之后通过馈电链路将数据发送给卫星，卫星通过用户链路将数据转发给用户终端。本发明主要考虑将语音类业务和视频类业务放在星上处理以提高资源利用率和降低传输时延，因此，在本发明中用户业务类型包含语音类业务和视频类业务，由此，不同类型的用户业务数据包在不同传输模式下的传输时延通过如下方式计算：

其中，t_trans1表示用户链路传输时延，t_trans2表示馈电链路传输时延，ε_i,m∈{1,2,3,4}表示不同用户业务使用的传输模式，ε_i,m＝1表示波束i覆盖下的用户m对应的业务为语音业务且传输模式为单跳模式，ε_i,m＝2表示波束i覆盖下的用户m对应的业务为语音业务且传输模式为双跳模式，ε_i,m＝3 表示波束i覆盖下的用户m对应的业务为语音业务且传输模式为单跳模式，ε_i,m＝4表示波束i覆盖下的用户m对应的业务为语音业务且传输模式为双跳模式。由于地面关口站和核心网之间有线连接，传输时延非常小，可以不考虑。

卫星网络中波束i覆盖下的用户业务的吞吐量通过如下方式计算：

其中，N_T表示卫星网络中系统运行的时间长度，单位是时隙个数，N_i,m表示波束i覆盖下的用户数量，δ_i,m(t)表示当前时隙t是否分配给用户m， 0表示不分配，1表示分配，并且一个时隙最多只能分配给一个用户；

表示当前时隙t分配给用户m时可获得的容量值，其中，

表示波束i的载波带宽，α为成型滤波器的滚降因子取值范围，

为用户m在采用第mcs种调制编码方案时的频谱效率。

对当前波束i覆盖下的业务进行星地协同分配的目的是为了获得最优的用户业务传输方案以获得最低的传输时延和最高的吞吐量。

5、星地网络中业务QoS保障调度机制

本发明主要考虑语音、视频等时延敏感类型实时业务，在资源分配时，只要能够满足这两类业务QoS保障的最低需求，那么业务的质量就能得到保障。因此，本发明的目标是在满足业务QoS保障的前提下，对星地资源进行协同分配以获得最小平均传输时延和最大吞吐量

其中，为了保障不同类型的业务在本文星地协同网络中能够正常传输，对业务的服务质量进行参数化定义。常见的QoS调度机制可以分为三种： 1)紧急调度机制；2)平均水平保障调度机制；3)按优先级调度机制。

QoS调度机制可用数学模型进行表示，在每个时隙t进行业务调度时，对应的QoS保障需求的最小传输比特数为：

其中，Q_i,m(t)表示时隙t时，波束i中给用户m分配的队列中排队的总的包个数，s_i,m,q表示用户m的业务队列中第q个数据包的尺寸(单位bit)， e_i,m,q指示用户第q个数据包的到期时间(单位为时隙)，该值的初始值是进入队列时的业务QoS调度时延间隔要求，每间隔一个调度时间更新一次，如果没有被调度则减掉已排队的时间，如果降低到0还没被调度，则说明该包的QoS无法保障，该包丢弃。β∈{0,1,∞}，用于指示QoS调度器的保障策略，当β＝0时，表示采用机制1；当β＝1时，表示采用机制2；当β＝∞时，表示采用机制3。

受限于用户信道条件(即用户SINR值，信号干扰噪声比)，当时隙t分配给不同的用户时，能够承载的传输比特数不同，时隙t分配给用户m时，可获得的容量值为

表示为：

其中，

表示波束i的载波带宽，α为成型滤波器的滚降因子，取值范围(0.15，0.35)，

为用户m在采用第mcs种调制编码方案时的频谱效率。可由当前用户测量到的SINR值，根据不同调制编码方案的门限要求进行频谱效率查询，

的查询方法用公式可表示为：

其中，Γ_mcs表示用户m使用第mcs种调制编码方案的最小门限值要求，用户的SINR值必须大于该门限值，才能使用第mcs种调制编码方式，对应的频谱效率见表1。

表1调制编码方案

定义在时隙t时刻，业务队列中需要传递的数据包的最大速率为

即一个时隙内传完队列中所有排队的数据包的速率，

则为满足对应QoS调度策略配置下的业务保障，分配给用户的信息容量应该满足如下约束：

如果无法满足上述条件，说明用户队列数据包堆积严重，传输过程中无法满足QoS保障的调度时延要求，系统会产生丢包。

本发明的基于星地协同处理的资源管理方法的优化目标主要是在保障业务传输QoS的前提下，最小化网络中业务平均传输时延，并最大化波束吞吐量。因此，资源管理的优化问题是一个多目标优化问题，综合前述分析，可以描述如下：

opt.minf＝(f₁(t),...,f_x(t)) (1)

约束(1)表示星地协同处理的资源管理优化目标；约束(2)表示馈电链路的信息容量应该小于或等于用户链路的吞吐量，另外，馈电链路的容量应该大于或等于用户链路中需要经过馈电链路传输到信关站的用户业务的吞吐量(用T_i ^fl,m(t)表示，即T_i(t)中采用双跳通信模式的用户业务的吞吐量)；约束(3)表示馈电链路和用户链路的总功率不能超过星上载荷的总功能；约束(4)表示当前时隙t最多只能同时分配给一个用户；约束 (5)表示星上处理的业务不能超过星上的处理能力；约束(6)表示调度

数据包时要考虑业务QoS保障。

综合优化目标可表示为：

minF＝ω₁f₁(t)+ω₂f₂(t)+ω₃f₃(t)+ω₄f₄(t)

且

且

f₃(t)＝-T_i(t)且

f₄(t)＝-T_i(t)且

其中，f₁(t)为时隙t波束覆盖下所有语音类用户业务的平均传输时延，ω₁为所有语音类用户业务的时延优化权重，f₂(t)为时隙t所有视频类用户业务的平均传输时延，ω₂为所有视频类用户业务的时延优化权重，f₃(t)为时隙t所有语音类用户业务的吞吐量的负值，ω₃为所有语音类用户业务的吞吐量优化权重，f₄(t)为时隙t所有视频类用户业务的吞吐量的负值，ω₄为所有视频类用户的吞吐量优化权重。权重的值可根据工程中对业务分配的需要选取，例如，星上资源更倾向于分配给语音类业务，则对应的语音类业务优化权重值可大于视频类业务，反之亦然。

根据本发明的一个实施例，如图2所示，提供一种基于星地协同处理的资源管理方法，包括如下步骤：

步骤T1、进行卫星网络系统配置参数读取，场景初始化。

在该步骤中，读取卫星网络中计算资源能力、缓存资源能力、用户链路和馈电链路无线资源等基本配置信息，读取波束覆盖下用户的信息如用户数量、各用户需求的业务类型、用户SINR分布等信息。

根据本发明的一个实施例，波束覆盖下的用户随机分布，按照ITU-R S.672-4天线模型设计覆盖场景，波束中心用户与边缘用户的SINR相差最大，可达到3dB。分别判断每个波束覆盖下的用户业务量，如果有视频类业务需求，分别计算每个波束覆盖下命中星上缓存文件的个数，对于每个波束i计算其覆盖下的所有用户业务是否超过其被分到的星上资源对应的计算能力c×CC/N_b，如果该波束i覆盖下的所有用户业务没有超过 c×CC/N_b，则该波束覆盖下的命中星上缓存的视频类业务以及所有语音类业务走星上处理，没有命中星上缓存的视频类业务走地面处理；如果该波束i覆盖下的所有用户业务超过c×CC/N_b，则需要对该波束i覆盖下的业务进行星地协同分配，执行步骤T2。

步骤T2、根据当前波束i覆盖下的用户业务，生成随机业务分配初始化解X_i,0，可表示为X_i,0＝([ε_i,0,ε_i,1,…,ε_i,m])，其中，ε_i,m∈{1,2,3,4}表示不同类型的用户业务使用的传输模式，对语音、视频等业务的传输方式进行随机分配，其中，视频业务需要根据命中率判断，计算当前初始化解对应的综合优化目标F。X_i,0表示波束i覆盖下的所有用户业务的传输模式初始化时随机分配方案，即用户业务在星上处理或是地面处理是完全随机的，然后统计这种分配方案下的性能指标，然后根据当前无线资源信息、用户 SINR分布，结合公式上述公式计算当前配置下的业务平均传输时延、预计的用户链路业务的平均吞吐，并计算当前综合优化目标F的值。综合优化目标F指的是当前需要进行星地协同分配的波束i覆盖下的所有用户业务的平均传输时延与所有用户业务的吞吐量的负值之和。

步骤T3、在初始化分配方案X_i,0的基础上，进行多次预调整，以获得最优的分配方案。

根据本发明的一个实施例，采用模拟退火算法(SA算法)进行预调整计算。选取模拟退火算法的初始温度t_s，模拟退火算法的初始温度通常要多次时延根据效果确定，根据本发明的一个实施例，本发明中模拟退火算法的初始温度为10。

步骤T4、随机生成业务分配解即新的分配方案X_new。

步骤T5、根据通信标准中对语音、视频等业务的QoS业务速率保障要求，计算X_new方案下，需要经过馈电链路传输的所有用户业务对馈电载波信息容量的需求，表示为

然后根据馈电链路中载波的带宽、功率计算馈电载波实际提供的信息容量，表示为

并判断

是否成立，如果是，表明馈电资源有富余，则在满足约束2和约束3的基础上，并保证用户链路和馈电链路总功率不超过星上发射功率的前提下协调馈电链路的功率到用户链路，每次调整步长取 0.5dB，每进行一步调整后，需重复步骤T5，直到馈电链路的载波提供的容量刚好满足用户业务的需求，保存新的星上功率分配方案，在调整过程中，如某次调整后不再满足约束2和约束3，即使馈电资源仍有富余，也不再进行调整。

步骤T6、更新用户SINR分布参数，结合前述公式(1)-(6)计算当前配置下的业务平均传输时延、预计的用户链路业务的平均吞吐量，并计算当前综合优化目标F_new的值。

步骤T7、比较综合优化目标F与F_new的值，如果F_new＜F，则接受新的方案为优化解，保存该方案下所有的资源分配信息；此外，为了避免计算结果快速收敛到局部最小值，需要以一定的概率做随机决策，探索不同的收敛路径，当结果不好时，即F_new≥F时，如果满足条件exp[(F-F_new)/t_s]＞random(0,1) 时，仍接受F_new为最优解，否则保留F为最优解，不接受F_new，其中exp表示以自然常数e为底的指数函数，random表示在(0，1)范围内产生一个随机数。

步骤T8、进行退温操作，即t_s+1＝λt_s，s＝s+1，其中，λ是温度衰退因子，取值范围(0,1)，值越大温度衰退越慢，其具体取值由使用场景确定，本发明中，λ取值0.99。

步骤T9：判断是否满足终止条件，终止条件为t_s+1≤t_stop，其中，t_stop是终止温度。

根据本发明的一个实施例，终止温度与初始温度的比值为10^-6，如果不满足终止条件，则跳转到步骤T5，如果满足终止条件，则继续下一步。

步骤T10：根据最新的优化资源分配方案F_new，配置用户链路、馈电链路以及用户所有业务的星地传输分配方案等，并基于本文的QoS调度器，即约束(2)～(6),开始在新方案下进行业务传输过程。

本发明综合考虑波束覆盖下用户业务分布、业务QoS保障、用户信道条件等关键因素，以最小化用户业务的平均传输时延和最大化波束吞吐量为目标，建立多目标优化问题分析模型，并基于模拟退火算法设计星地协同资源分配方法的求优化问题解的实施流程。与现有技术相比较，本发明提出的星地协同管理方法，可以有效降低网络用户业务平均传输时延，提升波束吞吐量，同时改善用户业务的QoS质量。本发明实际是一种通过星上无线资源管理器(radio resource management,RRM)和地面GW中的 RRM联合分配，来优化用户业务的平均传输时延、提升波束吞吐量、保障业务QOS等卫星通信关键性能指标的机制，该机制可以合理的对星上受限的计算资源、缓存资源及空口无线资源进行优化分配。

需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (13)

1.一种基于星地协同处理的资源管理方法，用于配置卫星系统中的用户链路、馈电链路的功率以及用户业务的星地传输方案，其中，将星上计算能力平均分配给用户链路的每一个波束，用户链路的每一个波束对应馈电链路中的一个载波，所述资源管理方法包括在某个波束被分配到的星上计算能力不能满足该波束覆盖下所有用户业务需求时执行如下步骤：

S1、随机产生该波束对应的初始资源分配方案，以随机将该波束覆盖下的部分用户业务分配给星上处理、剩余用户业务分配给地面处理，计算初始资源分配方案对应的初始综合优化目标值；

S2、对初始资源分配方案进行多轮预调整直至满足预设的调整停止条件，其中，每轮预调整包括：随机产生新的资源分配方案，基于新的资源分配方案调整馈电链路和用户链路的功率配置以使馈电链路的载波提供的容量等于当前波束覆盖下需要经过馈电链传输的用户业务需求的容量，按照新的资源分配方案将用户业务分配给星上处理或本地处理，计算该随机产生的新的资源分配方案对应的综合优化目标值，并将其与本轮预调整前的资源分配方案对应的综合优化目标值进行比较，将小的综合优化目标值对应的资源分配方案作为此轮预调整结果；

S3、按照最终的预调整结果对应的资源分配方案将当前波束覆盖下的所有用户业务分配给星上处理或地面处理，并调整用户链路和馈电链路的功率配置。

2.根据权利要求1所述的资源管理方法，其特征在于，资源分配方案包括当前波束覆盖下的每个用户业务的传输模式，所述传输模式包括单跳模式和双跳模式，其中，单跳模式是指用户业务在星上处理，双跳模式是指用户业务在地面处理。

3.根据权利要求2所述的资源管理方法，其特征在于，

所述综合优化目标值为当前波束覆盖下的所有用户业务的平均传输时延与所有用户业务的吞吐量的负值之和。

4.根据权利要求3所述的资源管理方法，其特征在于，卫星网络中波束覆盖下的用户业务的平均传输时延通过如下方式计算：

其中，

表示波束i覆盖下的所有用户的平均传输时延，N_i,m表示波束i覆盖下的用户数量，M是用户的集合，

表示波束i覆盖下的用户m的平均传输时延且通过如下方式计算；

其中，

表示波束i覆盖下的用户m的第q个数据包从起始地开始发送到用户接收到数据包经历的传输时延，N_i,m,q表示用户m传递的总数据包个数，且不同类型的用户业务数据包在不同传输模式下的传输时延不同，不同类型的用户业务数据包在不同传输模式下的传输时延通过如下方式计算：

其中，t_trans1表示用户链路传输时延，t_trans2表示馈电链路传输时延，ε_i,m∈{1,2,3,4}表示不同用户业务使用的传输模式，ε_i,m＝1表示波束i覆盖下的用户m对应的业务为语音业务且传输模式为单跳模式，ε_i,m＝2表示波束i覆盖下的用户m对应的业务为语音业务且传输模式为双跳模式，ε_i,m＝3表示波束i覆盖下的用户m对应的业务为语音业务且传输模式为单跳模式，ε_i,m＝4表示波束i覆盖下的用户m对应的业务为语音业务且传输模式为双跳模式。

5.根据权利要求4所述的资源管理方法，其特征在于，

卫星网络中波束覆盖下的用户业务的吞吐量通过如下方式计算：

其中，N_T表示卫星网络中系统运行的时间长度，单位是时隙个数，N_i,m表示波束i覆盖下的用户数量，δ_i,m(t)表示当前时隙t是否分配给用户m，0表示不分配，1表示分配，并且一个时隙最多只能分配给一个用户；

表示当前时隙t分配给用户m时可获得的容量值，其中，

表示波束i的载波带宽，α为成型滤波器的滚降因子取值范围，

为用户m在采用第mcs种调制编码方案时的频谱效率。

6.根据权利要求5所述的资源管理方法，其特征在于，

所述用户业务包括语音类用户业务和视频类用户业务，一个用户同时只能支持一种类型业务的传输，所述综合优化目标值为：

F＝ω₁f₁(t)+ω₂f₂(t)+ω₃f₃(t)+ω₄f₄(t)

且

且

f₃(t)＝-T_i(t)且

f₄(t)＝-T_i(t)且

其中，f₁(t)为时隙t波束覆盖下所有语音类用户业务的平均传输时延，ω₁为所有语音类用户业务的时延优化权重，f₂(t)为时隙t所有视频类用户业务的平均传输时延，ω₂为所有视频类用户业务的时延优化权重，f₃(t)为时隙t所有语音类用户业务的吞吐量的负值，ω₃为所有语音类用户业务的吞吐量优化权重，f₄(t)为时隙t所有视频类用户业务的吞吐量的负值，ω₄为所有视频类用户的吞吐量优化权重。

7.根据权利要求1所述的资源管理方法，其特征在于，

在每轮预调整中，基于新的资源分配方案调整馈电链路和用户链路的功率配置包括：在当前资源分配方案下，将星上已经分配给馈电链路中当前波束对应载波且因用户业务调整到星上处理而富余的部分功率协调到用户链路中的当前波束；其中，馈电链路所有载波信号发射功率和用户链路所有波束信号发射功率之和等于星上发射功率。

8.根据权利要求7所述的资源管理方法，其特征在于，

以0.5dB为调整步长将星上已经分配给馈电链路中当前波束对应载波且因用户业务调整到星上处理而富余的部分功率协调到用户链路中的当前波束，进行多次调整直至馈电链路中当前波束对应的载波提供的容量等于当前波束覆盖下需要经过馈电链传输的用户业务需求的容量，且馈电链路的信息容量小于或等于用户链路的吞吐量。

9.根据权利要求1所述的资源管理方法，其特征在于，采用模拟退火算法从预设的初始温度开始进行多轮预调整并在预设的停止温度停止调整。

10.根据权利要求9所述的资源管理方法，其特征在于，模拟退火算法预设的初始温度为10，温度衰退因子为0.99，预设的停止温度为10^-7，。

11.根据权利要求1所述的资源管理方法，其特征在于，所述资源管理方法还包括：

基于文件访问流行度，将流行度排行靠前的多个视频文件缓存在星上缓存，其中，缓存在星上缓存的视频文件个数等于星上缓存的大小；

某个波束覆盖下命中星上缓存文件的视频类用户业务在分配给该波束的星上计算能力还有剩余时被分配为星上处理。

12.一种基于星地协同处理的资源管理系统，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述电子设备实现如权利要求1至11中任一项所述方法的步骤。

13.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上包含有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现权利要求1至11任一所述方法的步骤。

Images