CN112383343A - 一种基于集群用户地理位置的信道动态预留方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于集群用户地理位置的信道动态预留方法及系统。方法包括：将卫星波束的信道资源划分为一个以上预留信道和普通信道，预留信道的优先等级与用户的优先等级一一对应；循环执行S1－S4：S1，获取时间T后卫星波束新增覆盖区域内用户的预测位置；S2，根据新增覆盖区域内用户的预测位置对新增覆盖区域内的用户进行聚类划分，获得至少一个集群；S3，获得卫星波束覆盖至不同集群的时间；S4，在卫星波束覆盖至集群的时间到来之前，根据集群内用户的优先等级信息配置预留信道。实现在资源有限时确保高优先级用户不受影响，实现切换服务分级化体验，既能保证资源合理化高效利用，也能保证用户相应的体验。

Description

一种基于集群用户地理位置的信道动态预留方法及系统
技术领域
本发明涉及低轨卫星通信系统信道资源分配领域，特别是涉及一种基于集群用户地理位置的信道动态预留方法及系统。
背景技术
目前世界上具有移动通信功能的多波束低轨卫星系统主要有铱星二代。为实现对服务区的无缝覆盖，卫星多采用多波束覆盖设计，而且波束设计得越来越多，也越来越窄。由于低轨卫星运动速度快，单星过顶时间和单波束驻留时间都较短，因此用户需要频繁无感切换以保持QOS(Quality of Service，服务质量)良好的连续通信对星地通信的切换技术提出了更高要求。由于通信卫星的频率和功率资源比较宝贵，这些资源通常由系统中的所有用户共享，在卫星互联网应用中，业务类型多种多样，如何合理有效地分配和利用有限的无线资源，确保高优先级用户的QOS以及保证服务的连续性是需要解决的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于集群用户地理位置的信道动态预留方法及系统。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个目的，本发明提供了一种基于集群用户地理位置的信道动态预留方法，包括：将卫星波束的信道资源划分为一个以上预留信道和普通信道，所述预留信道设有不同的优先等级，所述预留信道的优先等级与用户的优先等级一一对应；在卫星运动过程中循环执行步骤S1-S4：步骤S1，获取时间T后卫星波束新增覆盖区域内用户的预测位置；步骤S2，根据新增覆盖区域内用户的预测位置对新增覆盖区域内的用户进行聚类划分，获得至少一个集群；步骤S3，结合卫星的运行轨迹和卫星波束的指向信息，获得卫星波束覆盖至不同集群的时间；步骤S4，在卫星波束覆盖至集群的时间到来之前，根据集群内用户的优先等级信息配置预留信道；所述时间T小于卫星过顶时间。
上述技术方案：针对卫星互联网中用户等级差异化和集群用户集中切换问题，提出了基于位置预测的等级化信道预留分配方法。首先将星上信道资源按优先级分类，对用户位置进行实时预测，然后通过聚类算法进行集群用户分类，最后结合卫星运行位置信息，预测集群用户发生波束间切换和星间切换的时刻，以集群为切换单位，能有效减少信令资源消耗，根据用户优先级提前预留好切换信道资源，以用户优先级作为标尺适时预留足额切换资源，适用于卫星互联网中用户多样性带来的服务等级差别化，实现在资源有限时确保高优先级用户不受影响，实现切换服务分级化体验，既能保证资源合理化高效利用，也能保证用户相应的体验。
在本发明的一种优选实施方式中，所述步骤S4具体为：将卫星波束覆盖至新增覆盖区域内不同集群的时间中的最小者作为时间阈值，在时间阈值到达之前根据新增覆盖区域内所有集群的用户优先等级信息配置预留信道。
上述技术方案：确保在波束切换时，已经预留好了信道。
在本发明的一种优选实施方式中，还包括：步骤一，当有新用户接入卫星波束时，若新用户没有优先等级，新用户竞争普通信道资源，若新用户有优先等级则分配与用户优先等级对应的预留信道；和/或步骤二，当卫星波束中有新信道释放时，优先作为预留信道。
上述技术方案：确保在资源有限时确保高优先级用户不受影响，实现切换服务分级化体验。
在本发明的一种优选实施方式中，所述步骤S1包括：获取输入信息，所述输入信息包括用户历史位置数据集、时间列数据集、用户终端类型、天气数据集；所述时间列数据集包括所有历史位置时间点以及当前时刻到时间T后的所有时间点；将输入信息输入至预先训练好的LSTM网络学习预测模型，LSTM网络学习预测模型输出用户在时间T后的预测位置。
上述技术方案：基于LSTM学习预测模型预测集群用户地理位置，利用历史大数据学习预测集群用户地理位置，实现资源适时动态预留，提升系统资源分配效率和资源利用率，充分考虑了低轨星座通信系统应用中集群用户集中切换请求导致信道资源短缺的问题。
在本发明的一种优选实施方式中，所述步骤S2包括：步骤S21，在时间T后新增覆盖区域内选择欧式距离最远的两个用户，另外选取分别距离所述两个用户最近的两个用户作为初始聚类中心；步骤S22，基于聚类质量目标函数进行聚类分组迭代运算，获得两个集群；所述聚类质量目标函数为：
Figure BDA0002770471360000031
其中，k表示分类的总集群个数，x表示用户点，ci表示第i组的聚类中心，Si表示第i组用户集合。
上述技术方案：能够快速划分出两个集群，且两个集群在新增覆盖区域内较为分散，能最大限度保证新增覆盖区域内用户划分进入两个集群中。
在本发明的一种优选实施方式中，在所述步骤S3中，结合卫星的运行轨迹和卫星波束的指向信息，获得卫星波束覆盖至不同集群的时间的过程为基于卫星的运行轨迹和卫星波束的指向信息获得卫星波束覆盖区域的中心点轨迹线；求取连接当前卫星波束覆盖区域中心点与集群中心点的线段在中心点轨迹线上的投影距离，所述投影距离除以卫星移动速度获得卫星波束覆盖至集群的时间。
上述技术方案：能够快速准确地估算出卫星波束覆盖至所述集群的时间。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个目的，本发明提供了一种基于本发明所述的基于集群用户地理位置的信道动态预留方法的系统，其特征在于，包括沿星座轨道运行的卫星、地面信关站和地面数据中心；所述卫星与用户终端无线连接，所述卫星接收用户终端上报的实时位置信息和优先等级信息，并通过地面信关站将实时位置信息和优先等级信息传输至地面数据中心，地面数据中心执行本发明所述的基于集群用户地理位置的信道动态预留方法获得预留信道配置信息，并通过地面信关站将所述预留信道配置信息传输至卫星。
上述技术方案：该系统采用地面数据中心将星上信道资源按优先级分类，对用户位置进行实时预测，通过聚类算法进行集群用户分类，结合卫星运行位置信息预测集群用户发生波束间切换和星间切换的时刻，根据用户优先级提前预留好切换信道资源，避免了卫星端进行运算耗费资源，实现了运算任务的合理分配，运算时间少，使得卫星能快速获得预留信道信息配置信息，系统确保预留信道配置信息能够实时跟进卫星运动。该系统以用户优先级作为标尺适时预留足额切换资源，适用于卫星互联网中用户多样性带来的服务等级差别化，实现在资源有限时确保高优先级用户不受影响，实现切换服务分级化体验，既能保证资源合理化高效利用，也能保证用户相应的体验。
附图说明
图1是本发明一具体实施方式中基于集群用户地理位置的信道动态预留方法的流程示意图；
图2是本发明一具体实施方式中集群用户发生切换的场景示意图；
图3是本发明一具体实施方式中基于集群用户地理位置的信道动态预留方法的切换性能示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明公开了一种基于集群用户地理位置的信道动态预留方法，在一种优选实施方式中，如图1所示，该方法包括：
将卫星波束的信道资源划分为一个以上预留信道和普通信道，预留信道设有不同的优先等级，预留信道的优先等级与用户的优先等级一一对应；在卫星运动过程中循环执行步骤S1-S4：
步骤S1，获取时间T后卫星波束新增覆盖区域内用户的预测位置；
步骤S2，根据新增覆盖区域内用户的预测位置对新增覆盖区域内的用户进行聚类划分，获得至少一个集群；
步骤S3，结合卫星的运行轨迹和卫星波束的指向信息，获得卫星波束覆盖至不同集群的时间；
步骤S4，在卫星波束覆盖至集群的时间到来之前，根据集群内用户的优先等级信息配置预留信道；
时间T小于卫星过顶时间。
在本实施方式中，优选的，本方法以时间T为执行周期，每经过时间T执行步骤S1-S4，故时间T应大于系统执行步骤S1-S4花费的时间，因此，T应该大于3秒。卫星过顶时间一般为2到3分钟。
在本实施方式中，在步骤S1中，获取用户预测位置的方法优选但不限于采用基于深度学习的方法。
在本实施方式中，预留信道可包含多个优先等级，每个优先等级可包含多个预留信道，普通信道为没有优先等级的用户竞争的信道资源。
在本实施方式中，卫星上设有至少一个波束，如图2所示，卫星S上设有1、2、3三个波束。对于卫星上每个波束的信道资源均可以采用上述方法进行分配。
在本实施方式中，在步骤S2中，优选但不限于采用现有的单聚类中心的K均值聚类算法，或多聚类中心的均值漂移聚类算法或BSCAN密度聚类算法对时间T后的新增覆盖区域内用户位置进行聚类划分，获得一个或一个以上的集群，一个聚类即一个集群。
在本实施方式中，星座中卫星的运行轨迹是确定的，当卫星上有多个卫星波束(如图2所示)，每个卫星波束的指向不同，随着卫星的一定，卫星的星下点会产生一个星下点轨迹线，每个卫星波束覆盖区域的中心点移动轨迹线在该卫星波束指向确定后也确定了，卫星波束覆盖区域的中心点移动轨迹线应与星下点轨迹线平行。在一种优选实施方式中，步骤S4具体为：
将卫星波束覆盖至新增覆盖区域内不同集群的时间中的最小者作为时间阈值，在时间阈值到达之前根据新增覆盖区域内所有集群的用户优先等级信息配置预留信道。
在本实施方式的一种应用场景中，如图2所示，卫星S具有1、2、3三个卫星波束，每个卫星波束指向不同，箭头方向为波束相对运动方向。以卫星S的卫星波束1的预留信道过程举例，将卫星S波束1的信道资源分类成高优先级预留信道Ω1，中优先级预留信道Ω2，低优先级预留信道Ω3和普通信道φ，其中，Ω1、Ω2、Ω3为切换预留信道，φ为竞争共享信道。
在本应用场景中，根据新增覆盖区域内用户的预测位置对新增覆盖区域内的用户进行聚类划获得两个集群g1和g2，g1和g2分别包含5个用户和3个用户。结合星座卫星的运行轨迹和波束指向信息，提前运算集群用户g1、g2切换进入波束1的时刻为T1和T2；对8个用户的优先级进行识别，包括1个高优先级用户，1个中优先级用户，3个低优先级用户和3个普通用户，在t≤T1和t≤T2时提前对Ω1、Ω2、Ω3进行动态增减预留，在有空闲信道时优先预留1个Ω1信道，其次1个Ω2信道，然后3个Ω3信道，其切换失败率相较于无预留策略时有明显降低，如图3所示。
在一种优选实施方式中，还包括：
步骤一，当有新用户接入卫星波束时，若新用户没有优先等级，新用户竞争普通信道资源，若新用户有优先等级则分配与用户优先等级对应的预留信道。
在一种优选实施方式中，还包括：
步骤二，当卫星波束中有新信道释放时，优先作为预留信道。
在一种优选实施方式中，步骤S1包括：
获取输入信息，输入信息包括用户历史位置数据集、时间列数据集、用户终端类型、天气数据集；
时间列数据集包括所有历史位置时间点以及当前时刻到时间T后的所有时间点；
将输入信息输入至预先训练好的LSTM网络学习预测模型，LSTM网络学习预测模型输出用户在时间T后的预测位置。
在本实施方式中，设LSTM网络学习预测模型为F，设用户历史位置数据集为ΨP，时间列数据集为ΨT，用户终端类型为type，天气数据集为Ψweather，则第k个用户的预测位置为：Pi＝F(ΨP,ΨT,type,Ψweather)。
在本实施方式中，LSTM网络学习预测模型的建立过程为：选取多个用户的历史位置数据、历史时间数据、历史天气、终端类型作为输入变量，以每个用户最后历史时刻的位置作为输出的预测位置变量构建样本集，在样本集中划分训练集和验证集；构建初始LSTM网络结构，初始LSTM网络结构优选但不限于参考公开号为CN111292563B的中国专利中所披露的LSTM神经网络结构，利用训练集对初始LSTM网络结构进行训练获得模型参数，利用验证集对训练后的LSTM网络结构进行验证，若验证合格，保留该模型参数，获得LSTM网络学习预测模型，若验证不合格，继续使用训练集对LSTM网络结构进行训练直到验证合格。
在一种优选实施方式中，步骤S2包括：
步骤S21，在时间T后新增覆盖区域内选择欧式距离最远的两个用户，另外选取分别距离两个用户最近的两个用户作为初始聚类中心；
步骤S22，基于聚类质量目标函数进行聚类分组迭代运算，获得两个集群；聚类质量目标函数为：
Figure BDA0002770471360000091
其中，k表示分类的总集群个数，x表示用户点，ci表示第i组的聚类中心，Si表示第i组用户集合，d(ci,x)表示聚类中心ci与x的欧式距离；设用户a和b之间的欧式距离定义为：
Figure BDA0002770471360000092
(ua1,ua2,ua3)、(ub1,ub2,ub3)分别为用户a和b的三维空间坐标。
在一种优选实施方式中，在步骤S3中，结合卫星的运行轨迹和卫星波束的指向信息，获得卫星波束覆盖至不同集群的时间的过程为：基于卫星的运行轨迹和卫星波束的指向信息获得卫星波束覆盖区域的中心点轨迹线；
求取连接当前卫星波束覆盖区域中心点与集群中心点的线段在中心点轨迹线上的投影距离，投影距离除以卫星移动速度获得卫星波束覆盖至集群的时间。
本发明还公开了一种基于上述基于集群用户地理位置的信道动态预留方法的系统，在一种优选实施方式中，该系统包括沿星座轨道运行的卫星、地面信关站和地面数据中心；卫星与用户终端无线连接，卫星接收用户终端上报的实时位置信息和优先等级信息，并通过地面信关站将实时位置信息和优先等级信息传输至地面数据中心，地面数据中心执行上述基于集群用户地理位置的信道动态预留方法获得预留信道配置信息，并通过地面信关站将预留信道配置信息传输至卫星。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于集群用户地理位置的信道动态预留方法，其特征在于，包括：
将卫星波束的信道资源划分为一个以上预留信道和普通信道，所述预留信道设有不同的优先等级，所述预留信道的优先等级与用户的优先等级一一对应；在卫星运动过程中循环执行步骤S1－S4：
步骤S1，获取时间T后卫星波束新增覆盖区域内用户的预测位置；
步骤S2，根据新增覆盖区域内用户的预测位置对新增覆盖区域内的用户进行聚类划分，获得至少一个集群；
步骤S3，结合卫星的运行轨迹和卫星波束的指向信息，获得卫星波束覆盖至不同集群的时间；
步骤S4，在卫星波束覆盖至集群的时间到来之前，根据集群内用户的优先等级信息配置预留信道；
所述时间T小于卫星过顶时间。
2.如权利要求1所述的基于集群用户地理位置的信道动态预留方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
将卫星波束覆盖至新增覆盖区域内不同集群的时间中的最小者作为时间阈值，在时间阈值到达之前根据新增覆盖区域内所有集群的用户优先等级信息配置预留信道。
3.如权利要求1所述的基于集群用户地理位置的信道动态预留方法，其特征在于，还包括：
步骤一，当有新用户接入卫星波束时，若新用户没有优先等级，新用户竞争普通信道资源，若新用户有优先等级则分配与用户优先等级对应的预留信道；
和/或步骤二，当卫星波束中有新信道释放时，优先作为预留信道。
4.如权利要求1所述的基于集群用户地理位置的信道动态预留方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
获取输入信息，所述输入信息包括用户历史位置数据集、时间列数据集、用户终端类型、天气数据集；
所述时间列数据集包括所有历史位置时间点以及当前时刻到时间T后的所有时间点；
将输入信息输入至预先训练好的LSTM网络学习预测模型，LSTM网络学习预测模型输出用户在时间T后的预测位置。
5.如权利要求1所述的基于集群用户地理位置的信道动态预留方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S21，在时间T后新增覆盖区域内选择欧式距离最远的两个用户，另外选取分别距离所述两个用户最近的两个用户作为初始聚类中心；
步骤S22，基于聚类质量目标函数进行聚类分组迭代运算，获得两个集群；所述聚类质量目标函数为：
Figure FDA0002770471350000021
其中，k表示分类的总集群个数，x表示用户点，ci表示第i组的聚类中心，Si表示第i组用户集合。
6.如权利要求1所述的基于集群用户地理位置的信道动态预留方法，其特征在于，在所述步骤S3中，结合卫星的运行轨迹和卫星波束的指向信息，获得卫星波束覆盖至不同集群的时间的过程为：
基于卫星的运行轨迹和卫星波束的指向信息获得卫星波束覆盖区域的中心点轨迹线；
求取连接当前卫星波束覆盖区域中心点与集群中心点的线段在中心点轨迹线上的投影距离，所述投影距离除以卫星移动速度获得卫星波束覆盖至集群的时间。
7.一种基于权利要求1－6之一所述的基于集群用户地理位置的信道动态预留方法的系统，其特征在于，包括沿星座轨道运行的卫星、地面信关站和地面数据中心；
所述卫星与用户终端无线连接，所述卫星接收用户终端上报的实时位置信息和优先等级信息，并通过地面信关站将实时位置信息和优先等级信息传输至地面数据中心，地面数据中心执行权利要求1－6之一所述的基于集群用户地理位置的信道动态预留方法获得预留信道配置信息，并通过地面信关站将所述预留信道配置信息传输至卫星。
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