CN112929974B - 一种高效tdma卫星资源分配方法 - Google Patents

Abstract

一种高效TDMA卫星资源分配方法，包括：结合超帧长度、时隙长度对时隙资源进行分割，形成多个隔舱，每个隔舱包括多个时隙，隔舱大小根据网络需要承载的实时业务的时延抖动要求确定：隔舱数量G=⌈P/(D*C)⌉，P为超帧长度，Tncr为时隙长度，D为业务时延抖动要求，C为NCR的时钟频率；超帧中总时隙数量Nt=⌊P/Tncr⌋；若G能整除Nt，隔舱大小N=Nt/G；否则，生成长度为N1的隔舱和长度为N2的隔舱，N1=⌊Nt/G⌋，N2=N1+1，长度为N1的隔舱个数M1=N2*G‑Nt，长度为N2的隔舱个数M2=G‑M1，两种隔舱在时间上交替排列；根据请求时隙量，在所有的隔舱中均衡地选取时隙资源进行分配。分配时隙的时间复杂度更加优秀，在能够保证时延抖动要求的情况下，更容易实现、更容易进行时隙资源整理。

Description

一种高效TDMA卫星资源分配方法

技术领域

本发明涉及卫星通信，尤其与一种高效TDMA卫星资源分配方法相关。

背景技术

TDMA技术被广泛应用于现代通信卫星系统中。在TDMA系统中时隙的分配的特性，如分配量和分配位置等，会在一定程度上影响业务传输。在时延要求较高的业务场景下，不同的分配策略就会有明显的区别。

如图1所示是实时语音业务发送示意图，假设一个VoIP报文可由一个时隙发送，现有报文序列P1、P2、P3、……。当时隙连续分配时，如图1a，时隙资源集中分配，没有时隙时，到达发送队列的VoIP报文不能及时发送，造成VoIP业务发送时延抖动；时隙均匀分配时，如图1b，时隙在一段时间内均匀分布，VoIP报文能尽可能的及时发送，从而消除业务时延抖动。综上所述，在分配量足够，业务报文等时间间隔达到的前提下，业务时延抖动程度直接取决于业务时隙分配疏密程度。

在高符号速率下，在分配周期下的时隙量非常大，若完全均匀分配时隙，时隙管理复杂度会增加，时隙分配失败的概率会增加；同时，在实际业务传输过程中，实时业务具有固有的时延抖动，并且大多数实时业务都有缓存，所以时隙分配引入的抖动在实时业务的容忍度之内即可，故没必要完全均匀的分配时隙。

发明内容

本发明主要针对上述相关现有技术的不足与缺陷，提供一种高效TDMA卫星资源分配方法，分配时隙的时间复杂度更加优秀，在能够保证时延抖动要求的情况下，更容易实现、更容易进行时隙资源整理。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术：

一种高效TDMA卫星资源分配方法，包括步骤：

结合超帧长度、时隙长度对时隙资源进行分割，形成多个隔舱，每个隔舱包括多个时隙，隔舱大小根据网络需要承载的实时业务的时延抖动要求确定；

根据请求时隙量，在所有的隔舱中均衡地选取时隙资源进行分配。

进一步，隔舱大小通过以下方法确定：

隔舱数量G=⌈P/(D*C)⌉，⌈⌉为向上取整，P为超帧长度，以NCR时钟计数为单位，Tncr为时隙长度，以NCR时钟计数为单位，D为业务时延抖动要求，单位s，C为NCR的时钟频率；

超帧中总时隙数量Nt=⌊P/Tncr⌋，⌊⌋为向下取整；

若G能整除Nt，则隔舱大小N = Nt/G；

否则，生成两种长度的隔舱，长度为N1的隔舱和长度为N2的隔舱，N1=⌊Nt/G⌋，N2=N1+1，长度为N1的隔舱个数M1=N2*G-Nt，长度为N2的隔舱个数M2=G-M1，两种隔舱在时间上交替排列。

进一步，时隙长度通过以下方式确定：时隙长度使用带宽时间单元BTU来衡量，BTU的长度为固定的符号数量S；设时隙长度为L，时隙的符号长度Ls = L*S；设载波符号速率为R，时隙的时间长度T=Ls/R；设NCR的时钟频率为C，时隙的NCR时钟计数长度Tncr=T*C。

进一步，超帧长度使用NCR时钟计数确定：计算不同种类远端站时频校正周期的最大公约数P，以NCR时钟计数为单位，设最小校正周期为Pmin，如果P< Pmin，则令P=Pmin，以P作为超帧长度。

进一步，根据请求时隙量，在所有的隔舱中均衡地选取时隙资源进行分配，包括步骤：

计算请求时隙量；

生成分配树：将划分好的隔舱按顺序编号，然后以序号的二进制序列的逆序序列进行编组，生成树的叶子节点为各资源隔舱，树上每个节点用于记录其后代中所包含的剩余时隙量；

确定分配顺序：在生成的分配树上进行分枝内排序，当增量请求时：步骤a、若本节点不是叶子节点，则继续，否则将自己放入待分配隔舱序列中，返回；步骤b、从根节点开始，若左孩子剩余时隙量大于右孩子的，则优先遍历左子树，否则优先遍历右子树；步骤c、返回；当缩量/释放请求时：根据步骤b中剩余时隙量大的后遍历即可确定顺序，使资源量趋于饱和的优先释放；

分配时隙：在确定分配顺序的待分配隔舱序列中依次循环的选择时隙，直到将请求时隙量选择完成，即请求时隙量归零时完成分配；

在分配时隙完成后，生成时隙分配结果，并将分配结果记录到系统内存中，并通过信令发送分配结果。

进一步，请求时隙量通过如下方式计算：Y=⌈(Ri/E)/(L*S)⌉，⌈⌉为向上取整，Y为请求时隙量，Ri为请求速率，单位bps，E为当前调制码率时隙的bit效率，L为时隙长度，S为带宽时间单元BTU的符号长度。

进一步，高效TDMA卫星资源分配方法还包括步骤：在所有的隔舱中均衡地选取时隙资源进行分配后，对时隙资源进行整理：在每个隔舱内对时隙进行紧致化处理，将已分配时隙按统一个方向挪动到没有间隔时隙为止。

本发明有益效果在于：

1、相比于现有技术的时隙分配方法的时间复杂度O（N²），本申请通过隔舱法分配时隙的时间复杂度更优：在载波总时隙量为N，隔舱数量G，G远小于N，G<<N时，生成分配树的时间复杂度为O（Glog2（G）），确定分配顺序的时间复杂度为O（G），时隙分配的时间复杂度为O（N），总时间复杂度为O（Glog2（G））+ O（G）+ O（N），而一般情况下G远小于N，即可认为最终总时间复杂度为O（N），即为线性时间复杂度；

2、本申请通过“隔舱法”，在能够保证时延抖动要求的情况下，更容易实现、更容易进行时隙资源整理；可以实现时延抖动可控，具体时延抖动性质由G的大小确定；

3、相比于现有技术，本申请的方案对时隙数量N没有约束，不要求时隙量必须为2^n（2幂）；

4、本申请的方案在分配时隙资源时使用，终端站得到的时隙计划即为最终分配结果，无需对时隙位置进行重新映射，且不受限于终端站的硬件处理能力，同时对终端硬件处理能力没有任何额外要求，降低了终端站处理时隙计划的压力；

5、本申请的方案实现简单，同时可以完全兼容DVB-RCS2标准。

附图说明

本文描述的附图只是为了说明所选实施例，而不是所有可能的实施方案，更不是意图限制本发明的范围。

图1为本申请实施例的现有技术关于实时语音业务发送的时隙分配示意图。

图2为本申请实施例的高效TDMA卫星资源分配方法流程图。

图3为本申请实施例的超帧分隔为隔舱的原理图情况一。

图4为本申请实施例的超帧分隔为隔舱的原理图情况二。

图5为本申请实施例的对时隙资源进行分割形成多个隔舱的流程图。

图6为本申请实施例的两种隔舱大小在时间上交错排列的示意图。

图7为本申请实施例的时隙资源分配流程图。

图8为本申请实施例生成的分配树示意图。

图9为本申请实施例的确定分配顺序示意图。

图10为为本申请实施例的分配时隙示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本实例提供一种高效TDMA卫星资源分配方法，总体流程，如图2所示。

先通过载波资源配置进行规划时隙，然后存储到时隙计划缓存并发送时隙计划，根据时隙计划和资源请求处理，从缓存读取时隙计划进行时隙分配，并将分配结果分发。

本实例中，主要采用了“隔舱法”进行，在规划时隙的阶段和分配阶段起作用。

规划阶段：结合超帧长度、时隙长度对时隙资源进行分割，形成多个隔舱，每个隔舱包括多个时隙，隔舱大小根据网络需要承载的实时业务的时延抖动要求确定。

分配阶段：根据请求时隙量，在所有的隔舱中均衡地选取时隙资源进行分配。

隔舱法原理说明如下：

假设，超帧总共包含8个时隙资源，超帧时间长度1秒；业务P平均1秒需要2个时隙（1个时隙可以传1个报文），假设在流量整形后报文等间隔时间的到达发送队列，则有报文序列{ P1~Pn }；

现将超帧分割2个组（隔舱），每个组中含有4个时隙（已分配给业务P的时隙为T1、T2），那么：

较好情况下，如图3所示：P0、P2使用T1时隙，时延为3个时隙；P1、P4使用T2时隙，时延为3个时隙；平均时延为3个时隙的时间长度，此时最大时延抖动为0。

最糟情况下，如图4所示：P0、P2使用T1时隙，时延为4个时隙；P1使用T2时隙，时延为7个时隙；平均时延为5.5个时隙的时间长度，最大时延抖动为正负1.5个时隙的时间长度，此时分配引入到业务P的时延抖动为3个时隙的时间长度。

将时隙资源分割后，在最糟情况下产生的时延抖动（3个时隙）不超过隔舱的时间长度（4个时隙），故，使用隔舱分割资源后，保证为业务在每个隔舱都分得时隙资源，可以限制业务的时延抖动。

下面详细说明本实例方法的详细流程

一、时隙规划

结合超帧长度、时隙长度对时隙资源进行分割，形成多个隔舱，每个隔舱包括多个时隙，隔舱大小根据网络需要承载的实时业务的时延抖动要求确定，包括如下步骤，如图5所示：

1、确定时隙长度：根据DVB-RCS2标准的定义，时隙长度使用带宽时间单元BTU来衡量，BTU的长度为固定的符号数量S；设时隙长度为L，时隙的符号长度Ls = L*S；设载波符号速率为R，时隙的时间长度T=Ls/R；设NCR的时钟频率为C，时隙的NCR时钟计数长度Tncr=T*C。

本实例在同一个载波上规划的业务时隙长度一致。

2、确定超帧长度：根据DVB-RCS2标准的定义，超帧长度使用NCR时钟计数确定的。由于远端站时间频率校正周期要求各异，远端站每一个校正周期内至少需要一次发送控制突发的机会（即，需要一个控制时隙）。如果超帧长度大于任一一个远端站的同步周期，这将需要在一个超帧内为此远端站分配多个控制时隙，这将导致控制时隙的分配难度上升，分配冲突概率增加，这样不仅对分配的算法的性能有影响，也会影响时隙资源的利用率和网络的容量。

本实例以超帧为单位来衡量远端站的同步周期。超帧长度使用NCR时钟计数确定：计算不同种类远端站时频校正周期的最大公约数P，以NCR时钟计数为单位，设最小校正周期为Pmin，如果P< Pmin，则令P=Pmin，以P作为超帧长度，所有远端站的校正周期就是超帧的整数倍了。不同时频校正周期的远端站种类是有限的，这里P采用辗转相除法求得。

3、隔舱大小通过以下方法确定：

隔舱数量G=⌈P/(D*C)⌉，⌈⌉为向上取整，P为超帧长度，以NCR时钟计数为单位，Tncr为时隙长度，以NCR时钟计数为单位，D为业务时延抖动要求，单位s，C为NCR的时钟频率；

超帧中总时隙数量Nt=⌊P/Tncr⌋，⌊⌋为向下取整；

若G能整除Nt，则隔舱大小N = Nt/G；

否则，生成两种长度的隔舱，长度为N1的隔舱和长度为N2的隔舱，N1=⌊Nt/G⌋，N2=N1+1，长度为N1的隔舱个数M1=N2*G-Nt，长度为N2的隔舱个数M2=G-M1，两种隔舱在时间上交替排列。

4、生成时隙计划：根据前面的到的时隙长度、超帧长度、以及隔舱大小生成时隙计划，通过信令广播，并缓存到系统内存中；若在计算隔舱大小时出现两类隔舱，则隔舱不同类型的隔舱在时间上应该交替排列，如图6。

二、时隙分配

根据请求时隙量，在所有的隔舱中均衡地选取时隙资源进行分配，包括如下步骤，如图7所示：

1、计算请求时隙量

按照DVB-RCS2对资源请求信令的定义，请求量是使用信息速率来计量的。请求时隙量通过如下方式计算：Y=⌈(Ri/E)/(L*S)⌉，⌈⌉为向上取整，Y为请求时隙量，Ri为请求速率，单位bps，E为当前调制码率时隙的bit效率，L为时隙长度，S为带宽时间单元BTU的符号长度。

2、生成分配树：将划分好的隔舱按顺序编号，然后以序号的二进制序列的逆序序列进行编组生成分配树，如图8所示为8隔舱情况下的分配树（隔舱数量不一定是偶数，任何整数都行，为便于描述这里使用8个隔舱进行举例），生成树的叶子节点就是各资源隔舱，树上每个节点将记录其后代中所包含的剩余时隙量。

3、确定分配顺序：该步骤主要为了实现个隔舱中的资源负载均衡。在生成的分配树上进行“分枝内排序”。增量请求时：

a.若本节点不是叶子节点，则继续，否则将自己放入待分配隔舱序列中，返回；

b.从根节点开始，若左孩子剩余时隙量大于右孩子的，则优先遍历左子树，否则优先遍历右子树；

c.返回。

如图9所示，在确定顺序之前，由分配树确定的待分配隔舱序列为：0-4-2-6-1-5-3-7。确定分配顺序后，待分配隔舱序列为：2-6-0-4-1-5-7-3。

在进行缩量请求（即释放）时，上述流程的b过程中剩余时隙量大的后遍历即可确定顺序，资源量趋于饱和的优先释放。

4、分配时隙：在确定好顺序的待分配隔舱序列中依次循环的选择时隙，直到将需求时隙量选择完成，即时隙请求量归零时完成分配。

如图10所示，以分配10个时隙为例：第一轮分配在八个隔舱中分别选择了一个时隙作为端站的资源，第二轮分配中分别在2号和6号隔舱中为端站选择了1个时隙，中共10个时隙，完成分配；在整个扫描过程中，最大的循环次数就是载波时隙总量N。

5、生成时隙分配结果：将分配结果记录到系统内存中，并通过信令发送分配结果。

三、时隙资源整理

在所有的隔舱中均衡地选取时隙资源进行分配后，对时隙资源进行整理：

由于采用了隔舱设计，在整理时隙时仅需要在每个隔舱内对时隙资源进行紧致化处理即可，即，已分配时隙按统一个方向挪动到没有间隔时隙为止。整理后的资源可以提高在隔舱内搜索时隙的效率，因为选择时隙时可以整段跳过已分配的时隙资源，减少搜索次数。

本申请的实施例在执行分配流程时，对资源隔舱（即由一组相邻时隙组成的资源块）进行分组映射，然后再分配时隙资源，不要求时隙量必须为2^n（2幂）。并且本专利的方法是在时隙分配阶段实现，不受限于终端站的硬件处理能力，同时对终端硬件处理能力没有任何额外要求。

本申请的实施例不需要参数多个映射方案才能决策出优化解，不用考虑所有时隙分配量情况下所有组合的均方误差和，而是不直接对时隙进行重新映射，简化算法复杂度，对资源隔舱（即由一组相邻时隙组成的资源块）进行分组映射，并且不苛求均分误差和最小，但实现上更为简单，时间复杂度也更优，并且同样能够做到时延抖动可控。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种高效TDMA卫星资源分配方法，其特征在于，包括步骤：

结合超帧长度、时隙长度对时隙资源进行分割，形成多个隔舱，每个隔舱包括多个时隙，隔舱大小根据网络需要承载的实时业务的时延抖动要求确定；

根据请求时隙量，在所有的隔舱中均衡地选取时隙资源进行分配，包括：

计算请求时隙量：通过如下方式计算：Y=⌈(Ri/E)/(L*S)⌉，⌈⌉为向上取整，Y为请求时隙量，Ri为请求速率，单位bps，E为当前调制码率时隙的bit效率，L为时隙长度，S为带宽时间单元BTU的符号长度；

生成分配树：将划分好的隔舱按顺序编号，然后以序号的二进制序列的逆序序列进行编组，生成树的叶子节点为各资源隔舱，树上每个节点用于记录其后代中所包含的剩余时隙量；

确定分配顺序：在生成的分配树上进行分枝内排序，当增量请求时：步骤a、若本节点不是叶子节点，则继续，否则将自己放入待分配隔舱序列中，返回；步骤b、从根节点开始，若左孩子剩余时隙量大于右孩子的，则优先遍历左子树，否则优先遍历右子树；步骤c、返回；当缩量/释放请求时：根据步骤b中剩余时隙量大的后遍历即可确定顺序，使资源量趋于饱和的优先释放；

分配时隙：在确定分配顺序的待分配隔舱序列中依次循环的选择时隙，直到将请求时隙量选择完成，即请求时隙量归零时完成分配。

2.根据权利要求1所述的高效TDMA卫星资源分配方法，其特征在于，隔舱大小通过以下方法确定：

隔舱数量G=⌈P/(D*C)⌉，⌈⌉为向上取整，P为超帧长度，以NCR时钟计数为单位，Tncr为时隙长度，以NCR时钟计数为单位，D为业务时延抖动要求，单位s，C为NCR的时钟频率；

超帧中总时隙数量Nt=⌊P/Tncr⌋，⌊⌋为向下取整；

若G能整除Nt，则隔舱大小N = Nt/G；

否则，生成两种长度的隔舱，长度为N1的隔舱和长度为N2的隔舱，N1=⌊Nt/G⌋，N2=N1+1，长度为N1的隔舱个数M1=N2*G-Nt，长度为N2的隔舱个数M2=G-M1，两种隔舱在时间上交替排列。

3. 根据权利要求1所述的高效TDMA卫星资源分配方法，其特征在于，时隙长度通过以下方式确定：时隙长度使用带宽时间单元BTU来衡量，BTU的长度为固定的符号数量S；设时隙长度为L，时隙的符号长度Ls = L*S；设载波符号速率为R，时隙的时间长度T=Ls/R；设NCR的时钟频率为C，时隙的NCR时钟计数长度Tncr=T*C；

超帧长度使用NCR时钟计数确定：计算不同种类远端站时频校正周期的最大公约数P，以NCR时钟计数为单位，设最小校正周期为Pmin，如果P< Pmin，则令P=Pmin，以P作为超帧长度。

4.根据权利要求1所述的高效TDMA卫星资源分配方法，其特征在于，根据请求时隙量，在所有的隔舱中均衡地选取时隙资源进行分配，还包括步骤：在分配时隙完成后，生成时隙分配结果，并将分配结果记录到系统内存中，并通过信令发送分配结果。

5.根据权利要求1所述的高效TDMA卫星资源分配方法，其特征在于，所述分配方法还包括步骤：在所有的隔舱中均衡地选取时隙资源进行分配后，对时隙资源进行整理：在每个隔舱内对时隙进行紧致化处理，将已分配时隙按统一个方向挪动到没有间隔时隙为止。

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